建筑结构的设计原则

2建筑结构的基本设计原则本章讲述了建筑结构的设计原则——概率极限状态设计法。重点应掌握结构的功能、结构的可靠性和可靠度、结构功能的极限状态、各类极限状态的标志、极限状态设计实用设计表达式的意义及用法。本章提要

建筑结构设计的任务是选择适用、经济的结构方案，并通过计算和构造处理，使结构能可靠地承受各种作用。

具体设计内容有结构选型、结构布置、结构计算与设计（包括荷载计算、内力与变形计算、截面设计、抗震计算及构造处理等）、材料用量、绘制结构施工图。

结构选型和结构布置统称为结构方案设计。本章内容2.1

结构的功能2.2

结构功能的极限状态2.3

极限状态设计法2.1结构的功能建筑结构在规定的设计使用年限内（一般按50年考虑），应满足下列功能要求：

（1）安全性

（2）适用性

（3）耐久性2.1.1结构的功能2.1.2结构的可靠性结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。

《建筑结构可靠度设计统一标准》对可靠度的定义是：“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。”故结构可靠度是可靠性的概率度量。2.2结构功能的极限状态前面所说的“预定功能”，一般是以结构是否达到“极限状态”来标志的，并以此作为结构设计的准则。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的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠（有效）或不可靠（失效）的界限，故也称为界限状态。2.2.1承载力极限状态这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适用于继续承载的变形。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：

（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如阳台、雨篷的倾覆）等；

（2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；

（3）结构转变为机动体系；

（4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；

（5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。2.2.2正常使用极限状态这种极限状态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。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：

