1、建筑结构的基本设计原则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本章讲述了建筑结构的设计原则概率概率极限状态设计法。重点应掌握掌握极限状态设计法。重点应掌握掌握荷载的分类、荷载的分类、荷载的代表值、荷载的标准值与设计值荷载的代表值、荷载的标准值与设计值的计算方的计算方法及在设计中的应用结构的法及在设计中的应用结构的可靠性和可靠度可靠性和可靠度、结、结构功能的构功能的极限状态极限状态、各类极限状态的标志、极限、各类极限状态的标志、极限状态设计状态设计实用设计表达式实用设计表达式的意义及用法。的意义及用法。 本章提要本章提要 按时间分按时间分(1)永久荷载永久荷载-(2)可变荷载可变荷载-
2、(3)偶然荷载偶然荷载-如结构自重、土压力、预应力如结构自重、土压力、预应力如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度变化等。载、温度变化等。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。（一）荷载分类（一）荷载分类（二）荷载的代表值（二）荷载的代表值 1 1、荷载标准值、荷载标准值 是指结构在使用期间，在正常情况下可能出是指结构在使用期间，在正常情况下可能出现的现的最大荷载值最大荷载值（使其保证率达到（使其保证率达到95%95%）而确定）而确定的。的。 它是它是基本的代表值基本的代表值，其它的代表值都是以它，其它的代表值都是以它为基础计
3、算的。为基础计算的。 （1）永久荷载标准值）永久荷载标准值Gk尺寸和材料容重（查荷载规范）。尺寸和材料容重（查荷载规范）。 （2）可变荷载标准值）可变荷载标准值Qk查荷载规范查荷载规范楼面活载楼面活载风载风载雪载载雪载载积灰荷载积灰荷载地震作用地震作用屋面施工检修荷载屋面施工检修荷载吊车荷载吊车荷载表表1 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数表表1 民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数 2 2、可变荷载准永久值、可变荷载准永久值
4、Q Qq q 指可变荷载中比较指可变荷载中比较呆滞呆滞的部分值，即指的部分值，即指经常作用于结经常作用于结构的这样一部分活载值。构的这样一部分活载值。kqqQQ3 3、可变荷载频遇值、可变荷载频遇值Q Qf f 对可变荷载，在设计基准期内，其对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规超越的总时间为规定的较小比率或超越次数为规定次数的荷载值。定的较小比率或超越次数为规定次数的荷载值。kffQQ 4 4、可变荷载组合值、可变荷载组合值Q Qc ckccQQ荷载分布形式荷载分布形式 均布面荷载，单位为N/或kN/。 均布线荷载，单位为N/m或kN/m。 非均布线荷载。 集中荷载，单位为N或kN。
5、荷载分项系数与荷载代表值的乘积1、永久荷载设计值2、可变荷载设计值 （或 ），当采用荷载标准值时。 （或 ），当采用荷载组合值时。荷载设计值荷载设计值kGGGkQQQikQiiQQkcQQQikciQiiQQ 由荷载引起的结构由荷载引起的结构内力内力, ,如如轴力、弯矩、剪力、扭矩轴力、弯矩、剪力、扭矩等，称荷载作用效应等，称荷载作用效应, ,用用S表示。表示。 G G为荷载效应系为荷载效应系数，数，Q Q为荷载。为荷载。荷载的作用效应荷载的作用效应SGQS 结构构件的截面形式、尺寸以及材料等级确定以后，各结构构件的截面形式、尺寸以及材料等级确定以后，各截面将具有一定的截面将具有一定的抵抗作用
6、效应的能力抵抗作用效应的能力。1.2 结构的功能和极限状态结构的功能和极限状态结构抗力结构抗力R R材料强度材料强度f fk k 材料强度标准值用符号材料强度标准值用符号fk表示，是结构设计时采用的材料表示，是结构设计时采用的材料性能的基本代表值，也是生产过程中控制材料质量的主要依据。性能的基本代表值，也是生产过程中控制材料质量的主要依据。 材料强度设计值是用于承载力计算时的材料强度的代表值，材料强度设计值是用于承载力计算时的材料强度的代表值，它与材料的强度标准值的关系为它与材料的强度标准值的关系为材料强度设计值材料强度设计值=材料强度标准值材料强度标准值/材料强度分项系数材料强度分项系数一、
7、建筑结构的功能一、建筑结构的功能使所设计的结构能使所设计的结构能满足各种预定的功能满足各种预定的功能要求。要求。 建筑结构预定功能建筑结构预定功能 耐久性耐久性 安全性安全性 适用性适用性 1、安全性、安全性 建筑结构在正常施工和正常使用时应能建筑结构在正常施工和正常使用时应能承受可能出现的承受可能出现的各种荷载、外加变形、约束变形的作用，以及各种荷载、外加变形、约束变形的作用，以及在偶然事件在偶然事件（地震、火灾、冲撞地震、火灾、冲撞）发生时及发生后，仍能保持必须的整）发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性，不发生倒塌或连续破坏。体稳定性，不发生倒塌或连续破坏。 2、适用性、适用性 建筑结
