建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

2建筑結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原則本章講述了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則——概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。重點(diǎn)應(yīng)掌握結(jié)構(gòu)的功能、結(jié)構(gòu)的可靠性和可靠度、結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)、各類極限狀態(tài)的標(biāo)志、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式的意義及用法。本章提要

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是選擇適用、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)方案，并通過(guò)計(jì)算和構(gòu)造處理，使結(jié)構(gòu)能可靠地承受各種作用。

具體設(shè)計(jì)內(nèi)容有結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)（包括荷載計(jì)算、內(nèi)力與變形計(jì)算、截面設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算及構(gòu)造處理等）、材料用量、繪制結(jié)構(gòu)施工圖。

結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。本章內(nèi)容2.1

結(jié)構(gòu)的功能2.2

結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)2.3

極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法2.1結(jié)構(gòu)的功能建筑結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)（一般按50年考慮），應(yīng)滿足下列功能要求：

（1）安全性

（2）適用性

（3）耐久性2.1.1結(jié)構(gòu)的功能2.1.2結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。

《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)可靠度的定義是：“結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率?！惫式Y(jié)構(gòu)可靠度是可靠性的概率度量。2.2結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)前面所說(shuō)的“預(yù)定功能”，一般是以結(jié)構(gòu)是否達(dá)到“極限狀態(tài)”來(lái)標(biāo)志的，并以此作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)可靠（有效）或不可靠（失效）的界限，故也稱為界限狀態(tài)。2.2.1承載力極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適用于繼續(xù)承載的變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過(guò)了承載能力極限狀態(tài)：

（1）整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如陽(yáng)臺(tái)、雨篷的傾覆）等；

（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過(guò)材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因過(guò)度變形而不適于繼續(xù)承載；

（3）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；

（4）結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；

（5）地基喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）。2.2.2正常使用極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過(guò)了正常使用極限狀態(tài)：

