第二章 建筑结构设计基本原理

1、第二章第二章 建筑结构荷载与设计建筑结构荷载与设计方法方法2.1设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限2.1.1设计基准期设计基准期v结构设计中所采用的荷载统计参数和与时间结构设计中所采用的荷载统计参数和与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。有关的材料性能取值时所采用的时间参数。v我国采用的设计基准期为我国采用的设计基准期为50年。年。2.1.2设计使用年限设计使用年限 结构设计所规定的一个时期。即在这一结构设计所规定的一个时期。即在这一规定的时期内，房屋建筑在正常设计、正常规定的时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工和正常使用维护下不需要进行大修就能施工和正常使用维护下不需要进

2、行大修就能按其预定的目的使用。按其预定的目的使用。 设计使用年限对特别重要的建筑物和纪念设计使用年限对特别重要的建筑物和纪念性建筑为性建筑为100年，一般的建筑物与构筑物为年，一般的建筑物与构筑物为50年，易于替换的结构构件为年，易于替换的结构构件为25年，临时性的建年，临时性的建筑物为筑物为5年。年。 设计使用年限不同于设计基准期的概念。设计使用年限不同于设计基准期的概念。但对于一般建筑和构筑物，设计使用年限和设但对于一般建筑和构筑物，设计使用年限和设计基准期一般为计基准期一般为50年。年。 2.2 结构设计的基本概念结构设计的基本概念2.2.1三个重要概念三个重要概念结构上的作用结构上的作

3、用施加在结构上的集中力或分布力（施加在结构上的集中力或分布力（直接直接作用，也称为荷载作用，也称为荷载）和引起结构外加变形或约束变形的）和引起结构外加变形或约束变形的原因（原因（间接作用间接作用）。）。 作用效应作用效应S由于直接作用或间接作用作用于结构构件由于直接作用或间接作用作用于结构构件上，在结构内产生的上，在结构内产生的内力和变形内力和变形(如轴力、弯矩、剪力、如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等扭矩、挠度、转角和裂缝等)。 结构抗力结构抗力R结构或结构构件承受内力和变形的能力结构或结构构件承受内力和变形的能力(如如构件的构件的承载能力、刚度承载能力、刚度等等)。它与材料性能、

4、构件尺寸。它与材料性能、构件尺寸和计算模式等有关。和计算模式等有关。 结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量。2.2.2作用作用的分类的分类一、按随时间的变异分类一、按随时间的变异分类 永久作用永久作用 在设计基准期内其量值不随时间在设计基准期内其量值不随时间 变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。作用。 可变作用可变作用 在设计基准期内其量值随时间变在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。 偶然作用偶然作用在设计基准期内出现或不

5、一定出在设计基准期内出现或不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。作用。二、按随空间位置的变异分类二、按随空间位置的变异分类 固定作用固定作用在结构空间位置上具有固定分布的在结构空间位置上具有固定分布的 作用。作用。 可动作用可动作用在结构空间位置上的一定范围内可在结构空间位置上的一定范围内可 以任意分布的作用。以任意分布的作用。 三、按结构的反应分类三、按结构的反应分类 静态作用静态作用使结构产生的加速度可忽略不计的使结构产生的加速度可忽略不计的 作用。作用。 动态作用动态作用使结构产生的加速度不可忽略的作使结构产生的加速度不可忽略的作

6、用。用。 2.2.3荷载的代表值荷载的代表值建筑结构设计时，对不同荷载应采用不建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的设计值同的设计值。 对永久荷载应采用对永久荷载应采用标准值标准值作为代表值；作为代表值；对可变荷载应根据设计要求采用对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组标准值、组合值、频遇值或准永久值合值、频遇值或准永久值作为代表值；对偶作为代表值；对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。值。一、永久荷载的代表值一、永久荷载的代表值 永久荷载的代表值只有标准值。对于结构永久荷载的代表值只有标准值。对于结构自重，可按结构构件的设计尺寸和材料单位体自重，

