建筑结构的设计原则

2建筑结构的基本设计原则本章讲述了建筑结构的设计原则——概率极限状态设计法。重点应掌握结构的功能、结构的可靠性和可靠度、结构功能的极限状态、各类极限状态的标志、极限状态设计实用设计表达式的意义及用法。本章提要

建筑结构设计的任务是选择适用、经济的结构方案，并通过计算和构造处理，使结构能可靠地承受各种作用。

具体设计内容有结构选型、结构布置、结构计算与设计（包括荷载计算、内力与变形计算、截面设计、抗震计算及构造处理等）、材料用量、绘制结构施工图。

结构选型和结构布置统称为结构方案设计。本章内容2.1

结构的功能2.2

结构功能的极限状态2.3

极限状态设计法2.1结构的功能建筑结构在规定的设计使用年限内（一般按50年考虑），应满足下列功能要求：

（1）安全性

（2）适用性

（3）耐久性2.1.1结构的功能2.1.2结构的可靠性结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。

《建筑结构可靠度设计统一标准》对可靠度的定义是：“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。”故结构可靠度是可靠性的概率度量。2.2结构功能的极限状态前面所说的“预定功能”，一般是以结构是否达到“极限状态”来标志的，并以此作为结构设计的准则。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要求，此特定状态为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠（有效）或不可靠（失效）的界限，故也称为界限状态。2.2.1承载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用于继续承载的变形。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：

（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如阳台、雨篷的倾覆）等；

（2）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；

（3）结构转变为机动体系；

（4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；

（5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。2.2.2正常使用极限状态这种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。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：

（1）影响正常使用或外观的变形；

（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝，如水池开裂引起渗漏）；

（3）影响正常使用的振动；

（4）影响正常使用的其它特定状态。2.3极限状态设计法在进行结构设计时，就应针对不同的极限状态，根据结构的特点和使用要求，给出具体的标志及限值，以作为结构设计的依据。这种以相应于结构各种功能要求的极限状态作为结构设计依据的设计方法，就称为“极限状态设计法”。作用于结构或结构构件上的各种荷载使结构或结构构件产生的内力（N、M、V、T）和变形、应力等，称为荷载效应。荷载效应可由力学方法求得。

例如，一简支梁梁长为l0，承受的垂直均布线荷载为q（已包括梁自重），梁的抗弯刚度为B。则梁跨中由荷载q产生的弯矩为M=1/8ql02，跨中挠度f=5ql04/(384B)，支座处剪力V=1/2ql0。荷载效应与结构上的荷载密切相关，并且是一种因果关系，即没有荷载作用就没有荷载效应。2.3.1极限状态方程2.3.1.1荷载效应S结构或结构构件抵抗作用效应（本书仅指荷载效应）的能力，也即结构或构件承受内力、变形和抗裂等的能力，称为结构的抗力。

例如，一根一定长的No.20工字钢梁就具有一定的受弯、受剪和承受变形的能力。影响结构抗力的主要因素是结构所用材料的性能和结构的几何参数。2.3.1.2结构抗力R当结构构件处于极限状态时，影响结构可靠度的各种变量的关系式称为极限状态方程，令

S≤R将上式写成

Z=g(S,R)=R-S其中Z是结构抗力与荷载效应之差，称为“功能函数”。Z=R-S也可理解为结构构件扣除荷载效应后，结构内部所具有的多余抗力，故也称为“结构余力”。2.3.1.3极限状态方程

当Z＞0时，结构处于可靠状态；

当Z＜0时，结构处于失效状态；

当Z=0时，结构处于极限状态，则下式:

Z=g(S,R)=R-S=0就称为极限状态方程。

结构构件的承载能力极限状态设计应根据荷载效应的基本组合或偶然组合进行，并以内力和承载力的设计值来表达，其设计表达式为：

γ0S≤R1.结构重要性系数γ0的确定统一标准根据建筑结构破坏可能产生的后果的严重性，将建筑结构划分为三个安全等级。对安全等级为一级、二级、三级的结构构件，其结构构件的重要性系数分别不应小于1.1、1.0、0.9。2.3.2极限状态实用设计表达式2.3.2.1承载能力极限状态设计表达式2.内力组合设计值S的确定考虑永久性荷载和可变荷载共同作用所得的结构内力值称为结构的内力组合值。

