建筑結(jié)構的基本設計原則

建筑結(jié)構的基本設計原則第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一

建筑結(jié)構設計的任務是選擇適用、經(jīng)濟的結(jié)構方案，并通過計算和構造處理，使結(jié)構能可靠地承受各種作用。

具體設計內(nèi)容有結(jié)構選型、結(jié)構布置、結(jié)構計算與設計（包括荷載計算、內(nèi)力與變形計算、截面設計、抗震計算及構造處理等）、材料用量、繪制結(jié)構施工圖。

結(jié)構選型和結(jié)構布置統(tǒng)稱為結(jié)構方案設計。第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一本章內(nèi)容2.1結(jié)構的功能2.2結(jié)構功能的極限狀態(tài)2.3極限狀態(tài)設計法第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.1結(jié)構的功能建筑結(jié)構在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)（一般按50年考慮），應滿足下列功能要求：

（1）安全性

（2）適用性

（3）耐久性2.1.1結(jié)構的功能第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.1.2結(jié)構的可靠性結(jié)構的安全性、適用性和耐久性總稱為結(jié)構的可靠性。即結(jié)構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力。

《建筑結(jié)構可靠度設計統(tǒng)一標準》對可靠度的定義是：“結(jié)構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率?！惫式Y(jié)構可靠度是可靠性的概率度量。第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2結(jié)構功能的極限狀態(tài)前面所說的“預定功能”，一般是以結(jié)構是否達到“極限狀態(tài)”來標志的，并以此作為結(jié)構設計的準則。整個結(jié)構或結(jié)構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)實質(zhì)上是結(jié)構可靠（有效）或不可靠（失效）的界限，故也稱為界限狀態(tài)。第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2.1承載力極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構或結(jié)構構件達到最大承載能力或不適用于繼續(xù)承載的變形。當結(jié)構或結(jié)構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，應認為超過了承載能力極限狀態(tài)：

（1）整個結(jié)構或結(jié)構的一部分作為剛體失去平衡（如陽臺、雨篷的傾覆）等；

（2）結(jié)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(xù)承載；第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一

（3）結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；

（4）結(jié)構或結(jié)構構件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；

（5）地基喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）。第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.2.2正常使用極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構或結(jié)構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。當結(jié)構或結(jié)構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，應認為超過了正常使用極限狀態(tài)：

（1）影響正常使用或外觀的變形；

（2）影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫，如水池開裂引起滲漏）；

（3）影響正常使用的振動；

（4）影響正常使用的其它特定狀態(tài)。第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.3極限狀態(tài)設計法在進行結(jié)構設計時，就應針對不同的極限狀態(tài)，根據(jù)結(jié)構的特點和使用要求，給出具體的標志及限值，以作為結(jié)構設計的依據(jù)。這種以相應于結(jié)構各種功能要求的極限狀態(tài)作為結(jié)構設計依據(jù)的設計方法，就稱為“極限狀態(tài)設計法”。第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一作用于結(jié)構或結(jié)構構件上的各種荷載使結(jié)構或結(jié)構構件產(chǎn)生的內(nèi)力（N、M、V、T）和變形、應力等，稱為荷載效應。荷載效應可由力學方法求得。

例如，一簡支梁梁長為l0，承受的垂直均布線荷載為q（已包括梁自重），梁的抗彎剛度為B。則梁跨中由荷載q產(chǎn)生的彎矩為M=1/8ql02，跨中撓度f=5ql04/(384B)，支座處剪力V=1/2ql0。荷載效應與結(jié)構上的荷載密切相關，并且是一種因果關系，即沒有荷載作用就沒有荷載效應。2.3.1極限狀態(tài)方程2.3.1.1荷載效應S第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)構或結(jié)構構件抵抗作用效應（本書僅指荷載效應）的能力，也即結(jié)構或構件承受內(nèi)力、變形和抗裂等的能力，稱為結(jié)構的抗力。

例如，一根一定長的No.20工字鋼梁就具有一定的受彎、受剪和承受變形的能力。影響結(jié)構抗力的主要因素是結(jié)構所用材料的性能和結(jié)構的幾何參數(shù)。2.3.1.2結(jié)構抗力R第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一當結(jié)構構件處于極限狀態(tài)時，影響結(jié)構可靠度的各種變量的關系式稱為極限狀態(tài)方程，令

S≤R將上式寫成

Z=g(S,R)=R-S其中Z是結(jié)構抗力與荷載效應之差，稱為“功能函數(shù)”。Z=R-S也可理解為結(jié)構構件扣除荷載效應后，結(jié)構內(nèi)部所具有的多余抗力，故也稱為“結(jié)構余力”。2.3.1.3極限狀態(tài)方程第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一

當Z＞0時，結(jié)構處于可靠狀態(tài)；

當Z＜0時，結(jié)構處于失效狀態(tài)；

當Z=0時，結(jié)構處于極限狀態(tài)，則下式:

Z=g(S,R)=R-S=0就稱為極限狀態(tài)方程。第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)構構件的承載能力極限狀態(tài)設計應根據(jù)荷載效應的基本組合或偶然組合進行，并以內(nèi)力和承載力的設計值來表達，其設計表達式為：

γ0S≤R1.結(jié)構重要性系數(shù)γ0的確定統(tǒng)一標準根據(jù)建筑結(jié)構破壞可能產(chǎn)生的后果的嚴重性，將建筑結(jié)構劃分為三個安全等級。對安全等級為一級、二級、三級的結(jié)構構件，其結(jié)構構件的重要性系數(shù)分別不應小于1.1、1.0、0.9。2.3.2極限狀態(tài)實用設計表達式2.3.2.1承載能力極限狀態(tài)設計表達式第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一2.內(nèi)力組合設計值S的確定考慮永久性荷載和可變荷載共同作用所得的結(jié)構內(nèi)力值稱為結(jié)構的內(nèi)力組合值。

對于基本組合，荷載效應組合的設計值S應從下列組合值中取最不利值確定：（1）

由可變荷載效應控制的組合：

第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一(2)由永久荷載效應控制的組合：

對于一般排架、框架結(jié)構，基本組合可采用簡化規(guī)則，并應按下列組合值中取最不利值確定：(1)

由可變荷載效應控制的組合：(2)由永久荷載效應控制的組合仍按公式（2.6）采用。

（2.6）第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一3.基本組合的荷載分項系數(shù)（1）

永久荷載的分項系數(shù)：當其效應對結(jié)構不利時——對由可變荷載效應控制的組合，取γG=1.2；——對由永久荷載效應控制的組合，取γG=1.35。當其效應對結(jié)構有利時——一般情況下，取γG=1.0；——對結(jié)構的傾覆、滑移或漂浮驗算，取γG=0.9第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一（2）

可變荷載的分項系數(shù)：——一般情況下，γQ=1.4；——對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構的活荷載，取γQ=1.3。永久荷載分項系數(shù)與永久荷載標準值的乘積，稱為永久荷載設計值；可變荷載分項系數(shù)與可變荷載標準值的乘積稱為可變荷載設計值。第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一對于正常使用極限狀態(tài)，應根據(jù)不同的設計要求，采用荷載的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設計，使變形、裂縫、振幅、基底應力等荷載效應的組合值符合下式的要求：

S≤C

（1）對于標準組合，荷載效應組合的設計值S按下式計算：2.3.2.2正常使用極限狀態(tài)設計表達式第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一

（2）對于頻遇組合，荷載效應組合的設計值S按下式計算：

（3）對于準永久組合，荷載效應組合的設計值S按下式計算：第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一【例2.1】已知由永久荷載產(chǎn)生的彎矩標準值Mgk=11kN·m，起控制作用的可變荷載產(chǎn)生的彎矩標準值Mqk=16kN·m，安全等級為二級，求彎矩設計值?！窘狻勘纠?，γ0=1.0，γG=1.2,γQ1=1.4SGk=Mgk=11kN·mSQ1k=Mqk=16kN·m則彎矩設計值M=γ0(γGSGk+γQ1SQ1k）=1.0×(1.2×11+1.4×16)kN·m=35.6kN·m彎矩設計值為35.6kN·m。第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一【例2.2】某教學樓樓面采用預制板，計算跨度l0=5.70m，板寬0.9m，板自重2.2kN/m2。樓面采用水磨石地面（10mm厚面層，20mm厚水泥砂漿打底），板底20mm厚抹灰。樓面活荷載標準值為2.0kN/m2。試求：①板的跨中截面彎矩設計值M;②標準組合荷載效應組合的設計值M；③頻遇組合荷載效應組合的設計值M；④準永久組合荷載效應組合的設計值M?！窘狻?/p>

(1)

荷載標準值①永久荷載水磨石地面0.65kN/m220mm板底抹灰17×0.02=0.34kN/m2第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一板自重2.2kN/m2作用在板上的永久荷載線荷載標準值為gk=(0.65+0.34+2.2)×0.9=2.871kN/m②可變活荷載qk=2.0×0.9=1.8kN/m

(2)

板的跨中截面彎矩設計值永久荷載產(chǎn)生的彎矩標準值Mgk=1/8gkl02=11.66kN·m可變荷載產(chǎn)生的彎矩標準值Mqk=1/8qkl02=7.31kN·m第24頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一由可變荷載效應控制的組合γG=1.2，γQ=1.4M=γGMgk+γQMqk=24.22kN·m由永久荷載效應控制的組合γG=1.35，γQ=1.4,ψci=0.7M=γGMgk+γQψciMqk=22.90kN·m由計算知，樓板荷載效應組合值由可變荷載效應控制。故板跨中截面的彎矩設計值為24.22kN·m。第25頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一

(3)標準組合荷載效應組合的設計值MM=M