第二章建筑结构设计方法

1、一一 、结构功能要求、结构功能要求 设计设计使用年限内，正常的维护条件下，能满足预定功能要使用年限内，正常的维护条件下，能满足预定功能要求，而不需要大修加固。求，而不需要大修加固。u安全性安全性：能承受各种可能的作用；偶然荷载作用下，保持：能承受各种可能的作用；偶然荷载作用下，保持整体稳定性整体稳定性u适用性适用性：结构在：结构在正常使用正常使用过程中有良好的工作性能。过程中有良好的工作性能。u耐久性耐久性：结构在正常的维护条件下，完好使用到设计年限。：结构在正常的维护条件下，完好使用到设计年限。不发生严重的混凝土碳化和钢筋生锈。不发生严重的混凝土碳化和钢筋生锈。结构满足上述要求就是安全可靠的

2、结构满足上述要求就是安全可靠的。2.12.1建筑结构的功能要求及极限状态建筑结构的功能要求及极限状态二、建筑结构的极限状态二、建筑结构的极限状态极限状态极限状态：结构或构件满足结构某一功能要求的临界状态。超过这：结构或构件满足结构某一功能要求的临界状态。超过这一界限，就不能满足设计规定的功能要求，而进入失效状态。一界限，就不能满足设计规定的功能要求，而进入失效状态。极限极限状态是结构可靠和失效的界限。状态是结构可靠和失效的界限。1 1、承载力极限状态、承载力极限状态结构达到最大承载力或不适用继续承载的变形。结构达到最大承载力或不适用继续承载的变形。如结构作为刚体失去平衡（倾覆）；强度不够破环；

3、结构变成机动如结构作为刚体失去平衡（倾覆）；强度不够破环；结构变成机动体系；结构丧失稳定性。体系；结构丧失稳定性。2 2、正常使用极限状态、正常使用极限状态结构达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。结构达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。如影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的局部损坏；如影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的局部损坏；影响正常使用的震动影响正常使用的震动一切结构均应进行承载力极限状态的验算一切结构均应进行承载力极限状态的验算。2.1 2.1 作用、作用效应和抗力作用、作用效应和抗力qM 结构计算时，根据不同的设计要求采用不同的荷载数值。结构计算时，根据不同的

4、设计要求采用不同的荷载数值。恒荷载的代表值恒荷载的代表值即标准值，按构件或材料单位自重平均值确定即标准值，按构件或材料单位自重平均值确定活荷载代表值活荷载代表值荷载基本代表值荷载基本代表值。指在结构使用期间，在正。指在结构使用期间，在正常情况下出现具有一定概率的常情况下出现具有一定概率的最大荷载最大荷载。当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时，当结构同时承受两种或两种以上可变荷载时，除主导荷载取标准值，其他荷载取小于其标准除主导荷载取标准值，其他荷载取小于其标准值的组合值为代表值。值的组合值为代表值。在设计基准期内经常达到和超过的荷载值，在设计基准期内经常达到和超过的荷载值，性质上类似恒荷载。

5、达到或超过该值的总持续性质上类似恒荷载。达到或超过该值的总持续时间与设计基准期的比值为时间与设计基准期的比值为0.50.5kccQQ kqqQQ kkorQG基准期内，其超越的总时间仅为基准期一小基准期内，其超越的总时间仅为基准期一小部分的作用值。部分的作用值。kffQQ a.a.荷载标准值荷载标准值b.b.荷载组合值荷载组合值c.c.荷载准永久值荷载准永久值d.d.荷载频遇值荷载频遇值2 2、 荷载的代表值荷载的代表值3 3、作用效应、作用效应由作用引起的结构或构件的反应，即结构的由作用引起的结构或构件的反应，即结构的内力及变形，用内力及变形，用S S表示（力学原理）表示（力学原理）4 4、

