工程结构通用规范-第二讲.pdf

工程结构通用规范内容解析工程结构通用规范内容解析中国建筑科学研究院有限公司 陈 凯中国建筑科学研究院有限公司 陈 凯工程结构通用规范GB55001-2021主要起草人、联系人建筑结构可靠性设计统一标准GB50068-2018主要起草人建筑结构荷载规范GB50009-2012主要起草人第二讲 结构设计与结构作用第二讲 结构设计与结构作用第一讲重点回顾第一讲重点回顾 通用规范与技术标准不同，属于技术法规 安全等级与抗震设防类别既有区别也有联系 设计工作年限与设计使用年限是等价术语，并非使用寿命 100年工作年限的“特别重要建筑结构”的特指意涵 设计基准期、设计工作年限和可变荷载重现期的区别3.1 极限状态的分项系数设计方法3.1 极限状态的分项系数设计方法 极限状态 结构性能：安全失效，适用 不适用 极限状态是对不良情况的理想化，对应特定的性能点 对应两种性能判据，分为两种极限状态：承载力极限状态和正常使用极限状态 3.1.1 涉及到人身安全以及结构安全的极限状态应作为承载能力极限状态。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 结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；2 整个结构或其一部分作为刚体失去平衡；3 结构转变为机动体系；4 结构或结构构件丧失稳定；5 结构因局部破坏而发生连续倒塌；6 地基丧失承载力而破坏；7 结构或结构构件发生疲劳破坏。3.1.2涉及到结构或结构单元的正常使用功能、人员舒适性、建筑外观的极限状态应作为正常使用极限状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：1 影响外观、使用舒适性或结构使用功能的变形；2 造成人员不舒适或结构使用功能受限的振动；3 影响外观、耐久性或结构使用功能的局部损坏。比如过大的变形或裂缝：填充墙开裂、粉刷层剥落、用户心理不安全感等 3.1.3结构设计应对起控制作用的极限状态进行计算或验算；当不能确定起控制作用的极限状态时，结构设计应对不同极限状态分别计算或验算。如跨度较小的混凝土梁，满足承载能力极限状态，其挠度自然满足；沿海超高层建筑，往往舒适性控制 3.1.4结构设计应区分下列设计状况：1 持久设计状况，适用于结构正常使用时的情况；2 短暂设计状况，适用于结构施工和维修等临时情况；3 偶然设计状况，适用于结构遭受火灾、爆炸、非正常撞击等罕见情况；4 地震设计状况，适用于结构遭受地震时的情况。短暂设计状况下的作用代表值，根据具体情况确定 地震状况不同于偶然状况：地震可统计，抗震设计是普遍要求 3.1.5结构设计时选定的设计状况，应涵盖正常施工和使用过程中的各种不利情况。各种设计状况均应进行承载能力极限状态设计，持久设计状况尚应进行正常使用极限状态设计。其他状况是否进行正常使用状态设计，可根据情况确定。3.1.6 对每种设计状况，均应考虑各种不同的作用组合，以确定作用控制工况和最不利的效应设计值。多个荷载的相遇问题，有多种方法 我国采用JCSS（结构安全度联合委员会）组合规则11221212000,000,000,max()()()()max()()()()max()nnnnTQQQtTTQQQtTTQQQtTSStStStSStStStSStStSt 3.1.7 进行承载能力极限状态设计时采用的作用组合，应符合下列规定：1 持久设计状况和短暂设计状况应采用作用的基本组合；2 偶然设计状况应采用作用的偶然组合；3 地震设计状况应采用作用的地震组合；4 作用组合应为可能同时出现的作用的组合；（不上人屋面活荷载与雪荷载）5 每个作用组合中应包括一个主导可变作用或一个偶然作用或一个地震作用；6 当静力平衡等极限状态设计对永久作用的位置和大小很敏感时，该永久作用的有利部分和不利部分应作为单独作用分别考虑；7 当一种作用产生的几种效应非完全相关时，应降低有利效应的分项系数取值。