混凝土结构设计-结构设计的一般原则和方法

这张思维导图整理了结构设计的一般原则和方法一章的相关知识点，内容包括：结构设计一般原则，荷载，功能要求和极限状态，近似概率极限状态设计法，实用设计表达式。

混凝土结构设计

• 混凝土结构设计的一般原则和方法
  • 建筑结构设计的一般原则
    • 建筑结构的组成与类型
      • 上部结构
        • 水平结构体系
          • 楼盖、屋盖，承受楼、屋面的竖向荷载，并把竖向荷载传递给竖向结构体系；把作用在各层处的水平力传递和分配给竖向结构体系。
        • 竖向结构体系
          • 承受楼、屋盖传来的竖向力和水平力并将其传递给下部结构，抗侧力结构体系。
      • 下部结构
        • 室外地面为界
        • 地下室、基础等。把上部传来的力可靠的传给天然地基或人工地基
      • 结构类型
        • 结构材料
          • 砌体结构
          • 混凝土结构
          • 钢结构
          • 组合结构
            • 结构构建由共同工作的两种或两种以上结构材料组成的结构
              • 型钢-混凝土梁、柱等构成的钢-混凝土组合结构
          • 混合结构
            • 整个结构由两种或两种以上结构材料构成，但结构构件采用同一种结构材料。单层厂房，屋盖钢结构、柱和基础是混凝土结构的钢-混凝土混合结构。
        • 竖向结构体系
          • 排架结构
          • 框架结构
          • 剪力墙结构
          • 框架-剪力墙结构
          • 筒体结构
    • 设计的阶段和内容
      • 勘察
      • 设计
        • 初步设计-方案设计
          • 地基、上下部结构设计方案，技术经济比较，可行的结构方案，结构设计关键问题技术措施
        • 技术设计
          • 结构平面布置、竖向布置；整体荷载效应分析，受力特殊部分结构分析；主要构造措施 重要、薄弱部位技术措施
        • 施工图设计
          • 准确完整结构平面布置图，结构构件和构件连接计算配筋和构造图，施工图，计算书，重要建筑的竣工图
      • 施工
    • 设计的一般原则
      • 安全、适用、耐久
        • 功能要求，“三性”
      • 经济合理
  • 建筑结构荷载
    • 作用与荷载
      • 作用
        • 使结构产生内力或变形的原因
        • 直接作用
          • 荷载
        • 间接作用
          • 混凝土收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加变形或约束的原因
          • 与外界因素和结构本身的特性有关
      • 作用效应，荷载效应-load effect
        • 结构上的作用使结构产生的内力（弯矩、剪力、轴力、扭矩等）、变形、裂缝等
    • 荷载分类
      • 按作用时间长短和性质
        • 永久荷载-恒荷载
          • permanent load
            • 在设计使用期内，其值不随时间而变化，或其变化与平均值相比可忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。
              • 结构自重、土压力、预应力
        • 可变荷载-活荷载
          • variable load
            • 在结构设计基准期内其值随时间而变化，其变化与平均值相比不可忽略的荷载
              • 楼面活载、吊车荷载、风荷载、雪荷载
        • 偶然荷载
          • accidental load
            • 在设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载
              • 爆炸力、撞击力
      • 空间位置的变异
        • 固定荷载
          • 固定设备、水箱
        • 移动荷载
          • 楼面上人群荷载、吊车荷载、车辆荷载
      • 结构对荷载的反映性质
        • 静力荷载
          • 结构自重、楼面活荷载、雪荷载
        • 动力荷载
          • 设备振动、吊车荷载、风荷载、车辆刹车、撞击力、爆炸力
      • 设计基准期-design reference period
        • 为确定可变作用等取值而选用的时间参数。《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定，统一规定为50年
      • 设计使用年限
        • 设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限
    • 荷载代表值-representative value ofload
      • 一些荷载（可变荷载）随时间具有变异性，而设计中很难直接考虑其变异过程，这时一般根据不同的设计要求以及相应的极限状态和荷载效应组合的要求，规定不同的荷载代表值
      • 标准值-基本代表值-characteristic value
        • 在结构的使用期间（一般结构的设计基准期为50年）可能出现的最大荷载值
        • 永久荷载标准值
          • 如结构自重，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对于自重变异性较大的构件（现场制作的保温材料、混凝土薄壁构件等,尤其是制作屋面的轻质材料），自重标准值应根据对结构的不利状态取上限值或下限值
        • 可变荷载标准值
          • 有足够统计资料，根据其最大荷载的统计分布按一定保证率取其上限分位数。实际荷载统计困难时，可根据长期工程经验确定一个协议值作为荷载标准值
      • 组合值-combination value
        • 可变荷载的组合值
          • 对于两种或两种以上可变荷载同时作用时，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率能与荷载单独作用时相应超越概率趋于一致的荷载值，可变荷载组合值系数ψc
      • 频遇值-frequent value
        • 在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率，或超越频率为规定频率的荷载值，可变荷载频遇值系数ψf