7、可按结构构件的设计尺寸和材料单位体积（或单位面积）的自重计算。积（或单位面积）的自重计算。 常用材料的构件自重可取：素混凝土：常用材料的构件自重可取：素混凝土：24kN/m2 ，钢筋混凝土，钢筋混凝土：25 kN/m2 。 对于某些自重变异较大的材料构件，可对于某些自重变异较大的材料构件，可根据对结构的不利状态，取上限值或下限值。根据对结构的不利状态，取上限值或下限值。 二、可变荷载代表值二、可变荷载代表值标准值标准值 荷载的基本代表值，是指结构在其使用期荷载的基本代表值，是指结构在其使用期间间, , 正常情况下可能出现的最大荷载值。正常情况下可能出现的最大荷载值。荷载频遇值荷载频遇值 是正常

8、使用极限状态按频遇组合设计采用是正常使用极限状态按频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值。的一种可变荷载代表值。荷载准永久值荷载准永久值是正常使用极限状态按准永久组合和频遇是正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值，考虑荷组合设计采用的一种可变荷载代表值，考虑荷载的持久性对结构的影响载的持久性对结构的影响 。其值在设计基准期。其值在设计基准期内被超过的总时间为设计基准期的一半。内被超过的总时间为设计基准期的一半。荷载组合值荷载组合值 考虑施加在结构上的各可变荷载不可能同考虑施加在结构上的各可变荷载不可能同时达到最大值，因此取值不仅与荷载本身有时达到最大值，因此取值不仅与

9、荷载本身有关，而且与荷载效应组合所采用的概率模型有关，而且与荷载效应组合所采用的概率模型有关。关。2.2.4结构构件的材料强度结构构件的材料强度一、材料强度标准值一、材料强度标准值 是结构设计时采用的材料强度性能的基本是结构设计时采用的材料强度性能的基本代表值，具有不小于代表值，具有不小于95的保证率的材料强的保证率的材料强度值称为材料强度标准值。度值称为材料强度标准值。1.钢材的强度标准值钢材的强度标准值 规范规范将热轧钢筋的将热轧钢筋的 强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废品限值品限值 ，其保证率为，其保证率为97.73。 2.混凝土的强度标准值混凝

10、土的强度标准值 取保证率为取保证率为95%的强的强度值为混凝土强度标准值。度值为混凝土强度标准值。 二、材料强度的设计值二、材料强度的设计值 是用于承载力计算时的材料强度代表值，它是用于承载力计算时的材料强度代表值，它与材料强度标准值的关系如下：与材料强度标准值的关系如下： 材料强度的设计值材料强度的设计值=材料强度标准值材料强度标准值/ 材料强度的分项系数材料强度的分项系数 混凝土材料强度分项系数混凝土材料强度分项系数rC rC=1.4 钢筋材料强度分项系数钢筋材料强度分项系数rSrS=1.1 1.22.3建筑结构的设计方法建筑结构的设计方法2.3.1结构设计方法的演变结构设计方法的演变一、

11、容许应力法一、容许应力法（建国前及建国初期）（建国前及建国初期） 建立在弹性理论基础上的设计方法，没有建立在弹性理论基础上的设计方法，没有考虑材料的非线性性能，忽视了结构实际承载考虑材料的非线性性能，忽视了结构实际承载能力与按弹性方法计算结果的差异。能力与按弹性方法计算结果的差异。二、破损阶段设计法二、破损阶段设计法（使用前苏联规范）（使用前苏联规范） 考虑在使用阶段塑性应力分布后结构构件截考虑在使用阶段塑性应力分布后结构构件截面承载力不小于外荷载产生的内力并乘以按安面承载力不小于外荷载产生的内力并乘以按安全系数，但安全系数凭经验确定。全系数，但安全系数凭经验确定。三、极限状态设计法三、极限状