6 当静力平衡等极限状态设计对永久作用的位置和大小很敏感时，该永久作用的有利部分和不利部分应作为单独作用分别考虑；验算跨中弯矩时，根据可变作用位置确定自重有利还是不利自重的有利、不利部分单独考虑 3.1.8 进行正常使用极限状态设计时采用的作用组合，应符合下列规定：1 标准组合，用于不可逆正常使用极限状态设计；2 频遇组合，用于可逆正常使用极限状态设计；3 准永久组合，用于长期效应是决定性因素的正常使用极限状态设计。是否可逆需要结合具体情况考虑 例如：钢梁挠度（本身可逆）引起隔墙损坏（标准组合）影响人的舒适性（频遇组合）只影响外观（准永久组合）工程结构通用规范各类结构通用规范在合适的可靠性水准下，协议和平衡抗力与荷载取值2.73.23.74.2 结构或结构构件的疲劳破坏的承载能力极限状态设计时，应根据构件受力特性及疲劳设计方法采用不同的疲劳荷载模型和验算表达式。疲劳荷载不仅取决于荷载的量值大小，还取决于量值的变化范围和使用条件下的时间效应（循环次数）疲劳效应是材料的局部劣化，既可能是良性的（裂纹造成的约束释放使其停止发展），也可能是破坏性的（裂纹造成更糟糕的承载状况使其加速扩展）在材料延性较好等情况下，疲劳破坏发生前往往是容易被发现的，这种预警的可能性在疲劳破坏验算时也需要加以考虑 3.1.13房屋建筑结构的作用分项系数应按下列规定取值：1 永久作用：当对结构不利时，不应小于1.3；当对结构有利时，不应大于1.0；2 预应力：当对结构不利时，不应小于1.3；当对结构有利时，不应大于1.0；3 标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面活荷载，当对结构不利时不应小于1.4；当对结构有利时，应取为0；4 除第3）项之外的可变作用，当对结构不利时不应小于1.5；当对结构有利时，应取为0。分项系数根据建筑结构可靠性设计统一标准提高了取值 安全与经济的平衡 平衡风险与收益的最优决策 经济性的衡量标准 建造成本 建筑全生命周期的成本 生命无价 历史大背景 历史惯性 国家的经济发展水平 政策导向 深化标准化改革方案行动计划：不断提高国内标准与国际标准水平的一致性程度以生活质量指数为准则的风险优化安全经济00.20.40.60.811.21.4混凝土结构钢结构轻钢结构木结构中美欧00.20.40.60.811.2混凝土结构钢结构轻钢结构木结构中美欧构件层次的安全度设置水平比较混凝土结构比美国低18%，比欧洲低14%永久作用永久作用可变作用可变作用恒载为主恒载为主美国1.21.61.4，0欧洲1.351.5-统标20011.21.41.351.4*组合值系数统标20181.31.5-特定假定下的分析结果，不具有普遍意义 3.1.143.1.15 给出了公路桥涵结构和港工结构的分项系数3.2 其他设计方法3.2 其他设计方法4.1 永久作用4.1 永久作用 4.1.1 结构自重的标准值应按结构构件的设计尺寸与材料容重计算确定。对于自重变异较大的材料和构件，对结构不利时自重标准值取上限值，对结构有利时取下限值。4.1.2 位置固定的永久设备自重应采用设备铭牌重量值；当无铭牌重量时，应按实际重量计算。4.1.3 隔墙自重作为永久作用时，应符合位置固定的要求；位置可灵活布置的轻质隔墙自重应按可变荷载考虑。（隔墙的作用类别，影响分项系数取值）4.1.4 土压力应按设计埋深与土的单位体积自重计算确定。土的单位体积自重应根据计算水位分别取不同容重进行计算。4.1.5 预加应力应考虑时间效应影响，采用有效预应力。4.2 楼面和屋面活荷载4.2 楼面和屋面活荷载 4.2.1 采用等效均布活荷载方法进行设计时，应保证其产生的荷载效应与最不利堆放情况等效；建筑楼面和屋面堆放物较多或较重的区域，应按实际情况考虑其荷载。楼面活荷载的确定方法 概率统计方法：大规模调查，建立概率模型 等效均布方法：设备为主的工业楼面、汽车荷载 经验方法 楼面活荷载体现空间和时间随机变异性 国内进行了大规模调查 133栋办公楼共2201间办公室，总面积为63700m2，317栋用户的搬迁情况；556间住宅，7000m2，同时调查了229户的搬迁情况；21家百货商店共214个柜台，23700m2。