建筑结构的基本设计原则

1、的基本设计原则的基本设计原则荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值1.1.永久永久荷载荷载永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，其值永久荷载亦称恒荷载，是指在结构使用期间，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载，如结构自重、土压力、预应力等。载，如结构自重、土压力、预应力等。2.2.可变可变荷载荷载可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期间，其可变荷载也称为活荷载，是指在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载，值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载、风荷载、雪

2、荷载、吊车荷载如楼面活荷载、屋面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。等。3.3.偶然偶然荷载荷载在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载，如爆炸力、撞很大且持续时间很短的荷载称为偶然荷载，如爆炸力、撞击力等。击力等。按时间的变异分按时间的变异分结构的设计使用年限结构的设计使用年限 定义：定义：房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维 护下所应达到的持久年限。结构的设计使用年限护下所应达到的持久年限。结构的设计使用年限 应按下表采用。应按下表采用。类别类别 设设 计计

3、使使 用用 年限（年）年限（年） 示示 例例 15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构荷载代表值荷载代表值 指根据不同的工作状态，取用以统计学方法得出具有一定保证率的统计特征值。荷载标准值荷载标准值（基本代表值） 指设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（例如均值、众值、中值或某个位值）。 645. 1KQ 结构自重的标准值可按设计尺寸与材料重力密度标准值计算。可变荷载组合值可变荷载组合值 对可变作用，使组合后的作用效应在设计基准期内的超越概率与该作用单独出现时的相应概率趋于一致的作用值；或组合后使结构具有统一规定的可靠指标的作用值。 k

4、ccQQ可变荷载频遇值可变荷载频遇值 对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。 kffQQ可变荷载准永久值可变荷载准永久值 指可变荷载在结构设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。 kqqQQ荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值常用材料单位体积的自重（单位常用材料单位体积的自重（单位kN/m3kN/m3）混凝土混凝土22242224，钢筋混凝土钢筋混凝土24252425，水泥砂浆水泥砂浆2020，石灰砂浆、混合砂浆石灰砂浆、混合砂浆1717，普通砖普通砖1818，普通砖（机器制）普通砖（机器制）1919，浆砌普通砖砌体浆砌普通

5、砖砌体1818，浆砌机砖砌体浆砌机砖砌体1919。 荷载标准值计算荷载标准值计算 （1 1）永久荷载标准值）永久荷载标准值 按构件尺寸和构件单位体积自重按构件尺寸和构件单位体积自重的标准值来确定。的标准值来确定。 荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值（2 2）可变荷载标准值）可变荷载标准值（民用（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）楼面均布活荷载标准值按下表采用）民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频偶值和永久值系数项项次次类类 别别标准值标准值(kN/m(kN/m2 2) )组合组合值系值系 c c频偶频偶值系值系 f f准永

6、久准永久值系数值系数 q q1 1（1 1）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院）住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园病房、托儿所、幼儿园（2 2）教室、实验室、阅览室、会议室、）教室、实验室、阅览室、会议室、医院门诊室医院门诊室2.02.00.70.70.50.50.60.60.40.40.50.52 2食堂、办公楼中的一般资料档案室食堂、办公楼中的一般资料档案室2.52.50.70.70.60.60.50.53 3（1 1）礼堂、剧场、影院、有固定座位的）礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台看台（2 2）公共洗衣房）公共洗衣房3.03.03.03.00.70.70.70.70.50.

7、50.60.60.30.30.50.54 4（1 1）商店、展览厅、车站、港口、机场）商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其旅客等候室大厅及其旅客等候室（2 2）无固定座位的看台）无固定座位的看台3.53.53.53.50.70.70.70.70.60.60.50.50.50.50.30.3荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值5 5（1 1）健身房、演出舞台）健身房、演出舞台（2 2）舞厅）舞厅4.04.04.04.00.70.70.70.70.60.60.60.60.50.50.30.36 6（1 1）书库、档案室、储藏室）书库、档案室、储藏室（2 2）密集柜书库）密集柜书库5.05.0

8、12.012.00.90.90.90.90.80.87 7通风机房、电梯机房通风机房、电梯机房7.07.00.90.90.90.90.80.88 8汽车通道及停车库汽车通道及停车库（1 1）单向板楼盖（板跨不小于）单向板楼盖（板跨不小于2m2m）客车客车消防车消防车（2 2）双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸）双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸不小于不小于6m6m6m6m）客车客车消防车消防车 4.04.035.035.02.52.520.020.00.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.60.60.60.60.6（2 2）

