第一章-建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

建筑結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原則

本章講述了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則——概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。重點(diǎn)應(yīng)掌握掌握荷載的分類、荷載的代表值、荷載的標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法及在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)的可靠性和可靠度、結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)、各類極限狀態(tài)的標(biāo)志、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式的意義及用法。本章提要※

按時(shí)間分(1)永久荷載------(2)可變荷載------(3)偶然荷載------如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力如樓面活荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度變化等。如爆炸力、撞擊力、罕遇的地震等?！ㄒ唬┖奢d分類※（二）荷載的代表值※

1、荷載標(biāo)準(zhǔn)值

是指結(jié)構(gòu)在使用期間，在正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值（使其保證率達(dá)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(chǔ)計(jì)算的。

※（1）永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk——尺寸和材料容重（查荷載規(guī)范）?！?/p>

（2）可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qk查荷載規(guī)范樓面活載風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)表1民用建筑樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)

2、可變荷載準(zhǔn)永久值Qq

指可變荷載中比較呆滯的部分值，即指經(jīng)常作用于結(jié)構(gòu)的這樣一部分活載值。3、可變荷載頻遇值Qf對(duì)可變荷載，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時(shí)間為規(guī)定的較小比率或超越次數(shù)為規(guī)定次數(shù)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(xiàng)系數(shù)與荷載代表值的乘積1、永久荷載設(shè)計(jì)值2、可變荷載設(shè)計(jì)值（或），當(dāng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)。（或），當(dāng)采用荷載組合值時(shí)?！奢d設(shè)計(jì)值由荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,如軸力、彎矩、剪力、扭矩等，稱荷載作用效應(yīng),用S表示。G為荷載效應(yīng)系數(shù)，Q為荷載?！奢d的作用效應(yīng)S

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形式、尺寸以及材料等級(jí)確定以后，各截面將具有一定的抵抗作用效應(yīng)的能力?！?.2結(jié)構(gòu)的功能和極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)抗力R材料強(qiáng)度fk

材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值用符號(hào)fk表示，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的材料性能的基本代表值，也是生產(chǎn)過程中控制材料質(zhì)量的主要依據(jù)。

材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是用于承載力計(jì)算時(shí)的材料強(qiáng)度的代表值，它與材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值=材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)？一、建筑結(jié)構(gòu)的功能使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能滿足各種預(yù)定的功能要求。

建筑結(jié)構(gòu)預(yù)定功能

耐久性

安全性

適用性

1、安全性建筑結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用時(shí)應(yīng)能承受可能出現(xiàn)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(zāi)、沖撞）發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性，不發(fā)生倒塌或連續(xù)破壞。

2、適用性建筑結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)，應(yīng)能滿足預(yù)定的使用要求，如不發(fā)生影響正常使用的變形和裂縫寬度。3、耐久性建筑結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)下，材料性能雖隨時(shí)間變化，如不發(fā)生由于保護(hù)層碳化或裂縫寬度開展過多導(dǎo)致鋼筋銹蝕，混凝土不發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)化、老化、腐蝕而影響結(jié)構(gòu)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(jí)風(fēng)破壞。風(fēng)災(zāi)圖片3、地震1978年7月28日，唐山市文化路青年宮，為磚混結(jié)構(gòu)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(jí)大地震京沈鐵路胥各莊段鐵路被毀1998年美國土木工程學(xué)會(huì)報(bào)告，美國現(xiàn)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(jì)需有1.3萬億美元改善其安全狀態(tài)。美國每年基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)費(fèi)用約為這些設(shè)施總資產(chǎn)的10%！發(fā)達(dá)國家土建設(shè)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(jié)構(gòu)的耐久性破壞。我國土建工程耐久性現(xiàn)狀民用房屋干濕交替的室外構(gòu)件過早銹蝕；

