第3章 结构设计的基本概念和方法总结
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（建筑设计、给水排水设计、电气设计、空调和通风设计等）
3.3 结构的功能要求及界限分析
3.3.1 结构的功能要求
安全性
能承受在正常施工和正常使用过程中可能出现 的各种作用（荷载、温度变化、基础沉降等）
在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发 生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌
适用性
在正常使用过程中应具有良好的工作性
3 内力引起的破坏形态分类
结构在不同内力作用下会发生不同的破坏形态：
1） 轴力、剪力、弯矩单独作用下的破坏形态
都是使构件在与计算轴线相垂直的截面上发生的
破坏，称为正截面破坏。
其中剪力产生的应力方向与其它内力产生的应力
方向是垂直的。
正应力
剪应力
注意：轴力和弯矩同时作用的话，也是只有正应力， 只发生正截面破坏
与安全性、适用性不同，耐久性的界限不好用 方程来表达。
3.4 结构对应于安全性的设计 3.4.1 理论分析
结构安全的概率： 可靠概率Ps 结构不安全的概率： 失效概率Pf
一般地：
Ps + Pf = 1.0
Pf
Ps
如何计算失效概率Pf ？
（1）S1和R的概率密度函数曲线 设S1和R都是服从正态分布的随机变量，且二者为
第3章 结构设计的基本概念和方法
3.1工程建设的环节和结构设计的阶段
3.1.1 工程建设三个主要环节
勘察
设计
施工
3.1.2 建筑结构设计的三个阶段
初步设计 技术设计 施工图设计
3.2 结构设计的原则
3.2.1 一般原则 技术先进
安全适用 经济合理
用最经济的方法 设计出足够安全
可靠的结构
确保质量
过大变形或振幅
过宽的裂缝
耐久性 在正常维护条件下应有足够的耐久性，
完好使用到设计使用年限。
醉翁之意不在酒，在乎山水之间也 砼人之意不在砼，在乎安全、适用、耐 久也。
这三个性质可合称为“可靠性”
3.3.2 界限分析 能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态； 反之，则处于失效状态。 可将有效状态和失效状态的分界，称为极限状态， 是结构开始失效的标志。
承载能力极限状态可用如下方程表示：
式中：
Z = R – S1
（3-1）
S1——表示某种荷载在结构内部产生的内力；
R ——表示结构对应于这种内力所具备的抗力；
山东建筑大学土木学院 王艺霖
根据S1、R的取值不同，Z值可能出现三种情况：
Z = R-S1 ＞0 时, 结构处于安全状态；
Z = R-S1 ＝0 时, 结构处于极限状态；
出现剪切破坏
剪力
（2）F可能有不同的数量和方向
F M
F
两个F方向相反，且有一定的距离，则产生力矩M
作用面
纵截面
对构件产生弯曲作用， 使其发生弯曲变形，出
现弯曲破坏
弯矩
M
横截面
对构件产生扭转作用， 使其发生扭曲变形，
出现扭曲破坏
扭矩
这样，结构上可能出现的内力可概括为：
内力
轴力 剪力 力矩
拉力 压力 弯矩 扭矩
山东建筑大学土木学院 王艺霖
3.2.2 具体的结构设计原则
工程地质勘察报告 水文、地质等资料
设计依据
现行设计法规、标 准、规范和规程
国家、地方和行业
特别是“强制性条文”
高性能的结构材料
采用
先进的科学技术 先进的设计计算方法
尽量正确采用标准图 优先采用装配式和装配整体式结构
与其它工种的设计互相协调配合
2） 剪力与弯矩或轴力复合作用下的破坏形态
会出现两个相互垂直的应力叠加的情况，因此 破坏面不再与计算轴线相垂直，称为斜截面破坏。
剪应力
正应力 主应力
山东建筑大学土木学院 王艺霖
3） 扭矩单独作用下的破坏形态
在截面上产生的应力情况如图所示：
虽然应力都在一个平面内， 但不同的位置有不同的大小， 对于每个微元体来说，所受 的应力大小不能平衡，所以 T
三种
五种
N
M T
V T
轴力N、弯矩M和扭矩T 剪力V和扭矩T
2 内力的大小
不一定同时出现
轴力、剪力、力矩
和结构所受的荷载特征、 结构自身形式密切相关
要想得到内力值的大小，需要结合具体的 结构形式和荷载特征来做具体分析。
详细情况将在第4章和第5章分别针对框架 结构和单层厂房结构进行说明。
山东建筑大学土木学院 王艺霖
出现的也是斜截面破坏。
