结构设计基本原则

结构设计基本原则第1页，共24页，2023年，2月20日，星期二一、结构的作用、作用效应及结构抗力

结构上的作用是指施加在结构上的各种力（直接作用）以及引起结构变形的各种原因（间接作用）。1、按时间的变异分类：永久作用、可变作用、偶然作用2、按结构的反应分类：静态作用、动态作用作用的分类：

（一）作用3.1结构可靠度及设计方法第2页，共24页，2023年，2月20日，星期二（二）作用效应S

施加在结构上的作用产生的内力（弯矩、剪力、轴力、扭矩等）和变形（挠度、转角、裂缝等）称为作用效应。S=cQ

作用为荷载Q，在结构上产生的效应为荷载效应S为：c–––荷载效应系数;Q–––荷载.例：简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩：简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩：（荷载效应系数为）（荷载效应系数为）第3页，共24页，2023年，2月20日，星期二（三）结构抗力R

结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。如结构构件承载力、抵抗变形、抗裂性等。

结构抗力的影响因素：材料性能的不确定性材料几何参数的不确定性计算模式的不确定性

本课程主要讲述各种构件的结构抗力的计算，作用效应的计算在结构力学课程中已讲述。第4页，共24页，2023年，2月20日，星期二Z>0，即R>S

结构可靠Z=0，即R=S结构处于极限状态。

即R<S

结构失效Z<0，结构或构件能否完成预定功能与结构的作用效应S与结构的抗力R有关。Z=R–S结构的功能函数：S—结构的作用效应R—结构的抗力第5页，共24页，2023年，2月20日，星期二二、结构的功能要求和可靠度1、安全性

结构在正常施工和使用时应能承受可能出现的各种作用；在发生火灾时，在规定的时间内保持足够的承载力；当发生偶然事件时，能保持必须的整体稳定性。2、适用性

结构在正常使用时保持良好的使用性能，如不发生过大的变形和裂缝，不妨碍正常使用。3、耐久性

结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，但仍能满足预定功能要求，如材料的风化、老化、腐蚀等不超过一定的限度。第6页，共24页，2023年，2月20日，星期二

安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。结构的可靠度是指结构在规定的时间内（设计使用年限），在规定的条件下（正常的设计、施工和使用)，完成预定功能的概率。结构可靠度是结构可靠性的概率度量。结构可靠度越高，建设造价投资越大。因此，如何在结构可靠与经济之间取得均衡，是设计方法要解决的问题。

建筑的设计使用年限见表3-1，如无特殊说明，一般为50年。第7页，共24页，2023年，2月20日，星期二三、结构的安全等级

根据结构破坏可能产生的各种后果的严重性（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）来划分建筑的安全等级。建筑结构的安全等级共划分为三级，见表3-2。建筑物中各类结构构件的安全等级，宜于整个结构的安全等级相同。第8页，共24页，2023年，2月20日，星期二一、荷载标准值1、永久荷载标准值：Gk

按构件的设计尺寸和材料重度（或单位面积的自重）平均值计算。各种材料重度见《建筑结构荷载规范》。

混凝土：25KN/m3

水泥砂浆：20KN/m3

石灰砂浆和混合砂浆：17KN/m3实例：梁截面尺寸为250×600mm，计算其自重标准值。3.2荷载和材料强度的取值第9页，共24页，2023年，2月20日，星期二2、可变荷载标准值:QK

主要类型有：（1）楼（屋）面活荷载标准值：（2）风荷载标准值：（3）雪荷载标准值：各类可变荷载标准值见《建筑结构荷载规范》

。

如：办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值为2.0KN/m2

走道、楼梯间均布活荷载标准值为2.5KN/m2第10页，共24页，2023年，2月20日，星期二二、材料强度标准值1、钢筋的强度标准值：对有明显屈服点的热轧钢筋，取屈服强度；对无明显屈服点的钢筋、钢丝及钢绞线，取0.85b

各类钢筋、钢丝、和钢绞线的强度标准值见附表1、2。2、混凝土的强度标准值：

混凝土强度标准值见附表9。材料强度标准值：材料强度概率分布中具有95%保证率的材料强度值。第11页，共24页，2023年，2月20日，星期二

整个结构或结构的一部分超过某一特定状态（如承载力、变形、裂缝宽度等超过某一限值）就不能满足设计规定的某一功能要求（安全、适用或耐久），此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。一、结构的极限状态3.3概率极限状态设计方法第12页，共24页，2023年，2月20日，星期二1、承载能力极限状态