6、结构抗力（、结构抗力（R R）结构或结构构件承受效应的能力，取决结构或结构构件承受效应的能力，取决于材料的性能及截面的几何特征，用于材料的性能及截面的几何特征，用R R表表示（本课程）示（本课程）随机性随机性5 5、结构构件材料强度、结构构件材料强度材料强度标准值：具有材料强度标准值：具有95%95%保证率的材料强度值保证率的材料强度值kf材料强度设计值：材料强度标准值除以分项系数材料强度设计值：材料强度标准值除以分项系数f2.3、概率极限状态设计法、概率极限状态设计法1、极限状态方程、极限状态方程 影响结构功能的因素有：影响结构功能的因素有：作用效应作用效应S S和结构抗力和结构抗力R R，

7、满足功能要求：满足功能要求：所以建立功能函数：所以建立功能函数： Z=R-S=gZ=R-S=g（ R, S R, S ）SR当当 Z=gZ=g（ R, S R, S ）=R-S=0=R-S=0，称之为极限状态方程。称之为极限状态方程。当当Z Z0 0（RSRS）时，结构处于可靠状态）时，结构处于可靠状态当当Z0 (RS)Z0 (RS)时，结构处于失效状态时，结构处于失效状态当当Z=0 (R=S)Z=0 (R=S)时，结构处于极限状态时，结构处于极限状态2 2、结构可靠度理论、结构可靠度理论(1)(1)、结构的可靠概率与失效概率、结构的可靠概率与失效概率在在规定的时间规定的时间内，在内，在规定的

8、条件下规定的条件下，完成预定，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度功能的概率，称为结构的可靠度,P,Ps s表示表示a.a. 结构的可靠度结构的可靠度b.b.失效概率失效概率1 sfPP结构不能完成预定功能的概率，以结构不能完成预定功能的概率，以P Pf f表示。表示。Sk f (S) ， f (R)S， RRkSk f (S) ， f (R)S， RRkSk f (S) ， f (R)S， RRkSk f(S)，f(R)S，RRkusuRuR - uS(2)、 结构的可靠指标结构的可靠指标 可靠指标可靠指标也是度量结构可靠性的一种数值指标，它与失也是度量结构可靠性的一种数值指标，它与失效概率

9、效概率Pf 之间是有对应的关系。之间是有对应的关系。2222ZRSZRSRSzzRS注：前提是随机变量服从正态注：前提是随机变量服从正态分布，极限方程为线性分布，极限方程为线性(3)(3)、结构的安全等级、结构的安全等级根据结构破坏可能产生的严重程度划分三级，不同级别可靠度不同根据结构破坏可能产生的严重程度划分三级，不同级别可靠度不同; ;一级，破坏后果极其严重，属于重要的建筑物；一级，破坏后果极其严重，属于重要的建筑物；0 0 =1.1 =1.1二级，破坏后果比较严重，属于一般的建筑物；二级，破坏后果比较严重，属于一般的建筑物；0 0 =1.0 =1.0三级，破坏后果相对不严重，属于比较次要

10、的建筑物。三级，破坏后果相对不严重，属于比较次要的建筑物。0 0 =0.9 =0.9目标可靠指标目标可靠指标 指结构构件设计时预先给定的可靠指标，用指结构构件设计时预先给定的可靠指标，用表示。表示。统一标准规定统一标准规定： 不同安全等级的目标可靠指标不同安全等级的目标可靠指标 1 1、承载能力极限状态设计表达式：、承载能力极限状态设计表达式： 0 0SRSRS S承载力极限状态荷载效应组合设计值；承载力极限状态荷载效应组合设计值；R R结构构件的承载力设计值；结构构件的承载力设计值；QiKciniQiKQQGKGSSSS211QiKciniQiGKGSSS1由可变荷载效应控制的组合由可变荷载

11、效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合0. .KskRRS 2.42.4、极限状态实用设计表达式、极限状态实用设计表达式 对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定按下列组合值中取最不利值确定 由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合 KQQGKGSSS11QiKniQiGKGSSS19 .0仅一个可变荷载由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合QiKciniQiGKGSSS12 2、 正常使用极限状态设计法正常使用极限状态设计法根据不同的设计目的，分别按荷载效应的