12、态设计法（1966、1974年编制的规年编制的规 范）范） 在安全度的表达上有单一系数和多系数形在安全度的表达上有单一系数和多系数形式，考虑了荷载的变异、材料性能的变异及工式，考虑了荷载的变异、材料性能的变异及工作条件的不同。作条件的不同。四、概率极限状态法四、概率极限状态法（1984年编制的规范）年编制的规范） 以概率理论为基础，视作用效应和影响结以概率理论为基础，视作用效应和影响结构抗力的主要因素为随机变量，根据统计分析构抗力的主要因素为随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的确定可靠概率来度量结构可靠性的结构设计方结构设计方法。法。2.3.2结构功能要求结构功能要求1.安全性

13、安全性 建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。生后，结构应能保持必需的整体稳定性，不致倒塌。 2.适用性适用性 建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等用要求，有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等。性能均不超过规定的限度等。3.耐久性耐久性 建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。建筑结构在其设

14、计使用年限内应有足够的耐久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。锈蚀等。2.3.3结构的极限状态结构的极限状态结构的极限状态结构的极限状态指整个结构或结构的一指整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态。 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将结将结构的极限状态分为两类：构的极限状态分为两类：承载能力极限状态承载能力极限状态及正常使用极限状态及正常使用极限状态。 承载能

15、力极限状态承载能力极限状态 结构或结构构件达到最结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。大承载能力或不适于继续承载的变形。 (1) 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡衡，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、，如雨篷压重不足而倾覆、烟囱抗风不足而倾倒、挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等挡土墙抗滑不足在土压力作用下而整体滑移等 (2) 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏结构构件或其连接因超过材料强度而破坏(包包括疲劳破坏括疲劳破坏)，如轴心受压构件中混凝土达到了轴心，如轴心受压构件中混凝土达到了轴心抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不

16、足而被拔出抗压强度、构件的钢筋因锚固长度不足而被拔出等；或因变形过大而不适于继续承受荷载。等；或因变形过大而不适于继续承受荷载。 (3) 结构转变为机动体系结构转变为机动体系，如构件发生三铰共线，如构件发生三铰共线而形成机动体系，丧失承载能力。而形成机动体系，丧失承载能力。 (4) 结构或构件丧失稳定结构或构件丧失稳定，如细长柱到达临界荷，如细长柱到达临界荷载后压屈失稳而破坏载后压屈失稳而破坏。正常使用极限状态正常使用极限状态 结构或结构构件达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。到正常使用或耐久性能的某项规定限值。 (1) 影响正常使用或外观的变形影响正常使用或外观的变形，如吊

17、车梁，如吊车梁变形过变形过 大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过大导致吊车不能正常行驶、梁挠度过大影响外观等。大影响外观等。 (2) 影响正常使用或耐久性能的局部损坏影响正常使用或耐久性能的局部损坏，如水池池壁开裂漏水不能正常使用、如裂缝如水池池壁开裂漏水不能正常使用、如裂缝过宽导致钢筋锈蚀等。过宽导致钢筋锈蚀等。 (3) 影响正常使用的振动影响正常使用的振动，如由于机器振动，如由于机器振动而导致结构的振幅超过按正常使用要求所规而导致结构的振幅超过按正常使用要求所规定的限位等。定的限位等。 (4) 影响正常使用的其它特定状态影响正常使用的其它特定状态，如相对，如相对沉降量过大等。沉降量过大等。2.

18、3.4功能函数与极限状态方程功能函数与极限状态方程 结构构件完成预定功能的工作状态，可用下列结结构构件完成预定功能的工作状态，可用下列结构功能函数构功能函数Z来描述来描述123, ,nZg x x xx(1,2,3, , )ix in式 中 基 本 变 量 ， 如 荷 载 、 材 料 性 能 、 几 何 参 数 、 计 算 公 式 精 确 性 等 因 素 。123,0nZg x x xx当时称上式为极限状态方程。 2.3.5结构可靠度、失效概率与可靠指标结构可靠度、失效概率与可靠指标 结构可靠度结构可靠度是指结构在规定的时间内，是指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，即在规

