学习溷凝土结构设计规范GB500102010.ppt
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1、1,混凝土结构设计规范 GB 50010-2011,修订背景、修订原则 主要修订内容 梁兴文 西安建筑科技大学,2,修订背景,3,修订背景,我国的工程规范每10年修订一次,混凝土结构设计规范到了应该修订的时候。 从规范颁布使用到现在,应用中发现了一些问题,有待研究解决。 GB 50010-2002颁布后,开展了第六批规范课题的研究,为修订规范做准备 解决高强钢筋引起正常使用状态问题(裂缝、变形等)的试验研究 混凝土结构耐久性的调研分析,4,修订背景, 既有混凝土结构的再设计问题 结构分析方法(弹塑性损伤本构模型、结构计算模型等) 间接作用(温差、收缩等)效应及裂缝控制 钢筋综合抗力(强度、延性
2、等)及对结构破坏的影响 各种配筋构造(并筋、锚固、连接、最小配筋率等)的试验研究 偶然作用下结构抗灾性能(如抗连续倒塌结构的整体稳定性)研究,5,修订原则,6,总原则:补充、完善、提高、不做大的改动 适当增加结构的安全储备以及抗火性能,注重结构的整体性 从以构件计算为主扩展到结构体系的设计,强调概念设计的重要性 逐渐淘汰低强度材料,推广应用高强高性能材料,提高资源利用效率 完善耐久性设计内容,补充既有结构设计的原则 拓展结构分析内容,补充、完善构件截面计算及连接构造措施的有关内容 与国际接轨,实现与相关标准及土木工程其他专业规范的分工、协调,7,修订概况,2007年2月8日 第一次全体工作会议
3、(北京) 成立修订组,分工。 2008年8月2530日 第二次全体工作会议(成都) 讨论征求意见初稿,对各部分提出修订意见 2008年11月89日 第三次全体工作会议(北京) 讨论初稿,形成征求意见稿 2009年11月29日12月2日 第四次全体工作会议(北京):讨论修改送审稿初稿,形成送审稿 2009年12月2526日 召开了送审稿审查会,并通过审查 2010年5月 形成报批稿,8,章节组成,13 总则;术语、符号;基本计算规定 4 材料 5 结构分析 6 承载能力极限状态计算 7 正常使用极限状态验算 8 构造规定 9 结构构件的基本规定 10 预应力混凝土结构构件(一般规定,损失值计算,
4、构造规定) 11 混凝土结构构件抗震设计 附录AK(10个),9,1 增加结构方案设计内容思路、原则, 思路: 完善规范的完整性,从以构件计算为主适当扩展到整体结构的设计,补充“结构方案”设计内容(3.2节) 结构体系设计的基本原则 从宏观上满足使用功能,控制结构的整体安全性; 结构方案尚应考虑:建筑、抗震、耐久、抗灾、节材等其他方面的要求,10,主要修订内容,11,1 增加结构方案设计内容设计方案,3.2.1 混凝土结构的设计方案应符合下列要求: 1 选用合理的结构体系、构件型式和布置; 2 结构的平、立面布置宜规则,各部分的质量和刚度宜均 匀、连续; 3 结构传力途径应简捷、明确,竖向构件
5、宜连续贯通、对 齐; 4 宜采用超静定结构,重要构件和关键传力部位应增加冗余 约束或有多条传力途径。 5 宜减小偶然作用的影响范围,避免发生因局部破坏引起的 结构连续倒塌。,12,13,14,【说明】灾害调查和事故分析表明:结构方案对建筑物的安全性有着决定性的影响。 在与建筑方案协调时应考虑结构体型(高宽比、长宽比)适当; 传力途径和构件布置应能够保证结构的整体稳固性; 应避免因局部破坏引发结构连续倒塌。 本条提出了在方案阶段应考虑加强结构整体稳固性的设 计原则。,15,1 增加结构方案设计内容结构缝,3.2.2 混凝土结构中结构缝的设计应符合下列要 求: 1 应根据结构受力特点及建筑尺度、形
