1、 第3章 结构设计方法与设计指标31 31 建筑结构荷载与荷载效应建筑结构荷载与荷载效应一、结构上的作用一、结构上的作用 建筑结构在施工和使用期间，要承受其自身和外加的各建筑结构在施工和使用期间，要承受其自身和外加的各种作用，这些作用在结构中产生不同的效应（种作用，这些作用在结构中产生不同的效应（内力内力和和变形变形）。）。这些能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、这些能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变裂缝等）的各种原因通称为应变裂缝等）的各种原因通称为结构上的作用结构上的作用。按出现的方式不用，可将结构上的作用分为按出现的方式不用，可将结构上的作用分为直接作用直接
2、作用和和间接作用间接作用。1.直接作用直接作用 直接作用是指直接以力的不同集结形式（集中力或均匀直接作用是指直接以力的不同集结形式（集中力或均匀分布力）施加在结构上的作用，通常也称为结构的荷载。例分布力）施加在结构上的作用，通常也称为结构的荷载。例如如结构的自重结构的自重、楼面人群及物品重量楼面人群及物品重量、土压力土压力、风压力风压力、雪雪压力压力、积灰积灰、积水积水等。等。2.间接作用间接作用 间接作用是指能够引起结构外加变形、约束变形或振动间接作用是指能够引起结构外加变形、约束变形或振动的各种原因。间接作用并不是直接以力的形式施加在结构上，的各种原因。间接作用并不是直接以力的形式施加在结
3、构上，例如例如地基的不均匀沉降地基的不均匀沉降、温度变化温度变化、地震作用地震作用、材料的收缩材料的收缩和膨胀变形和膨胀变形等。等。二、荷载的分类二、荷载的分类 在实际工程中，结构常见的作用多为直接作用，即通常在实际工程中，结构常见的作用多为直接作用，即通常说的荷载。所以本书介绍的内容以直接作用为主。按照不同说的荷载。所以本书介绍的内容以直接作用为主。按照不同的分类方法可将荷载进行不同的分类。的分类方法可将荷载进行不同的分类。（一）按其随时间的变异性可分为：（一）按其随时间的变异性可分为：1.永久荷载永久荷载 永久荷载是指结构在设计使用期间，其值不随时间变化，永久荷载是指结构在设计使用期间，其
4、值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如结构或其变化幅度与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如结构自重、土压力、预应力等，永久荷载也称为恒荷载。自重、土压力、预应力等，永久荷载也称为恒荷载。2.可变荷载可变荷载 可变荷载是指结构在设计使用期间，其值随时间变化，可变荷载是指结构在设计使用期间，其值随时间变化，且其变化幅度与平均值相比不可忽略的荷载。例如楼面活荷且其变化幅度与平均值相比不可忽略的荷载。例如楼面活荷载、积灰荷载、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，载、积灰荷载、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等，可变荷载也称为活荷载。可变荷载也称为活荷载。3.偶然荷载偶
5、然荷载 偶然荷载是指结构在设计使用期间可能出现，但不一定偶然荷载是指结构在设计使用期间可能出现，但不一定出现，而一旦出现，其持续时间很短但量值很大的荷载。例出现，而一旦出现，其持续时间很短但量值很大的荷载。例如地震力、爆炸力、撞击力等。如地震力、爆炸力、撞击力等。（二）按荷载的作用范围分：（二）按荷载的作用范围分：1.集中荷载集中荷载 集中荷载是指荷载的作用面积与结构的尺寸相比很小，集中荷载是指荷载的作用面积与结构的尺寸相比很小，可将其简化为作用于一点的荷载，单位是可将其简化为作用于一点的荷载，单位是kN或或N。例如梁传。例如梁传给柱子的力、次梁传给主梁的力都可看作集中荷载。给柱子的力、次梁传
6、给主梁的力都可看作集中荷载。2.分布荷载分布荷载 分布荷载是指荷载连续地分布在整个结构或结构某一部分布荷载是指荷载连续地分布在整个结构或结构某一部分上。其中分布荷载又包括体荷载、面荷载、线荷载。分上。其中分布荷载又包括体荷载、面荷载、线荷载。体荷载是指分布在物体的体积内的荷载体荷载是指分布在物体的体积内的荷载，单位是，单位是N/mm3或或kN/m3，常用，常用表示。表示。面荷载是指分布在物体表面的荷载，面荷载是指分布在物体表面的荷载，单位是单位是N/mm2或或kN/m2，常用，常用p表示。表示。线荷载是指将面荷载、体荷载简化成连续分布在一段长线荷载是指将面荷载、体荷载简化成连续分布在一段长度上
