建筑结构与设计基本原则课件

建筑结构与设计基本原则

建筑结构是建筑物中支承荷载(作用)起骨架作用的体系。结构是由构件组成的。构件有拉(压)杆、梁、板、柱、拱、壳、薄膜、索、基础等。建筑结构按所使用的材料和主要受力构件的承重形式来分类。一、按使用材料划分

1.钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料组成，广泛应用于民用和工业建筑中，也大量用于特种结构(烟囱、水塔、水池)、公路、桥梁、隧道、矿井、水利工程、海洋工程。钢筋混凝土结构具有以下主要优点：

(1)可以根据需要，浇注成各种形状和尺寸，便于选择合理而美观的结构形式。

(2)合理用材，造价较低。钢筋混凝土结构合理地发挥了钢筋和混凝土两种材料的优点，因而造价较低。

(3)耐火性能较好，钢筋在混凝土保护层的保护下，在火灾发生时，不致于很快达到软化温度而导致结构破坏。

(4)耐久性好，维修费用小。钢筋被混凝土包裹，不易生锈和耐腐蚀，密实的混凝土有较高的强度和耐久性，钢筋混凝土结构一般不需维护，使用寿命较长。

(5)整浇式和装配整体式钢筋混凝土结构整体性能好，具有良好的抗震、抗风、抗撞击和抗爆炸冲击能力。建筑结构类别及适用范围(6)取材容易。混凝土中用料最多的砂、石等可就地取材，既减少了运输成本；也可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废料，有利于环境保护。钢筋混凝土结构的缺点是自重大、抗裂性能差、现浇施工时耗费模板多、工期长、隔热隔音性能较差。这些缺点正逐步得到克服：预应力混凝土可提高抗裂性；高强混凝土可改善防渗性能；轻质高强混凝土可以减轻结构自重和改善隔音隔热性能；预制钢筋混凝土构件可节省模板和缩短工期。

2.钢结构钢结构是由钢板和各种型钢，如工字钢、槽钢、角钢、T型钢、钢管及薄壁型钢等制成的。常用于大跨度结构房屋、桥梁、高层建筑、高耸建筑(电视塔、高压塔)、重工业或有动力荷载的厂房、壳体结构等。钢结构的特点是：

(1)高强质轻。钢材强度高，承受同样的荷载比别的材料用量少，能减轻结构自重。

(2)材质均匀，各向同性，材料弹性范围大。这与材料力学基本假设相符合，故结构计算与实际情况吻合较好。

(3)材料塑性、延性和韧性好。结构对超载、动力荷载、冲击荷载、地震作用、台风的抵抗和适应性强，结构可靠度高。

(4)制造简便，易于工业化大生产；施工安装周期短。

(5)耐火性能差。建筑结构类别及适用范围(6)不耐腐蚀，维修养护费用高。

(7)密封性能好。钢结构的水密性和气密性均好。

(8)造价高。

3.砌体结构砌体结构是用砖、砌块、石块通过砂浆铺缝砌筑而成的结构，一般用于中小型烟囱、水塔、水池、挡土墙、房屋及基础、拱桥等。砌体结构可就地取材，及造价低廉、保温隔热隔音性能好，耐火及耐久性较好、施工设备和方法简单等优点。也存在自重大、强度低、整体性较差致使抗震性能差等缺点。设置圈梁、构造柱、加强墙、构造柱、圈梁之间的拉结，可增大砌体结构的整体性及抗震性能。目前我国大多数民用房屋是砌体结构。

4.木结构木结构指全部或大部分用木材制成的结构。由于受木材自然生长条件的限制，使用较少。木结构有可就地取材、制作简单的优点；也有易燃、易虫蛀、易腐蚀和结构变形大的缺点。木结构多用于农村房屋的屋盖，也用于园林景观建筑。二、按承重结构类型划分建筑结构类别及适用范围

1.混合结构混合结构房屋是指房屋的墙、柱、基础等竖向承重构件采用砌体筑成而屋盖、楼盖等水平方向的承重结构构件采用钢筋混凝土结构。一般用于八层以下的民用房屋和中小型厂房。

2.框架结构框架结构由梁、板、柱组成，具有平面布置灵活、造型活泼、易于形成大空间和满足多功能要求。框架结构延性较好，抗侧移刚度小，其侧向位移会随房屋高度增加而急剧增大，这使框架结构的建筑高度受到限制。钢筋混凝土框架多用于十多层以下的房屋，如教学楼、医院、办公室、住宅、商场等。

3.剪力墙结构剪力墙结构的墙体同时承受竖向和水平荷载，剪力墙是结构墙，又称抗震墙。因为它的抗侧移刚度大，抵抗水平方向的地震作用和风荷载的能力强。剪力墙的侧向位移很小，适于建造较高的房屋，但剪力墙的间距不太大因而平面布置不太灵活，多用于建筑12层～30层的住宅、旅馆等开间小的房屋。

