《结构设计》课件

结构设计本课程是结构设计的完整教学体系，共计讲内容，系统性地涵盖了结构设50计的基本原理、计算方法与实际工程应用课程专门针对建筑工程和土木工程专业的学生设计，旨在培养学生扎实的结构设计理论基础和实践能力课程内容包括三个主要部分理论基础部分将深入讲解结构力学原理、材料特性及设计方法；计算方法部分将介绍现代结构分析技术和计算软件应用；实际案例分析部分将通过典型工程项目，帮助学生理解理论与实践的结合通过本课程学习，学生将全面掌握各类建筑结构的设计方法，培养解决复杂结构工程问题的能力，为未来从事结构设计工作奠定坚实基础课程大纲1结构设计基本概念与原则涵盖结构设计的基础理论、安全性原则、适用性要求及经济性考虑2建筑结构类型与特点详细介绍混凝土、钢结构、木结构等不同材料结构的特性与应用3荷载计算与结构分析系统学习各类荷载计算方法和现代结构分析技术4结构材料特性深入了解不同结构材料的力学性能、使用特点及选择原则第一部分结构设计基础结构设计的定义与目标结构设计在工程中的重要性结构设计是指在满足建筑功能要求的前提下，通过合理的结构体结构设计是建筑工程的核心环节，直接关系到建筑物的安全性和系选择和构件设计，确保建筑物在各种荷载作用下的安全性、适使用寿命优秀的结构设计不仅能确保建筑安全，还能实现材料用性和耐久性设计目标包括承载能力、使用性能和经济合理性的合理利用，降低工程造价，提高建筑的经济效益和社会效益的统一结构的概念及作用承重功能结构系统承担建筑物自重、使用荷载、风荷载、地震作用等各种荷载，将荷载安全传递至地基基础稳定性保证提供建筑物整体稳定性，抵抗各种外力作用，防止建筑物倾覆、滑移或过度变形功能实现结构设计与建筑功能密切相关，合理的结构布置能够满足建筑使用要求，创造理想的建筑空间结构设计的基本原则安全性原则适用性原则结构必须具有足够的承载力，能结构设计应满足建筑功能要求，够安全承受设计使用期内可能出包括使用空间的合理性、结构变现的各种荷载组合，确保结构不形的控制、振动舒适度等结构发生破坏这是结构设计的首要布置应与建筑功能相协调，为使原则，任何设计都不能以牺牲安用者提供良好的使用环境全性为代价经济性原则在保证安全性和适用性的前提下，应合理选择结构材料和构件尺寸，优化结构体系，实现材料的经济合理利用，降低工程造价，提高投资效益结构概念设计的主要内容结构体系选择根据建筑功能、高度、跨度等要求，选择合适的结构体系，如框架、剪力墙、框剪、筒体等结构布置与构件尺寸初定确定主要承重构件的位置、数量和初步尺寸，建立合理的荷载传递路径抗侧力系统设计设计抵抗水平荷载的结构体系，包括抗风和抗震措施的初步确定基础方式确定根据地质条件、上部结构特点选择合适的基础类型和埋置深度结构设计流程方案设计阶段确定结构体系，进行结构布置，初步确定主要构件尺寸，完成结构概念设计和经济技术比较初步设计阶段进行详细的结构计算分析，确定构件截面尺寸，绘制主要结构构件布置图和节点详图施工图设计阶段完成全部构件的详细设计和配筋计算，绘制完整的结构施工图纸和构造详图施工配合阶段配合施工单位解决施工中的技术问题，进行设计变更和现场技术服务第二部分建筑结构类型按材料分类按受力特点分类混凝土结构、钢结构、木结构、砌体结构等框架结构、剪力墙结构、桁架结构、拱结构不同材料体系等不同受力体系按跨度分类按建筑高度分类小跨度结构、中等跨度结构、大跨度结构、低层结构（层）、多层结构（层）、1-34-9超大跨度结构高层结构（层以上）10混凝土结构钢筋混凝土材料特性优缺点分析钢筋混凝土是由混凝土和钢筋组