7、的荷载度上的荷载，单位是，单位是N/mm或或kN/m，常用，常用q表示。表示。三、荷载的代表值三、荷载的代表值 由于各种荷载都具有一定的变异性，在结构设计时，对由于各种荷载都具有一定的变异性，在结构设计时，对荷载应赋予一个规定的量值，称为荷载代表值。荷载应赋予一个规定的量值，称为荷载代表值。1.荷载标准值荷载标准值 荷载标准值荷载标准值是指结构在正常使用情况下，在其设计基准是指结构在正常使用情况下，在其设计基准期期（50年）年）内可能出现的具有一定保证率的内可能出现的具有一定保证率的最大荷载值最大荷载值。永久荷载标准值（永久荷载标准值（Gk），），对结构自重对结构自重,可按结构构件的设可按结构
8、构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对常用材料和构件计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对常用材料和构件可参可参荷载规范荷载规范附录附录A 采用。表采用。表3-1列出部分常用材料和构列出部分常用材料和构件自重。件自重。例如，某矩形钢筋混凝土梁，例如，某矩形钢筋混凝土梁，bh=300mm600mm，计，计算跨度算跨度l0=4.5mm。查表。查表3-1取钢筋混凝土自重取钢筋混凝土自重25kN/m3，则，则该梁沿跨度方向均匀分布的自重标准值为：该梁沿跨度方向均匀分布的自重标准值为：gk=0.30.625=4.5 kN/m。可变荷载标准值（可变荷载标准值（Qk）是根据观测资料和实验数据，并是根
9、据观测资料和实验数据，并考虑工程实践经验而确定，可由考虑工程实践经验而确定，可由荷载规范荷载规范各章中的规定各章中的规定确定。表确定。表3-2列出部分民用建筑楼面均布活荷载标准值。列出部分民用建筑楼面均布活荷载标准值。2.可变荷载组合值可变荷载组合值c Qk 当结构上同时作用两种或两种以上可变荷载时，可变荷当结构上同时作用两种或两种以上可变荷载时，可变荷载同时达到其标准值的可能性较小，因此要考虑其组合值。载同时达到其标准值的可能性较小，因此要考虑其组合值。除其中产生最大效应的荷载（主导荷载）仍取其标准值外，除其中产生最大效应的荷载（主导荷载）仍取其标准值外，其他伴随的可变荷载均采用小于其标准值
10、的组合值为代表值。其他伴随的可变荷载均采用小于其标准值的组合值为代表值。这种经调整后的可变荷载代表值，称为可变荷载组合值。这种经调整后的可变荷载代表值，称为可变荷载组合值。荷载规范荷载规范规定，可变荷载组合值用可变荷载的组合系数规定，可变荷载组合值用可变荷载的组合系数c（c1）与相应的可变荷载标准值）与相应的可变荷载标准值Qk的乘积来确定，即的乘积来确定，即c Qk，c取值参见表取值参见表3-2。3.可变荷载频遇值可变荷载频遇值f Qk 可变荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内，其超越可变荷载频遇值是指可变荷载在设计基准期内，其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。的总时间
11、为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。可变荷载频遇值是针对结构上偶尔出现的较大荷载，具有较可变荷载频遇值是针对结构上偶尔出现的较大荷载，具有较短的总持续时间或较少的发生次数的特性。短的总持续时间或较少的发生次数的特性。荷载规范荷载规范规定，可变荷载频遇值应取可变荷载标准规定，可变荷载频遇值应取可变荷载标准值值Qk乘以荷载频遇值系数乘以荷载频遇值系数f（f1），即），即f Qk，f取值参取值参见表见表3-2。4.可变荷载准永久值可变荷载准永久值q Qk 可变荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内，其超可变荷载准永久值是指可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。可
12、变荷载准永久越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。可变荷载准永久值是针对在结构上经常作用的可变荷载，即在规定的期限内，值是针对在结构上经常作用的可变荷载，即在规定的期限内，该部分可变荷载具有较长的总持续时间，对结构的影响类似该部分可变荷载具有较长的总持续时间，对结构的影响类似于永久荷载。于永久荷载。荷载规范荷载规范规定，可变荷载准永久值应取可变荷载标规定，可变荷载准永久值应取可变荷载标准值准值Qk乘以荷载准永久值系数乘以荷载准永久值系数q，即，即q Qk，q取值参见表取值参见表3-2。四、荷载效应四、荷载效应 作用效应（作用效应（S）是指各种作用在结构上的内力（弯矩、）是指各种作用在结构上的内
