1、张芹上海教材第一部份doc 第一部份 幕墙结构设计原理和方法 第一节 结构设计原理 建筑结构的可靠性直接关系到人民生命财产安全，历来是建筑结构设计必须首先面对和需要审慎解决的重大问题。结构的可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构的可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。建筑结构可靠度也是一个国家综合性经济政策问题，实际上是选择一种安全与经济相对的最佳平衡。 结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件，不需要进行大修即可按其预定目的使用的时期。设计使用年限是房屋的地基基础和主体结构“合理使用年限”的具体化，实际
2、上它与合理使用年限是等同的含义。 建筑结构可靠度设计统一标准GB50068规定：“结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。结构的可靠度可采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定”。结构在规定的设计使用年限内满足以下功能要求： 1.在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用； 2.在正常使用时具有良好的工作性能； 3.在正常维护下具有足够的耐久性； 4.在设计规定的偶然事件发生后，仍然能保持必须的整体稳定性。 结构的设计使用年限如下表： 表1-1类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重的建筑构件 为保证建筑
3、结构具有规定的可靠度，除应进行必要的设计计算外，还应对结构材料性能、施工质量、使用和维护进行相应的控制。 结构可靠度与结构的使用年限长短有关，GB50068所指的结构可靠度，是对结构的设计使用年限而言的，当结构的使用年限超过设计使用年限后，结构失效概率可能较设计预期值要大。 设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能等级取值而选用的时间参数。它不等同于建筑结构的设计使用年限。GB50068所考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的。 极限状态是指整个结构或结构的一部份超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。 极限状态可分为下列两类： 1.
4、承载能力极限状态。这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。 当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态： 1)整个结构或结构的一部份作为刚体失去平衡（如倾覆等）； 2)结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载； 3)结构转变为机动体系； 4)结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）； 5)地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。承载能力极限状态可理解为结构或结构构件发挥允许的最大承载功能的状态。结构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变，虽未达到最大承载能力，但已彻底不能使用，也属于达到这种极限状态。疲劳破
5、坏是在使用中由于荷载多次重复作用而达到的承载能力极限状态。2正常使用极限状态。这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。当结构或结构构件出现下列状态时，应认为超过了正常使用极限状态：1） 景响正常使用或外观的变形；2） 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；3） 影响正常使用的振动4） 影响正常使用的其它特定状态。 正常使用极限状态可理解为结构或结构构件达到使用功能上允许的某个限值的状态。例如某些构件必须控制变形、裂缝才能满足使用要求，因过大的变形会造成房屋内部粉刷层剥落，填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果；过大的裂缝会影响结构的耐久性；过大的变形、裂缝也会
6、造成用户心理上的不安全感。 建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：1 持久状况。 在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级；2 短暂状况。 在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况，如施工和维修等。3 偶然状况。 在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。对于不同的设计状况，可采用相应的结构体系、可靠度水准和基本变量等。建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计：1 对三种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计；2 对持久状况，尚应进行正常使