（1）影響正常使用或外觀的變形；

（2）影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫，如水池開(kāi)裂引起滲漏）；

（3）影響正常使用的振動(dòng)；

（4）影響正常使用的其它特定狀態(tài)。2.3極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)針對(duì)不同的極限狀態(tài)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和使用要求，給出具體的標(biāo)志及限值，以作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。這種以相應(yīng)于結(jié)構(gòu)各種功能要求的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的設(shè)計(jì)方法，就稱為“極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”。作用于結(jié)構(gòu)或結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的各各種荷載使結(jié)構(gòu)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)產(chǎn)生的內(nèi)力（N、M、V、T）和變形、應(yīng)力力等，稱為荷載效應(yīng)。荷載效應(yīng)可由由力學(xué)方法求得得。例如，一簡(jiǎn)支梁梁長(zhǎng)為為l0，承受的垂直均均布線荷載為q（已包括梁自重重），梁的抗彎彎剛度為B。則梁跨中由荷荷載q產(chǎn)生的彎矩為M=1/8ql02，跨中撓度f(wàn)=5ql04/(384B)，支座處剪力V=1/2ql0。荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)構(gòu)上的荷載密切切相關(guān)，并且是是一種因果關(guān)系系，即沒(méi)有荷載載作用就沒(méi)有荷荷載效應(yīng)。2.3.1極限狀態(tài)方程2.3.1.1荷載效應(yīng)S結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件件抵抗作用效應(yīng)應(yīng)（本書僅指荷荷載效應(yīng)）的能能力，也即結(jié)構(gòu)構(gòu)或構(gòu)件承受內(nèi)內(nèi)力、變形和抗抗裂等的能力，，稱為結(jié)構(gòu)的抗力。例如，一根一定長(zhǎng)的No.20工字鋼梁就具有有一定的受彎、、受剪和承受變變形的能力。影響結(jié)構(gòu)抗力的的主要因素是結(jié)結(jié)構(gòu)所用材料的的性能和結(jié)構(gòu)的的幾何參數(shù)。2.3.1.2結(jié)構(gòu)抗力R當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于于極限狀態(tài)時(shí)，，影響結(jié)構(gòu)可靠靠度的各種變量量的關(guān)系式稱為為極限狀態(tài)方程，令S≤R將上式寫成Z=g(S,R)=R-S其中Z是結(jié)構(gòu)抗力與荷荷載效應(yīng)之差，，稱為“功能函數(shù)”。Z=R-S也可理解為結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件扣除荷載載效應(yīng)后，結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)部所具有的的多余抗力，故故也稱為“結(jié)構(gòu)余力”。2.3.1.3極限狀態(tài)方程當(dāng)Z＞0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀狀態(tài)；當(dāng)Z＜0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于失效狀狀態(tài)；當(dāng)Z=0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于極限狀狀態(tài)，則下式:Z=g(S,R)=R-S=0就稱為極限狀態(tài)態(tài)方程。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載載能力極限狀態(tài)態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)荷荷載效應(yīng)的基本本組合或偶然組組合進(jìn)行，并以以內(nèi)力和承載力力的設(shè)計(jì)值來(lái)表表達(dá)，其設(shè)計(jì)表表達(dá)式為：γ0S≤R1.結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)數(shù)γ0的確定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建建筑結(jié)構(gòu)破壞可可能產(chǎn)生的后果果的嚴(yán)重性，將將建筑結(jié)構(gòu)劃分分為三個(gè)安全等等級(jí)。對(duì)安全等級(jí)為一一級(jí)、二級(jí)、三三級(jí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件件，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件件的重要性系數(shù)數(shù)分別不應(yīng)小于于1.1、1.0、0.9。2.3.2極限狀態(tài)實(shí)用設(shè)設(shè)計(jì)表達(dá)式2.3.2.1承載能力極限狀狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式式2.內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值值S的確定考慮永久性荷載載和可變荷載共共同作用所得的的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值稱稱為結(jié)構(gòu)的內(nèi)力力組合值。