成的复合材料混凝土具有良好优点包括材料来源广泛、造价相对较低、耐火性能好、整体性的抗压性能但抗拉强度较低，钢筋具有优良的抗拉性能两种材强、可塑性好；缺点包括自重较大、抗拉强度低、易产生裂料结合使用，充分发挥各自优势，形成理想的结构材料缝、施工周期长了解这些特点有助于合理选择和应用钢结构钢材力学性能特点钢材具有强度高、韧性好、材质均匀等优点屈服强度和抗拉强度都很高，弹性模量大，应力应变关系在弹性阶段近似为直线，便于结构计算-分析钢结构优势与局限性钢结构具有自重轻、强度高、施工速度快、抗震性能好等优势，但也存在耐火性差、易腐蚀、造价较高等局限性，需要采取相应的防护措施连接方式与防护设计钢结构常用连接方式包括焊接、螺栓连接等防火设计通过涂防火涂料、包防火板等方式实现；防腐设计采用涂装防腐漆、热浸镀锌等方法组合结构30%40%重量减轻承载力提升相比纯混凝土结构重量显著降低相比纯钢结构承载力大幅提高25%成本节约相比传统结构材料成本降低钢混凝土组合结构充分发挥了钢材和混凝土两种材料的优势，克服了各自的缺点组合梁通-过剪力连接件实现钢梁与混凝土板的共同工作，大大提高了结构的承载能力和刚度组合楼板采用压型钢板作为永久性模板，现场浇筑混凝土形成组合楼板，既简化了施工工艺又提高了结构性能型钢混凝土柱将型钢包裹在混凝土中，结合了钢材的高强度和混凝土的耐火性能木结构与轻钢结构木结构的历史与现代应用轻钢结构设计特点木结构是人类最古老的建筑结构形式之一，在现代建筑中重新受轻钢结构采用冷弯薄壁型钢构件，具有自重轻、强度高、施工便到关注现代工程木产品如胶合木、等技术的发展，使木结捷等特点广泛应用于低层住宅、厂房等建筑设计时需要特别CLT构能够建造更大跨度和更高层数的建筑木结构具有施工速度注意构件的局部稳定和整体稳定问题，以及防腐防火措施快、环保可持续等优势复合材料结构层合设计优化纤维方向和层数材料选择碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维基体材料环氧树脂、聚合物等基体系统复合材料结构在航空航天、土木工程等领域应用日益广泛软件在复合材料结构设计中发挥重要作用，提供了完整的复合材料设CATIA计工具链，从材料定义、层合设计到强度分析都有专门的模块支持，大大提高了复合材料结构设计的效率和精度第三部分荷载与作用荷载的分类与定义永久荷载与可变荷载根据荷载的性质、作用时间、空间分布等特点，将荷载分永久荷载包括结构自重、固定设备重量；可变荷载包括活为不同类型荷载、风荷载、雪荷载等荷载组合原则荷载取值标准按照规范要求进行荷载组合，考虑荷载的同时出现概率根据建筑类型、使用功能确定荷载标准值重力荷载计算荷载类型标准值应用范围kN/m²住宅楼面活荷载住宅建筑

2.0办公楼面活荷载办公建筑

2.5商场楼面活荷载商业建筑

3.5屋面活荷载不上人屋面

2.0屋面雪荷载按地区确定所有屋面恒载计算包括结构构件自重、建筑装修重量、固定设备重量等活载取值需根据建筑使用功能确定，并考虑荷载的折减系数楼面荷载分布应根据楼板的传力途径合理确定，屋面荷载需要考虑雪荷载与活荷载的不同时组合风荷载分析基本风压确定风压高度变化根据建筑所在地区的气象资料，确定考虑风压随高度的变化规律，确定风压50年重现期的基本风压值高度变化系数风荷载计算风压体型系数综合各项系数计算作用在结构上的风荷根据建筑体型特点确定不同表面的风压载大小和分布分布系数地震作用地震波分析地震波传播特性与结构响应影响系数地震影响系数曲线确定抗震等级根据烈度和结构类型划分计