4.框架-剪力墙结构框架-剪力墙结构是在框架结构的纵横两个方向的部分柱间设置剪力墙。这种结构充分发挥了框架和剪力墙结构各自的优点，在高层建筑中得到广泛应用，多用于10层～20层的房屋。建筑结构类别及适用范围建筑结构类别及适用范围

5.筒体结构将剪力墙卷成竖向的空筒，就形成实腹筒；由密柱深梁框架围成的筒体称为框筒；筒体周围由竖杆、斜杆形成的桁架围成的称为桁架筒；后两者为空腹筒。若上述筒体单元内外相套则称筒中筒(或多重筒)；若上述筒体单元紧密并立连成一体则称成束筒。一般筒体结构由实腹的内筒和空腹的外筒组成。由于筒体实际上是纵横两个方向的剪力墙构成封闭的空间结构，比剪力墙结构具有更大的抗侧移刚度因而可以做得很高，筒体结构多用于30层以上的高层和超高层建筑中。

6.大跨度结构大跨度结构多用于大型体育馆、展览馆、飞机场等公共建筑。竖向承重结构多采用钢或钢筋混凝土柱或拱，屋盖采用钢网架、壳体、斜拉、悬索、薄膜等结构。

1.结构的功能建筑结构设计的基本要求是：以最经济的手段使结构在正常施工和使用条件下，在预定的设计基准期(一般为50年)内满足下列预定的功能。

(1)安全性。指建筑结构在正常施工和使用条件下能承受可能出现的各种作用(如荷载、温度改变、支座不均匀沉陷等引起的内力和变形)。且在强震、爆炸、台风和偶然事件发生时和发生后，结构仍然能保持必要的整体稳定性，结构不致倒塌。

(2)适用性。指结构在正常使用期间内具有良好的工作性能。不产生影响使用的过大变形、振幅和裂缝宽度。

(3)耐久性。指建筑结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能。如在设计基准期内钢筋不会因保护层厚度不够或混凝土裂缝过宽而锈蚀、混凝土不得脱落、风化、腐蚀。安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性。结构能够满足功能要求，称为结构可靠；反之为结构不可靠，其分界点，称为极限状态。根据建筑结构破坏后果的严重程度，建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按照表10-1的规定选用相应的安全等级。三、结构的功能及两种极限状态建筑结构设计的基本原则

2.结构的两种极限状态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，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态有两种：承载能力极限状态和正常使用极限状态。

1)承载能力极限状态(主要考虑结构的安全性)

结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。当结构或构件出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限状态。

(1)结构、构件或其间的连接因材料超过其强度而破坏(含疲劳破坏)；或因产生过度塑性变形而不能继续承载。

(2)结构变机构，即由几何不变体系变成几何可变体系。

(3)结构或构件丧失稳定，如细长压杆失稳退出工作导致结构破坏。建筑结构设计的基本原则表10-1建筑结构的安全等级安全等级破坏后果的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物建筑结构设计的基本原则(4)结构或构件发生滑移或倾复而丧失平衡位置。结构或构件一旦超过承载能力极限状态，就不能完成安全性的功能，会产生重大经济损失和人员伤亡。因此应把这种情况的发生概率控制得非常小。

2)正常使用极限状态(主要考虑结构的适用性和耐久性)

结构或结构构件达到正常使用和耐久性能的某项规定限值的状态称为正常使用极限状态。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态。

(1)发生影响正常使用或外观的过大变形；如吊车梁挠度过大以致吊车不能正常行走。

(2)发生影响正常使用或耐久性的局部损坏，包括裂缝宽度达到限值。

(3)发生影响正常使用的振动。

(4)发生影响正常使用的其他特定状态。结构或构件超过正常使用极限状态时，一般不会造成人员伤亡和重大经济损失。因此可把这种情况发生的概率控制得略宽一些。建筑结构设计时，为保证结构的安全可靠，对所有结构和构件均应进行承载能力极限状态的计算，而正常使用极限状态的验算则视具体使用要求进行。一、荷载及材料强度

1.荷载及分类

1)荷载与作用使结构产生内力或变形的原因称之为“作用”。分直接“作用”(如结构自重、风荷载)和间接“作用”(如温度改变、基础不均匀沉降、混凝土收缩、地震等)。直接“作用”一般称为荷载；间接“作用”则称为作用，如称为地震作用而不称为地震荷载。荷载与作用在计算效应时规范中统归为荷载。