12、根据不同的设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组标准组合、频遇组合和准永久组合合和准永久组合进行设计：进行设计： SC C 设计对变形、裂缝等规定的相应限值；设计对变形、裂缝等规定的相应限值； S变形、裂缝等荷载效应组合的设计值。变形、裂缝等荷载效应组合的设计值。niQiKciKQGKSSSS21标准组合标准组合频遇组合频遇组合niQiKqiKQfGKSSSS211准永久组合准永久组合niQiKqiGKSSS12201113.1 3.183.92.811.8 3.182.275.8()1.0(1.2 3.92 1.4 2.275)7.89.1.0(1.35 3.92 1.4 0.7 2.2

13、75)7.52.3.922.2756GKQKGGkQQ kKSKN mSKN mMSSMKN mMKN mM因为只有一种可变荷载故：按承载能力极限状态设计：按正常使用极限状态：荷载标准组合时：.19.3.920.4 2.2754.83.KKN mMKN m荷载准永久组合时：一、地震的基本概念一、地震一、地震定义及分类定义及分类按产生的原因，地震主要可分为按产生的原因，地震主要可分为火山地震、陷落火山地震、陷落地震、人工诱发地震和构造地震。地震、人工诱发地震和构造地震。 根据地震发生的部位，可将其划分为根据地震发生的部位，可将其划分为浅源地震浅源地震( (震源深度小于震源深度小于60km)60k

14、m)、中源地震中源地震( (震源深度为震源深度为6030 6030 0km)0km)和和深源地震深源地震( (震源深度大于震源深度大于300km)300km)。震源深度越。震源深度越小，地震对地面造成的破坏性越大。小，地震对地面造成的破坏性越大。 我国发生的地震绝大多数震源深度在我国发生的地震绝大多数震源深度在1020km1020km左左右，属于浅源地震。右，属于浅源地震。 二、地震的破坏作用二、地震的破坏作用地震的破坏作用可归纳为以下三个方面：地震的破坏作用可归纳为以下三个方面：地表破坏、建筑结构破坏、地震地表破坏、建筑结构破坏、地震次生灾害次生灾害建筑结构的破坏原因可归纳为三个方面：建筑结

15、构的破坏原因可归纳为三个方面：（1）主要承重结构的强度不够）主要承重结构的强度不够（2）结构整体性丧失）结构整体性丧失（3）地基失效）地基失效观测点距震中的距离叫震中距。观测点距震中的距离叫震中距。震中距小于震中距小于100公里的地震称为震中区公里的地震称为震中区在在100-1000公里之间的地震称为近震公里之间的地震称为近震大于大于1000公里的地震称为远震公里的地震称为远震 三、常用地震术语三、常用地震术语 能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差约约32倍；相差二级，能量相差倍；相差二级，能量相差10001000倍。倍。 反映一次地震本身大

16、小的等级，用反映一次地震本身大小的等级，用M M表示表示地震仪距震中100km纪录的最大水平地动位移，单位为微米。ME5 . 18 .11logAMlog3.3.按震级的地震分类按震级的地震分类微震微震- 2- 2级以下。级以下。 人感觉不到人感觉不到有感地震有感地震- 2-4- 2-4级级 人有感觉人有感觉破坏性地震破坏性地震- 5- 5级以上级以上 有破坏有破坏 强烈地震强烈地震- 7- 7级以上级以上特大地震特大地震- 8- 8级以上级以上对于同样大小的地震，由于震源深度不一样，对地面造成的破坏对于同样大小的地震，由于震源深度不一样，对地面造成的破坏程度也不一样。震源越浅，破坏越大，但波

17、及范围也越小。程度也不一样。震源越浅，破坏越大，但波及范围也越小。同一次地震距震中距离不同，破坏程度不同。同一次地震距震中距离不同，破坏程度不同。1976年唐山地震，年唐山地震，震级为震级为7.8（7.6）级，震中烈度为十一度；天津市烈度为八度，）级，震中烈度为十一度；天津市烈度为八度，北京市烈度为六度，再远到石家庄、太原等就只有四至五度了。北京市烈度为六度，再远到石家庄、太原等就只有四至五度了。现记录到的最大地震为现记录到的最大地震为8.98.9级级五、五、 地震烈度地震烈度 一般而言，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈一般而言，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，