7、用极限状态设计；3 对短暂状况， 可根据需要进行正常使用极限状态设计。 建筑结构设计时，对所考虑的极限状态，应采用相应的结构作用效应的最不利组合：1 进行承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。2 进行正常使用极限状态设计时，应根据不同设计目的，分别选用下列作用效应的组合：1） 标准组合，主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况；2） 频遇组合，主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害，较大变形或短暂振动等情况；3） 准永久组合，主要用在当长期效应是决定性因素时的一些情况。 对偶然状况，建筑结构可采用下列原则之一按承载能力极限状
8、态进行设计：1 按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，使主要承重结构不致因出现设计规定的偶然事件而丧失承载能力；2 允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏，但其剩余部份具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度。 结构的极限状态应采用下列极限状态方程描述： g（X1，X2，-Xn）=0 （1-1） 式中： g（）结构的功能函数； Xi（i=1，2，-，n）基本变量，系指结构上的各种作用和材料性能、几何参数等；进行结构可靠度分析时，也可采用作用效应和结构抗力作为综合的基本变量；基本变量应作为随机变量考虑。 结构按极限状态设计应符合下列要求： g（X1，X2，-Xn）0 （1-2）
9、当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量时，结构按极限状态设计应符合下列要求： R-S0 式中 ： S结构的作用效应； R结构的抗力。建筑结构设计要解决的根本问题是，在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径，使所建造的结构以适当的可靠度满足各种预定的功能要求。在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。结构可靠度的这一概率定义是从统计学观点出发的比较科学的定义，与其他各种从定值观点出发的定义有本质的区别。结构的可靠度通常受各种荷载、材料性能、几何参数、计算公式精确性等因素的影响。这些因素，一般具有随机性，称为基本变量，记为Xi (i=1,2,3
10、,n)。按极限状态方法设计建筑结构时，针对所要求的各种结构性能（如强度、刚度、抗裂度等），通常可以建立包括各种有关基本变量在内的关系式： Z=g(X1, X2 ,X n)=0 （1-3）这一关系式称为极限状态方程，其中Z=g(.)称为结构的功能函数。现以功能函数仅与两个正态基本变量S、R有关，且极限状态方程为线性方程的简单情况为例，来导出结构构件的可靠指标。此时功能函数为： Z=g(S，R)=R-S （1-4）式中：S为结构的荷载效应，R为结构抗力。显然：当Z0时，结构处于可靠状态。当Z0时，结构处于失效状态。当Z=0时，结构处于极限状态。可见通过功能函数Z可以判别结构所处的状态。当基本变量满
11、足极限状态方程时， Z=R-S=0 （1-5）则结构达到极限状态（图1-1）。 图 1-1 图1-2结构构件的可靠度宜采用可靠指标度量。结构构件的可靠指标宜采用考虑基本变量概率分布类型的一次二阶矩方法进行计算。1、 当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布时，结构件的可靠指标可按下列公式计算： =（R-S）/（R2-R2）1/2 （1-6）式中： 结构构件的可靠指标； S、S结构构件作用效应的平均值和标准差； R、R结构构件抗力的平均值和标准差。2、 结构构件的失效概率与可靠指标具有下列关系： f=(-) （1-7）式中：f结构构件失效概率的运算值 ()标准正态分布函数。3、 结构构
12、件的可靠度与失效概率具有下列关系： S=1-f （1-8）式中：S结构构件的可靠度。结构可靠度指标与失效概率f具有数量上一 一对应关系，也具有与f相对应的物理意义，已知后，即可求得f（表1-2）。由于越大，f越小，即结构越可靠（图1-2） 与f（S）的对应关系 表1-2f(%)S(%)f(%)S(%)1.0015.8784.133.500.02399.9772.002.27597.7253.550.01999.9812.700.3599.653.600.01699.9843.000.13599.8653.650.01399.9873.100.09799.9033.700.01199.9893.