13、力（弯矩、剪力、轴力、扭矩等）和变形（绕度、扭转、弯曲、拉伸、剪力、轴力、扭矩等）和变形（绕度、扭转、弯曲、拉伸、压缩、裂缝等）。压缩、裂缝等）。当作用为荷载时，引起的效应称为荷载效当作用为荷载时，引起的效应称为荷载效应。应。一般情况下，荷载效应（一般情况下，荷载效应（S）与荷载（）与荷载（Q）的关系式如下）的关系式如下 S=CQ (3-1)式中式中 C荷载效应系数，由力学分析确定；荷载效应系数，由力学分析确定；Q某荷载代表值；某荷载代表值；S与荷载与荷载Q相应的荷载效应。相应的荷载效应。32 32 建筑结构的设计方法建筑结构的设计方法一、结构的功能要求一、结构的功能要求 建筑结构的功能要求包
14、括：建筑结构的功能要求包括：安全性安全性、适用性适用性和和耐久性耐久性。1.安全性安全性 安全性是指结构在正常施工和正常使用条件下，能承受安全性是指结构在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种作用，在偶然事件发生时和发生后，结构仍可能出现的各种作用，在偶然事件发生时和发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部损坏而不发生能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部损坏而不发生倒塌。倒塌。2.适用性适用性 适用性是指结构在正常使用条件下，具有良好的工作性适用性是指结构在正常使用条件下，具有良好的工作性能。例如不发生影响使用的过大变形、振幅和裂缝等。能。例如不发生影响使用的过大变形
15、、振幅和裂缝等。3.耐久性耐久性 耐久性是指结构在正常维护条件下，具有足够的耐久性，耐久性是指结构在正常维护条件下，具有足够的耐久性，能够使用到预定的设计使用年限。例如钢筋不发生严重锈蚀、能够使用到预定的设计使用年限。例如钢筋不发生严重锈蚀、混凝土不发生严重风化和腐蚀等。混凝土不发生严重风化和腐蚀等。二、结构的极限状态二、结构的极限状态 结构能够满足设计规定的某一功能要求且能够良好的工结构能够满足设计规定的某一功能要求且能够良好的工作，我们称之为该功能处于作，我们称之为该功能处于可靠状态可靠状态；反之，称之为该功能；反之，称之为该功能处于处于失效状态失效状态。这种。这种“可靠可靠”与与“失效失
16、效”之间必然存在某一之间必然存在某一特定的界限状态，此特定状态称为该功能的特定的界限状态，此特定状态称为该功能的极限状态极限状态。结构的结构的极限状态极限状态正常使用正常使用极限状态极限状态承载能力承载能力极限状态极限状态结构或结构构件达到最大承载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能力或不适于继续承载的变形安全性安全性结构或结构构件达到正常使用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或耐久性能的某项规定限值实用性实用性耐久性耐久性三、极限状态的设计表达式三、极限状态的设计表达式（一）极限状态方程（一）极限状态方程 结构和结构构件的工作状态可以用作用效应结构和结构构件
17、的工作状态可以用作用效应S和结构抗和结构抗力力R的关系式来描述：的关系式来描述：(3-2)式中式中 Z结构极限状态功能函数；结构极限状态功能函数；R结构抗力结构抗力;S作用效应作用效应.NoImageZ0RS结构处于可靠状态结构处于可靠状态Z0RS结构处于失效状态结构处于失效状态Z0RS结构处于极限状态结构处于极限状态（二）承载力极限状态实用设计表达式（二）承载力极限状态实用设计表达式1.设计表达式设计表达式 承载能力极限状态设计时应采用下列表达式承载能力极限状态设计时应采用下列表达式:(3-3)式中式中 结构件的重要性系数，如表结构件的重要性系数，如表3-4所示；所示；承载能力极限状态的荷载
18、效应组合设计值；承载能力极限状态的荷载效应组合设计值；结构构件的抗力设计值。结构构件的抗力设计值。NoImageNoImageNoImageNoImage2.结构构件的重要性系数结构构件的重要性系数 我国我国建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准将建筑结构划分将建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按表为三个安全等级，设计时应根据具体情况，按表3-4的规定的规定选用适当的安全等级。选用适当的安全等级。NoImageNoImage3.荷载效应组合设计值荷载效应组合设计值 对于基本组合，荷载效应组合的设计值对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合应从下列组合中取最
