建筑結構的基本設計原則

本章講述了建筑結構的設計原則——概率極限狀態設計法。重點應掌握掌握荷載的分類、荷載的代表值、荷載的標準值與設計值的計算方法及在設計中的應用結構的可靠性和可靠度、結構功能的極限狀態、各類極限狀態的標志、極限狀態設計實用設計表達式的意義及用法。本章提要※

按時間分(1)永久荷載------(2)可變荷載------(3)偶然荷載------如結構自重、土壓力、預應力如樓面活荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載、溫度變化等。如爆炸力、撞擊力、罕遇的地震等。※（一）荷載分類※（二）荷載的代表值※

1、荷載標準值

是指結構在使用期間，在正常情況下可能出現的最大荷載值（使其保證率達到95%）而確定的。它是基本的代表值，其它的代表值都是以它為基礎計算的。

※（1）永久荷載標準值Gk——尺寸和材料容重（查荷載規范）。※

（2）可變荷載標準值Qk查荷載規范樓面活載風載雪載載積灰荷載地震作用屋面施工檢修荷載吊車荷載表1民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻遇值和準永久值系數表1民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻遇值和準永久值系數

2、可變荷載準永久值Qq

指可變荷載中比較呆滯的部分值，即指經常作用于結構的這樣一部分活載值。3、可變荷載頻遇值Qf對可變荷載，在設計基準期內，其超越的總時間為規定的較小比率或超越次數為規定次數的荷載值。

4、可變荷載組合值Qc※荷載分布形式均布面荷載，單位為N/㎡或kN/㎡。均布線荷載，單位為N/m或kN/m。非均布線荷載。集中荷載，單位為N或kN。荷載分項系數與荷載代表值的乘積1、永久荷載設計值2、可變荷載設計值（或），當采用荷載標準值時。（或），當采用荷載組合值時。※荷載設計值由荷載引起的結構內力,如軸力、彎矩、剪力、扭矩等，稱荷載作用效應,用S表示。G為荷載效應系數，Q為荷載。※荷載的作用效應S

結構構件的截面形式、尺寸以及材料等級確定以后，各截面將具有一定的抵抗作用效應的能力。§1.2結構的功能和極限狀態結構抗力R材料強度fk

材料強度標準值用符號fk表示，是結構設計時采用的材料性能的基本代表值，也是生產過程中控制材料質量的主要依據。

材料強度設計值是用于承載力計算時的材料強度的代表值，它與材料的強度標準值的關系為材料強度設計值=材料強度標準值/材料強度分項系數？一、建筑結構的功能使所設計的結構能滿足各種預定的功能要求。

建筑結構預定功能

耐久性

安全性

適用性

1、安全性建筑結構在正常施工和正常使用時應能承受可能出現的各種荷載、外加變形、約束變形的作用，以及在偶然事件（地震、火災、沖撞）發生時及發生后，仍能保持必須的整體穩定性，不發生倒塌或連續破壞。

2、適用性建筑結構在正常使用時，應能滿足預定的使用要求，如不發生影響正常使用的變形和裂縫寬度。3、耐久性建筑結構在正常維護下，材料性能雖隨時間變化，如不發生由于保護層碳化或裂縫寬度開展過多導致鋼筋銹蝕，混凝土不發生嚴重風化、老化、腐蝕而影響結構的使用壽命。安徽暴雪壓塌合肥5000平方米廠房倒塌河南省體育館，遭九級風破壞。風災圖片3、地震1978年7月28日，唐山市文化路青年宮，為磚混結構的二層樓房，除四根門柱外，全部坍塌1978年7月28日唐山7.8級大地震京沈鐵路胥各莊段鐵路被毀1998年美國土木工程學會報告，美國現有29%以上橋梁和1/3以上的道路老化，有2100座水壩不安全，估計需有1.3萬億美元改善其安全狀態。美國每年基礎設施修復費用約為這些設施總資產的10%！發達國家土建設施耐久性問題造成的年損失，約占GDP的1.5~2%，其中主要是混凝土結構的耐久性破壞。我國土建工程耐久性現狀民用房屋干濕交替的室外構件過早銹蝕；

