第一章 建筑结构设计的基本原则

1、第一章建筑结构的基本设计原第一章建筑结构的基本设计原 则则 本章讲述了建筑结构的设计原则本章讲述了建筑结构的设计原则概率概率 极限状态设计法。重点应掌握极限状态设计法。重点应掌握掌握掌握荷载的分类、荷载的分类、 荷载的代表值、荷载的标准值与设计值荷载的代表值、荷载的标准值与设计值的计算方的计算方 法及在设计中的应用法及在设计中的应用结构的结构的可靠性和可靠度可靠性和可靠度、结、结 构功能的构功能的极限状态极限状态、各类极限状态的标志、极限、各类极限状态的标志、极限 状态设计状态设计实用设计表达式实用设计表达式的意义及用法。的意义及用法。 本章提要本章提要 1.2 结构的功能和极限状态结构的功能

2、和极限状态 一、建筑结构的功能一、建筑结构的功能 使所设计的结构能使所设计的结构能满足各种预定的功能满足各种预定的功能要求。要求。 建筑结构预定功能建筑结构预定功能 耐久性耐久性 安全性安全性 适用性适用性 1、安全性、安全性 建筑结构在正常施工和正常使用时应能建筑结构在正常施工和正常使用时应能承受可能出现的承受可能出现的 各种荷载、外加变形、约束变形的作用，以及各种荷载、外加变形、约束变形的作用，以及在偶然事件在偶然事件 （地震、火灾、冲撞地震、火灾、冲撞）发生时及发生后，仍能保持必须的整）发生时及发生后，仍能保持必须的整 体稳定性，不发生倒塌或连续破坏。体稳定性，不发生倒塌或连续破坏。 2

3、、适用性、适用性 建筑结构在正常使用时，应能满足预定的使用要求，如建筑结构在正常使用时，应能满足预定的使用要求，如 不发生影响正常使用的不发生影响正常使用的变形和裂缝宽度变形和裂缝宽度。 3、耐久性、耐久性 建筑结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，如不建筑结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，如不 发生由于发生由于保护层碳化或裂缝宽度开展过多导致钢筋锈蚀，混保护层碳化或裂缝宽度开展过多导致钢筋锈蚀，混 凝土不发生严重风化、老化、腐蚀而影响结构的使用寿命。凝土不发生严重风化、老化、腐蚀而影响结构的使用寿命。 安徽暴雪压塌合肥安徽暴雪压塌合肥 5000 平方米厂房倒塌平方米厂房倒塌 河南省体

4、育馆，遭九级风破坏。河南省体育馆，遭九级风破坏。 风灾图片风灾图片 3、地震、地震 19781978年年7 7月月2828日，唐山市文化路青年宫，为砖混结构的二层楼房，除四日，唐山市文化路青年宫，为砖混结构的二层楼房，除四 根门柱外，全部坍塌根门柱外，全部坍塌 19781978年年7 7月月2828日唐山日唐山7.87.8级大地震级大地震 京沈铁路胥各庄段铁路被毁 1998年美国土木工程学会报告，美国现有年美国土木工程学会报告，美国现有29%以上桥梁以上桥梁 和和1/3以上的道路老化，有以上的道路老化，有2100座水坝不安全，估计需有座水坝不安全，估计需有1.3 万亿美元万亿美元改善其安全状态

5、。改善其安全状态。 美国每年基础设施修复费用约为这些设施总资产的美国每年基础设施修复费用约为这些设施总资产的 10% ！ 发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占GDP 的的1.52%，其中主要是，其中主要是混凝土结构的耐久性破坏混凝土结构的耐久性破坏。 我国土建工程耐久性现状民用房屋我国土建工程耐久性现状民用房屋 干湿交替的室外构件干湿交替的室外构件 过早锈蚀；过早锈蚀； 结构结构耐久性的规定耐久性的规定 1、3040年工业厂房；年工业厂房；203 0年年 大修大修 海港码头；海港码头； 2、1020年大修浪溅区最严重年大修浪溅区最严重 桥梁除

6、冰盐侵蚀；桥梁除冰盐侵蚀； 3、1020年大修隧道。年大修隧道。 渗漏严重钢筋保护层过薄！渗漏严重钢筋保护层过薄！ 混凝土等级过低！混凝土等级过低！ 钢筋钢筋 过细！断面过薄！过细！断面过薄！ 提高结构的耐久性提高结构的耐久性刻不容缓刻不容缓 宁波北仑港码头混凝宁波北仑港码头混凝 土梁土梁（建成后（建成后11年）年） 二、结构的极限状态二、结构的极限状态 整个结构或结构的一部分整个结构或结构的一部分超过超过某一某一特定状态特定状态就不能满足就不能满足 设计规定的设计规定的某一功能某一功能要求，此状态为该功能的要求，此状态为该功能的极限状态极限状态。 （一）承载力极限状态（一）承载力极限状态 1