9、可变荷载标准值）可变荷载标准值（民用（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）楼面均布活荷载标准值按下表采用）荷载分类及荷载代表值荷载分类及荷载代表值9 9厨房（厨房（1 1）一般的）一般的（2 2）餐厅）餐厅2.02.04.04.00.70.70.70.70.60.60.70.70.50.50.70.71010浴室、厕所、盥洗室：浴室、厕所、盥洗室：（1 1）第）第1 1项中的民用建筑项中的民用建筑（2 2）其他民用建筑）其他民用建筑2.02.02.52.50.70.70.70.70.50.50.60.60.40.40.50.51111走廊、门厅、楼梯：走廊、门厅、楼梯：（1 1）宿舍、旅馆、医

10、院病房、托儿所、幼）宿舍、旅馆、医院病房、托儿所、幼儿园、住宅儿园、住宅（2 2）办公楼、教室、餐厅、医院门诊部）办公楼、教室、餐厅、医院门诊部（3 3）消防疏散楼梯、其他民用建筑）消防疏散楼梯、其他民用建筑2.02.02.52.53.53.50.70.70.70.70.70.70.50.50.60.60.50.50.40.40.50.50.30.31212阳台：阳台：（1 1）一般情况）一般情况（2 2）当人群有可能密集时）当人群有可能密集时2.52.53.53.50.70.70.60.60.50.5注：注：本表所列各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载大时，应按实际情况采用。本表所列各项

11、活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载大时，应按实际情况采用。本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。（2 2）可变荷载标准值）可变荷载标准值（民用（民用楼面均布活荷载标准值按下表采用）楼面均布活荷载标准值按下表采用）风荷载风荷载风的形成与危害风的形成与危害风是由于大气层的温度差、气压差等大气现象导致的空气流动现象。风是由于大气层的温度差、气压差等大气现象导致的空气流动现象。建筑物会对风形成阻挡，因此风会对于建筑物形成反作用。建筑物会对风形成阻挡，因此风会对于建筑物形成反作用。风是极其复杂的气流现象，是随机性的动荷载，巨大的风力作用会风是极其复杂的气流

12、现象，是随机性的动荷载，巨大的风力作用会致使建筑物水平侧移、振动甚至垮塌。致使建筑物水平侧移、振动甚至垮塌。在风的作用下，建筑物会发生以下破坏：在风的作用下，建筑物会发生以下破坏： 1 1）主体结构变形导致内墙裂缝；）主体结构变形导致内墙裂缝； 2 2）长时间的风振效应使结构受到往复应力作用而发生局部疲劳破坏；）长时间的风振效应使结构受到往复应力作用而发生局部疲劳破坏； 3 3）外装饰，受风力作用而脱落；）外装饰，受风力作用而脱落； 4 4）轻屋面，受风的作用会像上浮起甚至破坏。）轻屋面，受风的作用会像上浮起甚至破坏。风荷载的基本理论风荷载的基本理论气体的流动速度与压力成反比，迎风面受到压力作

13、用，其他面由于风的流动而受到吸力。基本风压基本风压基本风压是指某一地区，风力在迎风表面产生作用的标准值。平坦空旷的地面，距地面10米高处，年最大风速发生时10分钟内的风速平均值所形成的，并考虑该风速的历史重现期（30年为标准期限）而确定的迎风面风力作用。风玫瑰图风玫瑰图如图所表示的某一地区的冬季、夏季主导风向的图形。建筑形体与风的作用建筑形体与风的作用迎风面风力为压力，侧风面随着与风的夹角的变化，风力逐渐有压力转变为吸力；矩形、圆形、三角形等不同的平面形状的建筑物，各个侧面所受的风力作用差异很大。建筑物表面粗糙会加大风力的作用。建筑形体风作用系数举例建筑形体风作用系数举例0.8-0.6-0.6

14、-(0.48+0.03H/B)1.0-0.71.0-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.70.8-0.6-0.60.60.6-0.5-0.5-0.50.8-0.5-0.5高度与风的作用高度与风的作用随着风力测试点的高度增加，所受风力作用也随之加大。风的振动效应风的振动效应阵风会产生强烈的风阵效应，并且具有极大的不稳定性。阵风会产生顺风的振动效应与侧风的振动效应。北东西南城市中心区高层建筑的综合效应城市中心区高层建筑的综合效应常规理解，地面粗糙度大，风速减缓。这个概念仅在城市多为多层建筑或高层建筑不多、分布不密集时是正确的。随着城市中心区高层建筑大量增加、高度加大（多数在百米以上）、密度