对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：（1）

由可变荷载效应控制的组合：

(2断)由永早久荷面载效填应控遣制的介组合若：对于控一般叉排架啊、框项架结混构，基本挽组合甩可采竭用简矮化规推则，广并应趁按下绒列组之合值嚼中取自最不巾利值腾确定层：(1劝)由可密变荷情载效创应控径制的破组合恭：(2致)由永棒久荷找载效新应控露制的武组合蜓仍按棒公式挺（2.好6）采替用。（2.拾6）3.基本蜻组合宣的荷矛载分摧项系笔数（1）永久体荷载妈的分寇项系坦数：当其怖效应榴对结竭构不耳利时谊——对由捧可变窝荷载涛效应变控制赚的组膜合，厦取γG=1晕.2；——对由醒永久探荷载疏效应打控制构的组企合，嚷取γG=1串.3趁5。当其投效应京对结溉构有蒸利时奏——一般韵情况协下，修取γG=1鹿.0；——对结策构的掘倾覆男、滑许移或故漂浮军验算照，取γG=0倚.9（2）可变桌荷载探的分望项系圣数：——一般荐情况己下，γQ=1循.4；——对标业准值贵大于4k仙N/弄m2的工斑业房按屋楼街面结院构的叹活荷舍载，永取γQ=1对.3。永久债荷载尸分项霸系数槽与永验久荷论载标授准值惩的乘脖积，葛称为永久滚荷载倦设计墓值；可崭变荷狠载分影项系蝇数与黄可变磁荷载胳标准狗值的挂乘积遗称为可变脾荷载帐设计铅值。对于院正常笼使用粗极限腹状态垦，应蜡根据赢不同齿的设扯计要毯求，价采用锅荷载充的标果准组赖合、谁频遇开组合茂和准胆永久乔组合能进行犁设计射，使雹变形瓜、裂哈缝、裕振幅闭、基跌底应创力等劲荷载举效应秀的组千合值也符合讯下式狱的要符求：饶S≤唐C（1）对于栗标准体组合伐，荷断载效亭应组胀合的委设计逝值S按下矮式计易算：2.梯3.凉2.参2正常浇使用误极限绘状态垒设计险表达详式（2）对于远频遇什组合愚，荷赶载效异应组翁合的绿设计绍值S按下半式计团算：（3）对于愧准永浑久组类合，倒荷载百效应氧组合厨的设办计值S按下训式计站算：【例2.畅1】已知钥由永柏久荷滴载产陆生的俊弯矩同标准忆值Mgk=1外1k承N·础m，起汽控制暖作用腾的可早变荷码载产线生的屈弯矩缸标准选值Mqk=1滚6k前N·炭m，安赖全等若级为惯二级睛，求璃弯矩僚设计驱值。阿【解】本例奇中，γ0=1筝.0，γG=1关.2认,γQ1=1陪.4瞒SGk=Mgk=1惩1k泼N·亿m架SQ1舰k=Mqk=1活6k绑N·蓬m烈则弯蔬矩设私计值驻M=蜓γ0(γGSGk+γQ1SQ1桐k）=1樱.0冤×(梦1.纽奉2×库11患+1浮.4厉×1羞6)射kN乞·m位=3宵5.婆6k朋N·许m翁弯矩窃设计钓值为35竭.6贷kN雅·m。【例2.阵2】某教航学楼旬楼面恳采用阵预制伐板，矛计算撑跨度l0=5晕.7寸0m，板沃宽0.蒸9m，板班自重2.币2k籍N/报m2。楼锻面采药用水纳磨石剪地面纳（10钞mm厚面大层，20观mm厚水叙泥砂郊浆打笛底）酿，板孕底20具mm厚抹考灰。叉楼面肤活荷夺载标李准值企为2.目0k吸N/嗽m2。试蔽求：冻①救板的染跨中辨截面郊弯矩牌设计昼值M;凉②标准果组合蓬荷载铲效应油组合页的设怀计值M；③然频舱遇组清合荷趣载效轿应组迎合的贱设计文值M；④碌准绿永久吐组合爹荷载康效应侍组合稳的设唇计值M。【解】(1赞)荷载而标准架值①励永久联荷载时水磨慰石地凤面0.订65壮kN梦/m220抛mm板底需抹灰17寸×0疑.0京2=然0.柜34享kN劳/m2板自高重2.廊2k熊N/妄m2作用倍在板杯上的厅永久杀荷载容线荷采载标稿准值阀为gk=(栽0.吹65拘+0甲.3境4+祥2.祖2)秩×0交.9衰=2享.8润71叉kN罩/m皆②严可变裁活荷附载欧qk=2铺.0吗×0厅.9溜=1东.8政kN饶/m肝滔(2狸)板的河跨中傲截面彼弯矩杀设计依值永久奖荷载驾产生龟的弯镇矩标伙准值津Mgk=1乱/8灰gk塘l02=1瓜1.挑66关kN挡·m仪津可变散荷载秆产生即的弯贤矩标群准值生Mqk=1卡/8稠qk代l02=7牛.3催1抗kN组·m盏遭由可膝变荷盈载效忽应控条制的牛组合衣γG=1罗.2，γQ=1跟.4陈M=探γGMgk+γQMqk=2叨4.翼22坏kN脏·m蜜由永默久荷鸭载效阶应控洲制的番组合临γG=1丈.3鼠5，γQ=1妈.4忍,ψci=0谢.7紫M=普γGMgk+γQψciMqk=2炼2.砍90宅kN磨·m协由计治算知药，楼橡板荷目载效碧应组退合值殖由可膛变荷均载效舟应控趁制。室故板叔跨中宅截面谜的弯童矩设颂计值岸为24产.2掌2k梅N·城m。(3养)标准倡组合临荷载翅效应吉组合谦的设盗计值MM=诸Mgk+Mqk=1奸1.渡66川+7付