2)荷载(作用)的分类按作用时间的长短和性质，荷载(作用)分为三类：

(1)永久荷载：设计基准期内其值不随时间而变化的荷载，如结构自重。永久荷载又称为恒载。

(2)可变荷载：设计基准期内其值随时间而变化的荷载。如楼面活荷载(人少、物少时其值小；反之其值大)、吊车荷载、风荷载、雪荷载、施工荷载等。可变荷载又称为活荷载。

(3)偶然荷载：设计基准期内不一定出现，但一旦出现其值很大且持续时间很短的荷载。如爆炸、撞击力、地震作用等。

2.荷载代表值荷载代表值指设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值。荷载都存在变异性，是随机变量。结构设计时，为了适应不同的极限状态下的设计要求，《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)给出了各类荷载的代表值。对永久荷载采用标准值为代表值；对可变荷载则应根据设计要求分别采用标准值，频遇值，准永久值或组合值为代表值。建筑结构设计的基本原则(1)荷载标准值。荷载标准值是结构设计时采用的荷载基本代表值，荷载的其他代表值是以其为基础乘以适当的系数后得到的。荷载的标准值为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(例如众值、均值、中值或某个分位值)。

(2)永久荷载的标准值。永久荷载变异性不大，一般以平均值作为荷载标准值，即可按结构设计规定的尺寸和材料的平均密度确定。

(3)可变荷载的标准值。可变荷载的标准值由数理统计方法确定，通常要求有95%的保证率。由于已有资料的不足，目前有些可变荷载的标准值主要由历史工程经验而定。建筑结构荷载规范(GB50009—2001)规定民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数取值见表10-2，屋面均布活荷载取值见表10-3。

(4)可变荷载频遇值。对可变荷载，取在设计基准期内，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为频遇值。其大小等于可变荷载标准值Qk乘以频遇值系数Ψf。

(5)可变荷载准永久值。对可变荷载，取在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值为准永久值。其大小等于可变荷载标准值Qk乘以准永久系数Ψq。

(6)可变荷载组合值。当考虑两种或两种以上的可变荷载在结构上同时作用时，由于所有可变荷载同时达到其单独出现的最大值的可能性极小。故除主导可变荷载仍以标准值为代表值外，其他伴随可变荷载应取其标准值乘以小于1的组合系数Ψc，得到可变荷载的组合值。建筑结构设计的基本原则

3.荷载分项系数和荷载设计值荷载可能超载，考虑必要的安全储备，在承载能力极限状态的计算中，将荷载标准值乘以大于1的相应的荷载分项系数，得到该荷载的设计值。如永久荷载、可变荷载的标准值分别以Gk、QK表示；相应的荷载分项系数分别为γG、γQ，则荷载设计值分别为GkγG和QKγQ

。

4.材料强度代表值

(1)材料强度的标准值。材料强度也是随机变量，材料强度的标准值是一种特征值f1，取具有95%的保证率的分位值。

(2)材料强度的设计值。材料的实际强度有低于标准值的可能，为安全计，将材料强度的标准值f1除以相应的大于1的材料分项系数γ，得材料强度的设计值f，即建筑结构设计的基本原则(10-1)表10-2民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数建筑结构设计的基本原则建筑结构设计的基本原则说明：

①本表所给各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载较大或情况特殊时，应按实际情况采用。

②第6项书库活荷载当书架高度大于2m时，书库活荷载尚应按每米书架高度不小于2.5kN/m2确定。

③第8项中的客车活荷载只适用于停放载人少于9人的客车；消防车活荷载是适用于满载总重为300kN的大型车辆；当不符合本表的要求时，应将车轮的局部荷载按结构效应的等效原则，换算为等效均布荷载。

④第11项楼梯活荷载，对预制楼梯踏步平板，尚应按1.5kN集中荷载验算。

⑤本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。对固定隔墙的自重应按恒荷载考虑，当隔墙位置可灵活自由布置时，非固定隔墙的自重应取每m长墙重(kN/m)的1/3作为楼面活荷载的附加值(kN/m2)计入，附加值不小于1.0kN/m2。

规范的规定，将标准值作0.2kN/m2的增减。

①不上人的屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用；对不同结构应按有关设计规范的规定，将标准值作0.2kN/m2的增减。

②上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用。

③对于因屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加以防止；必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载。

④屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。如混凝土和钢筋的强度标准值fc1、fsk；两种材料的分项系数分别为γc、γs；则两种材料的强度设计值分别为

混凝土结构设计规范规定的钢筋强度分项系数根据钢筋种类不同，取值范围在1.1～1.5，见表10-4。混凝土强度的分项系数规定为1.4。建筑结构设计的基本原则表10-3民用房屋屋面均布活荷载表10-4各类钢筋的材料分项系数γs值三、荷载效应、荷载效应组合与结构构件的抗力

