结构设计理论

1、第十章结构设计的一般原则第十章结构设计的一般原则和方法和方法10.1建筑结构设计的一般原则建筑结构设计的一般原则10.1.1建筑结构的组成和类型建筑结构的组成和类型 建筑结构是建筑物的受力主体，以室外地建筑结构是建筑物的受力主体，以室外地面为界，分为上部结构和下部结构。面为界，分为上部结构和下部结构。 上部结构由水平结构体系和竖向结构体系上部结构由水平结构体系和竖向结构体系组成。上部结构体系是指楼（屋）盖。它们一组成。上部结构体系是指楼（屋）盖。它们一方面承受楼、屋面的竖向荷载，并传递给竖向方面承受楼、屋面的竖向荷载，并传递给竖向结构体系结构体系；另一方面把作用在各层处的水平力；另一方面把作用

2、在各层处的水平力传递和分配给竖向结构体系。传递和分配给竖向结构体系。第十章 结构设计的一般原则和方法 竖向结构体系的作用是，承受由楼、屋盖竖向结构体系的作用是，承受由楼、屋盖传来的竖向力和水平力并将其传给下部结构。传来的竖向力和水平力并将其传给下部结构。由于结构物抵抗侧向力的能力十分重要，特别由于结构物抵抗侧向力的能力十分重要，特别是高层建筑和有抗震设防要求的建筑物，而这是高层建筑和有抗震设防要求的建筑物，而这种能力主要由竖向结构体系提供，故竖向结构种能力主要由竖向结构体系提供，故竖向结构体系又称抗侧力结构体系。体系又称抗侧力结构体系。 下部结构主要由地下室和基础等组成，其下部结构主要由地下室

3、和基础等组成，其主要作用是把上部结构传来的力可靠地传给天主要作用是把上部结构传来的力可靠地传给天然地基或人工地基。然地基或人工地基。第十章 结构设计的一般原则和方法 建筑物的结构类型通常以上部结构的结构建筑物的结构类型通常以上部结构的结构类型来命名的。类型来命名的。 按结构材料可分为砌体结构、混凝土结构、按结构材料可分为砌体结构、混凝土结构、钢结构、组合结构和木结构；按竖向结构体系钢结构、组合结构和木结构；按竖向结构体系可分为框架结构、排架结构、剪力墙结构、框可分为框架结构、排架结构、剪力墙结构、框架架剪力墙结构和筒体结构等。剪力墙结构和筒体结构等。第十章 结构设计的一般原则和方法10.1.2

4、建筑结构设计的阶段和内容建筑结构设计的阶段和内容 工程建设通常包括工程勘察、工程设计和工程建设通常包括工程勘察、工程设计和工程施工三个重要环节。工程施工三个重要环节。 建筑结构设计一般分为三个阶段，即初步建筑结构设计一般分为三个阶段，即初步设计阶段、技术设计和施工图设计。设计阶段、技术设计和施工图设计。 初步设计阶段的主要内容是，对地基、上初步设计阶段的主要内容是，对地基、上下部结构等提出设计方案，并进行技术经济比下部结构等提出设计方案，并进行技术经济比较，从而确定一个可行的结构方案；同时对结较，从而确定一个可行的结构方案；同时对结构设计的关键问题提出技术措施。构设计的关键问题提出技术措施。第

5、十章 结构设计的一般原则和方法 技术设计阶段的主要内容是，进行结构平技术设计阶段的主要内容是，进行结构平面布置和竖向布置；对结构的整体进行荷载效面布置和竖向布置；对结构的整体进行荷载效应分析，必要时尚应对结构中受力状况特殊的应分析，必要时尚应对结构中受力状况特殊的部分进行更详细地结构分析；确定主要的构造部分进行更详细地结构分析；确定主要的构造措施以及重要部位和薄弱部位的技术措施。措施以及重要部位和薄弱部位的技术措施。 施工图设计阶段的主要内容包括结构施工施工图设计阶段的主要内容包括结构施工图纸和结构设计计算书。结构施工图纸有结构图纸和结构设计计算书。结构施工图纸有结构施工说明、各楼层结构平面布

6、置图和结构构件施工说明、各楼层结构平面布置图和结构构件及构件的连接的配筋和构造图。及构件的连接的配筋和构造图。第十章 结构设计的一般原则和方法10.1.3建筑结构设计的一般原则建筑结构设计的一般原则详细阅读和领会工程地质勘察报告，把建筑详细阅读和领会工程地质勘察报告，把建筑 场地的水文、地质等资料作为设计的依据。场地的水文、地质等资料作为设计的依据。把国家、地方和行业的现行设计法规、标准、把国家、地方和行业的现行设计法规、标准、 规范和规程等作为设计的依据，切实遵守有规范和规程等作为设计的依据，切实遵守有关关 规定，特别是规定，特别是“强制性条文强制性条文”的规定。的规定。采用高性能的结构材料