結構耐久性的規定1、30－40年工業廠房；20－30年大修海港碼頭；

2、10－20年大修浪濺區最嚴重橋梁除冰鹽侵蝕；

3、10－20年大修隧道。

滲漏嚴重鋼筋保護層過薄！混凝土等級過低！鋼筋過細！斷面過薄！提高結構的耐久性刻不容緩寧波北侖港碼頭混凝土梁（建成后11年）二、結構的極限狀態

整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一功能要求，此狀態為該功能的極限狀態。※

（一）承載力極限狀態1、整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；

2、結構構件或連接因超過材料強度而破壞（包括疲勞破壞）或因過度變形而不適于繼續承載；

3、結構轉變為機動體系

4、結構或結構構件喪失穩定（如壓屈等）；

5、地基喪失承載能力而破壞（如失穩等）；※(二）正常使用極限狀態1、影響正常使用或外觀的變形；2、影響正常使用耐久性能的局部破壞（包括裂縫）；3、影響正常使用的振動；4、影響正常使用的其他特定的狀態。（1）過大的變形會造成房屋內部粉刷層剝落、填充墻、隔斷墻開裂及屋面積水等后果；（2）水池、油罐等結構開裂會引起滲漏現象；（3）過大裂縫會影響結構耐久性；（4）過大變形和裂縫也將會使用戶心里上產生不安全；（5）過大晃動或振動引起人們心里上的不安，無法正常學習和工作。

這幾座呢?

世界十大“瀕危”建筑這幾座呢?世界“瀕危”建筑這幾座呢?世界“瀕危”建筑以下何項不屬于承載能力極限狀態()A結構的一部分出現傾覆B梁出現過大的撓度C梁出現裂縫D鋼筋生銹屬于耐久性練習：答案：BCD※結構上的作用荷載溫度變化地基沉降直接作用間接作用1.3結構的可靠度和極限狀態方程1.作用效應極限狀態方程

當功能函數中僅包括作用效應R和結構抗力S兩個基本變量時，可得：當時，結構處于可靠狀態當時，結構處于失效狀態當時，結構處于極限狀態

（一）影響抗力的主要因素有1、材料性能的不確定性2、幾何參數的不確定性3、計算模式的不確定性強度、變形模量等——構件尺寸等——抗力計算所采用的基本假設和計算公式不夠精確等——適用性耐久性安全性結構的可靠性結構設計就是實現可靠性與經濟性的最佳平衡

指結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的能力。

規定的條件：是指正常設計、正常施工和正常使用的條件。

規定的時間：是指設計使用年限。※2、結構的可靠性與可靠度

※結構可靠度

結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能概率。3.設計基準期和設計使用年限設計基準期T

分析結構可靠度時，為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數。T=50年。1、設計使用年限

是指設計規定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期。類別設計使用年限（年）示例15臨時性結構225易于替換的結構構件350普通房屋和構筑物4100紀念性建筑和特別重要的建筑物

設計使用年限分類

設計使用年限的概念不同于實際壽命、耐久年限或設計基準期。

補充：結構的安全等級安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴重重要的房屋二級嚴重一般的房屋三級不嚴重次要的房屋

根據結構破壞可能產生的后果，即危及人的生命、造成的經濟損失、產生社會影響等的嚴重程度確定。

建筑物中各類結構構件的安全等級宜與整個結構的安全等級相同，但允許對部分結構構件根據其重要程度和綜合效益進行適當的調整。

可靠指標是度量結構可靠性的一種量化的指標，其值越大，失效概率就越小，結構就越可靠，它與結構失效概率在數值上一一對應的關系。1.4結構構件的可靠指標與目標可靠指標3.23.74.2脆性破壞2.73.23.7延性破壞級二級一級安全等級破壞類型表結構可靠性指標與失效概率的一一對應關系※一、承載能力極限狀態設計表達式（一）設計表達式