6、状、使用功 能,合理确定结构缝的位置和构造形式; 2 宜控制结构缝的数量,并应采取有效措施减少设缝 的不利影响; 3 可根据需要设置施工阶段的临时性结构缝(施工后 浇带)。,16,【说明】结构设计时通过设置结构缝将结构分割为若干相对独 立的单元。结构缝包括伸缩缝、沉降缝、防震缝、构造缝、连 续倒塌的分割缝等。不同类型的结构缝是为消除下列不利因素 的影响:混凝土收缩、温度变化引起的胀缩变形;基础不均匀 沉降;刚度及质量突变;局部应力集中;结构防震;防止连续 倒塌等。除永久性的结构缝以外,还应考虑设置施工槎、后浇 带、控制缝等临时性缝以消除某些暂时性的不利影响。 结构缝的设置应考虑对建筑功能(如装
7、修观感、止水防 渗、保温隔声等)、结构传力(如结构布置、构件传力)、构 造做法和施工可行性等造成的影响。应遵循“一缝多能”的设计原 则,采取有效的构造措施。,17,1 增加结构方案设计内容连接,3.2.3 结构构件的连接应符合下列要求: 1 连接部位的承载力应保证被连接构件之间的传力性能; 2 当混凝土构件与其他材料构件连接时,应采取可靠的连接 措施; 3 应考虑构件变形对连接节点及相邻结构或构件造成的影 响。 【说明】构件之间连接构造设计的原则 保证连接节点处被连接构件之间的传力性能符合设计要求; 保证不同材料(混凝土、钢、砌体等)间的融合,选择可靠的连接方式以 保证可靠传力; 连接节点尚应
8、考虑被连接构件之间变形的影响以及相容条件,以避免、减 少不利影响。,18,3.2.4 混凝土结构设计应符合下列要求: 1 满足不同环境条件下的结构耐久性要求; 2 节省材料、方便施工、降低能耗与保护环境。 【说明】本条提出了结构方案设计阶段应综合考虑的其他问题 方案设计: 基本原则; 结构缝设置原则; 连接原则; 其他问题,19,2 防连续倒塌设计原则基本思想,(1) 结构连续性倒塌控制与设计的基本思想 突发事件是难以预测的, 其发生的概率小但危险大, 且事件 发生的可能性正逐渐增加, 减小结构遭受突发事件的影响值得 学者与设计人员广泛关注和慎重考虑; 加强局部构件或连接对减小结构遭受突发事件
9、的影响是有益 的, 但更重要的是提高结构整体抵抗连续性倒塌的能力, 从而 减少或避免结构因初始的局部破坏引发连续性的倒塌, 而一般 情况下要求结构在突发事件下不发生局部破坏是不可取的;,20,2 防连续倒塌设计原则基本思想,提高结构抵抗连续性倒塌的能力应着眼于结构的整体性能或 者说鲁棒性, 即最低强度、冗余特性和延性等能力特征, 一般 可通过拉结力设计、备用荷载路径分析及良好的构造要求等方 法实现; 不同结构体系的整体抵抗连续性倒塌能力各异, 应分别考察各 类结构体系发生连续性倒塌的机理和能力特征。 鲁棒性( Robustness) 是系统控制理论中的重要术语, 指系统抵抗外部环境 干扰和内部
10、不确定性因素影响而能保持稳定工作的能力,21,2 防连续倒塌设计原则基本思想,构件与连接的最低强度 结构在初始局部破坏后为达到新的稳定平衡而发生内力重分 布, 可能导致框架梁的弯矩反向, 甚至在极限状态下形成悬链线效 应。 这种内力需求在通常的结构设计当中是不予考虑的, 而一旦 出现这种内力需求, 构件或连接往往因为强度过低而发生破坏, 从 而导致连续性破坏的扩展甚至倒塌。 为此, 有必要保证构件和连接在不同受力状态下的最低强度, 使得结构各部分能在极限状态下“抱成一团”。 保证构件和连接的最低强度, 以往的研究是通过拉结力设计来实现的, 但对不同的结 构体系, 最低强度或承载力的要求一般各有
