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1、第一章 结构基本设计原则1-1结构的功能要求和极限状态一、结构的功能要求1.安全性 结构在正常施工、使用条件下，能够承受可能出现的各种作用，在偶然事件（灾害事件）发生时、发生后，保持必要整体性、不致倒塌的能力。,2.适用性 结构在正常使用条件下，具有良好的工作性能。3.耐久性 结构在正常维护条件下，随时间推移，仍能满足功能要求的能力。,结构的可靠性：结构在设计基准期内，在正常的设计、施工、使用、维护条件下，完成预定功能（强度、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性等）的能力。以结构的可靠度来度量。结构的可靠度：结构在设计基准期内，在正常的设计、施工、使用、维护条件下，完成预定功能的概率。,二、结构上的作
2、用、作用效应、结构抗力1.作用F：施加在结构上的集中荷载、分布荷载，以及引起结构外加变形、约束变形的原因。1）按作用形式分：直接作用、间接作用 2）按随时间的变异：永久作用、可变作用、偶然作用 3）按随空间位置的变异：固定作用、可动作用 4）按结构的反应：静态作用、动态作用,2.作用效应S：由于作用而在结构或构件中产生的内力和变形。3.结构抗力R：结构或构件承受内力、变形的能力（承载力、刚度等），由材料性能、截面几何参数等因素构成。,三、结构的极限状态 整个结构或结构的一部分在承载能力、变形、稳定、裂缝宽度等方面超过某一特定状态，以致不能满足设计规定的某一功能要求，这一特定状态即该功能的极限状
3、态。极限状态划分：承载能力极限状态、正常使用极限状态。,1.承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力，或产生不适于继续承载的过大变形。1）结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 2）结构转变为机动体系 3）结构或构件失稳破坏 4）结构构件或其连接超过材料强度（包括疲劳破坏）5）结构构件产生过大塑性变形、不适于继续承载,2.正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。1）出现影响正常使用或有碍观瞻的变形 2）出现影响正常使用或耐久性的局部破坏 3）出现影响正常使用的振动 4）出现影响正常使用的其它特定状态，如相对沉降过大,四、结构的极限状态方程1.功能函数：以作用效应和结构
4、抗力描述结构构件工作状况的表达式：结构余力Z=g（x1，x2，xi，xn），xi为基本随机变量；仅用综合变量R、S表达时：Z=g（R，S）,2.极限状态方程：Z=g（R，S）=03.结构构件安全可靠的基本条件：Z=g（R，S）04.结构构件失效：Z=g（R，S）0,实际工程中，可能出现以下三种情况,1-2荷载代表值和材料强度标准值一、荷载的分类,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，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。例如结构自重、土压力、预应力等。永久荷载不随时间变化，长期作用在结构上，在结构上的作用位置也不变。,永久荷载,可变荷载,在结构使用期间，其值随时间变
5、化，且变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。可变荷载的大小随时间而变，作用位置可变，且像风荷载、吊车荷载等能引起结构振动，使结构产生加速度。,偶然荷载,在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。例如爆炸力、撞击力等。,荷载代表值,荷载规范规定：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。,荷载标准值,荷载标准值是荷载的基本代表值，指结构在使用期间可能出现的最大荷载值。荷载标准值统一由设计基准期（50
6、年）最大荷载概率分布的某个分位值来确定，有永久荷载标准值（Gk)和可变荷载标准值（Qk）。,可变荷载组合值,当结构同时承受两种或两种以上的可变荷载时，考虑到荷载同时达到最大值的可能性较小，因此除主导荷载（产生最大荷载效应的荷载）仍以其标准值为代表值外，对其它伴随荷载，可以将它们的标准值乘以一个小于或等于1的荷载组合系数作为代表值，称为可变荷载组合值，即,可变荷载频遇值,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。它相当于在结构上时而或多次出现的较大荷载，但总是小于荷载的标准值。其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载频遇值系数：,可变荷载准永久值,在设计基准期内，其超