8、构在正常使用时，应能满足预定的使用要求，如建筑结构在正常使用时，应能满足预定的使用要求，如不发生影响正常使用的不发生影响正常使用的变形和裂缝宽度变形和裂缝宽度。3、耐久性、耐久性 建筑结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，如不建筑结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，如不发生由于发生由于保护层碳化或裂缝宽度开展过多导致钢筋锈蚀，混保护层碳化或裂缝宽度开展过多导致钢筋锈蚀，混凝土不发生严重风化、老化、腐蚀而影响结构的使用寿命。凝土不发生严重风化、老化、腐蚀而影响结构的使用寿命。安徽暴雪压塌合肥安徽暴雪压塌合肥 5000 平方米厂房倒塌平方米厂房倒塌河南省体育馆，遭九级风破坏。河南省体育馆，遭
9、九级风破坏。 风灾图片风灾图片3、地震、地震19781978年年7 7月月2828日，唐山市文化路青年宫，为砖混结构的二层楼房，除四日，唐山市文化路青年宫，为砖混结构的二层楼房，除四根门柱外，全部坍塌根门柱外，全部坍塌19781978年年7 7月月2828日唐山日唐山7.87.8级大地震级大地震京沈铁路胥各庄段铁路被毁 1998年美国土木工程学会报告，美国现有年美国土木工程学会报告，美国现有29%以上桥梁以上桥梁和和1/3以上的道路老化，有以上的道路老化，有2100座水坝不安全，估计需有座水坝不安全，估计需有1.3万亿美元万亿美元改善其安全状态。改善其安全状态。 美国每年基础设施修复费用约为这
10、些设施总资产的美国每年基础设施修复费用约为这些设施总资产的10% ！ 发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占发达国家土建设施耐久性问题造成的年损失，约占GDP的的1.52%，其中主要是，其中主要是混凝土结构的耐久性破坏混凝土结构的耐久性破坏。 我国土建工程耐久性现状民用房屋我国土建工程耐久性现状民用房屋 干湿交替的室外构件干湿交替的室外构件过早锈蚀；过早锈蚀； 结构结构耐久性的规定耐久性的规定 1、3040年工业厂房；年工业厂房；203 0年年 大修大修 海港码头；海港码头； 2、1020年大修浪溅区最严重年大修浪溅区最严重 桥梁除冰盐侵蚀；桥梁除冰盐侵蚀； 3、1020年大修隧道。年大
11、修隧道。 渗漏严重钢筋保护层过薄！渗漏严重钢筋保护层过薄！ 混凝土等级过低！混凝土等级过低！ 钢筋钢筋过细！断面过薄！过细！断面过薄！提高结构的耐久性提高结构的耐久性刻不容缓刻不容缓宁波北仑港码头混凝宁波北仑港码头混凝 土梁土梁（建成后（建成后11年）年）二、结构的极限状态二、结构的极限状态 整个结构或结构的一部分整个结构或结构的一部分超过超过某一某一特定状态特定状态就不能满足就不能满足设计规定的设计规定的某一功能某一功能要求，此状态为该功能的要求，此状态为该功能的极限状态极限状态。 （一）承载力极限状态（一）承载力极限状态 1、整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾、整个结构或结构的一
12、部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；覆等）； 2、结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳、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；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、结构转变为机动体系 4、 结构或结构构件丧失稳定结构或结构构件丧失稳定 （如压屈等）；（如压屈等）； 5、地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）；、地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）；( (二）正常使用极限状态二）正常使用极限状态1、影响正常使用或外观的变形；、影响正常使用或外观的变形；2、影响正常使用耐久性能的局部破坏（包括、影响正常使用耐久性能的局部破坏（包括裂