對(duì)于基本組合，，荷載效應(yīng)組合的的設(shè)計(jì)值S應(yīng)從下列組合值值中取最不利值值確定：（1）由可變荷載效應(yīng)應(yīng)控制的組合：：(2)由永久荷載效應(yīng)應(yīng)控制的組合：：對(duì)于一般排架、、框架結(jié)構(gòu)，基本組合可采用用簡(jiǎn)化規(guī)則，并并應(yīng)按下列組合合值中取最不利利值確定：(1)由可變荷荷載效應(yīng)應(yīng)控制的的組合：：(2)由永久荷荷載效應(yīng)應(yīng)控制的的組合仍仍按公式式（2.6）采用。。（2.6）3.基本組合合的荷載載分項(xiàng)系系數(shù)（1）永久荷載載的分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)：：當(dāng)其效應(yīng)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)不利時(shí)時(shí)——對(duì)由可變變荷載效效應(yīng)控制制的組合合，取γG=1.2；——對(duì)由永久久荷載效效應(yīng)控制制的組合合，取γG=1.35。當(dāng)其效應(yīng)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)有利時(shí)時(shí)——一般情況況下，取取γG=1.0；——對(duì)結(jié)構(gòu)的的傾覆、、滑移或或漂浮驗(yàn)驗(yàn)算，取取γG=0.9（2）可變荷載載的分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)：：——一般情況況下，γQ=1.4；——對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值值大于4kN/m2的工業(yè)房房屋樓面面結(jié)構(gòu)的的活荷載載，取γQ=1.3。永久荷載載分項(xiàng)系系數(shù)與永永久荷載載標(biāo)準(zhǔn)值值的乘積積，稱為為永久荷載載設(shè)計(jì)值值；可變荷荷載分項(xiàng)項(xiàng)系數(shù)與與可變荷荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值的乘乘積稱為為可變荷載載設(shè)計(jì)值值。對(duì)于正常常使用極極限狀態(tài)態(tài)，應(yīng)根根據(jù)不同同的設(shè)計(jì)計(jì)要求，，采用荷荷載的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)組合合、頻遇遇組合和和準(zhǔn)永久久組合進(jìn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)，使變變形、裂裂縫、振振幅、基基底應(yīng)力力等荷載載效應(yīng)的的組合值值符合下下式的要要求：S≤C（1）對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)組合，，荷載效效應(yīng)組合合的設(shè)計(jì)計(jì)值S按下式計(jì)計(jì)算：2.3.2.2正常使用用極限狀狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)表達(dá)式式（2）對(duì)于頻遇遇組合，，荷載效效應(yīng)組合合的設(shè)計(jì)計(jì)值S按下式計(jì)計(jì)算：（3）對(duì)于準(zhǔn)永永久組合合，荷載載效應(yīng)組組合的設(shè)設(shè)計(jì)值S按下式計(jì)計(jì)算：【例2.1】】已知由永永久荷載載產(chǎn)生的的彎矩標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Mgk=11kN·m，起控制制作用的的可變荷荷載產(chǎn)生生的彎矩矩標(biāo)準(zhǔn)值值Mqk=16kN·m，安全等等級(jí)為二二級(jí)，求求彎矩設(shè)設(shè)計(jì)值。?！窘狻勘纠?，，γ0=1.0，γG=1.2,γQ1=1.4SGk=Mgk=11kN·mSQ1k=Mqk=16kN·m則彎矩設(shè)設(shè)計(jì)值M=γ0(γGSGk+γQ1SQ1k）=1.0×(1.2××11+1.4×16)kN·m=35.6kN·m彎矩設(shè)計(jì)計(jì)值為35.6kN··m?！纠?.2】】某教學(xué)樓樓樓面采采用預(yù)制制板，計(jì)計(jì)算跨度度l0=5.70m，板寬0.9m，板自重重2.2kN/m2。樓面采采用水磨磨石地面面（10mm厚面層，，20mm厚水泥砂砂漿打底底），板板底20mm厚抹灰。。樓面活活荷載標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值為為2.0kN/m2。試求：：①板板的跨中中截面彎彎矩設(shè)計(jì)計(jì)值M;②標(biāo)準(zhǔn)組合合荷載效效應(yīng)組合合的設(shè)計(jì)計(jì)值M；③頻頻遇組合合荷載效效應(yīng)組合合的設(shè)計(jì)計(jì)值M；④準(zhǔn)準(zhǔn)永久組組合荷載載效應(yīng)組組合的設(shè)設(shè)計(jì)值M?！窘狻?1)荷載標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值①永久久荷載水磨石地地面0.65kN/m220mm板底抹灰灰17×0.02=0.34kN/m2板自重2.2kN/m2作用在板板上的永永久荷載載線荷載載標(biāo)準(zhǔn)值值為gk=(0.65+0.34+2.2)×0.9=2.871kN/m②可變變活荷載載qk=2.0×0.9=1.8kN/m(2)板的跨中中截面彎彎矩設(shè)計(jì)計(jì)值永久荷載載產(chǎn)生的的彎矩標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Mgk=1/8gkl02=11.66kN·m可變荷載載產(chǎn)生的的彎矩標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Mqk=1/8qkl02=7.31kN·m由可變荷荷載效應(yīng)應(yīng)控制的的組合γG=1.2，γQ=1.4M=γGMgk+γQMqk=24.22kN·m由永久荷荷載效應(yīng)應(yīng)控制的的組合γG=1.35，γQ=1.4,ψci=0.7M=γGMgk+γQψciMqk=22.90kN·m由計(jì)算知知，樓板板荷載效效應(yīng)組合合值由可可變荷載載效應(yīng)控控制。故故板跨中中截面的的彎矩設(shè)設(shè)計(jì)值為為24.22kN·m。(3)標(biāo)準(zhǔn)