7、越的总时间约为设计基准值一半（可以理解为总持续时间不低于25年）的荷载值，也就是经常作用于结构上的可变荷载。其值等于可变荷载标准值乘以可变荷载准永久值系数：,永久荷载标准值,永久荷载主要包括构件的自重、构造层的自重等。恒荷载的变异性不大，故其标准值可根据构件或构造层的设计尺寸和材料或构件的单位自重确定。常见材料和构件的单位自重P10。对于自重变异较大的材料和构件（如现场制作的保温材料、混凝土薄壁构件等），自重的标准值应根据对结构的不利状态，取上限值或下限值。,楼面和屋面活荷载,楼面活荷载是指作用在楼面上的人员、家具、设备等荷载。按楼面等效均布活荷载的确定方法，将实际荷载换算成为等效均布活荷载，
8、再经统计分析后，确定活荷载的标准值。民用建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数2-1,P11。,1.4.1 民用建筑楼面均布活荷载,表1.1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,屋面均布活荷载,屋面上的活荷载因“上人”和“不上人”而不同。上人的屋面承受人群和施工检修等荷载；不上人的屋面只承受施工检修时施工、检修人员以及堆料等重力。,雪荷载,雪荷载是指房屋上由积雪而产生的荷载。雪荷载是作用在屋面上的。荷载规范规定，屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：基本雪压是雪荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，经概率统计得出50年一
9、遇最大值确定。,风荷载的大小与基本风压、风压高度变化系数、风荷载体型系数和风振系数有关。荷载规范规定，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：（1）当计算主要承重结构时（2）当计算围护结构时,风荷载,二、材料强度标准值 是极限状态设计表达式中所取材料性能的基本代表值。极限状态设计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），由符合规定质量的材料性能概率分布的某一分位数确定。,1-3极限状态设计方法一、可靠度和可靠指标1.结构的可靠度 可靠概率：结构完成预定功能的概率ps=P（Z0）失效概率：结构不能完成预定功能的概率pf=P（Z0）=1-ps 只要pf足
10、够小，即可认为结构安全可靠，要求pfpf。,一、结构的功能,建筑结构在规定的设计使用年限内（一般按50年考虑），应满足下列功能要求：安全性 适用性 耐久性,结构的可靠性,结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。建筑结构可靠度设计统一标准对可靠度的定义是：“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。”故结构可靠度是可靠性的概率度量。,承载力极限状态,这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适用于继续承载的变形。,正常使用极限状态,这种极限状态对应于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。,极限
11、状态设计法,在进行结构设计时，就应针对不同的极限状态，根据结构的特点和使用要求，给出具体的标志及限值，以作为结构设计的依据。这种以相应于结构各种功能要求的极限状态作为结构设计依据的设计方法，就称为“极限状态设计法”。,作用于结构或结构构件上的各种荷载使结构或结构构件产生的内力（N、M、V、T）和变形、应力等，称为荷载效应。荷载效应可由力学方法求得。例如，一简支梁梁长为l0，承受的垂直均布线荷载为q（已包括梁自重），梁的抗弯刚度为B。则梁跨中由荷载q产生的弯矩为M=1/8ql02，跨中挠度f=5ql04/(384B)，支座处剪力V=1/2ql0。荷载效应与结构上的荷载密切相关，并且是一种因果关系
12、，即没有荷载作用就没有荷载效应。,极限状态方程,2.3.1.1 荷载效应S,结构或结构构件抵抗作用效应（本书仅指荷载效应）的能力，也即结构或构件承受内力、变形和抗裂等的能力，称为结构的抗力。例如，一根一定长的No.20工字钢梁就具有一定的受弯、受剪和承受变形的能力。影响结构抗力的主要因素是结构所用材料的性能和结构的几何参数。,结构抗力R,当结构构件处于极限状态时，影响结构可靠度的各种变量的关系式称为极限状态方程，令SR将上式写成Z=g(S,R)=R-S其中Z是结构抗力与荷载效应之差，称为“功能函数”。Z=R-S也可理解为结构构件扣除荷载效应后，结构内部所具有的多余抗力，故也称为“结构余力”。,