13、缝）；裂缝）；3、影响正常使用的振动；、影响正常使用的振动；4、影响正常使用的其他特定的状态。、影响正常使用的其他特定的状态。（1）过大的变形会造成房屋内部粉刷层剥落、）过大的变形会造成房屋内部粉刷层剥落、填充墙、隔断墙开裂及屋面积水等后果；填充墙、隔断墙开裂及屋面积水等后果；（2）水池、油罐等结构开裂会引起渗漏现象；）水池、油罐等结构开裂会引起渗漏现象；（3）过大裂缝会影响结构耐久性；）过大裂缝会影响结构耐久性；（4）过大变形和裂缝也将会使用户心里上产生）过大变形和裂缝也将会使用户心里上产生不安全；不安全；（5）过大晃动或振动引起人们心里上的不安，）过大晃动或振动引起人们心里上的不安，无法正
14、常学习和工作。无法正常学习和工作。 这几座呢这几座呢?世界十大世界十大“濒危濒危”建建筑筑这几座呢这几座呢?世界世界“濒危濒危”建筑建筑这几座呢这几座呢?世界世界“濒危濒危”建筑建筑以下何项不属于承载能力极限状态( ) A 结构的一部分出现倾覆B 梁出现过大的挠度C 梁出现裂缝D 钢筋生锈 属于耐久性练习：练习：答案：B C D 结构上的作用结构上的作用荷载荷载温度变化温度变化 地基沉降地基沉降直接作用直接作用间接作用间接作用1.3结构的可靠度和极限状态方程结构的可靠度和极限状态方程1.作用效应作用效应极限状态方程极限状态方程 当功能函数中仅包括作用效应当功能函数中仅包括作用效应R和结构抗力和
15、结构抗力S两个基本变量两个基本变量时，可得：时，可得：( , )Zg R SRS当当 时，结构处于时，结构处于可靠可靠状态状态当当 时，结构处于时，结构处于失效失效状态状态当当 时，结构处于时，结构处于极限极限状态状态0Z 0Z 0Z （一）影响抗力的主要因素有（一）影响抗力的主要因素有1、材料性能的不确定性、材料性能的不确定性2、几何参数的不确定性、几何参数的不确定性3、计算模式的不确定性、计算模式的不确定性强度、变形模量等强度、变形模量等构件尺寸等构件尺寸等抗力计算所采用的基本假设抗力计算所采用的基本假设和计算公式不够精确等和计算公式不够精确等适用性耐久性安全性结构的可靠性结构设计就是实现
16、结构设计就是实现可靠性可靠性与与经济性经济性的最佳平衡的最佳平衡 指结构在指结构在规定的时间内规定的时间内，在，在规定的条件下规定的条件下，完成预定功，完成预定功能的能的能力能力。 规定的条件：规定的条件：是指正常设计、正常施工和正常使用的条件。是指正常设计、正常施工和正常使用的条件。 规定的时间：规定的时间：是指设计使用年限。是指设计使用年限。 2、结构的可靠性与可靠度、结构的可靠性与可靠度 结构可靠度结构可靠度 结构在规定的时间内，在规定的条件下，结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功完成预定功能概率。能概率。3.设计基准期和设计使用年限设计基准期和设计使用年限设设计基准期计基准期
17、T 分析结构可靠度时，为确定可变作用及与时间分析结构可靠度时，为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。有关的材料性能等取值而选用的时间参数。T=50年。年。 1、设计使用年限、设计使用年限 是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预是指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。定目的使用的时期。类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示例示例15临时性结构临时性结构225易于替换的结构构件易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑物纪念性建筑和特别重要的建筑物 设计使用年限分类设计使用年限分类
18、 设计使用年限设计使用年限的概念不同于的概念不同于实际寿命实际寿命、耐久年限耐久年限或或设计基设计基准期准期。 补充：结构的安全等级补充：结构的安全等级安全等级安全等级破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋二级二级严严 重重一般的房屋一般的房屋三级三级不严重不严重次要的房屋次要的房屋 根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。 建筑物中各类建筑物中各类结构构件的安全等级结构构件的安全等级宜与宜与整个结构的安全等整个结构的
19、安全等级级相同相同，但，但允许允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的行适当的调整。调整。可靠指标可靠指标是度量结构可靠性的一种是度量结构可靠性的一种量化量化的指标，其值的指标，其值越大，失效概率就越小，结构就越可靠，它与结构失效概越大，失效概率就越小，结构就越可靠，它与结构失效概率在数值上一一对应的关系。率在数值上一一对应的关系。1.41.4结构构件的可靠指标与目标可靠指标结构构件的可靠指标与目标可靠指标3.23.74.2脆性破坏脆性破坏2.73.23.7延性破坏延性破坏3级级二二 级级一一 级级安安 全全 等等 级级破坏类型破坏类型fpf