13、150.08299.9183.750.00999.9913.200.06999.9313.800.007299.99283.250.05899.9423.850.005999.99413.300.04899.9523.900.004899.99523.350.0499.963.950.003999.99613.400.03499.9664.000.003299.99683.450.02899.9724.200.001399.9787概率极限状态设计法能够较充分地考虑各有关因素的客观变异性，使所设计的结构比较符合预期的可靠度要求；并且在不同结构之间，设计可靠度具有相对可比性。对十分重要的结构，如
14、原子能反应堆压力容器、海上采油平台等已开始采用这种方法设计。显然，对于一般常见的结构构件，直接根据给定的进行设计，目前还不是现实可行的，而是采用以概率极限状态设计方法为基础的实用设计表达式。当基本变量不按正态分布时，结构构件的可靠指标应以结构构件作用效应和抗力当量正态分布的平均值和标准差代入公式（6）进行计算。结构构件设计时采用的可靠指标，可根据对现有结构构件的可靠度分析，并考虑使用经验和经济因素等确定。结构构件承载能力极限状态的可靠指标，不应小于表1-3的规定。 表1-3 结构构件承载能力极限状态的可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2 注：
15、当承受偶然作用时，结构构件的可靠指标应符合专门规范的规定表3中规定的结构构件承载能力极限状态设计时采用的可靠指标，是以建筑结构安全等级为二级时延性破坏的值3.2作为基准，其他情况相应增减0.5。 结构构件正常使用极限状态的可靠指标，根据其可逆程度宜取01.5。建筑幕墙是建筑物的外围护构件，它要承受外界施加给它的各种作用。建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）对结构上的作用给出的定义：“施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称为结构上的作用”。“引起结构外加变形或约束变形的原因系指地震、基础沉降、温度变化、焊接等作用”。这就是说，作用是指能使结构产生效应（内
16、力、变形、应力、应变、裂缝等）的各种原因的总称，其中包括施加在结构上的集中力和分布力系，以及形成结构外加变形或约束变形的原因。前一种作用是力（包括集中力和分布力）在结构上的集结，就是通常说的荷载。后一种作用（如温度变化、材料的收缩与徐变、地基变形、地震等）不是以力的形式出现的，过去将施加在结构上的作用统称为荷载（国际上也有这个习惯），但荷载这个术语对间接作用并不恰当，它混淆了两种不同的作用，而且容易发生误解，例如将地震作用当作是施加在结构上而与地基和结构本身无关的外力。建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）将这两类作用分别称为直接和间接作用，而荷载仅等同于直接作用，建筑结构荷载规范（GB
17、50009）对直接作用作了规定。间接作用，除地震作用由建筑抗震设计规范（GB50011）作了规定外，其余间接作用暂时还没有相应的规范。建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）还指出，结构上的作用可按随时间的变异和按随空间位置的变异分类。考虑作用在结构上随时间的变异性的持续性，可分成三个类别：1 永久作用。在设计基准期内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计者，如自重、土压力、预应力等。2 可变作用。在设计基准期内，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略者，如：风荷载、雪荷载、温度变化等。3 偶然作用。在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间较短，如：地
18、震、龙卷风等。按作用随空间位置的变异性可将作用分为固定作用和可动作用。固定作用在结构空间位置上具有固定的分布，如结构构件自重等。可动作用在结构空间位置上引起最不利效应的分布情况，在进行结构内力分析时应作出相应的计算。按作用对结构的反应可分为静态作用和动态作用。静态作用不使结构或结构构件产生加速度或加速度可以忽略不计者，如自重、活荷载等；动态作用使结构或结构构件产生不可忽略的加速度，如地震、作用在高耸结构上的风荷载等。当作用在结构上引起不可忽略的加速度时，结构必须按结构动力学的方法进行分析。建筑结构设计时对不同荷载应采用不同的代表值。对永久荷载，应采用标准值作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采