11、侧重。如钢筋混凝土框架和剪力墙结构宜着 重加强底部纵向受力钢筋的布置并要求恰当的纵筋搭接构造;钢框架宜充分保证梁柱连 接的抗弯与抗拉强度; 大跨空间结构则应保证受拉构件具备适当的受压承载力。,22,2 防连续倒塌设计原则基本思想,结构的冗余特性 结构冗余特性是指结构在初始的局部破坏下改变原有的传力路径, 并达到新的稳定平衡状态的能力特征。充分的结构冗余特性允 许结构“跨越”初始的局部破坏而不向外扩展, 从而避免连续性破 坏或倒塌的发生。 结构的冗余特性首先取决于结构体系的类型。比如, 无支撑框架 主要取决于梁柱连接的刚度、楼层数和跨数; 有支撑框架主要取 决于支撑的数量和分布, 以及适量的刚性
12、梁柱连接构成的双重 防御机制。,23,2 防连续倒塌设计原则基本思想,构件与连接的变形能力与延性特征 构件或连接的良好延性能力可显著耗散能量, 因此是减少结 构发生连续性破坏的重要能力特征。 局部构件在承载力不过多丧失的情况下, 其塑性大变形将允 许内力传递逐步转移到其他构件上, 从而实现内部冗余特性的充 分发挥。 适当的延性对提高结构的整体承载力具有显著的影响。必要 的延性是充分发挥结构内部冗余潜力的重要条件。 延性的概念并不能完全脱离强度概念而作简单的评价。当构 件或连接的强度过低时,延性能力并不能避免发生局部断裂或严 重破坏的可能.,24,2 防连续倒塌设计原则基本思想, 基本思想 结构
13、构件必须具备足够的整体连续性、冗余承载力和耗能能力(包括延性),能够将初始局部破坏区域的荷载有效地传递到能够承担这些冗余荷载的周边结构上,从而提高整体结构系统的稳定性。,25,2 防连续倒塌设计原则设计方法,(2) 结构抵抗连续性倒塌的主要设计方法 事件控制:要求突发事件在发生前即予以阻止, 或通过设置防栅 栏将爆炸等危险源隔离在建筑之外, 是结构设计以外的一类措施 间接设计:指不直接体现突发事件的具体影响, 而采用拉结力 法进行结构设计, 以提高结构的最低强度、冗余特性和延性能 力。 直接设计:分为备用荷载路径分析和特殊抗力设计, 前者通过假 定主要承重构件的初始失效来研究或评价结构的冗余性
14、能及抵抗 连续性倒塌的能力, 后者则是对主要承重构件进行防爆或防撞设 计, 避免在突发事件下发生局部破坏。,26,2 防连续倒塌设计原则设计方法,拉结力设计法 拉结力设计即要求构件和连接满足最低的抗拉强度要求, 且 各相连构件形成的传力路径必须是直线的和连续的。 4方面要求: 内部拉结力:主要由梁或楼板承担, 可根据发挥梁悬链线效 应或楼板薄膜效应的要求确定; 周边拉结力:主要由周边大梁承担, 可用以锚固内部拉结的 大梁或楼板; 悬挂拉力:对边柱或边墙的水平拉结力, 除满足内部拉结力要 求外, 还应承受一定的悬挂拉力; 竖向拉结力:由上下连续贯通的柱子承担, 要求能够承受与 其轴压力相等的拉力