20、pfp4101 . 13105 . 34104 . 65103 . 14101 . 14104 . 6表表 结构可靠性指标与失效概率的一一对应关系结构可靠性指标与失效概率的一一对应关系一、承载能力极限状态设计表达式一、承载能力极限状态设计表达式（一）设计表达式（一）设计表达式 0SR1.5 1.5 极限状态设计表达式极限状态设计表达式结构构件的重要性系数，对安全等级为一、结构构件的重要性系数，对安全等级为一、二、三级的结构构件，应分别取二、三级的结构构件，应分别取1.1、1.0、0.9；01、可变荷载效应控制组合、可变荷载效应控制组合2、永久荷载效应控制组合、永久荷载效应控制组合GGkQ1Q1
21、kQiciQik2niSSSS GGkQiciQik1niSSS 恒载和活载分项系数恒载和活载分项系数,GQ荷载组合值系数荷载组合值系数ci（二）内力组合设计值（二）内力组合设计值S表达式表达式(1)(1)对由可变荷载控制的组合，当其效应对结构不利时，取对由可变荷载控制的组合，当其效应对结构不利时，取1.2，有利时取，有利时取1.0；(2)(2)对由恒载效应控制的组合，取对由恒载效应控制的组合，取1.35；(3)(3)对抗倾覆和滑移验算时，取对抗倾覆和滑移验算时，取0.9。G3、恒载分项系数、恒载分项系数 取值：取值：Q4、活载分项系数、活载分项系数 取值：取值：(1)(1)一般情况下取一般情
22、况下取1.4；(2)(2)对标准值大于对标准值大于4KN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，的工业房屋楼面结构的活荷载，取取1.3 。,GQ关于荷载分项系数关于荷载分项系数 问题问题QikciniQiGkGSSS1QikciniQikQQGkGSSSS211（三）内力组合设计值三）内力组合设计值S简化表达式简化表达式1、常见的住宅、办公楼等民用建筑，当仅有一个可变常见的住宅、办公楼等民用建筑，当仅有一个可变荷载作用时：荷载作用时：（1）由活载效应控制的组合：）由活载效应控制的组合：kQGkSSS14 .12 .1kQGkSSS17 . 04 . 135. 1（2 2）由恒载效应控制的组合：）由恒
23、载效应控制的组合：荷载分项系数的取值荷载分项系数的取值荷载特性荷载特性分项系数分项系数永久永久荷载荷载永久荷载效应永久荷载效应对结构不利对结构不利由可变荷载效应控制的组合由可变荷载效应控制的组合1.21.2由永久荷载效应控制的组合由永久荷载效应控制的组合1.351.35永久荷载效应对结构有利永久荷载效应对结构有利1.01.0倾覆、滑移或飘浮验算倾覆、滑移或飘浮验算0.90.9可变可变荷载荷载一般情况一般情况1.41.4对标准值大于对标准值大于4kN/m4kN/m2 2的工业房屋楼面结构的活荷载取的工业房屋楼面结构的活荷载取1.31.32、一般、一般排架、框架结构排架、框架结构（1）由活载效应控
24、制的组合：）由活载效应控制的组合：QikniQiGkGSSS19 . 0QikciniQiGkGSSS1（2）由恒载效应控制的组合不变）由恒载效应控制的组合不变 正常使用极限状态的荷载组合进行正常使用极限状态验算时采用荷载的标准值；不考虑结构的重要性系数；需要考虑荷载作用时间的长短对变形和裂缝宽度的影响。1.标准组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况2.频遇组合：主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或瞬间振动的情况3.准永久组合：主要用于当长期效应是决定性因素时的一些场合 按正常使用极限状态设计的实用表达式按正常使用极限状态设计的实用表达式 （1 1
25、）实用表达式）实用表达式 对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，按下列设计表达式进行设计：求，按下列设计表达式进行设计： SC式中式中S变形、裂缝等荷载效应的设计值；变形、裂缝等荷载效应的设计值； C结构构件达到正常使用要求所规定的限值，结构构件达到正常使用要求所规定的限值，如变形、裂缝宽度等。如变形、裂缝宽度等。 混凝土结构混凝土结构的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、的正常使用极限状态主要是验算构件的变形、抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值；抗裂度或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值； 钢结构钢结构通过构件的变形（刚度）验算保证；通
