第2章 建筑結構設計基本原理

1、第二章建筑結構的設計標準和設計方法 1. 1. 建筑物結構的荷載建筑物結構的荷載2. 2. 極限狀態(tài)設計法極限狀態(tài)設計法 第一節(jié)設計基準期和設計使用年限第一節(jié)設計基準期和設計使用年限 結構功能要求結構功能要求 在在設計基準期（設計基準期（一般一般5050年年，也有，也有100100和和2525年年）內，滿足功）內，滿足功 能要求，即能要求，即安全性（安全性（S SR R），），適用性，耐久性。適用性，耐久性。 結構的設計基準期結構的設計基準期 1.1.結構保證其設計可靠度指標的時間期限成為結構保證其設計可靠度指標的時間期限成為設計基準期設計基準期，即在基準期，即在基準期 內，結構的可靠度指標完

2、全滿足設計要求；內，結構的可靠度指標完全滿足設計要求； 2.2.設計基準期是測算最大荷載重現(xiàn)期的基本期限；設計基準期是測算最大荷載重現(xiàn)期的基本期限； 3.3.在超過設計基準期后，并非意味著結構的失效，而是其可靠度有所降在超過設計基準期后，并非意味著結構的失效，而是其可靠度有所降 低，因此基準期不能等同于建筑物的使用壽命；低，因此基準期不能等同于建筑物的使用壽命； 4.4.我國對多數(shù)建筑物的我國對多數(shù)建筑物的設計基準期均為設計基準期均為5050年，年，特殊建筑物可以除外；特殊建筑物可以除外； 1、結構的功能、結構的功能 （1）安全性：要求結構承擔正常施工和正常使用條件下，可）安全性：要求結構承擔

3、正常施工和正常使用條件下，可 能出現(xiàn)的各種作用，而不產生破壞。并且在偶然事件發(fā)生時以能出現(xiàn)的各種作用，而不產生破壞。并且在偶然事件發(fā)生時以 及發(fā)生后，能保持必需的整體穩(wěn)定性，不至于因局部損壞而產及發(fā)生后，能保持必需的整體穩(wěn)定性，不至于因局部損壞而產 生連續(xù)破壞。生連續(xù)破壞。 （2）適用性：要求結構在正常使用時滿足正常的要求，具）適用性：要求結構在正常使用時滿足正常的要求，具 有良好的工作性能。有良好的工作性能。 （3）耐久性）耐久性 要求結構在正常使用和維護下，在規(guī)定的使要求結構在正常使用和維護下，在規(guī)定的使 用期內，能夠滿足安全和使用功能要求。如用期內，能夠滿足安全和使用功能要求。如 材料的

4、老化、腐蝕等不能超過規(guī)定的限制等。材料的老化、腐蝕等不能超過規(guī)定的限制等。 第二節(jié)結構的功能要求、作用和抗力 第二節(jié)結構的功能要求、作用和抗力 建筑物結構的荷載 作用（S）（或荷載） 作用效應作用效應 施加在結構上的集中力或分布力，稱為作用施加在結構上的集中力或分布力，稱為作用直接作用直接作用 引起結構外加變形或約束變形的原因引起結構外加變形或約束變形的原因間接作用間接作用 由作用引起的結構或構件的反應由作用引起的結構或構件的反應 結構抗力（結構抗力（R R）結構或結構構件承受效應的能力結構或結構構件承受效應的能力 q M 基本概念 在設計基準期內在設計基準期內，其值，其值不隨時間變化不隨時間

