建筑結構與設計基本原則

建筑結構是建筑物中支承荷載(作用)起骨架作用的體系。結構是由構件組成的。構件有拉(壓)桿、梁、板、柱、拱、殼、薄膜、索、基礎等。建筑結構按所使用的材料和主要受力構件的承重形式來分類。一、按使用材料劃分

1.鋼筋混凝土結構鋼筋混凝土結構由鋼筋和混凝土兩種材料組成，廣泛應用于民用和工業建筑中，也大量用于特種結構(煙囪、水塔、水池)、公路、橋梁、隧道、礦井、水利工程、海洋工程。鋼筋混凝土結構具有以下主要優點：

(1)可以根據需要，澆注成各種形狀和尺寸，便于選擇合理而美觀的結構形式。

(2)合理用材，造價較低。鋼筋混凝土結構合理地發揮了鋼筋和混凝土兩種材料的優點，因而造價較低。

(3)耐火性能較好，鋼筋在混凝土保護層的保護下，在火災發生時，不致于很快達到軟化溫度而導致結構破壞。

(4)耐久性好，維修費用小。鋼筋被混凝土包裹，不易生銹和耐腐蝕，密實的混凝土有較高的強度和耐久性，鋼筋混凝土結構一般不需維護，使用壽命較長。

(5)整澆式和裝配整體式鋼筋混凝土結構整體性能好，具有良好的抗震、抗風、抗撞擊和抗爆炸沖擊能力。建筑結構類別及適用范圍(6)取材容易。混凝土中用料最多的砂、石等可就地取材，既減少了運輸成本；也可有效利用礦渣、粉煤灰等工業廢料，有利于環境保護。鋼筋混凝土結構的缺點是自重大、抗裂性能差、現澆施工時耗費模板多、工期長、隔熱隔音性能較差。這些缺點正逐步得到克服：預應力混凝土可提高抗裂性；高強混凝土可改善防滲性能；輕質高強混凝土可以減輕結構自重和改善隔音隔熱性能；預制鋼筋混凝土構件可節省模板和縮短工期。

2.鋼結構鋼結構是由鋼板和各種型鋼，如工字鋼、槽鋼、角鋼、T型鋼、鋼管及薄壁型鋼等制成的。常用于大跨度結構房屋、橋梁、高層建筑、高聳建筑(電視塔、高壓塔)、重工業或有動力荷載的廠房、殼體結構等。鋼結構的特點是：

(1)高強質輕。鋼材強度高，承受同樣的荷載比別的材料用量少，能減輕結構自重。

(2)材質均勻，各向同性，材料彈性范圍大。這與材料力學基本假設相符合，故結構計算與實際情況吻合較好。

(3)材料塑性、延性和韌性好。結構對超載、動力荷載、沖擊荷載、地震作用、臺風的抵抗和適應性強，結構可靠度高。

(4)制造簡便，易于工業化大生產；施工安裝周期短。

(5)耐火性能差。建筑結構類別及適用范圍(6)不耐腐蝕，維修養護費用高。

(7)密封性能好。鋼結構的水密性和氣密性均好。

(8)造價高。

3.砌體結構砌體結構是用磚、砌塊、石塊通過砂漿鋪縫砌筑而成的結構，一般用于中小型煙囪、水塔、水池、擋土墻、房屋及基礎、拱橋等。砌體結構可就地取材，及造價低廉、保溫隔熱隔音性能好，耐火及耐久性較好、施工設備和方法簡單等優點。也存在自重大、強度低、整體性較差致使抗震性能差等缺點。設置圈梁、構造柱、加強墻、構造柱、圈梁之間的拉結，可增大砌體結構的整體性及抗震性能。目前我國大多數民用房屋是砌體結構。

4.木結構木結構指全部或大部分用木材制成的結構。由于受木材自然生長條件的限制，使用較少。木結構有可就地取材、制作簡單的優點；也有易燃、易蟲蛀、易腐蝕和結構變形大的缺點。木結構多用于農村房屋的屋蓋，也用于園林景觀建筑。二、按承重結構類型劃分建筑結構類別及適用范圍

