《建筑结构的安全设计》课件

建筑结构的安全设计课程导论为什么结构安全如此重要生命财产安全社会经济稳定可持续发展结构安全直接关系到居住者和使用者的生建筑结构是社会经济发展的重要组成部分命财产安全一旦结构发生破坏，可能导结构安全事故会严重影响社会经济的稳定，致人员伤亡和巨大的经济损失造成社会恐慌和信任危机建筑结构安全的基本概念承载能力结构在规定的条件下，能够承受荷载而不发生破坏的能力稳定性结构在荷载作用下，保持原有平衡状态的能力耐久性结构在预期的使用寿命内，抵抗各种环境因素侵蚀的能力抗震性结构安全设计的法律法规背景《中华人民共和国建筑法》1明确了建筑工程的质量安全责任，强调结构安全的重要性《建筑工程质量管理条例》2规定了建筑工程质量管理的各项要求，包括结构安全设计、施工和验收《建筑抗震设计规范》3对建筑结构的抗震设计提出了具体要求，以保障结构在地震作用下的安全各地方性法规4建筑结构安全的关键影响因素设计因素设计方案、结构选型、荷载取值、计算模型等材料因素材料强度、耐久性、可靠性等施工因素施工质量、工艺水平、管理措施等环境因素结构荷载类型及其分类静载荷动载荷特殊荷载指大小和方向不随时间指大小和方向随时间变变化的荷载，如结构自化的荷载，如风荷载、重、固定设备重等地震荷载、车辆荷载等静载荷与动载荷的基本原理静载荷动载荷静载荷作用下，结构内部的应力与应变随时间变化缓慢，可以采用动载荷作用下，结构内部的应力与应变随时间快速变化，需要采用静力分析方法进行计算静载荷是结构设计的基础，必须准确计算动力分析方法进行计算动载荷对结构的安全影响较大，必须进行和考虑详细的分析和评估建筑结构材料的力学特性强度1材料抵抗破坏的能力，包括抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等刚度2材料抵抗变形的能力，通常用弹性模量表示塑性3材料在受力后产生永久变形而不发生破坏的能力韧性4材料吸收能量并发生塑性变形而不发生破坏的能力混凝土材料的强度与变形特征抗拉强度抗压强度1混凝土抵抗拉力的能力，远低于抗压强度混凝土抵抗压力的能力2徐变弹性模量4混凝土在长期荷载作用下，变形随时间增3混凝土的刚度指标长的现象钢材的性能与结构应用高强度1钢材具有较高的抗拉强度和抗压强度良好的塑性2钢材具有良好的塑性和韧性，能够吸收能量易于加工3钢材易于切割、焊接和连接可回收利用4钢材可以回收利用，符合可持续发展的要求结构安全的基本力学原理静力平衡1结构在荷载作用下保持静止状态变形协调2结构各部分的变形相互协调本构关系3材料的应力与应变之间的关系结构受力分析的基本方法静力法动力法有限元法适用于静载荷作用下的结构分析，计算结适用于动载荷作用下的结构分析，计算结一种数值分析方法，可以将复杂的结构离构的内力和变形构的动力响应散为有限个单元进行分析应力与应变的基本概念应力应变12单位面积上所受的内力，表示材料内部抵抗变形的强度材料在受力后产生的变形，表示材料变形的程度正应力剪应力34垂直于截面的应力，包括拉应力和压应力平行于截面的应力结构内部应力分布规律梁的弯曲应力轴向拉压应力1梁在弯曲荷载作用下，截面上产生的拉应构件在轴向拉力或压力作用下，截面上产力和压应力2生的均匀应力扭转应力剪切应力4构件在扭转力矩作用下，截面上产生的应构件在剪切力作用下，截面上产生的平行3力于截面的应力结构变形与稳定性分析变形分析稳定性分析计算结构在荷载作用下的变形，包括位移、转角等变形过大可能分析结构在荷载作用下是否会发生失稳，失稳会导致结构突然破坏，影响结构的使用功能和美观必须避免地震作用对建筑结构的影响地面震动1地震引起的地面震动会对建筑结构产生强烈的水平和竖向作用力惯性力2地震作用下，结构质量产生的惯性力会对结构造成附加的荷载地基破坏3地震可能导致地基液化、滑坡等破坏，从而影响结构的安全结构破坏4地震可能导致结构构件开裂、屈服、甚至倒塌抗震设计的基本原则延性设计强度设计冗余设计使结构具有足够的延性，保证结构具有足够的强使结构具有足够的冗余能够吸收地震能量，避度，能够抵抗地震作用度，即使部分构件破坏，免脆性破坏仍能保持整体稳定地震作用下的结构响应周期结构在地震作用下的固有振动周期频率结构在地震作用下的固有振动频率振型结构在地震作用下的振动形态阻尼结构对振动的衰减作用结构抗震等级与设防抗震等级设防烈度根据建筑的重要性、使用功能和地震烈度，将建筑划分为不同的抗根据地震发生的