結(jié)構(gòu)耐久性的規(guī)定1、30－40年工業(yè)廠房；20－30年大修海港碼頭；

2、10－20年大修浪濺區(qū)最嚴(yán)重橋梁除冰鹽侵蝕；

3、10－20年大修隧道。

滲漏嚴(yán)重鋼筋保護(hù)層過薄！混凝土等級(jí)過低！鋼筋過細(xì)！斷面過?。√岣呓Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)

整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)?！?/p>

（一）承載力極限狀態(tài)1、整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；

2、結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞）或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；

3、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系

4、結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；

5、地基喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）；※(二）正常使用極限狀態(tài)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(dòng)；4、影響正常使用的其他特定的狀態(tài)。（1）過大的變形會(huì)造成房屋內(nèi)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(jié)構(gòu)開裂會(huì)引起滲漏現(xiàn)象；（3）過大裂縫會(huì)影響結(jié)構(gòu)耐久性；（4）過大變形和裂縫也將會(huì)使用戶心里上產(chǎn)生不安全；（5）過大晃動(dòng)或振動(dòng)引起人們心里上的不安，無法正常學(xué)習(xí)和工作。

這幾座呢?

世界十大“瀕危”建筑這幾座呢?世界“瀕?！苯ㄖ@幾座呢?世界“瀕危”建筑以下何項(xiàng)不屬于承載能力極限狀態(tài)()A結(jié)構(gòu)的一部分出現(xiàn)傾覆B梁出現(xiàn)過大的撓度C梁出現(xiàn)裂縫D鋼筋生銹屬于耐久性練習(xí)：答案：BCD※結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的可靠度和極限狀態(tài)方程1.作用效應(yīng)極限狀態(tài)方程

當(dāng)功能函數(shù)中僅包括作用效應(yīng)R和結(jié)構(gòu)抗力S兩個(gè)基本變量時(shí)，可得：當(dāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)當(dāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)當(dāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)

（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(shù)的不確定性3、計(jì)算模式的不確定性強(qiáng)度、變形模量等——構(gòu)件尺寸等——抗力計(jì)算所采用的基本假設(shè)和計(jì)算公式不夠精確等——適用性耐久性安全性結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡

指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。

規(guī)定的條件：是指正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用的條件。

規(guī)定的時(shí)間：是指設(shè)計(jì)使用年限?！?、結(jié)構(gòu)的可靠性與可靠度

※結(jié)構(gòu)可靠度

結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能概率。3.設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T

分析結(jié)構(gòu)可靠度時(shí)，為確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù)。T=50年。1、設(shè)計(jì)使用年限

是指設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的時(shí)期。類別設(shè)計(jì)使用年限（年）示例15臨時(shí)性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑物

設(shè)計(jì)使用年限分類

設(shè)計(jì)使用年限的概念不同于實(shí)際壽命、耐久年限或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。

補(bǔ)充：結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)安全等級(jí)破壞后果建筑物類型一級(jí)很嚴(yán)重重要的房屋二級(jí)嚴(yán)重一般的房屋三級(jí)不嚴(yán)重次要的房屋

根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果，即危及人的生命、造成的經(jīng)濟(jì)損失、產(chǎn)生社會(huì)影響等的嚴(yán)重程度確定。

建筑物中各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級(jí)宜與整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)相同，但允許對(duì)部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)其重要程度和綜合效益進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

可靠指標(biāo)是度量結(jié)構(gòu)可靠性的一種量化的指標(biāo)，其值越大，失效概率就越小，結(jié)構(gòu)就越可靠，它與結(jié)構(gòu)失效概率在數(shù)值上一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。1.4結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)與目標(biāo)可靠指標(biāo)3.23.74.2脆性破壞2.73.23.7延性破壞級(jí)二級(jí)一級(jí)安全等級(jí)破壞類型表結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)與失效概率的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系※一、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式（一）設(shè)計(jì)表達(dá)式