26、过构件的变形（刚度）验算保证； 砌体结构砌体结构一般情况下不做验算，由相应的构造措施保证。一般情况下不做验算，由相应的构造措施保证。 （2 2）荷载效应组合设计）荷载效应组合设计 1 1）对于标准组合，其荷载效应组合的表达式为）对于标准组合，其荷载效应组合的表达式为 k2k1kiQniciQGSSSSkQ2qk11fkiniiQGSSSS 2) 2) 对于频遇组合，其荷载效应组合的表达式为对于频遇组合，其荷载效应组合的表达式为可变荷载可变荷载 的频遇系数的频遇系数可变荷载可变荷载 的准永久值系数的准永久值系数3 3）对于准永久组合，荷载效应组合的表达式为）对于准永久组合，荷载效应组合的表达式为
27、 QikniqiGkSSS1 【例【例1.2.1】 某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸全等级为二级，截面尺寸bh = 200mm400mm，计算，计算跨度跨度 = 5m，净跨度，净跨度 =4.86m。承受均布线荷载：活荷。承受均布线荷载：活荷载标准值载标准值7kN/m，恒荷载标准值，恒荷载标准值10kN/m（不包括自重）。（不包括自重）。试计算按承载能力极限状态设计时的跨中弯矩设计值和支试计算按承载能力极限状态设计时的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。座边缘截面剪力设计值。0lnl【解】由表【解】由表1.1.1查得活荷载组合值系
28、数查得活荷载组合值系数=0.7。安全等级。安全等级为二级，则结构重要性系数为二级，则结构重要性系数=1.0。 钢筋混凝土的重度标准值为钢筋混凝土的重度标准值为25kN/m3，故梁自重标准值，故梁自重标准值为为250.20.4=2 kN/m。 总恒荷载标准值总恒荷载标准值gk=10+2=12kN/m 恒载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力设计恒载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力设计值分别为：值分别为：Mgk = gkl02/8 = 1252 /8=37.5kN m Vgk=gkln/2= 124.86/2=29.16 kN 活荷载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力标准活荷载产生的跨
29、中弯矩标准值和支座边缘截面剪力标准值分别为：值分别为： Mqk = qkl02/8 =752 /8=21.875kNm Vgk=qkln/2 = 7 4.86/2 =17.01 kN 本例只有一个活荷载，即为第一可变荷载。故计算由活本例只有一个活荷载，即为第一可变荷载。故计算由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值时，载弯矩控制的跨中弯矩设计值时， =1.2， =1.4。由式。由式（1.2.3）得由活荷载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘）得由活荷载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力标准值分别为：截面剪力标准值分别为： = G1QQ）（k11k0qQgGMM）（kk0qQgGMM=1.0（1.2
30、37.5+1.421.875）=75.625 kNm = =1.0（1.229.16+1.417.01）=58.806 kN计算由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值时，计算由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值时， =1.35， =1.4， =0.7。由式（。由式（1.2.4）得由恒载弯矩控制的）得由恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力标准值分别为：跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力标准值分别为： =1.0（1.3537.5+0.71.421.875）=72.063 kNm =1.0（1.3529.16+0.71.417.01）=56.036 kN）（k11k0qQgGVV）（kk0qQgGVVGQc）kck0(qQgGMM）kck0(qQgGMM 取较大值得跨中弯矩设计值取较大值得跨中弯矩设计值M = 75.625kNm，支座边缘截，支座边缘截面剪力设计值面剪力设计值V=58.806 kN。