      • 准永久值-quasi-permanent value
        • 在设计基准期内，其超越的总实践约为设计基准期一半的荷载值，可变荷载准永久值系数ψq
    • 竖向荷载
      • 楼、屋面的荷载
        • 竖向恒载
          • 在设计基准期内按照实际分布情况计算结构的荷载效应。对结构自重，可按构件的设计尺寸与材料表观密度计算确定
          • 结构自重
          • 附加在结构上的恒载
            • 构件自重、门窗自重、设备重量等
        • 竖向活载
          • 民建楼面均布活载
            • 等效均布荷载
              • 不可能同时满布，折减
          • 工建楼面均布活载
            • 等效均布活载
              • 荷载规范附录C、D，及积灰荷载
          • 屋面活载
      • 雪荷载
        • 基本雪压-reference snow pressure
          • 以一般空旷平坦地面上统计的50年一遇重现期的最大积雪自重给出的
          • 影响结构雪荷载大小的主要因素是当地的地面积雪自重和结构上的积雪分布，它们直接关系到雪荷载的取值和结构安全，要以强制性条文规定雪荷载标准值的确定方法
    • 风荷载
      • 风是空气在大气层中运动产生的。当风遇到结构阻挡时速度会改变，结构表面就产生了风压，使结构产生变形和振动
      • 在整个结构物表面是不均匀分布，并随体型、面积和高度变化
      • 顺风向的平均风经历风荷载、顺风向脉动风荷载，与平均风向垂直的横风向脉动风荷载（紊流较小，一般不考虑）
      • 基本风压
        • 以当地空旷平坦地面上10m高处10min的平均风速观测数据，经概率统计得到的50年一遇的最大风速
      • 风压高度变化系数
        • 在大气边界层内，风速随离地面高度的增大而增大，风速增大规律主要取决于地面粗糙度指数（ABCD四类）
      • 风荷载体型系数
        • 指风作用在建筑物表面所引起的实际压力（或吸力）与基本风压的比值
        • 描述建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，与建筑物的体型、尺度、周围环境和地面粗糙度有关
      • 风振系数
        • 风振系数是考虑脉动风对结构产生动力效应的放大系数
        • 动力效应与房屋的自振周期、结构的阻尼特性记忆风的脉动性能有关
  • 结构的功能要求和极限状态
    • 结构的功能要求
      • 安全等级-按结构破坏后果的严重程度
        • 结构重要性系数，在近似概率理论的极限状态设计法中
        • 一级-后果很严重-重要建筑物
          • 人员较集中使用频繁的影剧院、体育馆
        • 二级-严重-一般的建筑物
        • 三级-不严重-次要的建筑物
      • 设计使用年限
        • 不等用于使用寿命，超过设计使用年限的结构并不意味着已损坏而不能使用，只是说明其完成预定功能的能力越来越低了，可靠度减小
        • 设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期
      • 建筑结构的功能
        • 安全
          • 承受荷载和变形，火灾时规定时间内足够承载力，偶然事件时和后的整体稳固性，防止连续倒塌
        • 适用
          • 良好工作性，不影响使用过大变形或振幅，不安过宽裂缝
        • 耐久
          • 足够耐久，混凝土不严重风化、腐蚀、脱落、碳化，钢筋不锈蚀
    • 结构功能的极限状态
      • 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态
      • 有效状态
        • 结构能有效、安全可靠的工作，完成预定的各项功能
      • 极限状态-分界
        • 结构开始失效的标志
          • 承载能力极限状态
            • 结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形状态。作为刚体失去平衡；强度破坏；疲劳破坏；变形过大不适于承载；压屈等失稳；转变为机动体系等。——安全性
          • 正常使用极限状态
            • 结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限制。心理上的不安感。——适用性、耐久性
          • 耐久性极限状态
            • 结构或构件在环境影响下出现的劣化达到耐久性能的某项限定、限值或标志的状态。——耐久性
      • 失效状态
        • 结构不能有效工作，失去预定功能
    • 极限状态方程
      • 作用效应S→作用引起的内力与变形，是随机变量
      • 结构抗力R →抵抗作用效应的能力，也是随机变量
      • 承载能力极限状态函数表示为：Z=R-S
  • 按近似概率的极限状态设计法
    • 结构的可靠性
      • 结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件（正常设计、施工、使用和维护的条件，不包括非正常的）下，完成预定功能的能力
    • 结构的可靠度
      • 结构可靠性的概率度量，结构在使用年限内，在正常条件下，完成预定功能的概率
    • 可靠指标与失效概率
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      • β和失效概率一样可作为衡量结构可靠度的一个指标，称为可靠指标，二者一一对应。
      • 结构按承载能力极限状态设计时，要保证其完成预定功能的概率不低于某一允许的水平，应对不同情况下的目标可靠指标[β]值作出规定
  • 实用设计表达式
    • 分项系数-已起着考虑目标可靠指标的等价作用，按照[β]反算确定，设计表达式中隐含了结构失效概率，具有某一可靠概率保证
    • 荷载效应组合
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    • 承载能力极限状态设计表达式
      • 基本组合，偶然组合，偶然荷载，首先控制发生的概率或减小偶然荷载强度，其次才是进行偶然荷载设计
    • 正常使用极限状态设计表达式
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    • 极限状态设计时材料强度和荷载的取值
      • 钢筋、混凝土材料分项系数，恒载、活载分项系数