7、、先进的科学技术、采用高性能的结构材料、先进的科学技术、 先进的设计计算方法和施工方法。先进的设计计算方法和施工方法。结合工程的具体情况，尽可能采用并正确选结合工程的具体情况，尽可能采用并正确选 择标准图。择标准图。第十章 结构设计的一般原则和方法宜优先采用有利于建筑工业化的装配式结宜优先采用有利于建筑工业化的装配式结 构和装配整体式结构。构和装配整体式结构。与其他工种的设计，诸如建筑设计、给水与其他工种的设计，诸如建筑设计、给水 排水设计、电气设计、空气调节与通风设排水设计、电气设计、空气调节与通风设 计等互相协调配合。计等互相协调配合。第十章 结构设计的一般原则和方法10.2建筑结构荷载建

8、筑结构荷载10.2.1三个重要的概念三个重要的概念第十章 结构设计的一般原则和方法第十章 结构设计的一般原则和方法 第十章 结构设计的一般原则和方法第十章 结构设计的一般原则和方法 荷载的基本代表值，是指结构在其使用期间荷载的基本代表值，是指结构在其使用期间, 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。二、二、 是指在设计基准期内，其超越的总时间为规定是指在设计基准期内，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的较小比率，或超越频率为规定频率的荷载值 是指在设计基准期内，其超越的总时间约为设是指在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载。计

9、基准期一半的荷载。 是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，使是当结构承受两种或两种以上可变荷载时，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率能与组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率能与荷载单独作用时相应超越概率趋于一致的荷载值。荷载单独作用时相应超越概率趋于一致的荷载值。第十章 结构设计的一般原则和方法10.2.4竖向荷载竖向荷载一、楼、屋面的荷载一、楼、屋面的荷载 楼、屋面的荷载有竖向恒荷载和竖向活荷载。恒楼、屋面的荷载有竖向恒荷载和竖向活荷载。恒荷载包括结构的自重和附加在结构上的恒荷载，如门荷载包括结构的自重和附加在结构上的恒荷载，如门窗自重、设备重量等。活荷载有以下几种：窗自重、设备

10、重量等。活荷载有以下几种：民用建筑楼面均布活荷载民用建筑楼面均布活荷载 按等效均布荷载方法给出一般各类民用建筑的楼按等效均布荷载方法给出一般各类民用建筑的楼面均布活荷载标准值见面均布活荷载标准值见建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范。 考虑到作用于多层建筑楼面上的活荷载很少可能考虑到作用于多层建筑楼面上的活荷载很少可能出现标准值同时布满楼面的情况，所以可考虑楼面活出现标准值同时布满楼面的情况，所以可考虑楼面活荷载的折减，具体折减方法为：对于楼面梁，当其从荷载的折减，具体折减方法为：对于楼面梁，当其从属面积大于属面积大于25平方米时，折减系数为平方米时，折减系数为0.9；对于墙、；对于墙、柱、基础，

11、则按下表考虑。柱、基础，则按下表考虑。 第十章 结构设计的一般原则和方法 表表10.1 活荷载按楼层数的折减系数活荷载按楼层数的折减系数墙、柱、基础计算截面以上层数墙、柱、基础计算截面以上层数12345689202020计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数1.00（0.9） 0.850.700.650.600.55工业建筑楼面均布活荷载工业建筑楼面均布活荷载 工业建筑楼面在生产使用或安装检修时，由设备、工业建筑楼面在生产使用或安装检修时，由设备、管道、运输工具及可能拆移的隔墙产生的局部荷载，均管道、运输工具及可能拆移的隔墙产生的局部荷载，均按实际情况考虑

12、，可采用等效均布荷载代替，其均布活按实际情况考虑，可采用等效均布荷载代替，其均布活荷载标准值见荷载标准值见建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范。屋面活荷载屋面活荷载 房屋建筑的屋面，其水平投影上的均布活荷载见房屋建筑的屋面，其水平投影上的均布活荷载见建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范。屋面均布活荷载不应与雪荷载屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合同时组合。设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨篷设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨篷和预制小梁时，尚应考虑施工或检修时的集中荷载并应和预制小梁时，尚应考虑施工或检修时的集中荷载并应在最不利位置处进行验算。在最不利位置处进行验算。第十章 结构设计的一般原则和方

