11Y第四章 结构设计一般原则

第四章结构设计的基本规定第一节结构设计原理建筑结构的可靠性直接关系到人民生命财产安全，历来是建筑结构设计必须首先面对和需要审慎解决的重大问题。结构的可靠性是指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。结构的可靠度是对结构可靠性的定量描述，即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。建筑结构可靠度也是一个国家综合性经济政策问题，实际上是选择一种安全与经济相对的最佳平衡。结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件，不需要进行大修即可按其预定目的使用的时期。设计使用年限是房屋的地基基础和主体结构“合理使用年限”的具体化，实际上它与合理使用年限是等同的含义。《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068规定：“结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。结构的可靠度可采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定”。结构在规定的设计使用年限内满足以下功能要求：1.在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；2.在正常使用时具有良好的工作性能；3.在正常维护下具有足够的耐久性；4.在设计规定的偶然事件发生后，仍然能保持必须的整体稳定性。结构的设计使用年限如下表：表4-1类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重的建筑构件注：JGJ102-2003条文说明第12.1.1条指出：玻璃幕墙属于易于替换的结构件，玻璃幕墙设计使用年限属二类，其设计使用年限为25年。为保证建筑结构具有规定的可靠度，除应进行必要的设计计算外，还应对结构材料性能、施工质量、使用和维护进行相应的控制。结构可靠度与结构的使用年限长短有关，GB50068所指的结构可靠度，是对结构的设计使用年限而言的，当结构的使用年限超过设计使用年限后，结构失效概率可能较设计预期值要大。设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能等级取值而选用的时间参数。它不等同于建筑结构的设计使用年限。GB50068所考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的。建筑寿命是指从规划、实施到使用的总时间，即从确认需要建造开始直到建筑毁坏的全部时间。它不等同于建筑结构的设计使用年限，也它不等同于设计基准期。极限状态是指整个结构或结构的一部份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。极限状态可分为下列两类：1.承载能力极限状态。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于继续承载的变形。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：1)整个结构或结构的一部份作为刚体失去平衡（如倾覆等）；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载；3)结构转变为机动体系；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）。承载能力极限状态可理解为结构或结构构件发挥允许的最大承载功能的状态。结构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变，虽未达到最大承载能力，但已彻底不能使用，也属于达到这种极限状态。疲劳破坏是在使用中由于荷载多次重复作用而达到的承载能力极限状态。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使用或耐久性能的某项规定限值。当结构或结构构件出现下列状态时，应认为超过了正常使用极限状态：1）影响正常使用或外观的变形；2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；3）影响正常使用的振动；4）影响正常使用的其它特定状态。正常使用极限状态可理解为结构或结构构件达到使用功能上允许的某个限值的状态。例如某些构件必须控制变形、裂缝才能满足使用要求，因过大的变形会造成房屋内部粉刷层剥落，填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果；过大的裂缝会影响结构的耐久性；过大的变形、裂缝也会造成用户心理上的不安全感。建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：1．持久状况。在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况，持续期一般与设计使用年限为同一数量级；2．短暂状况。在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况，如施工和维修等；3．偶然状况。在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。对于不同的设计状况，可采用相应的结构体系、可靠度水准和基本变量等。建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计：1．对三种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计；2．对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；3．对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。建筑结构设计时，对所考虑的极限状态，应采用相应的结构作用效应的最不利组合：1．进行承载能力极限状态设计时，应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效应的偶然组合。2．进行正常使用极限状态设计时，应根据不同设计目的，分别选用下列作用效应的组合：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，较大变形或短暂振动等情况；3）准永久组合，主要用在当长期效应是决定性因素时的一些情况。对偶然状况，建筑结构可采用下列原则之一按承载能力极限状态进行设计：1．按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，使主要承重结构不致因出现设计规定的偶然事件而丧失承载能力；2．