13、极限状态方程,当Z0时，结构处于可靠状态；当Z0时，结构处于失效状态；当Z=0时，结构处于极限状态，则下式:Z=g(S,R)=R-S=0就称为极限状态方程。,结构构件的承载能力极限状态设计应根据荷载效应的基本组合或偶然组合进行，并以内力和承载力的设计值来表达，其设计表达式为：0SR1.结构重要性系数0的确定统一标准根据建筑结构破坏可能产生的后果的严重性，将建筑结构划分为三个安全等级。对安全等级为一级、二级、三级的结构构件，其结构构件的重要性系数分别不应小于1.1、1.0、0.9。,极限状态实用设计表达式,承载能力极限状态设计表达式,2.内力组合设计值S的确定考虑永久性荷载和可变荷载共同作用所得
14、的结构内力值称为结构的内力组合值。对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：（1）由可变荷载效应控制的组合：,（2.8）,(2)由永久荷载效应控制的组合：对于一般排架、框架结构，基本组合可采用简化规则，并应按下列组合值中取最不利值确定：(1)由可变荷载效应控制的组合：(2)由永久荷载效应控制的组合仍按公式（2.9）采用。,（2.9）,3.基本组合的荷载分项系数（1）永久荷载的分项系数：当其效应对结构不利时对由可变荷载效应控制的组合，取G=1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取G=1.35。当其效应对结构有利时一般情况下，取G=1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取G
15、=0.9,（2）可变荷载的分项系数：一般情况下，Q=1.4；对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，取Q=1.3。永久荷载分项系数与永久荷载标准值的乘积，称为永久荷载设计值；可变荷载分项系数与可变荷载标准值的乘积称为可变荷载设计值。,对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝、振幅、基底应力等荷载效应的组合值符合下式的要求：SC（1）对于标准组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算：,正常使用极限状态设计表达式,（2）对于频遇组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算：（3）对于准永久组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算：
16、,【例2.1】已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kNm，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kNm，安全等级为二级，求弯矩设计值。【解】本例中，0=1.0，G=1.2,Q1=1.4SGk=Mgk=11kNmSQ1k=Mqk=16kNm则弯矩设计值M=0(GSGk+Q1SQ1k）=1.0(1.211+1.416)kNm=35.6kNm弯矩设计值为35.6kNm。,【例2.2】某教学楼楼面采用预制板，计算跨度l0=5.70m，板宽0.9m，板自重2.2kN/m2。楼面采用水磨石地面（10mm厚面层，20mm厚水泥砂浆打底），板底20mm厚抹灰。楼面活荷载标准值为2.0kN/m2
17、。试求：板的跨中截面弯矩设计值M;标准组合荷载效应组合的设计值M；频遇组合荷载效应组合的设计值M；准永久组合荷载效应组合的设计值M。【解】(1)荷载标准值 永久荷载水磨石地面0.65kN/m220mm板底抹灰170.02=0.34kN/m2,板自重2.2kN/m2作用在板上的永久荷载线荷载标准值为gk=(0.65+0.34+2.2)0.9=2.871kN/m 可变活荷载qk=2.00.9=1.8kN/m(2)板的跨中截面弯矩设计值永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=1/8gkl02=11.66kNm可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=1/8qkl02=7.31kNm,由可变荷载效应控制的组合G=1.2，Q=1.4M=GMgk+QMqk=24.22kNm由永久荷载效应控制的组合G=1.35，Q=1.4,ci=0.7M=GMgk+QciMqk=22.90kNm由计算知，楼板荷载效应组合值由可变荷载效应控制。故板跨中截面的弯矩设计值为24.22kNm。,思考题：1.结构可靠度的有关概念（可靠性、可靠度，极限状态、功能函数，失效概率、可靠指标）。2.极限状态设计表达式中的分项系数。,