算方法反应谱法和时程分析法地震作用是高层建筑设计的控制荷载之一地震波包含丰富的频率成分，与结构自振特性相互作用产生动力响应结构抗震等级的确定需要综合考虑建筑的重要性、场地条件、抗震设防烈度等因素温度作用与支座沉降温度变形计算温度应力影响不均匀沉降处理根据材料线胀系数和温温度变形受约束时产生地基不均匀沉降会在结度变化幅度计算结构温温度应力，可能导致结构中产生附加内力，设度变形，考虑日照、季构开裂或破坏，需要通计时应加强基础刚度、节温差等因素对结构的过设置温度缝或预应力设置沉降缝或采用调平影响等措施控制措施第四部分结构分析方法平面杆系结构分析力法与位移法经典结构分析的基本方法矩阵位移法现代计算机分析的理论基础软件计算应用工程实际中的高效分析工具矩阵位移法是现代结构分析软件的理论核心，通过建立结构刚度矩阵和荷载向量，求解节点位移和构件内力相比手算方法，软件计算能够处理复杂的空间结构，但工程师仍需要掌握基本原理以便验证计算结果的合理性板、壳结构分析薄板理论基础壳体结构受力特点薄板理论假定板厚远小于其他尺寸，平截面保持平面，忽略剪切壳体结构通过曲面形状承受荷载，主要依靠薄膜力承载，弯矩很变形影响板的内力包括弯矩、扭矩和剪力，挠度计算需要考虑小常见的壳体形式包括圆柱壳、球壳、双曲抛物面壳等壳体板的边界条件和荷载分布单向板和双向板的计算方法有显著差结构能够以较小的材料用量跨越较大空间，在大跨度建筑中应用异广泛高层建筑结构分析高层结构特点与挑战侧向刚度计算高层建筑具有高度大、柔性大、侧向刚度直接影响结构的水平位自重大等特点，水平荷载成为设移和内力分布需要准确计算各计控制因素结构分析需要考虑抗侧力构件的刚度贡献，合理分二阶效应、动力特性、人员舒适配水平荷载，确保结构具有足够度等问题，设计复杂度远超低层的侧向刚度以控制层间位移角建筑P-Delta效应分析高层建筑在水平荷载作用下产生侧移，竖向荷载在侧移位置产生附加弯矩，即效应当效应显著时需要进行二阶分析，确保结构稳定P-Delta性结构动力分析基础单自由度系统建立质量弹簧阻尼模型，分析结构在动力荷载作用下的响应特性，--掌握自振频率和阻尼比的计算方法多自由度系统通过振型分析方法，求解结构的各阶振型和频率，了解结构的动力特性和振动模态自振周期计算采用能量法、有限元法等方法计算结构自振周期，为抗震设计提供基本参数时程与反应谱分析时程分析直接积分求解动力方程，反应谱分析利用地震反应谱进行简化计算第五部分混凝土结构设计C30混凝土强度等级常用强度等级范围C20-C60HRB400钢筋强度等级普通钢筋标准强度

1.4荷载分项系数永久荷载不利作用时

1.0材料分项系数混凝土受压时的取值混凝土结构设计以《混凝土结构设计规范》为依据，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法设计时需要进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算，确保结构安全可靠材料强度取设计值，荷载取设计值，通过分项系数体现安全储备梁的设计梁的受力特点梁主要承受弯矩和剪力，设计时需要分别进行正截面和斜截面承载力计算正弯矩区与负弯矩区配筋正弯矩区钢筋布置在梁底部，负弯矩区钢筋布置在梁顶部，需要满足构造要求剪切与扭转设计通过配置箍筋和弯起钢筋承担剪力，扭转时需要配置抗扭纵筋和箍筋构造详图设计包括钢筋锚固长度、搭接长度、保护层厚度等构造要求的确定柱的设计轴心受压柱设计轴心受压柱承载力主要由混凝土和纵向钢筋共同承担需要考虑柱