概率和可能造成的损失，确定建筑的设防烈度，设震等级，不同等级的抗震设防要求不同防烈度越高，抗震要求越高结构抗震设计的关键技术剪力墙用于抵抗水平地震作用的竖向构件框架结构由梁和柱组成的结构体系，具有良好的抗震性能减震技术通过设置减震装置，减少地震对结构的影响隔震技术通过设置隔震层，将结构与地面隔离，减少地震对结构的影响风荷载对高层建筑的影响横风向风荷载顺风向风荷载1平行于建筑物表面的风压力，会导致建筑垂直于建筑物表面的风压力2物摇晃扭转风荷载抖振4绕建筑物竖向轴的风力矩，会导致建筑物3由旋涡脱落引起的周期性振动扭转风工程的基本原理空气动力学1研究空气的运动规律边界层理论2研究物体表面附近的空气流动特性紊流理论3研究紊流的特性和规律风荷载作用下的结构响应静力响应1由平均风压引起的结构变形和内力动力响应2由脉动风压引起的结构振动共振3当风荷载的频率接近结构的固有频率时，会发生共振，导致结构振动幅度增大结构风振控制技术气动措施阻尼器调谐质量阻尼器改变建筑物的气动外形，设置阻尼器，增加结构在建筑物顶部设置一个减少风荷载的阻尼，减少振动质量块，通过质量块的振动来抵消建筑物的振动基础设计与地基安全地基调查了解地基的地质情况和力学特性基础选型根据地基条件和上部结构荷载，选择合适的基础形式承载力计算计算地基的承载能力，确保基础安全变形控制控制地基的变形，避免对上部结构产生不利影响地基承载力计算方法理论计算经验公式现场试验根据地基的力学特性和理论公式，计算地根据经验数据和统计分析，建立地基承载通过现场试验，如标准贯入试验、静力触基的承载能力力的经验公式探试验等，确定地基的承载能力地基变形与沉降分析弹性沉降由地基的弹性变形引起的沉降，与荷载成正比固结沉降由地基的固结变形引起的沉降，随时间增长差异沉降由于地基不均匀性或荷载分布不均匀引起的沉降差异，可能导致结构开裂总沉降所有沉降的总和地基处理与加固技术换填法压实法1用优质土代替软弱土通过压实提高地基的强度和密实度2注浆法排水法4将浆液注入地基，提高地基的强度和稳定通过排水降低地下水位，提高地基的强度3性结构安全评估方法现场检测1对结构进行现场检测，了解结构的实际状况理论分析2根据结构的实际状况和荷载情况，进行理论分析数值模拟3采用数值模拟方法，对结构的安全性进行评估结构可靠度理论基础概率论1研究随机事件的规律数理统计2研究数据的收集、整理和分析可靠性理论3研究结构的可靠性评估和设计结构安全系数的确定影响因素1材料的变异性、荷载的不确定性、计算模型的简化等确定方法2根据规范和经验，结合结构的具体情况，确定安全系数目标可靠度3根据结构的重要性，确定目标可靠度，并根据目标可靠度确定安全系数结构可靠性分析方法蒙特卡洛法一次二阶矩法响应面法通过随机模拟，评估结一种近似的可靠性分析通过建立响应面模型，构的可靠性方法评估结构的可靠性结构检测与监测技术目测检查通过肉眼观察，发现结构的缺陷和损伤无损检测不破坏结构的情况下，检测结构的内部缺陷和损伤荷载试验在结构上施加荷载，观察结构的响应健康监测通过传感器，实时监测结构的健康状况无损检测方法介绍超声波检测射线检测磁粉检测利用超声波在材料中的传播特性，检测结利用射线穿透材料的能力，检测结构的内利用磁场和磁粉，检测结构表面的缺陷构的内部缺陷部缺陷结构健康监测系统传感器用于采集结构的各种数据，如应变、位移、加速度等数据采集系统用于采集和存储传感器的数据数据传输系统用于将数据从数据采集系统传输到数据处理中心数据处理中心用于处理和分析数据，评估结构的健康状况结构损伤与破坏机理疲劳腐蚀1结构在长期循环荷载作用下，产生的累积结构在环境因素作用下，产生的材料劣化损伤2地震超载4地震引起的地面震动和惯性力，对结构造3结构承受超过其承载能力的荷载成破坏结构疲劳与脆性破坏疲劳破坏脆性破坏结构在循环荷载作用下，裂纹逐渐扩展，最终导致破坏疲劳破坏结构在没有明显塑性变形的情况下，突然发生的破坏脆性破坏具具有隐蔽性，难以预测有突发性，危害性大结构失效分析方法故障树分析1一种自顶向下的分析方法，用于分析结构失效的原因事件树分析2一种自底向上的分析方法，用于分析结构失效的后果鱼骨图分析3一种用于分析结构失效原因的图形工具结构加固与修复技术加大截面法1增加构件的截面尺寸，提高其承载能力外包钢法2用钢材包裹构件，提高其承载能力和延性碳纤维加固法3用碳纤维布粘贴在构件表面，提高其承载能力结构加固材料与方法混凝土钢材碳纤维用于加