允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏，但其剩余部份具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度。结构的极限状态应采用下列极限状态方程描述：g（X1、X2、----Xn）=0（4-1）式中：g（·）———结构的功能函数；Xi（i=1、2、---n）———基本变量，系指结构上的各种作用和材料性能、几何参数等；进行结构可靠度分析时，也可采用作用效应和结构抗力作为综合的基本变量；基本变量应作为随机变量考虑。结构按极限状态设计应符合下列要求：g（X1、X2，、---Xn）≥0（4-2）当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量时，结构按极限状态设计应符合下列要求：R-S≥0式中：S——结构的作用效应；R——结构的抗力。建筑结构设计要解决的根本问题是，在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径，使所建造的结构以适当的可靠度满足各种预定的功能要求。在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。结构可靠度的这一概率定义是从统计学观点出发的比较科学的定义，与其他各种从定值观点出发的定义有本质的区别。结构的可靠度通常受各种荷载、材料性能、几何参数、计算公式精确性等因素的影响。这些因素，一般具有随机性，称为基本变量，记为Xi(i=1、2、3……n)。按极限状态方法设计建筑结构时，针对所要求的各种结构性能（如强度、刚度、抗裂度等），通常可以建立包括各种有关基本变量在内的关系式：Z=g(X1,、X2……Xn)=0（4-3）这一关系式称为极限状态方程，其中Z=g(.)称为结构的功能函数。现以功能函数仅与两个正态基本变量S、R有关，且极限状态方程为线性方程的简单情况为例，来导出结构构件的可靠指标。此时功能函数为：Z=g(S、R)=R-S（4-4）式中：S为结构的荷载效应，R为结构抗力。显然：当Z＞0时，结构处于可靠状态。当Z＜0时，结构处于失效状态。当Z=0时，结构处于极限状态。可见通过功能函数Z可以判别结构所处的状态。当基本变量满足极限状态方程时，Z=R-S=0（4-5）则结构达到极限状态（图4-1）。图4-1图4-2结构构件的可靠度宜采用可靠指标度量。结构构件的可靠指标宜采用考虑基本变量概率分布类型的一次二阶矩方法进行计算。1、当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布时，结构件的可靠指标可按下列公式计算：β=（μR-μS）/（σR2-σR2）1/2（4-6）式中：β——结构构件的可靠指标；μS、σS——结构构件作用效应的平均值和标准差；μR、σR——结构构件抗力的平均值和标准差。2、结构构件的失效概率与可靠指标具有下列关系：рf=ф(-β)（4-7）式中：рf——结构构件失效概率的运算值；ф(·)——标准正态分布函数。3、结构构件的可靠概率与失效概率具有下列关系：рS=1-рf（4-8）式中：рS——结构构件的可靠概率。结构可靠度指标β与失效概率рf具有数量上一一对应关系，也具有与рf相对应的物理意义，已知β后，即可求得рf（表4-2）。由于β越大，рf越小，即结构越可靠（图4-2）。β与рf（рS）的对应关系表4-2βрf(%)рS(%)βрf(%)рS(%)1.0015.8784.133.500.02399.9772.002.27597.7253.550.01999.9812.700.3599.653.600.01699.9843.000.13599.8653.650.01399.9873.100.09799.9033.700.01199.9893.150.08299.9183.750.00999.9913.200.06999.9313.800.007299.99283.250.05899.9423.850.005999.99413.300.04899.9523.900.004899.99523.350.0499.963.950.003999.99613.400.03499.9664.000.003299.99683.450.02899.9724.200.001399.9787概率极限状态设计法能够较充分地考虑各有关因素的客观变异性，使所设计的结构比较符合预期的可靠度要求；并且在不同结构之间，设计可靠度具有相对可比性。对十分重要的结构，如原子能反应堆压力容器、海上采油平台等已开始采用这种方法设计。显然，对于一般常见的结构构件，直接根据给定的β进行设计，目前还不是现实可行的，而是采用以概率极限状态设计方法为基础的实用设计表达式。当基本变量不按正态分布时，结构构件的可靠指标应以结构构件作用效应和抗力当量正态分布的平均值和标准差代入公式（4-6）进行计算。结构构件设计时采用的可靠指标，可根据对现有结构构件的可靠度分析，并考虑使用经验和经济因素等确定。结构构件承载能力极限状态的可靠指标，不应小于表4-3的规定。表4-3结构构件承载能力极限状态的可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2注：当承受偶然作用时，结构构件的可靠指标应符合专门规范的规定表4-3中规定的结构构件承载能力极限状态设计时采用的可靠指标，是以建筑结构安全等级为二级时延性破坏的β值3.2作为基准，其他情况相应增减0.5。结构构件正常使用极限状态的可靠指标，根据其可逆程度宜取0—1.5。建筑幕墙是建筑物的外围护构件，它要承受外界施加给它的各种作用。《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）对结构上的作用给出的定义：“施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称为结构上的作用”。“引起结构外加变形或约束变形的原因系指地震、基础沉降、温度变化、焊接等作用”。这就是说，作用是指能使结构产生效应（内力、变形、应力、应变、裂缝等）的各种原因的总称，其中包括施加在结构上的集中力和分布力系，以及形成结构外加变形或约束变形的原因。前一种作用是力（包括集中力和分布力）在结构上的集结，就是通常说的荷载。后一种作用（如温度变化、材料的收缩与徐变、地基变形、地震等）不是以力的形式出现的，过去将施加在结构上的作用统称为荷载（国际上也有这个习惯），但荷载这个术语对间接作用并不恰当，它混淆了两种不同的作用，而且容易发生误解，例如将地震作用当作是施加在结构上而与地基和结构本身无关的外力。《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）将这两类作用分别称为直接作用和间接作用，而荷载仅等同于直接作用。《建筑结构荷载规范》（GB50009）对直接作用作了规定，间接作用，除地震作用由《建筑抗震设计规范》（GB50011）作了规定外，其余间接作用暂时还没有相应的规范。