13、法二、雪荷载二、雪荷载 屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算第十章 结构设计的一般原则和方法 基本雪压一般是根据年最大雪压进行统基本雪压一般是根据年最大雪压进行统计分析确定的。在我国，基本雪压是以一般计分析确定的。在我国，基本雪压是以一般空旷平坦地面上统计的空旷平坦地面上统计的5050年一遇重现期的最年一遇重现期的最大积雪自重给出。大积雪自重给出。 屋面积雪分布系数是指屋面水平投影面屋面积雪分布系数是指屋面水平投影面积上的雪荷载与基本雪压的比值，它与屋面积上的雪荷载与基本雪压的比值，它与屋面形式、朝向及风力等有关。形式、朝向及风力等有关。第十

14、章 结构设计的一般原则和方法10.2.5风荷载风荷载一、风荷载的特点一、风荷载的特点 风是空气在大气层中运动产生的。当风遇风是空气在大气层中运动产生的。当风遇到结构阻挡时速度会改变，结构表面就产生了到结构阻挡时速度会改变，结构表面就产生了风压，使结构产生变形和振动。风压，使结构产生变形和振动。 风荷载在整个结构物表面是不均匀分布风荷载在整个结构物表面是不均匀分布的，并随着建筑物体型、面积和高度的不同而的，并随着建筑物体型、面积和高度的不同而变化。变化。 风荷载包括由顺风向的平均风引起的静力风荷载包括由顺风向的平均风引起的静力风荷载、与平均风方向一致的顺风向脉动风荷风荷载、与平均风方向一致的顺风

15、向脉动风荷载和与平均风方向垂直的横风向脉动风荷载。载和与平均风方向垂直的横风向脉动风荷载。第十章 结构设计的一般原则和方法二、风荷载标准值二、风荷载标准值 对一般工程设计，风荷载可近似按静力风对一般工程设计，风荷载可近似按静力风荷载并用动力放大系数考虑脉动风的动力效应。荷载并用动力放大系数考虑脉动风的动力效应。kkzzso 垂直于建筑物表面上的风荷载标准值 ，按下式计算：第十章 结构设计的一般原则和方法2kKN/m式中 风荷载标准值，；zZ高度 处的风振系数；S风荷载体型系数；z风压高度变化系数；om基本风压，以当地比较空旷平坦地面上离地10 高 处统计所得的50年一遇的风压取值。三、风压高度

16、变化系数三、风压高度变化系数z第十章 结构设计的一般原则和方法 在大气边界层内，风速随离地面高度的增大而增在大气边界层内，风速随离地面高度的增大而增大，风速增大规律主要取决于地面粗糙度。大，风速增大规律主要取决于地面粗糙度。四、风荷载体型系数四、风荷载体型系数Sz 风荷载体型系数指风作用在建筑物表面所引起的风荷载体型系数指风作用在建筑物表面所引起的实际压力（或吸力）与基本风压的比值，它描述建筑实际压力（或吸力）与基本风压的比值，它描述建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，与建物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，与建筑物的体型、尺度、周围环境和地面粗糙度有关。筑物的体型、尺度、周围

17、环境和地面粗糙度有关。五、风振系数五、风振系数 风振系数是考虑脉动风对结构产生动力效应的放风振系数是考虑脉动风对结构产生动力效应的放大系数。对于高耸结构以及高度大于大系数。对于高耸结构以及高度大于30m且高宽比大且高宽比大于于1.5的高柔房屋、大跨桥梁结构需考虑，而对于刚度的高柔房屋、大跨桥梁结构需考虑，而对于刚度较大的钢筋混凝土多层建筑，可忽略该系数。较大的钢筋混凝土多层建筑，可忽略该系数。10.3结构的功能要求和极限状态结构的功能要求和极限状态 第十章 结构设计的一般原则和方法表表10.2 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

18、重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二、结构的设计使用年限二、结构的设计使用年限 结构设计所规定的一个时期。即在这一规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、正常施定的时期内，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按工和正常使用维护下不需要进行大修就能按其预定的目的使用。其预定的目的使用。 设计使用年限可按设计使用年限可按建筑结构可靠度设建筑结构可靠度设计统一标准计统一标准确定，也可按业主的要求经主确定，也可按业主的要求经主管部门批准确定。一般建筑结构的使用年限管部门批准确定

19、。一般建筑结构的使用年限为为50年。年。需要注意的是，结构的设计使用年需要注意的是，结构的设计使用年限与使用寿命是不同的限与使用寿命是不同的。第十章 结构设计的一般原则和方法第十章 结构设计的一般原则和方法10.3.2结构功能的极限状态结构功能的极限状态第十章 结构设计的一般原则和方法第十章 结构设计的一般原则和方法第十章 结构设计的一般原则和方法10.3.3极限状态方程极限状态方程 第十章 结构设计的一般原则和方法10.4按近似概率的极限状态设计法按近似概率的极限状态设计法10.4.1 结构可靠度结构可靠度第十章 结构设计的一般原则和方法10.4.2可靠指标与失效概率可靠指标与失效概率 结构