1.混合結構混合結構房屋是指房屋的墻、柱、基礎等豎向承重構件采用砌體筑成而屋蓋、樓蓋等水平方向的承重結構構件采用鋼筋混凝土結構。一般用于八層以下的民用房屋和中小型廠房。

2.框架結構框架結構由梁、板、柱組成，具有平面布置靈活、造型活潑、易于形成大空間和滿足多功能要求。框架結構延性較好，抗側移剛度小，其側向位移會隨房屋高度增加而急劇增大，這使框架結構的建筑高度受到限制。鋼筋混凝土框架多用于十多層以下的房屋，如教學樓、醫院、辦公室、住宅、商場等。

3.剪力墻結構剪力墻結構的墻體同時承受豎向和水平荷載，剪力墻是結構墻，又稱抗震墻。因為它的抗側移剛度大，抵抗水平方向的地震作用和風荷載的能力強。剪力墻的側向位移很小，適于建造較高的房屋，但剪力墻的間距不太大因而平面布置不太靈活，多用于建筑12層～30層的住宅、旅館等開間小的房屋。

4.框架-剪力墻結構框架-剪力墻結構是在框架結構的縱橫兩個方向的部分柱間設置剪力墻。這種結構充分發揮了框架和剪力墻結構各自的優點，在高層建筑中得到廣泛應用，多用于10層～20層的房屋。建筑結構類別及適用范圍建筑結構類別及適用范圍

5.筒體結構將剪力墻卷成豎向的空筒，就形成實腹筒；由密柱深梁框架圍成的筒體稱為框筒；筒體周圍由豎桿、斜桿形成的桁架圍成的稱為桁架筒；后兩者為空腹筒。若上述筒體單元內外相套則稱筒中筒(或多重筒)；若上述筒體單元緊密并立連成一體則稱成束筒。一般筒體結構由實腹的內筒和空腹的外筒組成。由于筒體實際上是縱橫兩個方向的剪力墻構成封閉的空間結構，比剪力墻結構具有更大的抗側移剛度因而可以做得很高，筒體結構多用于30層以上的高層和超高層建筑中。

6.大跨度結構大跨度結構多用于大型體育館、展覽館、飛機場等公共建筑。豎向承重結構多采用鋼或鋼筋混凝土柱或拱，屋蓋采用鋼網架、殼體、斜拉、懸索、薄膜等結構。

1.結構的功能建筑結構設計的基本要求是：以最經濟的手段使結構在正常施工和使用條件下，在預定的設計基準期(一般為50年)內滿足下列預定的功能。

(1)安全性。指建筑結構在正常施工和使用條件下能承受可能出現的各種作用(如荷載、溫度改變、支座不均勻沉陷等引起的內力和變形)。且在強震、爆炸、臺風和偶然事件發生時和發生后，結構仍然能保持必要的整體穩定性，結構不致倒塌。

(2)適用性。指結構在正常使用期間內具有良好的工作性能。不產生影響使用的過大變形、振幅和裂縫寬度。

(3)耐久性。指建筑結構在正常維護條件下具有足夠的耐久性能。如在設計基準期內鋼筋不會因保護層厚度不夠或混凝土裂縫過寬而銹蝕、混凝土不得脫落、風化、腐蝕。安全性、適用性、耐久性統稱為結構的可靠性。結構能夠滿足功能要求，稱為結構可靠；反之為結構不可靠，其分界點，稱為極限狀態。根據建筑結構破壞后果的嚴重程度，建筑結構劃分為三個安全等級，設計時應根據具體情況，按照表10-1的規定選用相應的安全等級。三、結構的功能及兩種極限狀態建筑結構設計的基本原則

2.結構的兩種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，此特定狀態稱為該功能的極限狀態。極限狀態有兩種：承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。

1)承載能力極限狀態(主要考慮結構的安全性)