1.荷载效应荷载和作用使结构或构件产生的内力、变形和裂缝，统称为荷载效应。荷载效应S由荷载乘以荷载效应系数得到。荷载效应系数由计算确定。如跨度为L，跨中作用集中力P的简支梁，跨中截面弯矩为，式中P为荷载、为荷载效应系数、荷载效应为。荷载标准值产生荷载效应的标准值SK，荷载效应标准值乘以大于1的荷载分项系数γ，得到荷载效应的设计值S，即建筑结构设计的基本原则(10-2)

如恒载标准值GK产生恒载的荷载效应的标准值SGK；γGSGK则为恒载G的荷载效应设计值；同理γQSQK

为活载Q的荷载效应设计值。

荷载效应也是随机变量。

2.荷载效应组合建筑结构设计应由设计基准期内结构上可能出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，亦称为荷载效应组合，设计时应取各自最不利的效应组合。

1)承载能力极限状态的荷载组合设计值承载能力极限状态设计，一般考虑荷载效应的基本组合。荷载效应组合的设计值S从下列组合中取最不利值确定。

(1)由可变荷载效应控制的组合：建筑结构设计的基本原则(10-3)对于一般排架，框架结构应按下列组合中取最不利值确定：(10-4a)(10-4b)

式中，γG——永久荷载分项系数。具体取值如下：①当其效应对结构不利时；对由可变荷载效

应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35；②当其效应对结构有利时，一般情况下应取1.0。

——第i个可变荷载的分项系数，其中γQ1为可变荷载Q1的分项系数，一般应取1.4；对标准值大于4kN/m2的工业建筑楼面结构活荷载应取1.3。

——按永久荷载标准值计算的荷载效应设计值。

——按可变荷载标准值计算的荷载效应设计值，其中为诸可变荷载效应中起控制作用者。

——可变荷载的组合系数，按规范取值。

n——参与组合的可变荷载数。建筑结构设计的基本原则(2)由永久荷载效应控制的组合：(10-5)2)正常使用极限状态的荷载效应组合设计值对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，分别采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合来求荷载效应的设计值S。标准组合主要用于当一个极限状态被超越时，将产生严重的永久性损害情况。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、较大变形或短暂振动的情况。准永久组合主要用于长期效应是决定性因素的情况。各种荷载效应组合的设计值S各按下式采用。

(1)标准组合：建筑结构设计的基本原则(10-6)(2)频遇组合：(10-7)(3)准永久组合：(10-8)

式中，——主导可变荷载的频遇值系数，按规范采用。

——可变荷载的准永久值系数，按规范采用。

3.结构构件的抗力结构构件的抗力指结构构件承受荷载效应的能力。如承载力、刚度、抗裂度等统称为抗力，以R表示。R也是随机变量。影响结构构件抗力的主要因素为：材料性能(强度、弹性模量、延性性能、弹性阶段、塑性阶段等)，构件截面几何参数(形状、高度、宽度、面积、惯性矩等)及计算模式的精确性。结构的抗力有标准值RK及设计值R。它们的关系为：建筑结构设计的基本原则(10-9)

式中，——抗力分项系数。（〉1）四、以概率论为基础的极限状态设计法

1.结构的失效概率与可靠指标结构的可靠度指结构在设计基准期内，在规定的条件下，完成预定功能的安全程度(概率)。它取决于荷载效应设计值S和结构构件抗力设计值R之间的关系。若取Z=R-S，则可由Z的大小判断结构是否可靠。Z=R-S称为结构的功能函数。当Z=R-S>0，即R>S时，结构处于可靠状态；当Z=R-S<0，结构处于失效状态；当Z=R-S=0，结构处于极限状态。Z=R-S=0称为结构的极限状态方程。

当结构按极限状态设计时，应符合

Z=R-S≥0 (10-10)

结构可靠度即结构处于可靠状态(Z=R-S≥0)的概率，以表示；反之，结构处于失效状态(Z=R-S<0)的概率，称为结构的失效概率，以Pf表示。显然有，即。可见，结构的可靠度也可用失效概率来度量，只要结构的失效概率足够小，我们可以认为结构是可靠的。失效概率的大小可通过可靠指标β来度量。Pf越小，β越大。结构设计时，若能满足

β≥[β] (10-11)

则结构处于可靠状态。式中的[β]为目标可靠指标，由我国的《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)规定，结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标[β]见表10-5。

[β]由结构的安全等级及破坏类型而定，结构越重要，安全等级越高，[β]越大；延性破坏由于有明显的预兆比脆性破坏的[β]稍低一些。建筑结构设计的基本原则建筑结构设计的基本原则表10-5结构构件承载能力极限状态的目标可靠指标[β}破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2说明：当承受偶然作用时，结