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”。作用于结构或结构构件上的各种荷载使结构或结构构件产生的内力（N、M、V、T）和变形、应力等，称为荷载效应。荷载效应可由力学方法求得。

例如，一简支梁梁长为l0，承受的垂直均布线荷载为q（已包括梁自重），梁的抗弯刚度为B。则梁跨中由荷载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。荷载效应与结构上的荷载密切相关，并且是一种因果关系，即没有荷载作用就没有荷载效应。2.3.1极限状态方程2.3.1.1荷载效应S结构或结构构件抵抗作用效应（本书仅指荷载效应）的能力，也即结构或构件承受内力、变形和抗裂等的能力，称为结构的抗力。

例如，一根一定长的No.20工字钢梁就具有一定的受弯、受剪和承受变形的能力。影响结构抗力的主要因素是结构所用材料的性能和结构的几何参数。2.3.1.2结构抗力R当结圆构构拢件处团于极拿限状踏态时演，影谅响结挺构可匪靠度桐的各亏种变拍量的涛关系灯式称芹为极限哪状态盏方程，令捧S≤戏R将上鸣式写墓成Z=沸g(需S,娇R)抖=R摊-S其中Z是结赠构抗炭力与欠荷载学效应挤之差行，称壶为“功能浑函数”。Z=羡R-饿S也可森理解贫为结五构构颤件扣储除荷栏载效础应后黑，结旅构内搂部所踢具有蒸的多照余抗趁力，脂故也拖称为膜“结构谁余力”。2.俯3.降1.牙3极限螺状态占方程当Z＞0时，结构帮处于竟可靠芳状态纲；当Z＜0时，结构畏处于肝失效谁状态遵；当Z=他0时，结构菌处于旬极限汉状态飘，则除下式:典Z=斥g(半S,零R)悦=R项-S冈=0就称拨为极避限状偏态方雨程。骄结构赤构件竖的承闹载能盒力极田限状蛛态设网计应匹根据川荷载财效应柿的基斑本组扛合或屿偶然押组合遣进行敞，并模以内市力和码承载栗力的歼设计励值来眨表达怪，其门设计片表达苍式为辰：英γ0S≤沾R1.结构腿重要过性系救数γ0的确粮定统一请标准惩根据惹建筑估结构垦破坏骑可能望产生补的后偶果的绣严重雹性，村将建困筑结案构划特分为嘴三个这安全则等级绪。对安带全等防级为怨一级紫、二惧级、菜三级旅的结厚构构口件，锯其结辜构构间件的扮重要丑性系不数分冤别不般应小订于1.么1、1.怪0、0.鹅9。2.糕3.垃2极限偷状态印实用扣设计籍表达兼式2.格3.衔2.符1承载推能力烈极限划状态洋设计裂表达厘式2.内力睛组合血设计赛值S的确考定考虑伯永久析性荷折载和漫可变搞荷载覆共同惑作用辱所得化的结吴构内伯力值找称为渴结构糟的内吉力组匙合值勉。对于呀基本朴组合乘，荷载修效应质组合排的设屯计值S应从把下列战组合钢值中拴取最弯不利打值确脂定：撒（1）由可团变荷助载效鉴应控谊制的絮组合较：(2躺)由永告久荷压载效厦应控翠制的担组合腊：对于勒一般快排架汽、框图架结城构，基本终组合银可采赶用简拍化规徐则，摧并应迎按下灶列组排合值桥中取窄最不喉利值迟确定县：(1驰)由可雨变荷解载效按应控光制的妙组合剖：(2甜)由永应久荷治载效锡应控模制的爆组合恨仍按早公式衰（2.扭6）采怕用。（2.邀6）3.基本爹组合梦的荷居载分斤项系葵数（1）永久颂荷载已的分赖项系忠数：当其缓效应豆对结绢构不被利时逼——对由异可变糖荷载聚效应疑控制撒的组亡合，后取γG=1风.2；——对由挠永久器荷载换效应惰控制晴的组锡合，吼取γG=1窃.3疫5。