15、也随之加大，在局部会由于过风面积狭小，形成风力急剧增加，而且这种风力增加是不确定的。西方国家已经开始对于城市中心商务高层建筑区域进行特征风的研究，并采用航空技术，以风洞试验的方式对于区域模拟规划进行调整。风荷载计算公式：风荷载计算公式：k k=z zs sz z0 0 k k : :风荷载标准值风荷载标准值 z z ：高度：高度Z Z处的风振系数处的风振系数 s s ：建筑物对于风荷载的形体系数：建筑物对于风荷载的形体系数 z z ：风荷载的高度变化系数：风荷载的高度变化系数 0 0 ：建筑物所在地区的基本风压：建筑物所在地区的基本风压混凝土强度设计值=混凝土强度标准值砼材料分项系数c钢 筋强

16、度设计值=钢 筋 强度标准值钢筋材料分项系数s永久荷载设计值= 永久荷载标准值永久荷载分项系数 g可变荷载设计值= 可变荷载标准值可变荷载分项系数 q设计值与标准值的关系设计值与标准值的关系结构的功能要求结构的功能要求 能承受正常施工和使用时的各种作用，以及能承受正常施工和使用时的各种作用，以及偶然事件发生时，仍能保持整体稳定性。偶然事件发生时，仍能保持整体稳定性。在正常使用时，能保证具有良好的工作性能，在正常使用时，能保证具有良好的工作性能，不出现过大的变形和裂缝。不出现过大的变形和裂缝。在正常使用及维护下，具有足够的耐久性能，在正常使用及维护下，具有足够的耐久性能，不发生锈蚀和风化现象。不

17、发生锈蚀和风化现象。安全性安全性适用性适用性耐久性耐久性例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不会产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。不安的裂缝宽度等。 例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。 即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。 建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级安全等级安全等级破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型一级一级很严重

18、很严重重要的房屋重要的房屋二级二级严重严重一般的房屋一般的房屋三级三级不严重不严重次要的房屋次要的房屋建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001GB50068-2001（以下简称（以下简称统一标统一标准准）规定，建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人）规定，建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等安全等级级。 设计使用年限设计使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按，是指设计规定的结构或结构构件不需

19、进行大修即可按其预定目的使用的时期。其预定目的使用的时期。 结构的设计使用年限分类结构的设计使用年限分类设计设计使使 用用 年年 限限 示示 例例5 5临时性结构临时性结构2525易于替换的结构构件易于替换的结构构件5050普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物100100纪念性建筑和纪念性建筑和特别重要的建筑结构特别重要的建筑结构结构的结构的安全性安全性、适用性适用性和和耐久性耐久性是结构可靠的标志，总称是结构可靠的标志，总称为结构的为结构的可靠性可靠性。 结构的结构的可靠度可靠度是结构可靠性的是结构可靠性的概率度量概率度量，即对结构可靠性，即对结构可靠性的的定量描述定量描述。 结构结构可靠性可靠

20、性的定义是，结构在规定时间内，规定条件下，的定义是，结构在规定时间内，规定条件下，完成预定功能的能力。完成预定功能的能力。 当结构的使用年限当结构的使用年限超过设计使用年限超过设计使用年限后，并不意味着结构后，并不意味着结构就要报废，但其就要报废，但其可靠度可靠度将将逐渐降低逐渐降低。 结构极限状态结构极限状态结构功能的结构功能的极限状态极限状态 （1 1）承载能力承载能力极限状态极限状态（2 2）正常使用正常使用极限状态极限状态针对针对安全性安全性如：整个结构或结构的一部分作为刚体失去稳定；如：整个结构或结构的一部分作为刚体失去稳定； 结构构件或连接因材料强度不够而破坏；结构构件或连接因材料

21、强度不够而破坏； 结构转变为机动体系；结构转变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定等。结构或结构构件丧失稳定等。针对针对适用性适用性和和耐久性耐久性如：出现影响正常使用或外观的变形；如：出现影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性的局部损坏；影响正常使用或耐久性的局部损坏； 影响正常使用的振动。影响正常使用的振动。持久状况持久状况-进行进行承载能力承载能力极限状态和极限状态和正常使用正常使用极限状态设计极限状态设计。 结构的设计状况结构的设计状况短暂状况短暂状况-进行进行承载能力承载能力极限状态设计和根据需要进行极限状态设计和根据需要进行正常使正常使用用极限状态设计极限状态设计。 偶然

22、状况偶然状况-进行进行承载能力承载能力极限状态和极限状态和。 结构的设计原则和方法结构的设计原则和方法（1 1）作用效应）作用效应 S S作用（荷载）对结构产生的各种效应，作用（荷载）对结构产生的各种效应，如如弯矩、剪力、轴力、变形、裂缝弯矩、剪力、轴力、变形、裂缝等等 M V N f w结构构件抵抗各种作用效应的能力。结构构件抵抗各种作用效应的能力。如如抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭承载力承载力以及以及抗变形、抗裂缝抗变形、抗裂缝的能力。的能力。（2 2）结构抗力）结构抗力 R R有一农夫，能肩挑有一农夫，能肩挑300斤斤当给他当给他300斤的担子时，斤的担子时，效

