建筑结构中的正常使用极限状态是指建筑物由于结构构件出现局部损伤(包括表面出现裂缝)、或由于结构上的动态作用导致人体不舒适、或由于其他各种原因使结构丧失其应有功能的各种不利状态。与承载能力极限状态不同,在短期时间内它不存在任何对生命财产的直接危害性,因此在结构设计中是处于第二位要考虑的问题,但在个别结构设计实例中,也可能上升到主导地位。
(一)《规范》的规定
1.两类正常使用极限状态——“可逆”与“不可逆”
《工程结构可靠性设计统一标准》规定:
2.1.15 正常使用极限状态 serviceability limit states
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的状态。
2.1.16 不可逆正常使用极限状态 irreversible serviceability limit states
当产生超越正常使用极限状态的作用卸除后,该作用产生的超越状态不可恢复的正常使用极限状态。
2.1.17 可逆正常使用极限状态 reversible serviceability limit states
当产生超越正常使用极限状态的作用卸除后,该作用产生的超越状态可以恢复的正常使用极限状态。
2.三种荷载效应组合
《建筑结构荷载规范》规定:
3.2.7 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、频遇组合或准永久组合,并应按下列设计表达式进行设计:
Sd≤C (3.2.7)
式中 C——结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值,例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值,应按各有关建筑结构设计规范的规定采用。
3.三种荷载效应组合的选用原则
《工程结构可靠性设计统一标准》8.3.2条“条文说明”指出:
正常使用极限状态的可逆与不可逆的划分很重要。如不可逆,宜用标准组合;如可逆,宜用频遇组合或准永久组合。
可逆与不可逆不能只按所验算构件的情况确定,而且需要与周边构件联系起来考虑。以钢梁的挠度为例,钢梁的挠度本身当然是不可逆的,但如钢梁下有隔墙,钢梁与隔墙之间又未作专门处理,钢梁的挠度会使隔墙损坏,则仍被认为是不可逆的,应采用标准组合进行设计验算;如钢梁的挠度不会损坏其他构件(结构的或非结构的),只影响到人的舒适感,则可采用频遇组合进行设计验算;如钢梁的挠度对各种性能要求均无影响,只是个外观问题,则可采用准永久组合进行设计验算。
(二)荷载效应标准组合
1.荷载效应标准组合的设计表达式
2.1.15 标准组合 characteristic/nominal combination
正常使用极限状态计算时,采用标准值或组合值为荷载代表值的组合。
3.2.8 荷载标准组合的效应设计值Sd应按下式进行计算:
注:组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。
2.荷载效应标准组合的应用
《钢结构设计规范》规定:
3.5.3 为改善外观和使用条件,可将横向受力构件预先起拱,起拱大小应视实际需要而定,一般为恒载标准值加1/2活载标准值所产生的挠度值。当仅为改善外观条件时,构件挠度应取在恒荷载和活荷载标准值作用下的挠度计算值减去起拱度。
《混凝土结构设计规范》规定:
3.4.3 预应力混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载的标准组合,并应考虑荷载长期作用的影响进行计算。
3.4.4 结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级,三级——允许出现裂缝的构件;对预应力混凝土构件,按荷载标准组合并考虑长期作用的影响计算。
《建筑地基基础设计规范》规定:
3.0.5 地基基础设计时,所采用的作用效应应符合下列规定:
1 按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时,传至基础或承台底面上的作用效应按正常使用极限状态下作用的标准组合。
(三)荷载效应频遇组合
1.荷载效应频遇组合的设计表达式
2.1.16 频遇组合 frequent combination
正常使用极限状态计算时,对可变荷载采用频遇值或准永久值为荷载代表值的组合。
3.2.9 荷载频遇组合的效应设计值Sd应按下式进行计算:
注:组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。
2.荷载效应频遇组合的应用
《公路桥涵设计通用规范》的规定:
4.1.2 公路桥涵设计时,对不同的作用应采用不同的代表值。
2 可变作用应根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值或准永久值作为其代表值。
正常使用极限状态按短期效应(频遇)组合设计时,应采用频遇值作为可变作用的代表值。
4.1.7 公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时,应根据不同的设计要求,采用以下两种效应组合:
1 作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合,其效应组合表达式为:
式中 Ssd——作用短期效应组合设计值;
ψ1j——第j个可变作用效应的频遇值系数,汽车荷载(不计冲击力)ψ1=0.7,人群荷载ψ1=1.0,风荷载ψ1=0.75,温度梯度作用ψ1=0.8,其他作用ψ1=1.0;
SQjk——第j个可变作用效应的频遇值。
(四)荷载效应准永久组合(www.daowen.com)
1.荷载效应准永久组合的设计表达式
2.1.17 准永久组合 quasi-permanent combination
正常使用极限状态计算时,对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合。
3.2.10 荷载准永久组合的效应设计值Sd应按下式进行计算:
注:组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。
2.荷载效应准永久组合的应用
《混凝土结构设计规范》规定:
3.4.3 钢筋混凝土受弯构件的最大挠度应按荷载的准永久组合,并应考虑荷载长期作用的影响进行计算。
3.4.4 结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级,三级——允许出现裂缝的构件;对钢筋混凝土构件,按荷载准永久组合并考虑长期作用影响计算。
《建筑地基基础设计规范》规定:
3.0.5 地基基础设计时,所采用的作用效应应符合下列规定:
2 计算地基变形时,传至基础底面上的作用效应应按正常使用极限状态下作用的准永久组合,不应计入风荷载和地震作用。
真题 【1.2.16】 (1999年一级考题)
有一建筑物考虑结构抗震,当对某框架梁进行变形及裂缝宽度验算时,在整个计算过程中应采用相应的下列哪项荷载值才是正确的?
