建筑结构的基本设计原则

2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——概率极限状态设计法。重点应掌握结构的功能、结构的可靠性和可靠度、结构功能的极限状态、各类极限状态的标志、极限状态设计实用设计表达式的意义及用法。本章提要建筑结构设计的任务是选择适用、经济的结构方案，并通过计算和构造处理，使结构能可靠地承受各种作用。具体设计内容有结构选型、结构布置、结构计算与设计（包括荷载计算、内力与变形计算、截面设计、抗震计算及构造处理等）、材料用量、绘制结构施工图。结构选型和结构布置统称为结构方案设计。本章内容2.1结构的功能2.2结构功能的极限状态2.3极限状态设计法2.1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：（1）安全性（2）适用性（3）耐久性2.1.1结构的功能2.1.2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。2.2结构功能的极限状态前面所说的“预定功能”，一般是以结构是否达到“极限状态”来标志的，并以此作为结构设计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，此特定状态为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠（有效）或不可靠（失效）的界限，故也称为界限状态。2.2.1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当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平（2）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（3）（4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；（5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。2.2.2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当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认（1）（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包（3）（4）2.3极限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，即没有荷载作用就没有荷载效应。2.3.1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。2.3.1.2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S≤RZ=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”。2.3.1.3极限状态方程当Z＞0时，当Z＜0时，当Z=0时，结构处于极限状态，则下式:Z=g(S,R)=R-S=0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γ0S≤R1.结构重要性系数γ0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。2.3.2极限状态实用设计表达式2.3.2.1承载能力极限状态设计表达式2.内力组合设计值S考虑永久性荷载和可变荷载共同作用所得的结构对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下（1）由可变荷载效应控制的组合：112nGGkQQkQiciQikiSSSS(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（2.6）采用。2nGGkQiciQikiSSS1120.9GGkQQknGGkQiciQikiSSSSSS（2.6）3.（1）永久荷载的分项系数：——对由可变荷载效应控制的组合，取γG=1.2；——对由永久荷载效应控制的组合，取γG=1.35。——一般情况下，取γG=1.0——对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，取γG=0.9（2）可变荷载的分项系数：——一般情况下，γQ=1.4——对标准值大于4kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，取γQ=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S≤C（1）对于标准组合，荷载效应组合的设计值S按下式计算：2.3.2.2正常使用极限状态设计表达式12nGkQkciQikiSSSS（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：112nGkfQkqiQikiSSSS1nGkciQikiSSS【例2.1】已知由永久荷载产生的弯矩标准值Mgk=11kN·m，起控制作用的可变荷载产生的弯矩标准值Mqk=16kN·m，【解】本例中，γ0=1.0，γG=1.2,γQ1=1.4SGk=Mgk=11kN·mSQ1k=Mqk=16kN·mM=γ0(γGSGk+γQ1SQ1k=1.0×(1.2×11+1.4×16)kN·m=35.6kN·m弯矩设计值为35.6kN·m。【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。试求：①板的跨中截面弯矩设计值M;②标准组合荷载效应组合的设计值M；③频遇组合荷载效应组合的设计值M；④准永久组合荷载效应组合的设计值M。【解】(1)①水磨石地面0.65kN/m220mm板底抹灰17×0.02=0.34kN/m2板自重2.2kN/m2gk=(0.65+0.34+2.2)×0.9=2.871kN/m②qk=2.0×0.9=1.8kN/m(2)Mgk=1/8gkl02=11.66kN·mMqk=1/8qkl02=7.31kN·mγG=1.2，γQ=1.4M=γGMgk+γQMqk=24.22kN·mγG=1.35，γQ=1.4,ψci=0.7M=γGMgk+γQψciMqk=22.90kN·m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24.22kN·m(3)标准组合荷载效应组合的设计值MM=Mgk+Mqk=11.66+7.31=18.97kN·m(4)频遇组合荷载效应组合的设计值Mψf1=0.6M=SGk+ψf1SQ1k=Mgk+ψf1Mqk=16.05kN·m(5)准永久组合荷载效应组合的设计值Mψq1=0.5M=SGk+ψq1SQ1k=Mgk+ψq1Mqk＝15.32kN·m