1.5極限狀態設計表達式———結構構件的重要性系數，對安全等級為一、二、三級的結構構件，應分別取1.1、1.0、0.9；1、可變荷載效應控制組合2、永久荷載效應控制組合——恒載和活載分項系數——荷載組合值系數※（二）內力組合設計值S表達式(1)對由可變荷載控制的組合，當其效應對結構不利時，取1.2，有利時取1.0；(2)對由恒載效應控制的組合，取1.35；(3)對抗傾覆和滑移驗算時，取0.9。※3、恒載分項系數取值：※4、活載分項系數取值：(1)一般情況下取1.4；(2)對標準值大于4KN/m2的工業房屋樓面結構的活荷載，取1.3

。關于荷載分項系數問題※（三）內力組合設計值S簡化表達式

1、常見的住宅、辦公樓等民用建筑，當僅有一個可變荷載作用時：（1）由活載效應控制的組合：（2）由恒載效應控制的組合：荷載分項系數的取值荷載特性分項系數永久

荷載永久荷載效應對結構不利由可變荷載效應控制的組合1.2由永久荷載效應控制的組合1.35永久荷載效應對結構有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗算0.9可變

荷載一般情況1.4對標準值大于4kN/m2的工業房屋樓面結構的活荷載取1.3※2、一般排架、框架結構（1）由活載效應控制的組合：（2）由恒載效應控制的組合不變正常使用極限狀態的荷載組合進行正常使用極限狀態驗算時采用荷載的標準值；不考慮結構的重要性系數；需要考慮荷載作用時間的長短對變形和裂縫寬度的影響。標準組合：主要用于當一個極限狀態被超越時將產生嚴重的永久性損害的情況2.頻遇組合：主要用于當一個極限狀態被超越時將產生局部損害、較大變形或瞬間振動的情況3.準永久組合：主要用于當長期效應是決定性因素時的一些場合

按正常使用極限狀態設計的實用表達式（1）實用表達式對于正常使用極限狀態，應根據不同的設計要求，按下列設計表達式進行設計：

S≤C式中S—變形、裂縫等荷載效應的設計值；

C—結構構件達到正常使用要求所規定的限值，如變形、裂縫寬度等。

混凝土結構的正常使用極限狀態主要是驗算構件的變形、抗裂度或裂縫寬度，使其不超過相應的規定限值；

鋼結構通過構件的變形（剛度）驗算保證；

砌體結構一般情況下不做驗算，由相應的構造措施保證。

（2）荷載效應組合設計

1）對于標準組合，其荷載效應組合的表達式為

2)對于頻遇組合，其荷載效應組合的表達式為可變荷載的頻遇系數可變荷載的準永久值系數3）對于準永久組合，荷載效應組合的表達式為

【例1.2.1】

某辦公樓鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，安全等級為二級，截面尺寸b×h=200mm×400mm，計算跨度=

5m，凈跨度=4.86m。承受均布線荷載：活荷載標準值7kN/m，恒荷載標準值10kN/m（不包括自重）。試計算按承載能力極限狀態設計時的跨中彎矩設計值和支座邊緣截面剪力設計值。【解】由表1.1.1查得活荷載組合值系數=0.7。安全等級為二級，則結構重要性系數=1.0。鋼筋混凝土的重度標準值為25kN/m3，故梁自重標準值為25×0.2×0.4=2kN/m。總恒荷載標準值gk=10+2=12kN/m

恒載產生的跨中彎矩標準值和支座邊緣截面剪力設計值分別為：Mgk=gkl02/8

=12×52/8=37.5kN·

m

Vgk=gkln/2=

12×4.86/2=29.16kN

活荷載產生的跨中彎矩標準值和支座邊緣截面剪力標準值分別為：

Mqk=qkl02/8

=7×52/8=21.875kN·mVgk=qkln/2=7×4.86/2=17.01kN