19、用标准值，组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对偶然荷载应根据试验资料，结合工程经验确定其代表值。建筑结构设计时应采用标准值作为荷载的基本代表值。永久荷载标准值，对结构自重，应按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对于某些自重变异较大的材料和构件，自重标准值应根据对结构的不利状态取上限值或下限值。可变荷载的标准值按以下各节的规定采用。承载能力极限状态设计或正常使用极限状态按标准组合设计时，对可变荷载应按组合规定采用标准值或组合值为代表值。可变荷载组合值，应为可变荷载标准值乘以荷载组合系数。正常使用极限状态按频遇组合设计时应采用频遇值、准永久值为可变荷载的代表值；按准永久组合设计时，
20、应采用准永久值为可变荷载的代表值。可变荷载的频遇值为可变荷载标准值乘以荷载频遇值系数。可变荷载准永久值为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数。建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行荷载（效应）组合，并取各自的最不利组合进行设计。对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行设计，并采用下列设计表达式： 0SR （1-9）0为结构重要性系数，对安全等级为一级、二级和三级的结构构件，可分别陉1.1、1.0和0.9。对于基本组合，荷载效应组合值S可按下述规定采用： n1由可变效应控制的组合：GSGK+Q1SQ1K+Qici SQ i
21、 k （1-10a） i=2 式中： G永久荷载的分项系数； Qi第i个可变荷载的分项系数； SGK按永久荷载标准值GK计算的荷载效应值； SQik按可变荷载标准值Q i k计算的荷载效应值；SQ1K为诸可变荷载效应中最大者； ci可变荷载Qi的组合值系数； n参与组合的可变荷载数。 2由永久荷载效应控制的组合 n GSGK+Qici SQ i k （1-10b） i=2对于偶然组合荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定：偶然荷载的代表值不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其它荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准
22、永久组合。并按下列表达式进行设计：SC (1-11) 式中： S荷载效应组合的设计值； C结构或构件达到正常使用要求的规定限值。 对于标准组合，荷载效应组合的设计值S可按下式采用： n SGK+SQ1K+Qici SQ i k （1-12） i=2对于频遇组合，荷载效应的设计值S可按下式采用： n SGK+f1SQ1K+qi SQ i k （1-13） i=2式中： f1可变荷载Qi的频遇值系数； qi可变荷载Qi的准永久值系数。对于准永久组合，荷载效应组合的设计值S可按下式采用 n SGK+qi SQ i k （1-14） i=2当对SQ i k 无法明显判断其效应设计值为诸可变荷载效应设计
23、值中最大者，可轮次以各可变荷载 效应为SQ1k，选其中最不利的荷载效应组合。JGJ133规定当两个及以上的可变荷载或作用(风荷载、地震作用和温度作用)效应参加组合时，第一个可变荷载或作用效应的组合系数应按1.0采用；第二个可变荷载或作用的组合系数可按0.6采用;；第三个可变荷载或作用效应的组合系数可按0.2采用。结构设计时，应有根据构件受力特点，荷载或作用的情况和产生的应力(内力)作用方向，选用最不利的组合，荷载和效应组合设计值应按下式采用： rGSG+rwwSw+rEESE+rTTST （1-15）式中: SG重力荷载作用为永久荷载产生的效应； Sw、SE、ST分别为风荷载、地震作用和温度作
24、用作为可变荷载和作用产生的效应。按不同的组合情况，三者可分别作为第一、第二、第三个可变荷载和作用产生的效应； rG、rw、rE、rT各效应的分项系数； wET分别为风荷载、地震作用和温度效应的组合系数。 荷载和作用所产生的应力或内力设计值的常用组合 表1-4组合内容应力表达式内力表达式重力=1.2GKS=1.2SGK重力+风=1.2GK+1.4WKS=1.2SGK+1.4SWK重力+风+地震=1.2GK+1.4WK+0.78EKS=1.2SGK+1.4SWK+0.78SEK风=1.4WKS=1.4SWK风+地震=1.4WK+0.78EKS=1.4SWK+0.78SEK温度=1.2TKS=1.2