纯扭情况下已经是斜截面破坏了，考虑扭矩和弯矩、 剪力或轴力组合的话，肯定也是斜截面破坏。
山东建筑大学土木学院 王艺霖
可见，可将破坏形态宏观地分为两大类：
¾正截面破坏
① 轴力、剪力、弯矩单独作用时的情况 ② 轴力和弯矩同时作用的情况
¾斜截面破坏
其它受力情况
山东建筑大学土木学院 王艺霖
线性关系。
S1和R的概率密度曲线如下图所示：
μR-μS1
S1
S1、R
μR-μS1
S1
S1、R
正常使用极限状态可用如下方程表示：
Z = C – S2
（3-2）
式中： S2 ——表示某种荷载产生的变形和裂缝； C——结构或构件达到正常使用要求的变形和裂缝的 限值。
山东建筑大学土木学院 王艺霖
3.3.5 耐久性的界限及其表达
耐久
不耐久
耐久性极限状态
耐久性极限状态的主要表现为： ¾构件表面出现锈胀裂缝； ¾预应力筋开始锈蚀； ¾混凝土表面出现可见的耐久性损伤（酥裂、粉化等）；
3.3.4 适用性的界限及其表达方程
适用
不适用
正常使用极限状态
（结构或构件达到正常使用中某项规 定限度的变形状态）
山东建筑大学土木学院 王艺霖
超过了正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性的 功能要求。
例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝 等。
重要性
承载能力极限状态
正常使用极限状态
安全性 适用性 耐久性
承载能力极限状态 正常使用极限状态 耐久性极限状态
3.3.3 安全性的界限及其表达方程
安全
不安全
承载能力极限状态
（结构或构件达到最大承载能力或者 达到不适于继续承载的变形状态）
出现下列情形之一，则认为超过了承载能力 极限状态：
材料强度不够而破坏 因疲劳而破坏 产生过大的塑性变形而不能继续承载 结构或构件丧失稳定 结构转变为机动体系
Z = R-S1 ＜0 时, 结构处于失效状态。
极限状态方程取值示意图
山东建筑大学土木学院 王艺霖
下面对内力和相应的破坏形态做一介绍：
1 内力的种类wk.baidu.com
内力的基本元素是集中力F，可做分析如下：
（1）F可能有不同的方向
作用方向
纵向
对构件产生轴向作用， 使其发生拉伸或压缩， 出现受拉或受压破坏
轴力
F
横向
对构件产生剪切作用， 使其发生剪切变形，
3.3 结构的功能要求及界限分析
3.3.1 结构的功能要求
安全性
能承受在正常施工和正常使用过程中可能出现 的各种作用（荷载、温度变化、基础沉降等）
在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发 生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌
适用性
在正常使用过程中应具有良好的工作性
3 内力引起的破坏形态分类
结构在不同内力作用下会发生不同的破坏形态：
1） 轴力、剪力、弯矩单独作用下的破坏形态
都是使构件在与计算轴线相垂直的截面上发生的
破坏，称为正截面破坏。
其中剪力产生的应力方向与其它内力产生的应力
方向是垂直的。
正应力
剪应力
注意：轴力和弯矩同时作用的话，也是只有正应力， 只发生正截面破坏
与安全性、适用性不同，耐久性的界限不好用 方程来表达。
3.4 结构对应于安全性的设计 3.4.1 理论分析
结构安全的概率： 可靠概率Ps 结构不安全的概率： 失效概率Pf
一般地：
Ps + Pf = 1.0
Pf
Ps
如何计算失效概率Pf ？
（1）S1和R的概率密度函数曲线 设S1和R都是服从正态分布的随机变量，且二者为
第3章 结构设计的基本概念和方法
3.1工程建设的环节和结构设计的阶段
3.1.1 工程建设三个主要环节
勘察
设计
施工
3.1.2 建筑结构设计的三个阶段
初步设计 技术设计 施工图设计
3.2 结构设计的原则
3.2.1 一般原则 技术先进
安全适用 经济合理
用最经济的方法 设计出足够安全
可靠的结构
确保质量
过大变形或振幅
过宽的裂缝
耐久性 在正常维护条件下应有足够的耐久性，
完好使用到设计使用年限。
醉翁之意不在酒，在乎山水之间也 砼人之意不在砼，在乎安全、适用、耐 久也。
这三个性质可合称为“可靠性”
3.3.2 界限分析 能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态； 反之，则处于失效状态。 可将有效状态和失效状态的分界，称为极限状态， 是结构开始失效的标志。