(A)荷载准永久值 (B)荷载组合值
(C)荷载代表值 (D)荷载设计值
【答案】 (C)
【详解】 根据《建筑结构荷载规范》2.1.4条,荷载代表值指设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值,例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。(C)正确。
【简解】 根据《荷规》2.1.4条,(C)正确。
真题 【1.2.17】 (2007年二级考题)
正常使用极限状态按荷载效应的频遇组合设计时,应采用以下何项数值作为可变荷载的代表值?
(A)准永久值 (B)频遇值
(C)频遇值、准永久值 (D)标准值
【答案】 (C)
【详解】 根据《建筑结构荷载规范》3.1.6条,正常使用极限状态按频遇组合设计时,应采用可变荷载的频遇值或准永久值作为其荷载代表值。(C)正确。
【简解】 根据《荷规》3.1.6条,(C)正确。
真题 【1.2.18】 (2000年一级考题,因规范改版,本题已作相应调整)
结构设计中,下列叙述中何项为正确?
(A)建筑物中,各构件的安全等级必须与整个结构的安全等级相同
(B)计算构件承载力时,采用荷载设计值
(C)构件变形验算时,采用荷载设计值
(D)混凝土结构设计中,直接承受动力作用的结构,承载力验算时不应考虑塑性内力重
分布
【答案】 (D)
【详解】
(1)根据《工程结构可靠性统一标准》3.2.2条,工程结构中各类结构构件的安全等级,宜与结构的安全等级相同,对其中部分结构构件的安全等级可进行调整,但不得低于三级。(A)错误。
(2)根据《建筑结构荷载规范》2.1.10条,荷载设计值指荷载代表值与荷载分项系数的乘积,根据3.2.2条和3.2.6条,承载能力极限状态设计的偶然组合公式中荷载代表值不乘荷载分项系数。(B)错误。
(3)根据《建筑结构荷载规范》3.2.7条,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、频遇组合或准永久组合。这些组合中的荷载代表值均不乘荷载分项系数。(C)错误。
(4)根据《混凝土结构设计规范》5.4.2条,对于直接承受动力荷载的构件,以及要求不出现裂缝或处于三a、三b环境情况下的结构,不应采用考虑塑性内力重分布的分析方法。(D)正确。
【简解】 根据《混规》5.4.2条,(D)正确。
【1.2.19】 跨中弯矩
条件:受均布荷载作用的住宅楼普通房间的楼面简支梁,跨长l=6.0m。荷载的标准值:永久荷载(包括梁自重)gk=8kN/m;楼面活荷载pk=12kN/m,结构安全等级为二级。
要求:求正常使用极限状态下简支梁跨中截面荷载效应设计值。
【简答】
(1)永久荷载标准值作用下的跨中弯矩:
(2)楼面活荷载标准值作用下的跨中弯矩:
(3)根据《建筑结构荷载规范》3.2.7条,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、频遇组合或准永久组合。
(4)根据《建筑结构荷载规范》3.2.8条,荷载标准组合的效应设计值:
(5)根据《建筑结构荷载规范》3.2.9条,荷载频遇组合的效应设计值:
(6)根据《建筑结构荷载规范》3.2.10,荷载准永久组合的效应设计值:
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