7、、整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾、整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾 覆等）；覆等）； 2、结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳、结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳 破坏）或因过度变形而不适于继续承载；破坏）或因过度变形而不适于继续承载； 3、结构转变为机动体系、结构转变为机动体系 4、 结构或结构构件丧失稳定结构或结构构件丧失稳定 （如压屈等）；（如压屈等）； 5、地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）；、地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）； ( (二）正常使用极限状态二）正常使用极限状态 1、影响正常使用或外观的变形；、影响正常使用或外观的变形； 2、

8、影响正常使用耐久性能的局部破坏（包括、影响正常使用耐久性能的局部破坏（包括 裂缝）；裂缝）； 3、影响正常使用的振动；、影响正常使用的振动； 4、影响正常使用的其他特定的状态。、影响正常使用的其他特定的状态。 （1）过大的变形会造成房屋内部粉刷层剥落、）过大的变形会造成房屋内部粉刷层剥落、 填充墙、隔断墙开裂及屋面积水等后果；填充墙、隔断墙开裂及屋面积水等后果； （2）水池、油罐等结构开裂会引起渗漏现象；）水池、油罐等结构开裂会引起渗漏现象； （3）过大裂缝会影响结构耐久性；）过大裂缝会影响结构耐久性； （4）过大变形和裂缝也将会使用户心里上产生）过大变形和裂缝也将会使用户心里上产生 不安全；

9、不安全； （5）过大晃动或振动引起人们心里上的不安，）过大晃动或振动引起人们心里上的不安， 无法正常学习和工作。无法正常学习和工作。 这几座呢这几座呢? 世界十大世界十大“濒危濒危”建建 筑筑 这几座呢这几座呢? 世界世界“濒危濒危”建筑建筑 这几座呢这几座呢? 世界世界“濒危濒危”建筑建筑 以下何项不属于承载能力极限状态( ) A 结构的一部分出现倾覆 B 梁出现过大的挠度 C 梁出现裂缝 D 钢筋生锈 属于耐久性 练习：练习： 答案：B C D 结构上的作用结构上的作用 荷载荷载 温度变化温度变化 地基沉降地基沉降 直接作用直接作用 间接作用间接作用 1.3结构的可靠度和极限状态方程结构的

10、可靠度和极限状态方程 1.作用效应和结构抗力作用效应和结构抗力 极限状态方程极限状态方程 当功能函数中仅包括作用效应当功能函数中仅包括作用效应R和结构抗力和结构抗力S两个基本变量两个基本变量 时，可得：时，可得： ( , )Zg R SRS 当当 时，结构处于时，结构处于可靠可靠状态状态 当当 时，结构处于时，结构处于失效失效状态状态 当当 时，结构处于时，结构处于极限极限状态状态 0Z 0Z 0Z 按时间分按时间分 (1)永久荷载永久荷载- (2)可变荷载可变荷载- (3)偶然荷载偶然荷载- 如结构自重、土压力、预应力如结构自重、土压力、预应力 如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷如楼面活荷

11、载、吊车荷载、风荷载、雪荷 载、温度变化等。载、温度变化等。 如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。 （一）荷载分类（一）荷载分类 （二）荷载的代表值（二）荷载的代表值 1 1、荷载标准值、荷载标准值 是指结构在使用期间，在正常情况下可能出是指结构在使用期间，在正常情况下可能出 现的现的最大荷载值最大荷载值（使其保证率达到（使其保证率达到95%95%）而确定）而确定 的。的。 它是它是基本的代表值基本的代表值，其它的代表值都是以它，其它的代表值都是以它 为基础计算的。为基础计算的。 （1）永久荷载标准值）永久荷载标准值Gk 尺寸和材料容重（查荷载规范）。尺寸和材料容重

12、（查荷载规范）。 （2）可变荷载标准值）可变荷载标准值Qk 查荷载规范查荷载规范 楼面活载楼面活载 风载风载 雪载载雪载载 积灰荷载积灰荷载 地震作用地震作用 屋面施工检修荷载屋面施工检修荷载 吊车荷载吊车荷载 表表1 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数 表表1 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数 2 2、可变荷载准永久值、可变荷载准永久值Q Qq q 指可变荷载中比较指可变荷载中比较呆滞呆滞的部分值，即指的部分值，即指经常

13、作用于结经常作用于结 构的这样一部分活载值。构的这样一部分活载值。 kqq QQ 3 3、可变荷载频遇值、可变荷载频遇值Q Qf f 对可变荷载，在设计基准期内，其对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规超越的总时间为规 定的较小比率或超越次数为规定次数的荷载值。定的较小比率或超越次数为规定次数的荷载值。 kff QQ 4 4、可变荷载组合值、可变荷载组合值Q Qc c kcc QQ 荷载分布形式荷载分布形式 均布面荷载，单位为N/或kN/。 均布线荷载，单位为N/m或kN/m。 非均布线荷载。 集中荷载，单位为N或kN。 荷载分项系数与荷载代表值的乘积 1、永久荷载设计值 2、可变荷载