承载能力极限状态可用如下方程表示：
式中：
Z = R – S1
（3-1）
S1——表示某种荷载在结构内部产生的内力；
R ——表示结构对应于这种内力所具备的抗力；
山东建筑大学土木学院 王艺霖
根据S1、R的取值不同，Z值可能出现三种情况：
Z = R-S1 ＞0 时, 结构处于安全状态；
Z = R-S1 ＝0 时, 结构处于极限状态；
出现剪切破坏
剪力
（2）F可能有不同的数量和方向
F M
F
两个F方向相反，且有一定的距离，则产生力矩M
作用面
纵截面
对构件产生弯曲作用， 使其发生弯曲变形，出
现弯曲破坏
弯矩
M
横截面
对构件产生扭转作用， 使其发生扭曲变形，
出现扭曲破坏
扭矩
这样，结构上可能出现的内力可概括为：
内力
轴力 剪力 力矩
拉力 压力 弯矩 扭矩
山东建筑大学土木学院 王艺霖
3.2.2 具体的结构设计原则
工程地质勘察报告 水文、地质等资料
设计依据
现行设计法规、标 准、规范和规程
国家、地方和行业
特别是“强制性条文”
高性能的结构材料
采用
先进的科学技术 先进的设计计算方法
尽量正确采用标准图 优先采用装配式和装配整体式结构
与其它工种的设计互相协调配合
2） 剪力与弯矩或轴力复合作用下的破坏形态
会出现两个相互垂直的应力叠加的情况，因此 破坏面不再与计算轴线相垂直，称为斜截面破坏。
剪应力
正应力 主应力
山东建筑大学土木学院 王艺霖
3） 扭矩单独作用下的破坏形态
在截面上产生的应力情况如图所示：
虽然应力都在一个平面内， 但不同的位置有不同的大小， 对于每个微元体来说，所受 的应力大小不能平衡，所以 T
三种
五种
N
M T
V T
轴力N、弯矩M和扭矩T 剪力V和扭矩T
2 内力的大小
不一定同时出现
轴力、剪力、力矩
和结构所受的荷载特征、 结构自身形式密切相关
要想得到内力值的大小，需要结合具体的 结构形式和荷载特征来做具体分析。
详细情况将在第4章和第5章分别针对框架 结构和单层厂房结构进行说明。
山东建筑大学土木学院 王艺霖
出现的也是斜截面破坏。
纯扭情况下已经是斜截面破坏了，考虑扭矩和弯矩、 剪力或轴力组合的话，肯定也是斜截面破坏。
山东建筑大学土木学院 王艺霖
可见，可将破坏形态宏观地分为两大类：
¾正截面破坏
① 轴力、剪力、弯矩单独作用时的情况 ② 轴力和弯矩同时作用的情况
¾斜截面破坏
其它受力情况
山东建筑大学土木学院 王艺霖
线性关系。
S1和R的概率密度曲线如下图所示：
μR-μS1
S1
S1、R
μR-μS1
S1
S1、R
正常使用极限状态可用如下方程表示：
Z = C – S2
（3-2）
式中： S2 ——表示某种荷载产生的变形和裂缝； C——结构或构件达到正常使用要求的变形和裂缝的 限值。
山东建筑大学土木学院 王艺霖
3.3.5 耐久性的界限及其表达
耐久
不耐久
耐久性极限状态
耐久性极限状态的主要表现为： ¾构件表面出现锈胀裂缝； ¾预应力筋开始锈蚀； ¾混凝土表面出现可见的耐久性损伤（酥裂、粉化等）；
3.3.4 适用性的界限及其表达方程
适用
不适用
正常使用极限状态
（结构或构件达到正常使用中某项规 定限度的变形状态）
山东建筑大学土木学院 王艺霖
超过了正常使用极限状态，结构或构件就不能保证适用性的 功能要求。
例如：结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝 等。
重要性
承载能力极限状态
正常使用极限状态
安全性 适用性 耐久性
承载能力极限状态 正常使用极限状态 耐久性极限状态
3.3.3 安全性的界限及其表达方程
安全
不安全
承载能力极限状态
（结构或构件达到最大承载能力或者 达到不适于继续承载的变形状态）
出现下列情形之一，则认为超过了承载能力 极限状态：
材料强度不够而破坏 因疲劳而破坏 产生过大的塑性变形而不能继续承载 结构或构件丧失稳定 结构转变为机动体系
Z = R-S1 ＜0 时, 结构处于失效状态。
极限状态方程取值示意图
山东建筑大学土木学院 王艺霖
下面对内力和相应的破坏形态做一介绍：
1 内力的种类wk.baidu.com
内力的基本元素是集中力F，可做分析如下：
（1）F可能有不同的方向
作用方向
纵向
对构件产生轴向作用， 使其发生拉伸或压缩， 出现受拉或受压破坏
轴力
F
横向
对构件产生剪切作用， 使其发生剪切变形，