結構或構件達到最大承載力、出現疲勞破壞或不適于繼續承載的變形狀態，稱為承載能力極限狀態。當結構或構件出現下列情況之一時，即認為超過了承載能力極限狀態。

(1)結構、構件或其間的連接因材料超過其強度而破壞(含疲勞破壞)；或因產生過度塑性變形而不能繼續承載。

(2)結構變機構，即由幾何不變體系變成幾何可變體系。

(3)結構或構件喪失穩定，如細長壓桿失穩退出工作導致結構破壞。建筑結構設計的基本原則表10-1建筑結構的安全等級安全等級破壞后果的影響程度建筑物的類型一級很嚴重重要的建筑物二級嚴重一般的建筑物三級不嚴重次要的建筑物建筑結構設計的基本原則(4)結構或構件發生滑移或傾復而喪失平衡位置。結構或構件一旦超過承載能力極限狀態，就不能完成安全性的功能，會產生重大經濟損失和人員傷亡。因此應把這種情況的發生概率控制得非常小。

2)正常使用極限狀態(主要考慮結構的適用性和耐久性)

結構或結構構件達到正常使用和耐久性能的某項規定限值的狀態稱為正常使用極限狀態。當結構或構件出現下列狀態之一時，即認為超過了正常使用極限狀態。

(1)發生影響正常使用或外觀的過大變形；如吊車梁撓度過大以致吊車不能正常行走。

(2)發生影響正常使用或耐久性的局部損壞，包括裂縫寬度達到限值。

(3)發生影響正常使用的振動。

(4)發生影響正常使用的其他特定狀態。結構或構件超過正常使用極限狀態時，一般不會造成人員傷亡和重大經濟損失。因此可把這種情況發生的概率控制得略寬一些。建筑結構設計時，為保證結構的安全可靠，對所有結構和構件均應進行承載能力極限狀態的計算，而正常使用極限狀態的驗算則視具體使用要求進行。一、荷載及材料強度

1.荷載及分類

1)荷載與作用使結構產生內力或變形的原因稱之為“作用”。分直接“作用”(如結構自重、風荷載)和間接“作用”(如溫度改變、基礎不均勻沉降、混凝土收縮、地震等)。直接“作用”一般稱為荷載；間接“作用”則稱為作用，如稱為地震作用而不稱為地震荷載。荷載與作用在計算效應時規范中統歸為荷載。

2)荷載(作用)的分類按作用時間的長短和性質，荷載(作用)分為三類：

(1)永久荷載：設計基準期內其值不隨時間而變化的荷載，如結構自重。永久荷載又稱為恒載。

(2)可變荷載：設計基準期內其值隨時間而變化的荷載。如樓面活荷載(人少、物少時其值小；反之其值大)、吊車荷載、風荷載、雪荷載、施工荷載等。可變荷載又稱為活荷載。

(3)偶然荷載：設計基準期內不一定出現，但一旦出現其值很大且持續時間很短的荷載。如爆炸、撞擊力、地震作用等。

2.荷載代表值荷載代表值指設計中用以驗算極限狀態所采用的荷載量值。荷載都存在變異性，是隨機變量。結構設計時，為了適應不同的極限狀態下的設計要求，《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)給出了各類荷載的代表值。對永久荷載采用標準值為代表值；對可變荷載則應根據設計要求分別采用標準值，頻遇值，準永久值或組合值為代表值。建筑結構設計的基本原則(1)荷載標準值。荷載標準值是結構設計時采用的荷載基本代表值，荷載的其他代表值是以其為基礎乘以適當的系數后得到的。荷載的標準值為設計基準期內最大荷載統計分布的特征值(例如眾值、均值、中值或某個分位值)。

(2)永久荷載的標準值。永久荷載變異性不大，一般以平均值作為荷載標準值，即可按結構設計規定的尺寸和材料的平均密度確定。

(3)可變荷載的標準值。可變荷載的標準值由數理統計方法確定，通常要求有95%的保證率。由于已有資料的不足，目前有些可變荷載的標準值主要由歷史工程經驗而定。建筑結構荷載規范(GB50009—2001)規定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取值見表10-2，屋面均布活荷載取值見表10-3。

(4)可變荷載頻遇值。對可變荷載，取在設計基準期內，其超越的總時間為規定的較小比率或超越頻率為規定頻率的荷載值為頻遇值。其大小等于可變荷載標準值Qk乘以頻遇值系數Ψf。