5、變化，或其或其 變化與平均值相比可以忽略不計變化與平均值相比可以忽略不計的荷載。也稱的荷載。也稱 恒荷載恒荷載或或恒載恒載。比如結構自重或土壓力等。比如結構自重或土壓力等。 在設計基準期內在設計基準期內，其值，其值隨時間變化，或其變化隨時間變化，或其變化 與平均值相比不可以忽略不計與平均值相比不可以忽略不計的荷載。也稱的荷載。也稱活活 荷載荷載或或活載活載。比如樓面活載、屋面活載、雪荷。比如樓面活載、屋面活載、雪荷 載、風荷載、吊車荷載等。載、風荷載、吊車荷載等。 在設計基準期內在設計基準期內不一定出現(xiàn)不一定出現(xiàn)，而，而一旦出現(xiàn)一旦出現(xiàn), ,其其 量值很大而持續(xù)時間較短量值很大而持續(xù)時間較短的

6、荷載。比如爆炸力、的荷載。比如爆炸力、 撞擊力等。撞擊力等。 永久荷載永久荷載 可變荷載可變荷載 偶然荷載偶然荷載 荷載分類 按時間變異分類按時間變異分類 按空間變異分類按空間變異分類 固定荷載固定荷載在結構空間位置上具有在結構空間位置上具有固定的分布固定的分布； 可動荷載可動荷載在結構空間位置在結構空間位置一定范圍內可以任意分布一定范圍內可以任意分布。 靜態(tài)荷載靜態(tài)荷載對結構對結構不產生動力效應不產生動力效應，或小的可以忽略；，或小的可以忽略； 動態(tài)荷載動態(tài)荷載對結構對結構產生動力效應產生動力效應，且不可以忽略。，且不可以忽略。 按照結構的反應分類按照結構的反應分類 結構計算時，需根據不同的

7、設計要求采用不同的荷載數(shù)值。結構計算時，需根據不同的設計要求采用不同的荷載數(shù)值。 荷載基本代表值。指在結構使用期間，在正常情荷載基本代表值。指在結構使用期間，在正常情 況下出現(xiàn)況下出現(xiàn)具有一定保證率具有一定保證率的的最大荷載最大荷載。 當結構同時承受兩種或兩種以上可變荷載時，當結構同時承受兩種或兩種以上可變荷載時， 除主導荷載（產生荷載效應最大的荷載）取除主導荷載（產生荷載效應最大的荷載）取 標準值，標準值，其他伴隨荷載取小于其標準值的組其他伴隨荷載取小于其標準值的組 合值為代表值。合值為代表值。 在在設計基準期設計基準期內經常作用在結構上的內經常作用在結構上的可可 變荷載變荷載。 kcc Q

8、Q kqq QQ kk QG 、 作用于結構上作用于結構上時而出現(xiàn)時而出現(xiàn)，持續(xù)時間較短持續(xù)時間較短的的 較大較大可變荷載可變荷載。 kff QQ 荷載標準值荷載標準值 可變荷載組合值可變荷載組合值 可變荷載準永久值可變荷載準永久值 可變荷載頻遇值可變荷載頻遇值 荷載的代表值荷載的代表值 恒荷載恒荷載 按構件或材料單位體積（或單位面積）自重平均值確定。按構件或材料單位體積（或單位面積）自重平均值確定。 樓面及屋面活荷載樓面及屋面活荷載 民用建筑樓面活載見民用建筑樓面活載見規(guī)范規(guī)范。對多、高層，荷載滿布且達到。對多、高層，荷載滿布且達到 最大值可能性很小，應適當折減。最大值可能性很小，應適當折減

9、。 屋面均布活載分屋面均布活載分“上人上人”和和“不上人不上人”兩類。兩類。 雪荷載雪荷載 ork SS 基本雪壓。見基本雪壓。見規(guī)范規(guī)范 k S 雪荷載標準值雪荷載標準值 o S r 屋面積雪分布系數(shù)，即基本雪壓換算為屋面水平屋面積雪分布系數(shù)，即基本雪壓換算為屋面水平 投影面上的雪荷載的換算系數(shù)。投影面上的雪荷載的換算系數(shù)。 風荷載風荷載 ozszk k z o s z 風荷載標準值風荷載標準值 基本風壓，見基本風壓，見規(guī)范規(guī)范 風壓高度變化系數(shù)風壓高度變化系數(shù) 風荷載體型系數(shù)，風荷載體型系數(shù)，+ +為壓為壓 力，力，- -為吸力為吸力 高度高度z z處風振系數(shù)處風振系數(shù) 屋面均布活載不與雪