15、。,27,2 防连续倒塌设计原则设计方法,图,28,2 防连续倒塌设计原则设计方法,备用荷载路径分析 备用荷载路径分析是将初始的失效构件“删除”,分析结构 在原有荷载作用下发生内力重分布, 并向新的稳定平衡状态逐 步趋近的方法。其中, 构件单元的“删除”是指让相应的构件 退出计算, 但不影响相连构件之间的连接。,29,2 防连续倒塌设计原则设计方法,关于结构抗震设计的利用 抗震设计中提出的结构冗余特性和连接延性能力等要求, 对提高结构的抵 抗连续性倒塌能力是有益的。在尚未建立合适的抗倒塌设计方法时, 采用有 关抗震设计的方法是有效的。 两者差别: 地震作用主要是水平向的, 而连续性倒塌时结构主
16、要承受竖向的恒载和部 分活载; 结构抗震时抗侧力构件是主要的, 楼板通常按刚性楼板假定考虑, 而倒塌分 析中应考虑楼板的准确建模和薄膜效应机制; 地震作用下构件反复受力而出现严重的强度与刚度退化, 延性较差, 倒塌设 计时不必对这类参数作过多的折减。 结构抗震设计方法的有益作用并不能使它可以取代抗倒塌设计, 而应立足于 结构连续性倒塌控制的自身特点, 建立合适的评价方法和设计体系。,30,2 防连续倒塌设计原则设计方法,结构设计策略与加固措施 抗倒塌设计应当结合结构的力学特点提出明晰的设计策略, 并 采取合理有效的加强措施: 合理设计楼层的平面布置, 适当减小墙体和柱子的间距, 以增 强结构的
17、整体性并减小墙体遭受局部破坏的影响 ; 结构平、立面设计规则, 力求构件内力传递连续而直接, 并加 强端部的锚固措施; 增设楼板非跨度方向的受力主筋, 一旦楼板在跨度方向失去支 承可以改变跨度方向继续承担荷载, 同时保证主梁或承重墙体可 以承担楼板从非跨度方向传递的荷载 ; 在框架顶层或中部楼层处增设跨间支撑, 形成帽桁架或腰桁架 的传力机制;,31,32,2 防连续倒塌设计原则设计方法,结构设计策略与加固措施 在主梁下方采用钢索加固, 当楼层大变形破坏时发挥钢索的悬链线效应 ; 改进钢框架梁柱连接的构造, 采用CFRP 碳纤维布等加固关键构件以有效抵抗局部破坏; 采用钢骨混凝土柱、钢管混凝土
18、柱等形式的构件, 开发高温抗火性能优良的新型结构用钢及其型材。,33,2 防连续倒塌设计原则,结语: 防止结构连续性倒塌应当高度重视结构的整体性能( 鲁棒性) 以及相关的冗余特性、延性、连接强度和保障上述性能的构造 措施。 不同类型结构体系具有不同的倒塌特点, 需要研究和制定不同 的倒塌控制设计方法。 结构抗倒塌设计的范围(可能遭受偶然作用的重要结构): 台风、暴雨下的抗倒塌设计 屋面积冰的抗倒塌设计 罕遇地震的抗倒塌设计 抗倒塌设计的范围,地质灾害等不包括在内,34,2 防连续倒塌设计原则概念设计,3.6.1 混凝土结构宜按下列要求进行防连续倒塌的概念设计: 1 采取减小偶然作用效应的措施;
19、 2 采取使重要构件及关键传力部位避免直接遭受偶然作用的措 施; 3 在结构容易遭受偶然作用影响的区域增加冗余约束,布置备 用传力途径; 4 增强重要构件及关键传力部位、疏散通道及避难空间结构的 承载力和变形性能; 5 配置贯通水平、竖向构件的钢筋,采取有效的连接措施并与 周边构件可靠地锚固; 6 通过设置结构缝,控制可能发生连续倒塌的范围。 概念设计主要从结构体系的备用路径、整体性、延性、连接构造和关键构 件的判别等方面进行结构方案和结构布置设计,避免存在易导致结构连续倒塌 的薄弱环节。,35,2 防连续倒塌设计原则概念设计,对可能出现的意外荷载和作用有所估计 居民楼:燃气爆炸可能产生的破坏