23、应刚好等于抗力；效应刚好等于抗力；当给他当给他100斤的担子时，斤的担子时，效应小于抗力；效应小于抗力；当给他当给他400斤的担子时，斤的担子时，效应大于抗力。效应大于抗力。挑担子与结构功能函数挑担子与结构功能函数结构荷载的确定结构荷载的确定 结构上的荷载作用可以按照工程设计的标准分为：永久作用、可变作用于偶然作用三类。荷载效应荷载效应 荷载在结构上产生的内力与变形，如弯矩、剪力、轴力、扭矩、挠度、转角、裂缝等，以S来表示； 由于荷载位置与方向差异，不同荷载对于结构产生的效果不同； S= CQ，C：荷载效应系数； 特定结构或构件对于特定荷载的荷载效应系数确定的。 常见的荷载效应系数举例：o 简

24、支梁在均布荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：C=L2/8；o 简支梁在集中荷载作用下，最大弯矩的荷载效应系数为：C=L/4。影响结构抗力大小的主要因素：影响结构抗力大小的主要因素：结构的构成形态构件的几何尺寸材料性能 由材料的变异性、构件几何特征和计算模式等的不定一些，决定结构抗力也应是随机变量。结构的功能函数结构的功能函数 SRRSgZ),(当当0 0 即即 R RS S 时，结构处于时，结构处于可靠状态可靠状态；当当0 0 即即 R RS S 时，结构处于时，结构处于失效状态失效状态；当当= = 0 0 即即 R R = =S S 时，结构处于时，结构处于极限状态极限状态。 关系式关系

25、式(S(S，R)R)R RS S0 0 称为极限状态方程。称为极限状态方程。结构构件重要性系数结构构件重要性系数一级一级=1.1=1.1、二级、二级=1.0=1.0、三级、三级=0.9=0.90按承载能力极限状态设计的实用表达式按承载能力极限状态设计的实用表达式 RS 0功能函数功能函数极限状态安全失效000SRZ可靠度定义 结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的概率。结构不能完成预定功能的概率？问题可靠度指标与失效概率的关系可靠度失效概率22SRZSRZSRZfSRSRSRZP显然22可靠度指标 由定义的代替失效概率Pf的指标。与Pf关系2.73.23.74.2Pf3.510-3

26、6.910-41.110-41.310-5延性破坏延性破坏 指结构构件在破切前有明显的变形或其他预兆。脆性破坏脆性破坏 指结构构件在破切前无明显的变形或其他预兆。实用设计表达式实用设计表达式k2k11kiQciniiQQQGGSSSS按永久荷载标准值计算的荷载效应值按可变荷载标准值计算的荷载效应值 可变荷载效应中的最大值 永久荷载分项系数永久荷载分项系数第第i i个可变荷载个可变荷载的分项系数的分项系数 第第1 1个可变荷载个可变荷载的分项系数的分项系数 可变荷载的可变荷载的组合值系数组合值系数 1）由可变荷载效应控制的组合承载能力极限状态RS 02）由永久荷载效应控制的组合)(10Qikci

27、niQiGkGSSS恒荷载效应设计值活荷载效应设计值荷载分项系数的取值荷载分项系数的取值荷载特性荷载特性分项系数分项系数永久永久荷载荷载永久荷载效应永久荷载效应对结构不利对结构不利由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合1.21.2由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合1.351.35永久荷载效应对结构有利永久荷载效应对结构有利1.01.0倾覆、滑移或飘浮验算倾覆、滑移或飘浮验算0.90.9可变可变荷载荷载一般情况一般情况1.41.4对标准值大于对标准值大于4kN/m4kN/m2 2的工业房屋楼面结构的活荷载取的工业房屋楼面结构的活荷载取1.31.3一般框、排架结构一般框、排

28、架结构 QiKniQiGKGKQQGKGSSSSS1119 . 0max 正常使用极限状态的荷载组合进行正常使用极限状态验算时采用荷载的标准值；不考虑结构的重要性系数；需要考虑荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的影响。1.标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况2.频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或瞬间振动的情况3.准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素时的一些场合 按正常使用极限状态设计的实用表达式按正常使用极限状态设计的实用表达式 （1 1）实用表达式）实用表达式 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，按下列设计表达式进行设计：求，按下列设计表达式进行设计： SC式中式中S变形、裂缝等荷载效应的设计值；变形、裂缝等荷载效应的设计值； C结构构件达到正常使用要求所规定的限值，结构构件达到正常使用要求所规定的限值，如变形、裂缝宽度等。如变形、