建筑结构的基本设计原则

第3章建筑结构的基本设计原则结构功能要求与极限状态极限状态设计的基本原理极限状态设计表达式3.1结构的功能要求与极限状态3.1.1结构的功能要求结构设计使用年限和设计基准期设计基准期:T=50年设计使用年限结构设计目的

用最经济的手段,使结构在规定的时间内和在规定的条件下,完成各项预定功能的要求。

类别设计使用年限（年）示例15临时性建筑225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构使用年限分类3.1.1结构的功能要求建筑结构的功能要求安全性

建筑结构在其设计使用年限内应能够承受可能出现的各种作用。且在设计规定的偶然事件发生时及发生后,结构应能保持必需的整体稳定性,不致倒塌。适用性

建筑结构在其设计使用年限内应能满足预定的使用要求,有良好的工作性能,其变形、裂缝或振动等性能均不超过规定的限度等。耐久性

建筑结构在其设计使用年限内应有足够的耐久性。例如保护层厚度不得过薄、裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀等。

3.1.1结构的功能要求结构可靠性与可靠度结构可靠性

结构在规定的时间内(即设计使用年限),在规定的条件下(结构正常的设计、施工、使用和维修条件),完成预定功能(如承载力、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性和动力性能等)的能力。

结构可靠度

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,即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。

结构的安全等级安全等级破坏后果建筑类型一级很严重重要房屋二级严重一般房屋三级不严重次要房屋建筑结构的安全等级结构的设计使用年限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。

3.1.1结构的功能要求结构极限状态的定义3.1.2结构极限状态的定义与分类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,此特定状态称为该功能的极限状态。

结构可靠

结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是"可靠”的或"有效”的。结构不可靠

结构不能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是"不可靠”的或"失效”的。

3.1.2结构极限状态的定义与分类

《建筑结构可靠度设计统一标准》将结构的极限状态分为两类:承载能力极限状态及正常使用极限状态。

结构极限状态的分类承载力能力极限状态

（第一类)

超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求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)结构极限状态的分类正常使用极限状态（第二类)

超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。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)；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等)；过大的振动（不舒适)；其他正常使用要求。

3.1.3三种设计状况持久状况

持续期长的状态,如家具、设备短暂状态

持续期短的状态,如施工、维修偶然状态

持续期短且出现频率小,如火灾、爆炸3.2极限状态设计原理3.2.1作用效应（S)和结构抗力（R)结构上的作用

施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，也称为荷载)和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用)。

作用效应

由于直接作用或间接作用作用于结构构件上，在结构内产生的内力和变形(如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等)。

结构抗力

结构或结构构件承受内力和变形的能力(如构件的承载能力、刚度等)。

结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量

3.2.1作用效应（S)和结构抗力（R)结构上的作用分类

按随时间的变异分类永久作用

在设计基准期内其量值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。

可变作用

在设计基准期内其量值随时间变化,且其变化与平均值相比不可忽略的作用。

偶然作用

在设计基准期内出现或不一定出现,而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。

3.2.1作用效应（S)和结构抗力（R)按随空间位置的变异分类

固定作用在结构空间位置上具有固定分布的作用。可动作用在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的作用。按结构的反应分类静态作用使结构产生的加速度可忽略不计的作用。动态作用使结构产生的加速度不可忽略的作用。3.2.2结构的功能函数与极限状态方程◆结构的功能函数

结构工作状态可以用S和R关系式来描述，这种表达式称为结构的功能函数，以Z表示

随机变量Z的不同取值三种工作状态:Z>0结构或构件处于可靠状态Z<0结构或构件处于失效状态Z=0结构或构件处于极限状态3.2.2结构的功能函数与极限状态方程◆结构的极限状态方程