大截面法，增加用于外包钢法，提高构用于碳纤维加固法，提构件的截面尺寸件的承载能力和延性高构件的承载能力碳纤维加固技术表面处理对构件表面进行处理，使其平整、清洁涂刷底胶在构件表面涂刷底胶，增强碳纤维布与构件的粘结力粘贴碳纤维布将碳纤维布粘贴在构件表面涂刷面胶在碳纤维布表面涂刷面胶，保护碳纤维布预应力加固技术原理方法应用通过施加预应力，改善构件的受力状态，采用预应力钢绞线或钢筋，对构件施加预适用于梁、板、柱等构件的加固提高其承载能力应力结构防护与耐久性设计防腐蚀设计防火设计防止结构在腐蚀环境中的劣化防止结构在火灾中的破坏抗冻融设计抗渗设计防止结构在冻融循环中的破坏防止水分渗透到结构内部，造成材料劣化防腐蚀与防火设计防腐蚀措施防火措施1采用耐腐蚀材料、涂刷防腐涂料、设置阴采用耐火材料、设置防火涂料、设置自动极保护等2喷水灭火系统等定期维护综合防护4定期检查和维护防护措施，确保其有效性综合考虑各种环境因素，采取综合防护措3施结构防护材料与技术防腐涂料1用于保护结构免受腐蚀防火涂料2用于保护结构免受火灾破坏防水材料3用于防止水分渗透到结构内部建筑结构全寿命周期管理设计阶段1进行耐久性设计，选择合适的防护措施施工阶段2严格控制施工质量，确保防护措施的有效性使用阶段3定期检查和维护防护措施，及时修复损伤结构维护与更新策略定期检查及时修复适时更新定期对结构进行检查，发现潜在的问题对发现的问题及时进行修复，防止其恶化对老化的结构进行更新，延长其使用寿命数字化技术在结构安全中的应用技术BIM用于结构设计、分析和管理云计算用于存储和处理结构数据物联网用于实时监测结构的健康状况人工智能用于结构安全评估和预测技术在结构设计中的作用BIM可视化设计碰撞检查协同设计通过三维模型，直观地展示结构设计方案检查不同专业之间的设计冲突实现不同专业之间的协同设计计算机辅助结构分析有限元分析软件用于进行结构的静力分析、动力分析、稳定性分析等结构优化设计软件用于进行结构的优化设计，提高结构的性能可靠性分析软件用于进行结构的可靠性分析，评估结构的安全性损伤识别软件用于识别结构的损伤，评估结构的健康状况结构优化设计方法尺寸优化拓扑优化1优化构件的截面尺寸，降低结构的造价优化结构的拓扑形状，提高结构的性能2多目标优化材料优化4综合考虑结构的多个性能指标，进行优化3优化结构的材料分布，提高结构的性能设计绿色建筑与结构安全节能1采用节能材料和技术，降低建筑的能耗环保2采用环保材料，减少建筑对环境的影响健康3为居住者提供健康舒适的室内环境可持续发展理念在结构设计中的应用资源节约1采用可再生材料，提高材料的利用率环境友好2减少建筑对环境的污染经济可行3在满足功能要求的前提下，降低建筑的造价结构安全与建筑节能节能材料1采用保温隔热性能好的材料，减少建筑的能量损失结构优化2通过结构优化，减少结构的材料用量，降低结构的自重维护管理3加强结构的维护管理，延长结构的使用寿命结构安全设计的创新与发展趋势智能结构打印结构机器学习3D通过传感器和控制系统，利用3D打印技术，快速利用机器学习技术，进实时监测和控制结构的建造复杂的结构行结构安全评估和预测健康状况国际先进结构安全设计经验美国注重结构的可靠性设计，采用性能化设计方法欧洲注重结构的可持续性设计，采用绿色建筑技术日本注重结构的抗震设计，采用先进的抗震技术加拿大注重结构的耐久性设计，采用有效的防护措施案例分析重大建筑结构安全事故案例一案例二某大桥因设计缺陷和施工质量问题发生垮塌，造成重大人员伤亡和某高层建筑因火灾导致结构失效，造成严重的人员伤亡和财产损失经济损失教训必须严格执行规范，加强质量管理教训必须加强防火设计，提高结构的耐火性能结构安全设计的未来展望智能化可持续化结构将具有自感知、自诊断、自修复的能力结构将更加注重资源节约和环境保护高性能化数字化结构将具有更高的强度、刚度和耐久性结构设计、建造和维护将全面采用数字化技术课程总结与关键点回顾结构安全的重要性结构安全设计的基本概念1结构安全关系到生命财产安全和社会经济包括承载能力、稳定性、耐久性和抗震性稳定2结构安全设计的关键技术结构安全设计的发展趋势4包括荷载分析、材料选择、结构计算、防3智能化、可持续化、高性能化、数字化护措施等结构安全设计的重要性与挑战重要性1保障人民生命财产安全，促进社会经济可持续发展挑战2复杂结构的设计、新型材料的应用、极端荷载的应对未来3需要不断创新设计理念和技术，提高结构安全水平。