调查忽略空间随机变异性，采用面积平均荷载60年代末的荷载调查70年代末的荷载调查 楼面活荷载概率模型 持久性活荷载模型：平稳二项随机过程 临时性活荷载模型：泊松过程 4.2.2 一般使用条件下的楼面均布活荷载标准值及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值，不应小于表4.2.2的规定。当使用荷载较大、情况特殊或有专门要求时，应按实际情况采用。4.2.3 汽车通道及客车停车库的楼面均布活荷载标准值及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值，不应小于表4.2.3的规定。当应用条件不符合本表要求时，应按效应等效原则，将车轮的局部荷载换算为等效均布荷载。提高了楼面活荷载的取值 政策导向：提高国内标准与国际标准水平的一致性程度“建筑结构安全标准关键技术指标分析”课题研究成果中美欧活荷载对比类别类别荷载规范荷载规范通用规范通用规范办公楼、医院门诊室2.02.5试验室、阅览室、会议室2.03.0食堂、餐厅、一般资料档案室2.53.0礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台3.03.5商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其旅客等候室、无固定座位看台3.54.0健身房、演出舞台、运动场、舞厅4.04.5书库、档案库、贮藏室5.06.0通风机房、电梯机房7.08.0走廊门厅（办公楼、餐厅、医院门诊室）2.53.0 4.2.4 设计楼面梁的折减系数 4.2.5 设计墙、柱和基础的折减系数 4.2.6 当考虑覆土影响对消防车活荷载进行折减时，折减系数应根据可靠资料确定。2tan2tancxtxcytybbshbbsh消防车活荷载按覆土厚度的折减计算原理原作用面扩散后作用面 4.2.7 工业建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值，不应小于表4.2.7的规定。（简化了荷载规范的取值规定）4.2.84.2.11 屋面活荷载 屋顶运动场地由3.0提高到4.5 不上人屋面统一按照0.5kN/m2取值，取消了荷载规范0.3kN/m2的补充规定 4.2.12 施工和检修荷载（与建筑结构荷载规范规定相同）4.2.13 地下室顶板施工活荷载标准值不应小于5.0kN/m2，当有临时堆积荷载以及有重型车辆通过时，施工组织设计中应按实际荷载验算并采取相应措施。施工超载引起建筑物楼板裂缝甚至破坏的事故时有发生，本条对此做出规定 4.2.14 栏杆活荷载 中小学校的栏杆水平荷载由1.0kN/m提高到1.5kN/m 协调建筑结构荷载规范与中小学校设计规范的强制性条文 4.3 人群荷载（来源于公路和港工的相关规范）4.4 起重机荷载（简化了建筑结构荷载规范的规定）4.4.1 港口码头使用的起重运输机械荷载标准值，应根据装卸工艺选用的机型和实际使用的起重量、幅度等确定。4.4.2 厂房起重机荷载应按竖向荷载和水平荷载分别计算。其竖向荷载标准值，应按不利原则分别采用起重机的最大轮压或最小轮压；其水平荷载应分别按照纵向和横向水平荷载进行计算。4.4.3 安装有多台起重机的厂房，应根据实际情况计算参与组合的起重机数量，并对起重机荷载标准值进行折减。4.5 雪荷载和覆冰荷载（简化了荷载规范的规定）4.5.5 当考虑周边环境对屋面积雪的有利影响而对积雪分布系数进行调整时，调整系数不应低于0.90。风的吹蚀作用导致屋面积雪减少 屋面积雪基准值相比地面有折减 用暴露系数对风的吹蚀作用进行调整计算公式折减系数GB50009GB500091.0ASCE 7ASCE 70.7EN-1-3EN-1-30.8ISO4355ISO43550.8ISO4355考虑屋面大小的暴露系数 4.5.6 计算塔桅结构、输电塔和钢索等结构的覆冰荷载时，应根据覆冰厚度及覆冰的物理特性确定其荷载值。计算覆冰条件下结构的风荷载，应考虑覆冰造成的挡风面积增加和风阻系数变化的不利影响，并应评估覆冰造成的动力效应。