建筑结构第五版 第2章-设计标准和设计方法

本章主要内容设计基准期和设计使用年限结构的功能要求、作用和抗力结构可靠度理论和极限状态设计法；√结构设计方法及设计内容第二章工程结构的设计标准和方法设计基准期——结构设计时以及对与时间有关的材料性能取值时所采用的时间参数。我国的设计基准期为50年。设计使用年限——设计规定的一个时期。该规定时期内，房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下不需要进行大修就能按其预定目的使用。设计使用年限分类表2.1设计基准期和设计使用年限类别1234设计使用年限52550100示例临时性建筑易于替换的结构构件普通房屋和构筑物纪念性和特别重要建筑2.2 结构的功能要求、作用和抗力（一）结构的功能要求适用性耐久性安全性功能要求

结构在正常使用时具有良好的工作性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动；不产生使使用者感到不安的裂缝宽度等。结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即不致发生连续倒塌。结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。结构上的作用•按时间的变异分布：永久作用、可变作用、偶然作用

•按随空间位置的变异分类：固定作用、自由作用

•按结构的反应分类：静态作用、动态作用（二）作用和抗力作用的随机性质作用可能出现，也可能不出现；数值可能较大，也可能较小；方向可能变化，也可能不变等等。作用效应S结构由于各种原因，引起内力和变形称为作用效应，用S表示。由直接作用产生的效应，通常称为荷载效应。内力：轴力、弯矩、剪力、扭矩；变形：挠度、转角、裂缝。作用效应取决于作用的方式及结构或构件的几何尺寸及支承条件。简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩例：简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩S=cQc–––荷载效应系数Q–––荷载c第二章设计标准和方法结构的抗力R结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。

结构抗力的影响因素：材料性能的不确定性材料几何参数的不确定性计算模式的不确定性

结构的抗力具有随机性。2.3结构可靠理论和极限状态设计法一、结构的可靠性和可靠度结构的可靠性结构的可靠度结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。即可靠性的概率度量。结构的安全性、适用性和耐久性的总称规定时间指设计使用年限；规定条件指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况。二、结构可靠度理论随机变量的分析和处理平均值标准差变异系数正态分布曲线方程正态分布曲线的特征结构或构件能否完成预定功能与结构的荷载效应S与结构的抗力R有关。Z=R–S因抗力R和S均具有随机性，所以可采用结构的功能函数来描述结构完成预定功能的状况。第二章设计标准和方法

结构的功能函数Z>0，即R>S

结构可靠Z=0，即R=S结构处于极限状态。

即R<S

结构失效Z<0，实际工程中，可能出现以下三种情况结构所处的状态结构的效应S及结构的抗力R均符合正态分布，因此结构的功能函数也符合正态分布。如图：图中Z<0部分(阴影)面积即为失效概率Pfpfzzfz(Z)zZ结构的可靠概率和失效概率Pf

计算复杂，但(由图看出)均值Z向右移Pf

减小，可靠度加大。令

越大，Pf越小

，结构越可靠。故称为可靠度指标。三、概率极限状态设计法结构极限状态的分类：承载能力极限状态正常使用极限状态（1）定义整个结构或结构的一部分，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。三、概率极限状态设计法1）承载能力极限状态

——这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。承载能力极限状态现象：●整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等）；●结构构件或连接因材料强度不够而破坏；●结构转变为机动体系；●结构或结构构件丧失稳定（如柱子被压曲等）。三、概率极限状态设计法2）正常使用极限状态

——正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。这一状态对应于适用性或耐久性的功能。

●影响正常使用或外观的变形；

●影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；

●影响正常使用的振动；

●影响正常使用的其他特定状态等。正常使用极限状态：

设计计算原则：采用以概率论为基础的极限状态设计法，保证设计结构的失效概率足够小，或可靠概率足够大。所有结构构件均应进行承载力计算，对某些构件还需进行变形和裂缝宽度的验算。《规范》规定：三、概率极限状态设计法0SR式中S–––荷载效应组合设计值0–––结构构件的重要性系数，对一、二、三级分别取1.1,1.0,0.9R

–––结构构件抗力（承载力）的设计值承载能力极限状态设计表达式基本组合:（1）由可变荷载效应控制的组合式中G–––永久荷载分项系数。有利时取1.0;不利时取1.2SGK–––永久荷载标准值的效应。一般情况取1.4Q1、

Qi

–––第一个和第i个活荷载分项系数。SQ1K–––大于其它任意第i个可变荷载标准值的效应。SQiK

–––第i个可变荷载标准值的效应。ci

–––第i个可变荷载的组合系数（2）由永久荷载效应控制的组合对于框架、排架结构，基本组合可采用简化规则：在下列组合中取最不利值结构构件抗力的设计值R=R(·)=R(fc

,fs

,k,…)是由材料强度的标准值fck除以砼材料分项系数c>1.0所得。fc

–––混凝土材料强度设计值。fck是由数理统计分析且具有95%的保证率的材料强度。是由钢材强度的标准值fsk除以材料分项系数(s>1.0)求得。结构构件的抗力应根据截面的受力状态不同用相应的计算模型确定。fs

–––钢材强度设计值。fsk是由数理统计且具有95%保证率的材料强度。结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。在荷载效应及结构抗力计算中均。采用标准值结构或构件在持荷作用下，其裂缝和变形会随时间的推移而发展，因此讨论其荷载组合时应考虑

和的组合。短期效应长期效应正常使用极限状态设计表达式变形及裂缝宽度的验算1、变形验算(挠度）式中f

–––受弯构件按荷载短期效应组合并考虑长期效应组合影响计算的最大挠度。flim–––《规范》允许挠度f

flim2、裂缝验算《规范》按使用阶段对结构构件裂缝的不同要求，将裂缝控制等级分为三级：一级：严格要求不裂，使用阶段不允许出现拉应力。二级：一般要求不裂，使用阶段允许出现拉应力，但应作限制。三级：允许开裂，应验算裂缝宽度wmax

[

wlim]第二章设计标准和方法

3、荷载的标准组合S：

4、荷载的准永久组合S：式中，qi

–––第i个可变荷载的准永久值系数第二章设计标准和方法例：一简支梁，跨度为6米，作用于上的均布荷载，恒载标准值gk=3kN/m，分项系数G=1.2，活荷载标准值qk=6kN/m，分布系数Q=1.4，分别计算梁跨中截面弯矩的基本效应组合、短期效应组合和长期效应组合(活荷载准永久系数qi

=0.4)1、荷载代表值取值的前提范围功能范围：住宅、办公、商用、仓库。时间范围：几十年一遇、几百年一遇。空间范围：建筑物所在地区地震、雪压、风力与风压2、荷载特征值的确定设计基准期----结构的荷载最短测算期

是具体地区、具体使用功能的结构在确定的时期内的统计结果；统计时期一般50年，称为设计基准期。荷载的取值荷载代表值

结构或构件设计时，需针对不同设计目的对荷载赋予一个规定的量值，该量值即为荷载代表值。

永久荷载:采用标准值为代表值。

可变荷载:采用标准值、组合值、频遇值和准永久值为代表值。

偶然荷载:按使用的特点确定代表值。其中荷载标准值为基本代表值。

荷载标准值荷载标准值是指在结构使用期间，在正常情况下可能出现的具有一定保证率的较大荷载值。

永久荷载标准值Gk可按结构构件的设计尺寸和材料重力密度计算确定，《荷载规范》中给出了常用材料和构件的自重。可变荷载标准值Qk可直接查《荷载规范》