（1）影响正常使用或外观的变形；

（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝，如水池开裂引起渗漏）；

（3）影响正常使用的振动；

（4）影响正常使用的其它特定状态。2.3极限状态设计法在进行结构设计时，就应针对不同的极限状态，根据结构的特点和使用要求，给出具体的标志及限值，以作为结构设计的依据。这种以相应于结构各种功能要求的极限状态作为结构设计依据的设计方法，就称为“极限状态设计法”。作用于结构或结结构构件上的各各种荷载使结构构或结构构件产产生的内力（N、M、V、T）和变形、应力力等，称为荷载效应。荷载效应可由由力学方法求得得。例如，一简支梁梁长为为l0，承受的垂直均均布线荷载为q（已包括梁自重重），梁的抗弯弯刚度为B。则梁跨中由荷荷载q产生的弯矩为M=1/8ql02，跨中挠度f=5ql04/(384B)，支座处剪力V=1/2ql0。荷载效应与结构构上的荷载密切切相关，并且是是一种因果关系系，即没有荷载载作用就没有荷荷载效应。2.3.1极限状态方程2.3.1.1荷载效应S结构或结构构件件抵抗作用效应应（本书仅指荷荷载效应）的能能力，也即结构构或构件承受内内力、变形和抗抗裂等的能力，，称为结构的抗力。例如，一根一定长的No.20工字钢梁就具有有一定的受弯、、受剪和承受变变形的能力。影响结构抗力的的主要因素是结结构所用材料的的性能和结构的的几何参数。2.3.1.2结构抗力R当结构构件处于于极限状态时，，影响结构可靠靠度的各种变量量的关系式称为为极限状态方程，令S≤R将上式写成Z=g(S,R)=R-S其中Z是结构抗力与荷荷载效应之差，，称为“功能函数”。Z=R-S也可理解为结构构构件扣除荷载载效应后，结构构内部所具有的的多余抗力，故故也称为“结构余力”。2.3.1.3极限状态方程当Z＞0时，结构处于可靠状状态；当Z＜0时，结构处于失效状状态；当Z=0时，结构处于极限状状态，则下式:Z=g(S,R)=R-S=0就称为极限状态态方程。结构构件的承载载能力极限状态态设计应根据荷荷载效应的基本本组合或偶然组组合进行，并以以内力和承载力力的设计值来表表达，其设计表表达式为：γ0S≤R1.结构重要性系数数γ0的确定统一标准根据建建筑结构破坏可可能产生的后果果的严重性，将将建筑结构划分分为三个安全等等级。对安全等级为一一级、二级、三三级的结构构件件，其结构构件件的重要性系数数分别不应小于于1.1、1.0、0.9。2.3.2极限状态实用设设计表达式2.3.2.1承载能力极限状状态设计表达式式2.内力组合设计值值S的确定考虑永久性荷载载和可变荷载共共同作用所得的的结构内力值称称为结构的内力力组合值。对于基本组合，，荷载效应组合的的设计值S应从下列组合值值中取最不利值值确定：（1）由可变荷载效应应控制的组合：：(2)由永久荷载效应应控制的组合：：对于一般排架、、框架结构，基本组合可采用用简化规则，并并应按下列组合合值中取最不利利值确定：(1)由可变荷荷载效应应控制的的组合：：(2)由永久荷荷载效应应控制的的组合仍仍按公式式（2.6）采用。。（2.6）3.基本组合合的荷载载分项系系数（1）永久荷载载的分项项系数：：当其效应应对结构构不利时时——对由可变变荷载效效应控制制的组合合，取γG=1.2；——对由永久久荷载效效应控制制的组合合，取γG=1.35。当其效应应对结构构有利时时——一般情况况下，取取γG=1.0；——对结构的的倾覆、、滑移或或漂浮验验算，取取γG=0.9（2）可变荷载载的分项项系数：：——一般情况况下，γQ=1.4；——对标准值值大于4kN/m2的工业房房屋楼面面结构的的活荷载载，取γQ=1.3。永久荷载载分项系系数与永永久荷载载标准值值的乘积积，称为为永久荷载载设计值值；可变荷荷载分项项系数与与可变荷荷载标准准值的乘乘积称为为可变荷载载设计值值。对于正常常使用极极限状态态，应根根据不同同的设计计要求，，采用荷荷载的标标准组合合、频遇遇组合和和准永久久组合进进行设计计，使变变形、裂裂缝、振振幅、基基底应力力等荷载载效应的的组合值值符合下下式的要要求：S≤C（1）对于标准准组合，，荷载效效应组合合的设计计值S按下式计计算：2.3.2.2正常使用用极限状状态设计计表达式式（2）对于频遇遇组合，，荷载效效应组合合的设计计值S按下式计计算：（3）对于准永永久组合合，荷载载效应组组合的设设计值S按下式计计算：【例2.1】】已知由永永久荷载载产生的的弯矩标标准值Mgk=11kN·m，起控制制作用的的可变荷荷载产生生的弯矩矩标准值值Mqk=16kN·m，安全等等级为二二级，求求弯矩设设计值。。【解】本例中，，γ0=1.0，γG=1.2,γQ1=1.4SGk=Mgk=11kN·mSQ1k=Mqk=16kN·m则弯矩设设计值M=γ0(γGSGk+γQ1SQ1k）=1.0×(1.2××11+1.4×16)kN·m=35.6kN·m弯矩设计计值为35.6kN··m。【例2.2】】某教学楼楼楼面采采用预制制板，计计算跨度度l0=5.70m，板宽0.9m，板自重重2.2kN/m2。楼面采采用水磨磨石地面面（10mm厚面层，，20mm厚水泥砂砂浆打底底），板板底20mm厚抹灰。。楼面活活荷载标标准值为为2.0kN/m2。试求：：①板板的跨中中截面弯弯矩设计计值M;②标准组合合荷载效效应组合合的设计计值M；③频频遇组合合荷载效效应组合合的设计计值M；④准准永久组组合荷载载效应组组合的设设计值M。【解】(1)荷载标准准值①永久久荷载水磨石地地面0.65kN/m220mm板底抹灰灰17×0.02=0.34kN/m2板自重2.2kN/m2作用在板板上的永永久荷载载线荷载载标准值值为gk=(0.65+0.34+2.2)×0.9=2.871kN/m②可变变活荷载载qk=2.0×0.9=1.8kN/m(2)板的跨中中截面弯弯矩设计计值永久荷载载产生的的弯矩标标准值Mgk=1/8gkl02=11.66kN·m可变荷载载产生的的弯矩标标准值Mqk=1/8qkl02=7.31kN·m由可变荷荷载效应应控制的的组合γG=1.2，γQ=1.4M=γGMgk+γQMqk=24.22kN·m由永久荷荷载效应应控制的的组合γG=1.35，γQ=1.4,ψci=0.7M=γGMgk+γQψciMqk=22.90kN·m由计算知知，楼板板荷载效效应组合合值由可可变荷载载效应控控制。故故板跨中中截面的的弯矩设设计值为为24.22kN·m。(3)标准