当Z＞0时,结构处于可靠状态,

当Z＝0时,结构处于极限状态,

当Z＜0时,结构处于失效状态。

3.2.3概率统计的一些基本概念(自学)3.2.4结构可靠度、失效概率和可靠指标可靠度结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的可能性大小，用概率p来表示，也就是说结构可靠度就是结构可靠性的概率度量。可靠概率Ps结构能能完成预定功能（S<R)的概率。失效概率Pf结构不能完成预定功能（S>R)的概率。

3.2.4结构可靠度、失效概率和可靠指标可靠指标β失效概率与功能函数Z平均值到坐标原点的距离有关,取

bsz3.2.4结构可靠度、失效概率和可靠指标b值2.73.23.74.2失效概率Pf3.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5结构功能函数失效概率经坐标变换,将Z标准化

令

由

得

于是3.2.4结构可靠度、失效概率和可靠指标目标可靠指标[β]承载能力极限状态[β]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正常使用极限状态[β]根据其可逆程度宜取0~1.53.3概率极限状态设计表达式3.3.1作用效应（S)和结构抗力（R)结构上的作用

施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，也称为荷载)和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用)。

作用效应

由于直接作用或间接作用作用于结构构件上，在结构内产生的内力和变形(如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等)。

结构抗力结构或结构构件承受内力和变形的能力(如构件的承载能力、刚度等)。结构上的作用、作用效应、结构抗力均是随机变量

qVM3.3.2荷载和材料强度的取值荷载

——在结构使用期间,其值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。也称恒荷载或恒载。比如结构自重或土压力等。

——在结构使用期间,其值随时间变化,或其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。也称活荷载或活载。比如楼面活载、屋面活载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。

——在结构使用期间不一定出现,而一旦出现,其量值很大而持续时间较短的荷载。比如爆炸力、撞击力等。

永久荷载可变荷载偶然荷载3.3.2荷载和材料强度的取值荷载代表值

建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的设计值。

对永久荷载应采用标准值作为代表值;

对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准

永久值作为代表值;

对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。

荷载代表值类别荷载标准值

荷载的基本代表值,是指结构在其使用期间,正常情况下可能出现的最大荷载值。荷载频遇值

正常使用极限状态按频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值

。

荷载准永久值

正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值。

荷载组合值

当结构承受两种或两种以上可变荷载时,承载能力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按标准组合设计采用的可变荷载代表值。

3.3.2荷载和材料强度的取值材料强度标准值

具有不小于95％的保证率的材料强度值称为材料强度标准值。钢材的强度标准值

《规范》将热轧钢筋的强度标准值取为冶金部门颁布的屈服强度废品限值

，其保证率为97.73％。

混凝土的强度标准值

取保证率为95%的强度值为混凝土强度标准值

基本表达式

γ0---结构重要性系数S---荷载效应的基本组合（设计值)R---结构抗力

f---材料强度设计值

3.3.3极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式3.3.3极限状态设计表达式承载能力极限状态设计表达式结构重要性系数结构重要性系数γ0按安全等级确定

γ0=1.1,安全等级为一级

γ0=1.0,安全等级为二级

γ0=0.9安全等级为三级承载能力极限状态设计表达式由永久荷载控制的效应组合由可变荷载控制的效应组合gG&gQi：永久荷载和可变荷载分项系数;Gk：恒荷载标准值;Q1k：最大的活荷载的标准值;Ψ：其他活荷载的组合系数;Qik：其他活荷载的标准值;gR：材料强度分项系数。

取该二种组合的最不利值。承载能力极限状态设计表达式材料强度分项系数荷载分项系数可变荷载起控制作用γG=1.2,γQ=1.4

楼面均布荷载大于等于4KN/m2时,γQ=1.3

永久荷载有利时,γG=1.0,0.9

永久荷载起控制作用γG=1.35

强度设计值=强度标准值/材料强度分项系数γs=1.1~1.2（钢)，γc=1.35（砼)，

材料强度强度设计值可直接查规范。p338基本表达式

即[C]：一般指正常使用要求的规定限值：变形，抗裂度