当其捡效应晚对结巷构有甘利时赏——一般遵情况失下，俘取γG=1挽.0；——对结捉构的欣倾覆趋、滑语移或免漂浮逮验算洗，取γG=0沃.9（2）可变滋荷载耕的分罗项系汤数：——一般禽情况良下，γQ=1鹅.4；——对标拍准值勉大于4k评N/屠m2的工麻业房趴屋楼搭面结温构的横活荷回载，才取γQ=1教.3。永久吼荷载挤分项疤系数泰与永删久荷体载标恋准值嚼的乘灾积，宫称为永久队荷载里设计兆值；可椅变荷疼载分苏项系姓数与蝴可变控荷载聪标准润值的距乘积宾称为可变鸦荷载问设计澡值。对于徒正常板使用扣极限皱状态麻，应浙根据之不同逐的设查计要带求，幕采用撇荷载子的标怖准组香合、剑频遇毅组合言和准绳永久舱组合释进行蓬设计爱，使皱变形亮、裂映缝、蓄振幅肢、基摘底应秤力等秤荷载内效应眉的组扭合值备符合厌下式幻玉的要非求：粉S≤捡C（1）对于呢标准率组合变，荷漂载效碌应组朋合的里设计艘值S按下肤式计窄算：2.使3.赵2.菌2正常断使用势极限百状态锹设计宰表达纵式（2）对于鸽频遇拘组合线，荷纷载效季应组蓬合的轿设计圆值S按下帐式计庙算：（3）对于蚂准永汪久组缺合，好荷载喷效应葡组合纽奉的设杂计值S按下距式计隙算：【例2.估1】已知律由永丧久荷迹载产的生的厉弯矩耐标准粘值Mgk=1追1k狸N·萄m，起修控制器作用越的可隐变荷颂载产窗生的双弯矩统标准疫值Mqk=1英6k鬼N·利m，安赞全等旅级为芹二级钢，求掉弯矩漠设计炎值。渴【解】本例额中，γ0=1仪.0，γG=1虽.2千,γQ1=1搬.4草SGk=Mgk=1怜1k池N·蚕m侄SQ1餐k=Mqk=1锈6k颂N·杜m恨则弯尼矩设绕计值耀M=告γ0(γGSGk+γQ1SQ1情k）=1轰.0铜×(是1.巴2×脂11袖+1锹.4絮×1雄6)欣kN舟·m阵=3百5.铺6k攻N·钓m咬弯矩梁设计匙值为35气.6故kN周·m。【例2.煎2】某教逝学楼湖楼面混采用厌预制心板，帮计算买跨度l0=5日.7姿0m，板只宽0.将9m，板坛自重2.雀2k欧N/纪m2。楼壤面采跌用水抚磨石陪地面前（10橡mm厚面松层，20氏mm厚水关泥砂表浆打统底）促，板熔底20姥mm厚抹付灰。习楼面塑活荷珍载标斜准值慈为2.禾0k哀N/对m2。试阴求：芳①扁板的晃跨中俊截面陕弯矩刷设计孔值M;脏②标准谜组合银荷载蛇效应积组合傲的设新计值M；③纵频晃遇组算合荷庄载效贴应组盏合的茫设计您值M；④曲准凤永久典组合坡荷载奥效应含组合炒的设世计值M。【解】(1恒)荷载光标准己值①愿永久索荷载倾水磨燃石地妖面0.够65贺kN烟/m220积mm板底寄抹灰17扔×0龟.0羡2=勿0.悟34裂kN元/m2板自铁重2.左2k子N/舰m2作用飞在板橡上的团永久绑荷载孝线荷唉载标下准值筑为gk=(救0.闭65据+0近.3墓4+页2.柳2)炎×0票.9蒜=2傻.8毫71陪kN梦/m健②馅可变垒活荷岩载斧qk=2程.0码×0庙.9退=1擦.8瓜kN早/m疑夹(2纺)板的疤跨中暑截面挨弯矩落设计还值永久阔荷载包产生辽的弯勇矩标傅准值巨Mgk=1秤/8注gk来l02=1载1.充66伐kN冠·m柿帅可变骂荷载缠产生摔的弯偶矩标锐准值复Mqk=1免/8园qk禽l02=7共.3绸1棋kN渔·m非界由可赏变荷危载效雾应控初制的敲组合贵γG=1努.2，γQ=1符.4眠M=露γGMgk+γQMqk=2粥