的长细比对承载力的影响，进行稳定验算箍筋主要起约束混凝土和防止纵筋压屈的作用偏心受压柱设计偏心受压柱同时承受轴力和弯矩，需要根据偏心距大小判断破坏类型大偏心受压时受拉钢筋先屈服，小偏心受压时混凝土先压碎，计算方法不同配筋设计要求纵向钢筋配筋率需要满足最小配筋率要求，箍筋间距和直径需要满足构造要求对于抗震设计的柱子，还需要满足轴压比限值和配箍特征值等抗震构造措施楼板设计板类型判别弯矩计算根据长短边比例判断单向板或双向板，采用弹性理论或塑性理论计算板的弯矩确定计算简化方法分布配筋设计开洞处理根据弯矩大小确定受力钢筋数量和分布楼板开洞时需要进行洞口补强设计筋配置剪力墙设计剪力墙类型与作用墙体轴力与弯矩计算剪力墙是高层建筑的主要抗侧力构件，按照配筋方式分为普通剪剪力墙在水平荷载作用下会产生轴力、弯矩和剪力底部楼层的力墙和约束边缘构件剪力墙剪力墙能够提供很大的侧向刚度，墙体轴力最大，顶部楼层的弯矩相对较大需要按照偏心受压构有效控制结构的侧向位移，同时承担竖向荷载件进行承载力验算，确保墙体安全基础设计独立基础设计条形基础设计适用于柱荷载较小、地基承载力适用于墙体荷载或柱荷载较大的较好的情况设计时需要进行地情况条形基础具有较好的整体基承载力验算、基础冲切验算和性，能够调节不均匀沉降设计基础受弯承载力验算基础尺寸时按照地基梁进行内力分析，考应满足构造要求和经济性原则虑地基反力的影响筏板基础设计适用于地基承载力较低或上部荷载很大的情况筏板基础面积大，能够减小地基压力，提高地基稳定性设计时需要考虑筏板的整体弯曲和局部受力第六部分钢结构设计钢结构设计规范要点严格按照《钢结构设计标准》进行设计，掌握材料性能指标、计算公式和构造要求钢材选择与性能要求根据结构重要性、温度条件、厚度等因素选择合适的钢材牌号和质量等级构件设计流程确定截面类型、验算承载力、检查稳定性、满足构造要求的系统设计过程连接节点设计原则节点设计应传力明确、构造简单、便于制作安装、保证连接可靠钢梁设计验算项目控制指标计算方法弯曲承载力抗弯强度σ≤f剪切承载力抗剪强度τ≤fv整体稳定临界弯矩法或临界弯矩法φb局部稳定宽厚比翼缘和腹板宽厚比限值挠度验算变形限值v≤[v]钢梁设计需要综合考虑强度、稳定性和使用性能截面选择应经济合理，优先选用标准截面对于大跨度梁或承受较大荷载的梁，需要验算整体稳定性并设置侧向支撑钢柱设计稳定性验算钢柱稳定是控制因素压弯构件设计同时承受轴力和弯矩轴向受力设计纯压或纯拉构件钢柱设计的关键是稳定性验算，包括整体稳定和局部稳定整体稳定需要考虑弯扭屈曲的影响，局部稳定主要控制板件的宽厚比压弯构件需要进行平面内和平面外稳定验算，确保构件在复杂受力状态下的安全性钢结构连接设计螺栓连接设计焊接连接计算柱脚设计包括普通螺栓和高强度焊缝连接包括对接焊缝柱脚连接基础，分为铰螺栓连接高强度螺栓和角焊缝对接焊缝按接柱脚和刚接柱脚设分为摩擦型和承压型，母材强度设计，角焊缝计时需要验算柱脚板的设计时需要验算抗剪和按焊缝强度验算需要承压、锚栓的受拉，确抗拉承载力，确定螺栓考虑焊接残余应力和变保柱脚连接的可靠性数量和排列方式形的影响钢结构桁架设计桁架类型与特点桁架结构形式多样，包括三角形、梯形、平行弦等类型杆件内力计算采用节点法或截面法分析桁架杆件轴力桁架节点设计节点板连接设计是桁架设计的关键施工安装考虑桁架分段制作，现场拼装的施工工艺钢桁架是大跨度建筑常用的结构形式，具有用钢量省、刚度大的优点设计时假定杆件在节点处铰接，忽略杆件的弯矩节点设计需要保证力的传递路径清晰，避免杆件轴线不交于一点产生的附加弯