19、定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。结构可靠度是结构可靠性的概率度量。 结构可靠性结构可靠性是指结构在规定的时间内是指结构在规定的时间内(即即设计使用年限设计使用年限)，在规定的条件下，在规定的条件下(结构正常的结构正常的设计、施工、使用和维修条件设计、施工、使用和维修条件)，完成预定功，完成预定功能能(如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等性和动力性能等)的能力。的能力。 结构在规定的时间内，在规定的条件下，结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定的功能的概率，称为结构完成预定的功能的概率，称为结构可靠度可靠

20、度。用用Ps表示。表示。 结构不能完成预定功能，即结构不能完成预定功能，即Z0或或RS的概率即为的概率即为失效概率失效概率。用。用Pf表示。表示。 Ps +Pf =1。一般用一般用Pf 度量结构的可靠度，具有明确的物度量结构的可靠度，具有明确的物理意义，但计算理意义，但计算Pf比较复杂，一般用可靠指比较复杂，一般用可靠指标标度量结构的可靠性。度量结构的可靠性。22SSRZZR 标准标准对一般对一般工业与民用建筑结构所规定的、作为设计依据的可工业与民用建筑结构所规定的、作为设计依据的可靠指标，称为目标可靠指标靠指标，称为目标可靠指标。2.3.6目标可靠指标及安全等级目标可靠指标及安全等级 二、建

21、筑结构安全等级建筑结构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设计使用年限设计使用年限一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋100年年二级二级严重严重一般的房屋一般的房屋50年年三级三级不严重不严重次要的房屋次要的房屋5年年2.4实用设计表达式实用设计表达式混凝土结构实用设计方法：混凝土结构实用设计方法： 采用以概率理论为基础的极限状态设计方采用以概率理论为基础的极限状态设计方法；以可靠指标度量结构的可靠度；采用以法；以可靠指标度量结构的可靠度；采用以分项系数的设计表达式。分项系数的设计表达式。 所有混凝土结构进行承载能力计算所有混凝土结构进行承载能力计算，必必要时进行结

22、构的倾覆和滑移验算要时进行结构的倾覆和滑移验算；使用上不；使用上不允许出现裂缝的构件进行抗裂度验算，使用允许出现裂缝的构件进行抗裂度验算，使用上允许出现裂缝的构件进行裂度宽度验算，上允许出现裂缝的构件进行裂度宽度验算，使用上需控制变形的构件进行变形验算。使用上需控制变形的构件进行变形验算。 SRSo niQikciQikQQGkGSSSS211niQikciQiGkGSSS1)9 . 0(100niQikQiGkGSSSG 永久荷载分项系数，永久荷载分项系数，当永久荷载效应对当永久荷载效应对 结构构件的承载能力不利且可变荷载起结构构件的承载能力不利且可变荷载起 控制作用时控制作用时, ,取取1

23、.2; 1.2; 当永久荷载效应对当永久荷载效应对 结构构件的承载能力不利且永久荷载起结构构件的承载能力不利且永久荷载起 控制作用时控制作用时, ,取取1.35;1.35;当永久荷载效应对当永久荷载效应对 结构构件的承载能力有利时结构构件的承载能力有利时, ,不应大于不应大于 1.0 1.0。SGk按永久荷载标准值按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值计算的荷载效应值Qi第第i个可变荷载分项系数，一般情况取个可变荷载分项系数，一般情况取 1.4，对标准值大于对标准值大于4 4kN/m2的工业厂房的工业厂房 楼面活荷载取楼面活荷载取1.3。SQik按可变荷载标准值按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其计算的荷载效应值，其 中中SQ1k为所有可变荷载中起控制作用的为所有可变荷载中起控制作用的。ci可变荷载的组合值系数，按荷载规范的规定可变荷载的组合值系数，按荷载规范的规定 使用。使用。 n参与组合的可变荷载数。参与组合的可变荷载数。O结构构件的重要性系数，与安全等级对应，结构构件的重要性系数，与安全等级对应，安安 全等级为一级或设计使在全等级为一级或设计使在100年及以上的结构年