当下方可能有行人经过时，尚应对覆冰坠落风险进行评价并采取相应措施。静力荷载：增加了结构的竖向荷载 覆冰对风荷载的影响：受风面积、风阻系数 动力效应：降低了结构的自振频率；驰振、横风向共振、覆冰脱落引起的振动 坠冰破坏：覆冰坠落造成的结构破坏和危险对风阻系数的影响趋于使外轮廓平滑化对于圆柱体和锐缘物体影响不同对于尺度较大的物体影响较小4.7 温度作用4.7 温度作用 内容与荷载规范基本一致 只规定温度作用的计算原则 温度作用的考虑 温度作用效应主要通过采取结构构造措施来避免，如伸缩缝、滑动支座等。当在温度作用和其它荷载共同作用下产生的效应可能超过承载能力或正常使用极限状态时，诸如：结构某一方向平面尺寸超过伸缩缝最大间距或温度区段长度、结构约束较大、房屋高度较高等，应在结构设计中考虑温度作用。什么结构需要考虑温度作用问题很复杂，具体由各类材料的通用规范来规定。温度作用与其他作用的组合 温度作用视为一般可变作用 首先应考虑与永久荷载、活荷载的组合 与风荷载、雪荷载、地震作用的组合要视结构的类型和重要性，根据经验来定 基本气温 50年重现期的月平均最高气温和月平均最低气温 对混凝土、砌体等结构，基本气温适用 对暴露于室外且对气温变化敏感的结构，如金属结构、尺寸较小的构件等，基本温度宜考虑昼夜极值气温变化的影响，基本温度宜根据当地极值气温的变化范围适当增加或降低。4.7.5 结构最高平均温度和最低平均温度，应基于基本气温根据工程施工期间和正常使用期间的实际情况，按热工学原理确定。有围护的室内结构，考虑室内外温差的影响。室外环境温度取基本气温，室内环境温度考虑空调与采暖条件按不利情况取值 对温度敏感的钢结构，尚应根据结构表面的颜色深浅考虑太阳辐射的影响。地面以下环境温度。有多层地下室时，越往下，温度变化越小。当离体表面深度超过10m时，土体基本为恒温，等于年平均气温。4.7.6结构的最高初始平均温度和最低初始平均温度应根据结构的合拢或形成约束时的温度确定，或根据施工时结构可能出现的温度按不利情况确定。混凝土结构的合拢温度一般可取后浇带封闭时的月平均气温。钢结构的合拢温度一般可取合拢时的日平均温度，但当合拢时有日照时，应考虑日照的影响。结构设计时，往往不能准确确定施工工期，因此，结构合拢温度通常是一个区间值。这个区间值应包括施工可能出现的合拢温度，即应考虑施工的可行性。温度作用计算模型及刚度折减 地上和地下结构宜一起分析，无地下结构时应允许基础有水平位移能力（弹簧约束）混凝土构件开裂后，抗弯刚度并未显著减少，温度应力并不会大幅释放，温度作用分析不宜笼统采用刚度折减4.8 偶然作用4.8 偶然作用 简化了荷载规范的相关条文 4.8.1 当以偶然作用作为结构设计的主导作用时，应考虑偶然作用发生时和偶然作用发生后两种工况。在允许结构出现局部构件破坏的情况下，应保证结构不致因局部破坏引起连续倒塌。偶然荷载应在设计和使用中尽量避免 按规定的偶然荷载所设计的结构仍然存在破坏的可能性，但应保证偶然事件发生后受损的结构能够承担相应的永久荷载和活荷载，不至于发生由于局部破坏导致的结构整体倒塌。kQ2=qkQf1AkGm1jdS+SS+S=S1djinii偶然作用发生时的承载力验算偶然作用发生后的稳固性验算kQ2=qkQf1kGm1jdS+SS=S1jinii 抗连续倒塌设计 直接设计法 加强局部特定区域，偶然荷载作用下的承载能力设计 荷载替代路径，偶然荷载发生后结构抗倒塌设计梁柱局部加强荷载替代路径 间接设计法 增强承载力 增加结构冗余度 增强结构连续性，增设系杆 提高结构延性 4.9 水流力和冰压力 共6条，给出水流力和冰压力的计算原则 4.10 专门领域的作用 共11条 公路、港工、水工领域的专门作用的计算原则小结小结 全文强制标准的实施不会对工程结构的技术层面产生颠覆性影响 工程结构通用规范应重点关注的内容建筑结构的分项系数按现行统标取值提高了楼面活荷载的取值补充了施工荷载取值 废止了现行规范中相关强条取代现行标准中分散的强制性条文现行标准仍可作为配套的技术标准 下一步工作重点不断完善强制标准进一步优化完善配套的技术标准