19、不利值确定：中取最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合：）由可变荷载效应控制的组合：(3-4)（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：(3-5a)NoImageNoImageNoImage式中式中 永久荷载的分项系数，如表永久荷载的分项系数，如表3-5所示；所示；、第一个和第第一个和第i个可变荷载分项系数，见表个可变荷载分项系数，见表3-5；按永久荷载标准值计算的荷载效应值按永久荷载标准值计算的荷载效应值 、起控制作用的第一个可变荷载荷载标准值起控制作用的第一个可变荷载荷载标准值 和第和第i个可变荷载标准值个可变荷载标准值 计算的荷载效应；计算的荷载效应；第第i个可变
20、荷载的组合值系数，按表个可变荷载的组合值系数，按表3-2取用。取用。NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImage（3）对于一般排架、框架结构，式）对于一般排架、框架结构，式(3-5a)可采用下列简化设可采用下列简化设计表达式：计表达式：(3-5b)式中式中 简化的可变荷载组合系数，一般可取，简化的可变荷载组合系数，一般可取，当只有一个可变荷载时取当只有一个可变荷载时取 。NoImageNoImageNoImageNoImageNoImage（三）正常使用极限状态实用设计表达式（三）正常使用极限状态实用设计表达式1
21、.设计表达式设计表达式 正常使用极限状态按下列设计表达式进行设计：正常使用极限状态按下列设计表达式进行设计：(3-6)式中式中 正常使用极限状态的荷载效应组合值；正常使用极限状态的荷载效应组合值；结构或结构构件达到正常使用要求的规定限制结构或结构构件达到正常使用要求的规定限制（如变形、裂缝、应力等限值），按有关规定采用。（如变形、裂缝、应力等限值），按有关规定采用。NoImageNoImageNoImage2.荷载效应组合设计值荷载效应组合设计值 对正常使用状态的荷载效应组合时，应根据不同设计目对正常使用状态的荷载效应组合时，应根据不同设计目的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进
22、的，分别按荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计。行设计。（1）荷载的标准组合：）荷载的标准组合：(3-7)（2）荷载的频遇组合：）荷载的频遇组合：(3-8)NoImageNoImage（3）荷载的准永久组合：）荷载的准永久组合：(3-9)式中式中 在频遇组合中起控制作用的一个可变荷载的频遇在频遇组合中起控制作用的一个可变荷载的频遇 值系数，按表值系数，按表3-2取用；取用；第第i个可变荷载的准永久值系数，按表个可变荷载的准永久值系数，按表3-2取用。取用。NoImageNoImageNoImage【例例3-1】某钢筋混凝土办公楼矩形截面简支梁，计算跨度某钢筋混凝土办公楼矩形截面简支
23、梁，计算跨度l0=6m，梁上的永久荷载（包含自重）标准值，梁上的永久荷载（包含自重）标准值gK=12kN/m，可变荷载标准值可变荷载标准值qK=5kN/m，安全等级为二级，分别按承载，安全等级为二级，分别按承载力极限状态和正常使用极限状态设计时的各项组合计算梁跨力极限状态和正常使用极限状态设计时的各项组合计算梁跨中弯矩设计值。中弯矩设计值。【解解】（1）均布荷载标准值）均布荷载标准值gK和和qK作用下的跨中弯矩标准作用下的跨中弯矩标准值：值：永久荷载作用下永久荷载作用下 可变荷载作用下可变荷载作用下 NoImageNoImage（2）承载力极限状态设计时的跨中弯矩设计值：）承载力极限状态设计时
24、的跨中弯矩设计值：安全等级为二级，查表安全等级为二级，查表3-4，取，取 。按可变荷载效应控制的组合计算：按可变荷载效应控制的组合计算：查表查表3-5，取，取 ，故该梁按承载力极限状态设计时，跨中弯矩设计值应取上述故该梁按承载力极限状态设计时，跨中弯矩设计值应取上述较大值，即较大值，即 。NoImageNoImageNoImageNoImageNoImage（3）正常使用极限状体设计时的跨中弯矩设计值：）正常使用极限状体设计时的跨中弯矩设计值：查表查表3-2，取，取 ，按标准组合时：按标准组合时：按频遇组合时：按频遇组合时：按准永久组合时：按准永久组合时：NoImageNoImageNoIma
25、geNoImageNoImage33 33 建筑结构抗震设防简介建筑结构抗震设防简介一、基本概念一、基本概念 地震是一种自然现象。地震是一种自然现象。地震可以划分为地震可以划分为诱发地震诱发地震和和天然地震天然地震两大类。两大类。地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位称为地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位称为震源震源。震源正上方的地面位置叫震源正上方的地面位置叫震中震中。地面某处至震中的水平距离。地面某处至震中的水平距离叫做叫做震中距震中距。地震震级地震震级是表示地震大小的一种度量，与震源释放的能是表示地震大小的一种度量，与震源释放的能量大小有关，其数值是根据地震仪记录到的地震波图确定