结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏、发生不适于继续承载的变形或因结构局部破坏而引发的连续倒塌。

结构或构件出现下列情形之一时，认为超过了承载能力极限状态：（1）应力超过材料强度而破坏，或因过度变形不适于继续承载；（2）作为刚体失去平衡；（3）转变为机动体系；（4）丧失稳定；（5）因局部破坏而发生连续倒塌；（6）地基丧失承载能力而破坏；（7）疲劳破坏。承载能力极限状态主要考虑结构有关安全性的功能，所有的结构构件都需按承载能力极限状态进行设计。第13页，共24页，2023年，2月20日，星期二2、正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。结构或构件出现下列情形之一时，认为超过了承载能力极限状态：（1）影响正常使用或外观的变形（变形过大）;

（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（裂缝过宽）;

（3）影响正常使用的振动（振幅过大等）；（4）影响正常使用的其他特定状态，如沉降量过大等。正常使用极限状态主要考虑结构有关适用性和耐久性的功能，允许出现的概率稍高一些，但也应引起足够的重视。

通常对结构构件先按承载能力极限状态进行计算，按后根据使用要求按正常使用极限状态进行验算。第14页，共24页，2023年，2月20日，星期二二、结构的设计状况结构设计时，应区分以下四种设计状况：

1、持久设计状况

2、短暂设计状况

3、偶然设计状况

4、地震设计状况

以上4种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计，以确保结构的安全。对持久设计状况，尚应进行正常使用极限状态设计，以确保结构的适用和耐久；对短暂设计状况和地震设计状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计；对于偶然设计状况，可不进行正常使用极限状态设计。第15页，共24页，2023年，2月20日，星期二Z>0，即R>S

结构可靠Z=0，即R=S结构处于极限状态。

即R<S

结构失效Z<0，Z=R–S结构的功能函数：S—结构的作用效应R—结构的抗力三、结构的功能函数和极限状态方程第16页，共24页，2023年，2月20日，星期二3.4极限状态设计的实用表达式一、承载能力极限状态设计表达式结构构件截面设计表达式可采用内力或应力表达。（一）基本表达式对持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况，用内力形式的表达式：0SRR=R（fc，fs，…….)/Rd第17页，共24页，2023年，2月20日，星期二0–––结构重要性系数；在持久设计状况和短暂设计状况下，对安全等级为一、二、三级的结构构件，分别不应小于1.1,1.0,0.9，对地震设计状况性下应取1.0；S–––承载能力极限状态下作用组合的效应设计值；对持久设计状况和短暂设计状况按作用的基本组合计算；对地震设计状况按作用的地震组合计算；R

–––结构构件的抗力设计值。Rd–––结构构件的抗力模型不定性；静力设计取1.0，对不确定性较大的结构构件根据具体情况取大于1.0的数值；抗震设计用承载力抗震调整系数RE代替Rd

。

第18页，共24页，2023年，2月20日，星期二（二）荷载效应组合的设计值S（只有一种可变荷载）SGK–––永久作用标准值GK的效应；SQK——可变作用标准值QK的效应。1、由可变荷载效应控制的组合2、由永久荷载效应控制的组合对持久和短暂设计状况，应采用基本组合：第19页，共24页，2023年，2月20日，星期二G–––永久荷载分项系数。按以下规定取值：

1、当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合，取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取1.35；

2、当其效应对结构有利时：一般情况下取1.0。Q–––可变荷载分项系数。

一般情况取1.4；当楼面活荷载标准值大于4kN/m2，取1.3。–––可变荷载组合值系数，查《荷载规范》。风荷载为0.6，大部分可变荷载为0.7。荷载分项系数、可变荷载组合值系数第20页，共24页，2023年，2月20日，星期二实例：一办公楼的设计使用年限为50年，楼盖中的一简支梁作用均布荷载，跨度为6米，作用其上的永久荷载标准值gk=3kN/m；可变荷载标准值qk=6kN/m，可变荷载组合值系数C

=0.7。计算该梁按承载能力极限状态计算的荷载基本效应组合的设计值（跨中弯矩、支座剪力）

。第21页，共24页，2023年，2月20日，星期二二、正常使用极限状态设计表达式

结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。正常使用极限状态常采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合，其表达式如下：SCS–––正常使用极限状态的荷载效应的设计值；如变形、裂缝宽度等；C——结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度等的限值。