矩施工时需要考虑桁架的起拱、安装顺序等因素第七部分组合结构设计型钢混凝土柱设计组合楼板设计型钢混凝土柱将型钢包裹在混凝土中，充分钢-混凝土组合梁设计组合楼板采用压型钢板作为永久模板，现浇发挥两种材料的优势型钢承担大部分轴力组合梁由钢梁和混凝土翼板通过剪力连接件混凝土形成组合楼板压型钢板既作为施工和弯矩，混凝土提供侧向约束并增强整体稳组成设计时需要考虑钢梁与混凝土板的共期的承重构件，又作为使用期组合楼板的受定性设计时需要考虑型钢与混凝土的协同同工作，计算组合截面的抗弯承载力和挠拉钢筋设计时需要分别验算施工阶段和使工作机理度剪力连接件的设计是关键，需要保证钢用阶段的承载力梁与混凝土板之间的有效连接第八部分高层结构设计框架结构设计框架结构适用范围框架梁柱节点设计框架结构适用于层的多层建筑，具有空间布置灵活、便于开框架节点是传递内力的关键部位，设计时需要满足强柱弱梁的6-8大空间等优点在地震区应用时需要严格控制层间位移角，并采抗震概念设计原则节点核心区应具有足够的抗剪承载力，梁柱取有效的抗震构造措施框架结构的侧向刚度相对较小，不适用纵筋在节点区的锚固应满足构造要求节点箍筋加密是保证节点于高层建筑延性的重要措施剪力墙结构设计剪力墙布置原则剪力墙应双向布置，形成封闭的抗侧力体系墙体宜均匀对称布置，避免产生过大的扭转效应墙体厚度与配筋设计墙体厚度应满足稳定性和构造要求，配筋应满足最小配筋率和构造配筋要求剪力墙结构整体计算采用三维空间分析模型，考虑楼板面内刚度，准确计算墙体内力分布变形控制剪力墙结构刚度大，需要控制在风荷载和多遇地震作用下的层间位移角框架剪力墙结构设计-框剪结构受力特点协同工作机理框架和剪力墙协同工作，在水平荷载作下部楼层剪力墙承担主要水平荷载，上用下变形协调部楼层框架作用增强抗震缝设置连接构造设计当建筑长度超过规范限值时，需要设置框架梁与剪力墙连接处需要加强，传递抗震缝将结构分为独立单元协调变形产生的内力筒体结构设计筒中筒结构特点外筒设计要点内筒与外筒连接筒中筒结构由内筒和外筒组成，内筒通常外筒设计需要考虑剪力滞后效应，柱距不内外筒之间通过楼板连接，楼板需要有足为电梯井和楼梯间，外筒为密柱深梁框架宜过大，梁截面应有足够的刚度外筒开够的面内刚度传递水平荷载连接设计应或密肋剪力墙这种结构体系能够有效抵洞会削弱整体刚度，需要在洞口周边加保证内外筒的协同工作，避免局部应力集抗水平荷载，适用于超高层建筑强外筒构件应满足抗震延性要求中现代超高层建筑多采用钢骨混凝土筒体以提高承载力第九部分特殊结构设计大跨度结构设计原则空间网格结构概述大跨度结构设计应充分利用结构空间网格结构包括网架、网壳、几何形状的优势，选择合理的结桁架等形式，具有受力合理、刚构体系设计时需要考虑施工过度大、用钢量省等优点结构设程的受力状态，合理确定预拱计需要进行空间分析，考虑杆件值温度作用和支座位移对大跨的压屈和节点的承载能力支座度结构影响显著，需要采取相应设计对结构内力分布影响很大措施壳体结构设计方法壳体结构主要依靠薄膜力承载，具有优异的承载效率设计时需要进行几何非线性分析，考虑大变形的影响壳体边缘和支座附近会产生边缘效应，需要进行局部加强空间网格结构网格结构类型与特点网架结构分为平板网架和曲面网架，杆件主要承受轴力，结构重量轻、跨越能力强节点设计与连接方式节点形式包括螺栓球节点、焊接球节点、板式节点等，节点设计影响整体结构性能支座设置与边界处理支座数量和位置直接影响结构内力分布，需要合理设置支座形式和约束条件典型工程案例分析通过实际工程案例学习网格结构的设计方法和构造要求。