14、设计值 （或 ）， 当采用荷载标准值时。 （或 ），当采用荷载组合 值时。 荷载设计值荷载设计值 kGGG kQQQikQiiQQ kcQQQ ikciQiiQQ 由荷载引起的结构由荷载引起的结构内力内力, ,如如轴力、弯矩、剪力、扭矩轴力、弯矩、剪力、扭矩 等，称荷载作用效应等，称荷载作用效应, ,用用S表示。表示。 G G为荷载效应系为荷载效应系 数，数，Q Q为荷载。为荷载。 荷载的作用效应荷载的作用效应S 结构抗力结构抗力R R(resistance) 结构构件的截面形式、尺寸以及材料等级确定以后，各结构构件的截面形式、尺寸以及材料等级确定以后，各 截面将具有一定的截面将具有一定的抵抗

15、作用效应的能力抵抗作用效应的能力。 GQS （一）影响抗力的主要因素有（一）影响抗力的主要因素有 1、材料性能的不确定性、材料性能的不确定性 2、几何参数的不确定性、几何参数的不确定性 3、计算模式的不确定性、计算模式的不确定性 强度、变形模量等强度、变形模量等 构件尺寸等构件尺寸等 抗力计算所采用的基本假设抗力计算所采用的基本假设 和计算公式不够精确等和计算公式不够精确等 适用性 耐久性 安全性 结构的可靠性 结构设计就是实现结构设计就是实现可靠性可靠性 与与经济性经济性的最佳平衡的最佳平衡 指结构在指结构在规定的时间内规定的时间内，在，在规定的条件下规定的条件下，完成预定功，完成预定功 能

16、的能的能力能力。 规定的条件：规定的条件：是指正常设计、正常施工和正常使用的条件。是指正常设计、正常施工和正常使用的条件。 规定的时间：规定的时间：是指设计使用年限。是指设计使用年限。 2、结构的可靠性与可靠度、结构的可靠性与可靠度 结构可靠度结构可靠度 结构在规定的时间内，在规定的条件下，结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功完成预定功 能概率。能概率。 3.设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限 设设计基准期计基准期T 分析结构可靠度时，为确定可变作用及与时间分析结构可靠度时，为确定可变作用及与时间 有关的材料性能等取值而选用的时间参数。有关的材料性能等取值而选用的时间参

17、数。 T=50年。年。 1、设计使用年限、设计使用年限 是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预 定目的使用的时期。定目的使用的时期。 类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示例示例 15临时性结构临时性结构 225易于替换的结构构件易于替换的结构构件 350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物 4100纪念性建筑和特别重要的建筑物纪念性建筑和特别重要的建筑物 设计使用年限分类设计使用年限分类 设计使用年限设计使用年限的概念不同于的概念不同于实际寿命实际寿命、耐久年限耐久年限或或设计基设计基 准期准期。 补充：结构的安全等级补充：结

18、构的安全等级 安全等级安全等级破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型 一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋 二级二级严严 重重一般的房屋一般的房屋 三级三级不严重不严重次要的房屋次要的房屋 根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的 经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。 建筑物中各类建筑物中各类结构构件的安全等级结构构件的安全等级宜与宜与整个结构的安全等整个结构的安全等 级级相同相同，但，但允许允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进 行适当的行适

19、当的调整。调整。 可靠指标可靠指标是度量结构可靠性的一种是度量结构可靠性的一种量化量化的指标，其值的指标，其值 越大，失效概率就越小，结构就越可靠，它与结构失效概越大，失效概率就越小，结构就越可靠，它与结构失效概 率在数值上一一对应的关系。率在数值上一一对应的关系。 1.41.4结构构件的可靠指标与目标可靠指标结构构件的可靠指标与目标可靠指标 3.23.74.2 脆性破坏脆性破坏 2.73.23.7 延性破坏延性破坏 3级级二二 级级一一 级级 安安 全全 等等 级级破坏类型破坏类型 f pf p f p 4 101 . 1 3 105 . 3 4 104 . 6 5 103 . 1 4 10

20、1 . 1 4 104 . 6 表表 结构可靠性指标与失效概率的一一对应关系结构可靠性指标与失效概率的一一对应关系 一、承载能力极限状态设计表达式一、承载能力极限状态设计表达式 （一）设计表达式（一）设计表达式 0S R 1.5 1.5 极限状态设计表达式极限状态设计表达式 结构构件的重要性系数，对安全等级为一、结构构件的重要性系数，对安全等级为一、 二、三级的结构构件，应分别取二、三级的结构构件，应分别取1.1、1.0、0.9； 0 1、可变荷载效应控制组合、可变荷载效应控制组合 2、永久荷载效应控制组合、永久荷载效应控制组合 GGkQ1Q1kQiciQik 2 n i SSSS GGkQiciQik 1 n i SSS 恒载和活载分项系数恒载和活载分项系数, GQ 荷载组合值系数荷载组合值系数 ci （二）内力组合设计值（二）内力组合设计值S表达式表达式 (1)(1)对由可变荷载控制的组合，当其效应对结构不利时，取对由可变荷载控制的组合，当其效应对结构不利时，取 1.2，有利时取，有利时取1.0； (2)(2)对由恒载效应控制的组合，取对由恒载效应控制