第3章 结构设计方法

第3章结构设计方法3.1结构的功能与可靠性◆安全性

Safety

建筑结构应能承受正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形），在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。◆适用性Serviceability

结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。如不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者感到不安的过宽的裂缝等。◆耐久性Durability

结构在正常维护条件下应有足够的耐久性。完好使用到设计规定的年限。如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。◆结构的可靠性

reliability■

可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称指结构在规定的使用期限内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），能够实现其预定的安全性、适用性和耐久性三方面设计功能的概率。■结构可靠性越高，建设造价投资越大。■

如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。指结构在上述规定的条件下所应达到的使用年限，设计使用年限并不等同于结构的实际寿命或耐久年限。当结构的实际使用年限超过设计使用年限后，结构仍可继续使用或经大修后可继续使用，但是结构的可靠度降低了。设计使用年限类别设计使用年限/年示例

L15临时性建筑结构0.9225易于替换的结构构件—350普通房屋和构筑物1.04100标志性建筑和特别重要的建筑结构1.1房屋建筑结构的设计使用年限及可变荷载调整系数3.2结构的极限状态

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指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。

能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志。1.承载力能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态。◆结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）◆结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）◆结构塑性变形过大而不适于继续使用◆结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）◆结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）◆遭受偶然作用引起的结构连续倒塌。2.正常使用极限状态ServiceabilityLimitState

结构或构件达到影响正常使用或耐久性能允许的某项规定限值的极限状态

。◆过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；◆过宽的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等），影响正常使用，心理影响等；◆过大的振动（影响使用、不舒适）；承载力能力极限状态结构的安全性正常使用极限状态结构的适用性和耐久性可靠水平高可靠水平低结构设计程序3.3结构上的作用、作用效应与荷载代表值3.3.1结构上的作用定义：使结构产生内力或变形的原因称为“作用”。作用分类直接作用间接作用荷载混凝土收缩、温度变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加变形或约束的原因。结构上的作用使结构产生的内力、变形、裂缝等通称为作用效应或荷载效应。荷载的分类永久荷载可变荷载偶然荷载又称恒荷载，在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，如结构的自重、土压力，预应力等；又称活荷载，在结构设计基准期内其值随时间而变化，如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等；在结构设计基准期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如爆炸力、撞击力等；3.3.2作用效应不论是直接作用还是间接作用，都将使结构产生如内力和变形等的结果，比如荷载作用引起的杆件轴力、剪力、弯矩、扭矩，以及跨中挠度、截面转角和裂缝等，这些结果称为作用效应。当为直接作用（即荷载）时，其作用结果也称为荷载效应，通常用S表示。荷载是个统计量，为随机变量（或随机过程），因此荷载效应也为随机变量（或随机过程）。1.荷载的标准值Sk

荷载标准值是荷载的基本代表值。采用数理统计的方法确定的具有一定概率的最大荷载值称为荷载的标准值Sk。3.3.3荷载代表值2.荷载组合值当有两种或两种以上的可变荷载作用时，由于所有可变荷载同时达到其单独出现时可能达到的最大值的概率极小，因此，除主导的可变荷载（产生的效应最大的可变荷载）仍采用其标准值外，其余伴随的可变荷载均采用某一小于其标准值的值为荷载的代表值，这一代表值就是组合值，它是用标准值乘以不大于1的荷载组合系数

c来表达，即

cQk。3.荷载准永久值荷载的准永久值是指可变荷载在设计基准期内具有较长的总持续时间的代表值。结构设计时，准永久值主要用于考虑荷载长期效应的影响。4.荷载频遇值荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内被超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。

3.4材料强度的标准值与结构抗力3.4.1材料强度的标准值材料强度标准值是极限状态设计中采用的材料性能的代表值，极限状态表达式中的材料性能标准值包括材料强度、变形模量等物理力学性能的标准值。3.5结构的极限状态设计方法结构设计中的不确定性a.恒载g与构件尺寸、材料容重等有关b.活载q的数值是随时在变化的c.计算跨度l的不准确a.材料强度fy和fc的离散b.截面尺寸h0和b的施工误差c.

参数k1和k2的误差不一定安全（可靠）!g+q虽然设计保证3.5.1结构的功能函数与极限状态方程1.结构的功能函数为结构的功能函数。过功能函数Z可以判断结构所处的状态：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。2.结构的极限状态方程

结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定结构功能的能力称为结构的可靠性。

结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设计工作寿命内，在正常条件下，完成预定功能的概率。Ps可靠概率ps=1-pf，pf为失效概率。

设构件的荷载效应S、抗力R，都服从正态分布，平均值分别为μS、

μR，标准差σS、σR。3.5.2结构的失效概率与可靠度重叠区的大小反映了抗力R和荷载效应S之间的概率关系，即结构的失效概率从结构安全的角度，提高结构构件的抗力R，减小抗力R和荷载效应S的离散程度，可以提高结构的可靠程度，即提高μR－

μS，减小σR

、σS可使失效概率降低。pS，RSRμSμRmR-mS安全的概念是相对的，所谓“安全”只是失效概率相对较小而已，失效概率不可能为零，故不存在绝对安全的结构。应该通过设计把失效概率控制在某一个可以接受的限制以下就可以。pS，RSRμSμRmR-mS重叠区的大小反映了抗力R和荷载效应S之间的概率关系，即结构的失效概率令Z=R-SZ是服从正态分布的随机变量，Z的概率密度分布曲线如下：则

f(Z)bszmzpfZ=R-SZ<0pf=P(Z<0)=P(R<S)

称为可靠指标，与失效概率pf之间有一一对应的关系。目标可靠指标[β]的概念结构按承载能力极限状态设计时，要保证其完成预定功能的概率不低于某一允许水平而要求设计所达到的可靠指标，称为目标可靠指标[β]

。由于结构延性破坏和脆性破坏的性质不同，前者有明显预兆，可及时采取补救措施，目标可靠指标可定的稍低一些；后者为突发性破坏，破坏前无明显预兆，目标可靠指标应定的高一些。破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2结构构件承载力极限状态的目标可靠指标[β]令Sk为荷载效应的标准值，

S(>1)为荷载分项系数，则荷载设计值为令Rk为结构抗力的标准值，

R(>1)为抗力分项系数，则抗力设计值为3.5.4承载能力极限状态设计表达式考虑结构安全等级的差异，引入结构重要性系数γ0由可得一级－g0＝1.1二级－g0＝1.0三级－g0＝0.9g0——结构重要性系数－永久荷载效应；－最大的一个可变荷载效应；－其余可变荷载效应；－永久荷载、第一可变荷载、其他可变荷载的分项系数；－可变荷载组合值系数。由可变荷载效应控制的组合，其承载能力极限状态设计表达式的一般形式为：对于结构设计而言，如何设计的安全呢？荷载取值越大，内力值就越大，构件截面尺寸也愈大，结构愈安全；材料强度取值越低，结构所需截面越大，结构愈安全.荷载标准值：材料强度标准值：SmSm+1.645σfm-1.645σfm3.5.5正常使用极限状态设计表达式对