1.5極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式———結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)，對(duì)安全等級(jí)為一、二、三級(jí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)分別取1.1、1.0、0.9；1、可變荷載效應(yīng)控制組合2、永久荷載效應(yīng)控制組合——恒載和活載分項(xiàng)系數(shù)——荷載組合值系數(shù)※（二）內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值S表達(dá)式(1)對(duì)由可變荷載控制的組合，當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，取1.2，有利時(shí)取1.0；(2)對(duì)由恒載效應(yīng)控制的組合，取1.35；(3)對(duì)抗傾覆和滑移驗(yàn)算時(shí)，取0.9?！?、恒載分項(xiàng)系數(shù)取值：※4、活載分項(xiàng)系數(shù)取值：(1)一般情況下取1.4；(2)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4KN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載，取1.3

。關(guān)于荷載分項(xiàng)系數(shù)問題※（三）內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值S簡化表達(dá)式

1、常見的住宅、辦公樓等民用建筑，當(dāng)僅有一個(gè)可變荷載作用時(shí)：（1）由活載效應(yīng)控制的組合：（2）由恒載效應(yīng)控制的組合：荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值荷載特性分項(xiàng)系數(shù)永久

荷載永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利由可變荷載效應(yīng)控制的組合1.2由永久荷載效應(yīng)控制的組合1.35永久荷載效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利1.0傾覆、滑移或飄浮驗(yàn)算0.9可變

荷載一般情況1.4對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取1.3※2、一般排架、框架結(jié)構(gòu)（1）由活載效應(yīng)控制的組合：（2）由恒載效應(yīng)控制的組合不變正常使用極限狀態(tài)的荷載組合進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；不考慮結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；需要考慮荷載作用時(shí)間的長短對(duì)變形和裂縫寬度的影響。標(biāo)準(zhǔn)組合：主要用于當(dāng)一個(gè)極限狀態(tài)被超越時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的永久性損害的情況2.頻遇組合：主要用于當(dāng)一個(gè)極限狀態(tài)被超越時(shí)將產(chǎn)生局部損害、較大變形或瞬間振動(dòng)的情況3.準(zhǔn)永久組合：主要用于當(dāng)長期效應(yīng)是決定性因素時(shí)的一些場合

按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)用表達(dá)式（1）實(shí)用表達(dá)式對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，按下列設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)：

S≤C式中S—變形、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計(jì)值；

C—結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用要求所規(guī)定的限值，如變形、裂縫寬度等。

混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)主要是驗(yàn)算構(gòu)件的變形、抗裂度或裂縫寬度，使其不超過相應(yīng)的規(guī)定限值；

鋼結(jié)構(gòu)通過構(gòu)件的變形（剛度）驗(yàn)算保證；

砌體結(jié)構(gòu)一般情況下不做驗(yàn)算，由相應(yīng)的構(gòu)造措施保證。

（2）荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)

1）對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)組合，其荷載效應(yīng)組合的表達(dá)式為

2)對(duì)于頻遇組合，其荷載效應(yīng)組合的表達(dá)式為可變荷載的頻遇系數(shù)可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)3）對(duì)于準(zhǔn)永久組合，荷載效應(yīng)組合的表達(dá)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(jí)為二級(jí)，截面尺寸b×h=200mm×400mm，計(jì)算跨度=

5m，凈跨度=4.86m。承受均布線荷載：活荷載標(biāo)準(zhǔn)值7kN/m，恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值10kN/m（不包括自重）。試計(jì)算按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的跨中彎矩設(shè)計(jì)值和支座邊緣截面剪力設(shè)計(jì)值。【解】由表1.1.1查得活荷載組合值系數(shù)=0.7。安全等級(jí)為二級(jí)，則結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)=1.0。鋼筋混凝土的重度標(biāo)準(zhǔn)值為25kN/m3，故梁自重標(biāo)準(zhǔn)值為25×0.2×0.4=2kN/m?？偤愫奢d標(biāo)準(zhǔn)值gk=10+2=12kN/m

恒載產(chǎn)生的跨中彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和支座邊緣截面剪力設(shè)計(jì)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(chǎn)生的跨中彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和支座邊緣截面剪力標(biāo)準(zhǔn)值分別為：

Mqk=qkl02/8

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