(5)可變荷載準永久值。對可變荷載，取在設計基準期內，其超越的總時間約為設計基準期一半的荷載值為準永久值。其大小等于可變荷載標準值Qk乘以準永久系數Ψq。

(6)可變荷載組合值。當考慮兩種或兩種以上的可變荷載在結構上同時作用時，由于所有可變荷載同時達到其單獨出現的最大值的可能性極小。故除主導可變荷載仍以標準值為代表值外，其他伴隨可變荷載應取其標準值乘以小于1的組合系數Ψc，得到可變荷載的組合值。建筑結構設計的基本原則

3.荷載分項系數和荷載設計值荷載可能超載，考慮必要的安全儲備，在承載能力極限狀態的計算中，將荷載標準值乘以大于1的相應的荷載分項系數，得到該荷載的設計值。如永久荷載、可變荷載的標準值分別以Gk、QK表示；相應的荷載分項系數分別為γG、γQ，則荷載設計值分別為GkγG和QKγQ

。

4.材料強度代表值

(1)材料強度的標準值。材料強度也是隨機變量，材料強度的標準值是一種特征值f1，取具有95%的保證率的分位值。

(2)材料強度的設計值。材料的實際強度有低于標準值的可能，為安全計，將材料強度的標準值f1除以相應的大于1的材料分項系數γ，得材料強度的設計值f，即建筑結構設計的基本原則(10-1)表10-2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建筑結構設計的基本原則建筑結構設計的基本原則說明：

①本表所給各項活荷載適用于一般使用條件，當使用荷載較大或情況特殊時，應按實際情況采用。

②第6項書庫活荷載當書架高度大于2m時，書庫活荷載尚應按每米書架高度不小于2.5kN/m2確定。

③第8項中的客車活荷載只適用于停放載人少于9人的客車；消防車活荷載是適用于滿載總重為300kN的大型車輛；當不符合本表的要求時，應將車輪的局部荷載按結構效應的等效原則，換算為等效均布荷載。

④第11項樓梯活荷載，對預制樓梯踏步平板，尚應按1.5kN集中荷載驗算。

⑤本表各項荷載不包括隔墻自重和二次裝修荷載。對固定隔墻的自重應按恒荷載考慮，當隔墻位置可靈活自由布置時，非固定隔墻的自重應取每m長墻重(kN/m)的1/3作為樓面活荷載的附加值(kN/m2)計入，附加值不小于1.0kN/m2。

規范的規定，將標準值作0.2kN/m2的增減。

①不上人的屋面，當施工或維修荷載較大時，應按實際情況采用；對不同結構應按有關設計規范的規定，將標準值作0.2kN/m2的增減。

②上人的屋面，當兼作其他用途時，應按相應樓面活荷載采用。

③對于因屋面排水不暢、堵塞等引起的積水荷載，應采取構造措施加以防止；必要時，應按積水的可能深度確定屋面活荷載。

④屋頂花園活荷載不包括花圃土石等材料自重。如混凝土和鋼筋的強度標準值fc1、fsk；兩種材料的分項系數分別為γc、γs；則兩種材料的強度設計值分別為

混凝土結構設計規范規定的鋼筋強度分項系數根據鋼筋種類不同，取值范圍在1.1～1.5，見表10-4。混凝土強度的分項系數規定為1.4。建筑結構設計的基本原則表10-3民用房屋屋面均布活荷載表10-4各類鋼筋的材料分項系數γs值三、荷載效應、荷載效應組合與結構構件的抗力

1.荷載效應荷載和作用使結構或構件產生的內力、變形和裂縫，統稱為荷載效應。荷載效應S由荷載乘以荷載效應系數得到。荷載效應系數由計算確定。如跨度為L，跨中作用集中力P的簡支梁，跨中截面彎矩為，式中P為荷載、為荷載效應系數、荷載效應為。荷載標準值產生荷載效應的標準值SK，荷載效應標準值乘以大于1的荷載分項系數γ，得到荷載效應的設計值S，即建筑結構設計的基本原則(10-2)

如恒載標準值GK產生恒載的荷載效應的標準值SGK；γGSGK則為恒載G的荷載效應設計值；同理γQSQK

為活載Q的荷載效應設計值。

荷載效應也是隨機變量。

2.荷載效應組合建筑結構設計應由設計基準期內結構上可能出現的荷載，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載組合，亦稱為荷載效應組合，設計時應取各自最不利的效應組合。