26、的，量大小有关，其数值是根据地震仪记录到的地震波图确定的，国际上通用的是里氏震级，用符号国际上通用的是里氏震级，用符号M表示。表示。地震烈度地震烈度是指某一区域内的地表和各类建筑物遭受一次是指某一区域内的地表和各类建筑物遭受一次地震影响的平均强弱程度。地震影响的平均强弱程度。一次地震，表示地震大小的震级只有一个。然而，由于一次地震，表示地震大小的震级只有一个。然而，由于同一次地震对不同地点的影响不一样，随着距离震中的远近同一次地震对不同地点的影响不一样，随着距离震中的远近变化，会出现多种不同的地震烈度。一般来说，距离震中近，变化，会出现多种不同的地震烈度。一般来说，距离震中近，地震烈度就高；距
27、离震中越远，地震烈度也越低。地震烈度就高；距离震中越远，地震烈度也越低。抗震设防烈度是一个地区抗震设防依据的地震烈度，是抗震设防烈度是一个地区抗震设防依据的地震烈度，是指国务院地震行政主管部门对建设工程制定的必须达到的抵指国务院地震行政主管部门对建设工程制定的必须达到的抵御地震破坏的准则和技术指标。御地震破坏的准则和技术指标。二、建筑抗震设防目的与设防标准二、建筑抗震设防目的与设防标准 一般说来，建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：一般说来，建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：概念设计、抗震计算与构造措施。概念设计、抗震计算与构造措施。1.抗震设防的目的和要求抗震设防的目的和要求 许多国家
28、的抗震设计规范都趋向于以许多国家的抗震设计规范都趋向于以“小震不坏、中震小震不坏、中震可修、大震不倒可修、大震不倒”作为建筑抗震设计的基本准则。作为建筑抗震设计的基本准则。我国我国建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范明确提出了明确提出了三个水准三个水准的抗震设防要的抗震设防要求：求：第一水准第一水准：当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建：当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建 筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；第二水准第二水准：当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，建：当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，建 筑物可能损坏，但经一般修
29、理即可恢复正常使用；筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正常使用；第三水准第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建 筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。2.建筑物重要性分类与设防标准建筑物重要性分类与设防标准 对于不同用途建筑物的抗震设防，不宜采用同一标准，对于不同用途建筑物的抗震设防，不宜采用同一标准，而应根据其破坏后果加以区别对待。而应根据其破坏后果加以区别对待。我国建筑抗震设计规范我国建筑抗震设计规范将建筑物按其用途的重要性分为四类：甲类建筑、乙类建筑、将建筑物按其用途的重要性分为四
30、类：甲类建筑、乙类建筑、丙类建筑、丁类建筑丙类建筑、丁类建筑。三、抗震等级三、抗震等级 抗震等级是结构构件抗震设防的标准。房屋应根据烈度、抗震等级是结构构件抗震设防的标准。房屋应根据烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。抗震等级体现了不同的抗震要求，共计算和构造措施要求。抗震等级体现了不同的抗震要求，共分为一、二、三、四级，其中一级抗震要求最高。分为一、二、三、四级，其中一级抗震要求最高。本章小结一、知识点一、知识点1.结构上的作用结构上的作用;直接和间接作用的区分。直接和间接作用的区分。2.建筑结构的三大功能要求是安全性、适用性、耐久性；建筑结构的三大功能要求是安全性、适用性、耐久性；3.结构及构件的极限状态分为承载力和正常使用两类极限状态；结构及构件的极限状态分为承载力和正常使用两类极限状态；4.常见的荷载组合值形式；荷载效应的组合计算；常见的荷载组合值形式；荷载效应的组合计算；5.抗震设计的基本准则。抗震设计的基本准则。二、重点内容二、重点内容1.建筑结构的三大功能要求建筑结构的三大功能要求2.荷载效应的组合计算；荷载效应的组合计算；3.抗震设计的基本准则。抗震设计的基本准则。