20、在规定的时间内，在规定的条件下，完成预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，称为结构定的功能的概率，称为结构可靠度可靠度。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的概率的概率即为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，具有明确的物理度量结构的可靠度，具有明确的物理意义，但计算意义，但计算Pf比较复杂，一般用可靠指标比较复杂，一般用可靠指标度度量结构的可靠性。量结构的可靠性。22SSRZZR 第十章 结构设计的一般原则和方法称为可靠指标称为可靠指标第十章 结构设计的一般原

21、则和方法第十章 结构设计的一般原则和方法 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。第十章 结构设计的一般原则和方法10.5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，必要时进行结构的倾覆和

22、滑移验算；使用上不要时进行结构的倾覆和滑移验算；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。 第十章 结构设计的一般原则和方法10.5.1分项系数分项系数 分项系数按照目标可靠指标值（或确定的分项系数按照目标可靠指标值（或确定的结构失效概率值），并考虑工程经验优选确定结构失效概率值），并考虑工程经验优选确定后，将其隐含在设计表达式中。后，将其隐含在设计表达式中。 永久荷载和可变荷载组合下的设计表达式：永久荷载和

23、可变荷载组合下的设计表达式：R RG GQ Q 第十章 结构设计的一般原则和方法kskRRS 现定义现定义 、 分别为抗力分项系数和荷载分别为抗力分项系数和荷载分项系数，则一般表达式为：分项系数，则一般表达式为：sR10.5.2荷载效应组合荷载效应组合 结构或构件在使用期间，除承受恒荷载结构或构件在使用期间，除承受恒荷载外，还可能同时承受两种或两种以上活荷载，外，还可能同时承受两种或两种以上活荷载，这就是荷载效应组合的概念。荷载效应组合既这就是荷载效应组合的概念。荷载效应组合既需要考虑各种可能同时出现的荷载组合的最不需要考虑各种可能同时出现的荷载组合的最不利情况，但也不能所有参与组合的活荷载都

24、取利情况，但也不能所有参与组合的活荷载都取标准值，因为几种活荷载都同时达到标准值的标准值，因为几种活荷载都同时达到标准值的可能性不大，故应根据所考虑的极限状态，采可能性不大，故应根据所考虑的极限状态，采用相应的可变荷载代表值。用相应的可变荷载代表值。第十章 结构设计的一般原则和方法 第十章 结构设计的一般原则和方法 对于建筑结构，对于建筑结构，建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范将将荷载效应组合分为基本组合、偶然组合、标准荷载效应组合分为基本组合、偶然组合、标准组合、频遇组合和准永久组合。设计时根据使组合、频遇组合和准永久组合。设计时根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载情况，用过程中在结构上可

25、能同时出现的荷载情况，按承载能力和正常使用极限状态分别进行荷载按承载能力和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并应取各自最不利的效应组合进行效应组合，并应取各自最不利的效应组合进行设计。设计。 考虑到结构安全等级或结构使用年限的差考虑到结构安全等级或结构使用年限的差异，其目标可靠指标应相应的提高或降低，故异，其目标可靠指标应相应的提高或降低，故在承载能力极限状态设计时引入结构重要性系在承载能力极限状态设计时引入结构重要性系数数o。RSo 第十章 结构设计的一般原则和方法),(),()(2110kcskccksskniQikciQikQQGkGffRffRSSS),(),()(10kcskcc

26、ksskniQikciQiGkGffRffRSS),(),()(10kcskccksskniQikQiGkGffRffRSS第十章 结构设计的一般原则和方法结构重要性系数结构重要性系数o可变荷载采用一个小于可变荷载采用一个小于1的准永久值系数和频遇的准永久值系数和频遇值系数考虑荷载的最大值。值系数考虑荷载的最大值。第十章 结构设计的一般原则和方法 可变荷载的四种代表值，即标准值、组合可变荷载的四种代表值，即标准值、组合值、准永久值和频遇值，其中标准值时基本代值、准永久值和频遇值，其中标准值时基本代表值，其他代表值由标准值乘以相应的系数得表值，其他代表值由标准值乘以相应的系数得到。到。 根据实际

27、设计的需要，常须区分荷载的短根据实际设计的需要，常须区分荷载的短期作用（标准组合、频遇组合）和荷载的长期期作用（标准组合、频遇组合）和荷载的长期作用（准永久组合）下构件的变形大小和裂缝作用（准永久组合）下构件的变形大小和裂缝宽度的计算。宽度的计算。第十章 结构设计的一般原则和方法 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规定规定按不同的设计目的，分别选用荷载的标准组按不同的设计目的，分别选用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合。标准组合主要合、频遇组合和准永久组合。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；频遇组合主要用于当一永久性损害的情况；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、