10、荷載同時考慮，設計時取其中較大值。屋面均布活載不與雪荷載同時考慮，設計時取其中較大值。 1. 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25kNm2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15kN集中荷載驗算。 (3.5 KN/M2)(3.5 KN/M

11、2) 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，非固定隔墻的自重可取每延米 長墻重(kNm)的13作為樓面活荷載的附加值(kNm2)計入附加值 不小于10kNm2。 素混凝土：素混凝土：22-24KN/M3 22-24KN/M3 鋼筋混凝土：鋼筋混凝土：24-24-2525KN/M3KN/M3 水泥砂漿：水泥砂漿：20KN/M3 20KN/M3 石灰砂漿：石灰砂漿：17KN/M317KN/M3 抗力（R） 結構或結構構件承受作用效應的能力稱為抗力 影響抗力的因素：幾何參數(shù)和材料性能 結構抗力具有隨機性 1 1、功能函數(shù)與極限狀

12、態(tài)方程、功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程 (1) (1) 功能函數(shù)功能函數(shù) Z=R-S=g(X1,X2,X3.Xn) (2) (2) 結果分析結果分析 Z=R-S0Z=R-S0：處于可靠狀態(tài)；處于可靠狀態(tài)； Z=R-S0Z=R-S0R-S0 問題：問題：R R和和S S為隨機變量，功能函數(shù)值為隨機變量，功能函數(shù)值Z Z是隨機變量是隨機變量 絕對保證絕對保證R R大于大于S S不可能！不可能！ 第三節(jié)結構可靠度理論和極限狀態(tài)設計方法 解決方法：控制可靠度，絕大多數(shù)情況下：解決方法：控制可靠度，絕大多數(shù)情況下： RS 允許極少數(shù)情況下：允許極少數(shù)情況下：R0Z=R-S0：處于可靠狀態(tài)； 承載能力極限狀態(tài)設計

13、 一級，破壞后果極其嚴重，屬于重要的建筑物；0=1.1 二級，破壞后果比較嚴重，屬于一般的建筑物；0=1.0 三級，破壞后果相對不嚴重，屬于比較次要的建筑物。0=0.9 承載能力極限狀態(tài)表達式承載能力極限狀態(tài)表達式 極限狀態(tài)設計表達式極限狀態(tài)設計表達式 由永久荷載控制的效應組合由永久荷載控制的效應組合 由可變荷載控制的效應組合由可變荷載控制的效應組合 kkR n i QikciQikQQGkGoo afRSSSS, 2 11 kkR n i QikciQiGkGoo afRSSS, 1 QiG & 永久荷載和可變荷載分項系數(shù)。永久荷載和可變荷載分項系數(shù)。 式中：式中： S S：荷載效應，：荷載

14、效應， G G：恒荷載的荷載效應系數(shù)，：恒荷載的荷載效應系數(shù)， Q Q：荷載分項系數(shù)，：荷載分項系數(shù)， G Gk k：恒荷載標準值，：恒荷載標準值， Q Q1k 1k ：最大的活荷載的標準值， ：最大的活荷載的標準值， ：其他活荷載的組合系數(shù)：其他活荷載的組合系數(shù) Q Qik ik：其他活荷載的標準值 ：其他活荷載的標準值 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài) 標準組合標準組合 頻遇組合頻遇組合 準永久組合準永久組合 CSSSS n i QikcikQGk 2 1 CSSS n i QikqiGk 1 CSSSS n i QikqikQfGk 2 11 u正常使用極限狀態(tài)設計包括兩個方面：正常使用極限狀態(tài)設