25、STK注: 1. GK、WK、EK、TK分别为自重、风荷载、地震作用、温度作用产生的应力标准值。2. SGK、 SWK、 SEK、 STK分别为自重、风荷载、地震作用温度作用产生的内力标准值。 进行位移、变形和挠度计算时，均应采用荷载或作用的标准值并按下式进行组合： u=uGK （1-16a） u=uGK +uWK 或 u=uWK （1-16b） u=uGK +uWK +0.6uEK 或 u=uWK+0.6uEK （1-16c）式中: 组合后的构件位移或变形； uGK、uWK、uEK 分别为自重、风荷载和地震作用标准值产生的位移或变位。 第二节 风荷载 风荷载是作用于幕墙上的一种主要直接作用。
26、它垂直作用于幕墙的表面上。幕墙是一种薄壁外围护构件，一块玻璃，一根杆就是一个受力单元，而且质量较轻，在设计时，既需考虑长期使用过程中，在一定时距平均最大风速的风荷载作用下保证其正常功能不受影响；又必须注意到在阵风袭击下不受损坏，避免安全事故。建设部2002年1月10日以建标200210号通知发布了建筑结构荷载规范（GB500092001），从2002年3月1日起施行。建筑结构荷载规范GB50009规定对垂直于建筑物表面的风荷载标准值，当计算主要承重结构时应按下式计算：WK=ZSZW0 ； （1-17） 式中：WK风荷载标准值，N/m2； Z高度Z处的风振系数； S风荷载体型系数； Z风压高度变
27、化系数 W0基本风压，N/m2。 当计算围护结构时应按下式公式计算： WK=gzsZW0 （1-18） 式中 ： gz高度Z处的阵风系数（JGJ102和JGJ133规定取为2 .25）。 S风荷载体型系数(JGJ102和JGJ133规定取为1.5)； 风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0.6 、0.4 和 0。一. 基本风压: 风是空气的流动，必然就有速度，当风以一定速度向前运动遇到幕墙阻碍时，幕墙就承受风压。风速越大，对幕墙的压力越大。风压是一种速度压。风的成因很复杂，影响我国的风气候系统大致有台风、季风、峡谷风、寒潮风等，它们的运动规律多种多样。幕墙所在地的地理位置不同，它们所承
28、受的风荷载也不同，在设计幕墙时，逐个根据风速资料确定风荷载不是一般单位能做到的，只要求一些特殊的、特别重要的建筑物，通过分析气象观测资料和风洞试验来确定风荷载值，而对大量一般性工程的幕墙，则依据建筑结构荷载规范GB50009规定的基本风压来计算风荷载值。 基本风压系以当地比较空旷地面上离地10m高、统计所得的50年一遇10min平均最大风速V0（m/s）为标准确定的风压值。 风压是速度压，由规定的基本风速V0 ，按计算速度压的伯努力方程导出下式计算： W0=/2V02 （19） 式中：空气密度 使用风杯式测风仪时，考虑空气密度受温度、气压影响，可按下式确定空气密度： =0.001276/(1+
29、0.00366t )*(-0.378e/1000000); t/m3 (20a) 式中: t空气温度，0C； 气压，Pa； e水气压，Pa 。也可根据所在地点的海拨高度Z(m)按下式近似估算空气密度：=0.00125e 0.0001Z, t/m3 (20b)GB50009规定的基本风压是根据全国气象台站历年来的最大风速纪录，按基本风速的标准要求，将不同风速仪高度和时距的年最大风速，统一换算为离地10m高、自记10min平均年最大风速（m/s）。根据该风速数据（选取最大风速数据，一般应有25年以上的资料；当无法满足时，至少不少于10年的风速资料）经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的
30、基本风速V0。再按伯努力公式：W0=1/2v02确定基本风速。= /g，为空气重力密度，g为重力加速度，以= /g代入W0=/2g*v02。以往国内的风速记录大多数根据风压板的观测结果，刻度所反映的风速，实际上是统一根据标准的空气密度=1.25Kg/m3按上述公式反算而得，因此在按该风速确定风压时，可统一按W0=V02/1600（KN/m2）计算。当前各气象站已积累了根据风杯式自记风速仪记录的10min平均最大风速数据，因此在这次数据处理时基本上是以自记的数据为依据。所以在确定风压时，必须考虑各台站观测当时的空气密度，当缺乏资料时也可参考式（20）的规定采用。GB50009将基本风压的重现期由以往的30年改为50年，这样在标准上将与国外大部份国家取得一致，经修改后各地的风压并