20、作用; 化工厂:易燃易爆危险品、化工反应装置可能产生的破坏作用 设置整体性加强构件或设结构缝 局部构件破坏后,控制由此引起的破坏范围。可设置整体型加 强构件或设置结构缝,对整个结构进行分区。一旦发生局部构件 破坏,可将破坏控制在一个分区内,防止连续倒塌的蔓延。整体 型加强构件是结构中的关键构件,其安全储备应高于一般构件。 增加结构的冗余度,使结构体系具有足够的备用荷载传递路径 采用合理的结构方案和结构布置,增加结构的冗余度,形成具 有多个和多向荷载传递路径传力的结构体系,可避免存在引发连 续性倒塌的薄弱部位。可通过拆除构件法判定结构是否具有备用 荷载传递路径,36,2 防连续倒塌设计原则概念设
21、计,加强结构构件的连接构造,保证结构的整体性 如对于框架结构,当某根柱发生破坏失去承载力,其直接支承 的梁应能跨越两个开间而不致塌落。这就要求跨越柱上梁中的钢 筋贯通并具有足够的抗拉强度,通过贯通钢筋的悬链线传递机 制,将梁上的荷载传递到相邻的柱。 加强结构的延性构造措施,保证剩余结构的延性 结构在局部破坏发生后,剩余结构中部分构件会进入塑性。因 此,应选择延性较好的材料,采用延性构造措施,提高结构的塑 性变形能力,增强剩余结构的内力重分布能力,可避免发生连续 倒塌。可采用拆除构件后的结构失效模式概念判别,来确认需要 加强延性的部位。,37,2 防连续倒塌设计原则拉结构件法,3.6.2 重要结
22、构的防连续倒塌设计可采用下列方法: 1 拉结构件法:在结构局部竖向构件失效的条件下,按梁 拉结模型、悬索拉结模型和悬臂拉结模型进行极限承载力计 算,维持结构的整体稳固性。 该法是使结构构件间的连接强度满足一定的要求,以保证结 构的整体性和备用荷载传递路径。 基本原则:某柱失效后,其支承的梁具有足够的承载力,避 免发生连续破坏。 该法简单易行,能一定程度上保证结构在连续性和整体性上的基本要求 ,但对于复杂不规则结构难以采用。,38,(a)梁-拉结模型,(b)悬索-拉结模型,(c)悬臂-拉结模型,拉结构件法中剩余结构体系的抗倒塌模型,39,2 防连续倒塌设计原则拉结构件法,拉结设计法的基本原则和基
23、本假定如下: 拆除竖向构件后,其所支撑的水平构件在维持其极限承载力的条件下,能够承受直接传递到水平构件上的荷载,具备足够的跨越能力。 水平构件的跨越能力由塑性铰机制(即梁端和跨中的形成塑性铰)和连续贯通钢筋的悬链线机制(即连续贯通钢筋抗拉强度)实现。 由于梁跨中底部钢筋的抗拉强度已在悬链线机制中被利用,对于塑性铰机制,偏于安全地仅考虑梁端负弯矩塑性铰的抗弯能力,不考虑跨中正弯矩塑性铰的贡献。,40,2 防连续倒塌设计原则拉结构件法,拉结设计法的基本原则和基本假定如下: 可考虑双向梁的拉结贡献,如对图E.2.2a的中柱拆除时,两个方向的梁均可考虑拉结贡献;而对于图E.2.2b边柱拆除时,偏于安全
24、只考虑纵向梁的拉结贡献;图E.2.2c角柱拆除时,则偏于安全只考虑一根梁的拉结贡献。当竖向构件支撑的水平构件多于两个方向时,可偏于安全的仅考虑两个方向水平构件所提供的拉结强度。 粱端的塑性铰应具有足够的变形能力,梁应具有足够的抗剪承载力。,41,2 防连续倒塌设计原则拉结构件法,图,42,2 防连续倒塌设计原则拉结构件法,考虑到楼板内配筋对结构整体性具有较大贡献,对内部和周边构件水平拉结配筋设计,可计入梁两侧各3倍楼板厚度内楼板与梁平行的贯通钢筋。 竖向拉结应能保证竖向构件可悬挂该竖向构件从属楼面面积上最大楼层荷载标准值。,43,2 防连续倒塌设计原则设计方法,2 局部加强法:对可能遭受偶然作
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