1)承載能力極限狀態的荷載組合設計值承載能力極限狀態設計，一般考慮荷載效應的基本組合。荷載效應組合的設計值S從下列組合中取最不利值確定。

(1)由可變荷載效應控制的組合：建筑結構設計的基本原則(10-3)對于一般排架，框架結構應按下列組合中取最不利值確定：(10-4a)(10-4b)

式中，γG——永久荷載分項系數。具體取值如下：①當其效應對結構不利時；對由可變荷載效

應控制的組合，應取1.2；對由永久荷載效應控制的組合，應取1.35；②當其效應對結構有利時，一般情況下應取1.0。

——第i個可變荷載的分項系數，其中γQ1為可變荷載Q1的分項系數，一般應取1.4；對標準值大于4kN/m2的工業建筑樓面結構活荷載應取1.3。

——按永久荷載標準值計算的荷載效應設計值。

——按可變荷載標準值計算的荷載效應設計值，其中為諸可變荷載效應中起控制作用者。

——可變荷載的組合系數，按規范取值。

n——參與組合的可變荷載數。建筑結構設計的基本原則(2)由永久荷載效應控制的組合：(10-5)2)正常使用極限狀態的荷載效應組合設計值對于正常使用極限狀態，應根據不同的設計要求，分別采用荷載的標準組合、頻遇組合或準永久組合來求荷載效應的設計值S。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情況。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、較大變形或短暫振動的情況。準永久組合主要用于長期效應是決定性因素的情況。各種荷載效應組合的設計值S各按下式采用。

(1)標準組合：建筑結構設計的基本原則(10-6)(2)頻遇組合：(10-7)(3)準永久組合：(10-8)

式中，——主導可變荷載的頻遇值系數，按規范采用。

——可變荷載的準永久值系數，按規范采用。

3.結構構件的抗力結構構件的抗力指結構構件承受荷載效應的能力。如承載力、剛度、抗裂度等統稱為抗力，以R表示。R也是隨機變量。影響結構構件抗力的主要因素為：材料性能(強度、彈性模量、延性性能、彈性階段、塑性階段等)，構件截面幾何參數(形狀、高度、寬度、面積、慣性矩等)及計算模式的精確性。結構的抗力有標準值RK及設計值R。它們的關系為：建筑結構設計的基本原則(10-9)

式中，——抗力分項系數。（〉1）四、以概率論為基礎的極限狀態設計法

1.結構的失效概率與可靠指標結構的可靠度指結構在設計基準期內，在規定的條件下，完成預定功能的安全程度(概率)。它取決于荷載效應設計值S和結構構件抗力設計值R之間的關系。若取Z=R-S，則可由Z的大小判斷結構是否可靠。Z=R-S稱為結構的功能函數。當Z=R-S>0，即R>S時，結構處于可靠狀態；當Z=R-S<0，結構處于失效狀態；當Z=R-S=0，結構處于極限狀態。Z=R-S=0稱為結構的極限狀態方程。

當結構按極限狀態設計時，應符合

Z=R-S≥0 (10-10)

結構可靠度即結構處于可靠狀態(Z=R-S≥0)的概率，以表示；反之，結構處于失效狀態(Z=R-S<0)的概率，稱為結構的失效概率，以Pf表示。顯然有，即。可見，結構的可靠度也可用失效概率來度量，只要結構的失效概率足夠小，我們可以認為結構是可靠的。失效概率的大小可通過可靠指標β來度量。Pf越小，β越大。結構設計時，若能滿足

β≥[β] (10-11)

則結構處于可靠狀態。式中的[β]為目標可靠指標，由我國的《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB50068—2001)規定，結構構件承載能力極限狀態的目標可靠指標[β]見表10-5。

[β]由結構的安全等級及破壞類型而定，結構越重要，安全等級越高，[β]越大；延性破壞由于有明顯的預兆比脆性破壞的[β]稍低一些。建筑結構設計的基本原則建筑結構設計的基本原則表10-5結構構件承載能力極限狀態的目標可靠指標[β}破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2說明：當承受偶然作用時，結