18、反之烈度就低。度就高，反之烈度就低。1.1.定义定义 一次地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度，用一次地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度，用I I表示。表示。2.2.地震烈度表地震烈度表地震烈度表是评定烈度的标准和尺度。我国在地震烈度表是评定烈度的标准和尺度。我国在19801980年制定了年制定了中国地震烈度表中国地震烈度表将地震烈度分为将地震烈度分为1-121-12度。度。3.3.基本烈度基本烈度 一个地区未来一个地区未来5050年内一般场地条件下可能遭受的具有年内一般场地条件下可能遭受的具有10%10%超越超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用概率的地震烈度值称为该地区的基

19、本烈度。用IbIb表示。表示。 基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。各地区的基本烈度由基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。各地区的基本烈度由中国地震动参数区划图中国地震动参数区划图（GB18306-2001)GB18306-2001)确定。确定。汶川、北川、茂汶川、北川、茂县以及都江堰抗县以及都江堰抗震设防烈度从原震设防烈度从原来的七度提至八来的七度提至八度度按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度称为设防烈度，按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度称为设防烈度，用用IdId表示。表示。设防烈度一般情况下，采用设防烈度一般情况下，采用中国地震参数区划图中国地震参数区划

20、图 中的地震基本烈度。中的地震基本烈度。4.4.设防烈度设防烈度在设计基准期（在设计基准期（5050年）内出现的频度最高的烈度，其超越概率为年）内出现的频度最高的烈度，其超越概率为63.2%63.2%。6.6.罕遇烈度罕遇烈度 设计基准期（设计基准期（5050年）内具有超越概率年）内具有超越概率2%-3%2%-3%的地震烈度，也称为大震烈度的地震烈度，也称为大震烈度5.5.多遇烈度多遇烈度 .55度度 左 右（ 多 遇 烈 度 ）（ 设 防 烈 度 ）（ 罕 遇 烈 度 ）抗震设防烈度为抗震设防烈度为6 6度及以上地区的所有新建建筑工程均必需进行抗震度及以上地区的所有新建建筑工程均必需进行抗震

21、设计。设计。一般情况下采用抗震设防烈度一般情况下采用抗震设防烈度。3 3、抗震设防分类、抗震设防分类建筑抗震设防分类标准建筑抗震设防分类标准以地震中和地震后房屋的损坏对社会和经济以地震中和地震后房屋的损坏对社会和经济产生的影响的程度大小，将建筑分成产生的影响的程度大小，将建筑分成4个抗震设防类别。个抗震设防类别。抗震次要建筑抗震次要建筑丁类丁类 除甲乙丁类以外的一般建筑除甲乙丁类以外的一般建筑丙类丙类 地震时使用功能不能中断需尽快恢复的建筑地震时使用功能不能中断需尽快恢复的建筑乙类乙类 重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑甲类甲类 设设防

22、防分分类类六、抗震设防的依据、分类及设防标准六、抗震设防的依据、分类及设防标准4 4、抗震设防标准、抗震设防标准衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度和建筑抗震设防衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度和建筑抗震设防类别划分类别划分一、场地选择一、场地选择选择抗震有利地段，应避开不利地段选择抗震有利地段，应避开不利地段，当无法避开时应采取有效，当无法避开时应采取有效措施。对危险地段，措施。对危险地段，严禁严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。严禁在危险地段建造住宅建筑。严禁在危险地段建造住宅1.1.建筑设计宜采用平面和竖向规则的设计方案，不宜采用

23、不规则建筑设计宜采用平面和竖向规则的设计方案，不宜采用不规则的设计方案。采用不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别的设计方案。采用不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的设计方案；不应采用严重不规则的设计方案；2.2.建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；的整体性；3 3. .建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化

24、，避变化，避免免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。4 4. .对体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适对体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成若干较规则的抗侧力结构单元。当部位设置防震缝，形成若干较规则的抗侧力结构单元。2、合理的选择结构体系、合理的选择结构体系1）结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。）结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。2）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。载的承载能力。3）结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能）结构体系应具备必要的承