第3章 结构设计基本原则

C
––– 可变荷载组合值系数，查《荷载规范》。
风荷载为0.6，大部分可变荷载为0.7。
实例：
一办公楼的设计使用年限为50年，楼盖中的一简支梁作用均布
荷载，跨度为6米，作用其上的永久荷载标准值 gk=3kN/m；可变荷 载标准值qk=6kN/m，可变荷载组合值系数 C = 0.7。计算该梁按承 载能力极限状态计算的荷载基本效应组合的设计值（跨中弯矩、支 座剪力） 。
第3 章
混凝土结构设计基本原理
3.1 结构可靠度及设计方法
一、结构的作用、作用效应及结构抗力 （一）作用
结构上的作用是指施加在结构上的各种力（直接作 用）以及引起结构变形的各种原因（间接作用）。
作用的分类：
1、按时间的变异分类：永久作用、可变作用、偶然作用 2、按结构的反应分类：静态作用、动态作用
2、可变荷载标准值: QKLeabharlann Baidu
主要类型有：
（1）楼（屋）面活荷载标准值：
（2）风荷载标准值： （3）雪荷载标准值： 各类可变荷载标准值见《建筑结构荷载规范》 。 如：办公楼、住宅楼面均布活荷载标准值为2.0KN/m2
走道、楼梯间均布活荷载标准值为2.5KN/m2
二、材料强度标准值
材料强度标准值：材料强度概率分布中具有95%保证率的材料强度值。
荷载分项系数、可变荷载组合值系数
G ––– 永久荷载分项系数。按以下规定取值：
1、当其效应对结构不利时： 对由可变荷载效应控制的组合，取1.2； 对由永久荷载效应控制的组合，取1.35； 2、当其效应对结构有利时：一般情况下取1.0。
Q––– 可变荷载分项系数。
一般情况取1.4；当楼面活荷载标准值大于4kN/m2，取 1.3。
及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）来划分 建筑的安全等级。 建筑结构的安全等级共划分为三级，见表 3-2。 建筑物中各类结构构件的安全等级，宜于整个结构 的安全等级相同。
3.2 荷载和材料强度的取值
一、荷载标准值
1、永久荷载标准值： Gk
按构件的设计尺寸和材料重度（或单位面积的自重）
平均值计算。 各种材料重度见《建筑结构荷载规范》。 混凝土：25KN/m3 水泥砂浆：20KN/m3 石灰砂浆和混合砂浆：17KN/m3 实例：梁截面尺寸为250×600mm，计算其自重标准值。
（二）作用效应S
施加在结构上的作用产生的内力（弯矩、剪力、轴力、扭矩 等）和变形（挠度、转角、裂缝等 ）称为作用效应。
作用为荷载Q，在结构上产生的效应为荷载效应S为 ：
S = cQ
c ––– 荷载效应系数; Q ––– 荷载.
1 2 1 2 l 例：简支梁在均布荷载作用下跨中弯矩： M l q （荷载效应系数为 8 ） 8 1 简支梁在跨中一集中荷载作用下跨中弯矩：M lP 4 1 （荷载效应系数为 4 l ）
变形、裂缝宽度等超过某一限值）就不能满足设计规定的某一 功能要求（安全、适用或耐久），此特定状态称为该功能的极 限状态。 极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。
1、承载能力极限状态
结构或构件达到最大承载力、出现疲劳破坏、发生不适于继续 承载的变形或因结构局部破坏而引发的连续倒塌。
结构或构件出现下列情形之一时，认为超过了承载能力极限状态： （1）应力超过材料强度而破坏，或因过度变形不适于继续承载； （2）作为刚体失去平衡； （3）转变为机动体系； （4）丧失稳定； （5）因局部破坏而发生连续倒塌； （6）地基丧失承载能力而破坏； （7）疲劳破坏。
（3）影响正常使用的振动（振幅过大等）； （4）影响正常使用的其他特定状态，如沉降量过大等。
正常使用极限状态主要考虑结构有关适用性和耐久性的功能， 允许出现的概率稍高一些，但也应引起足够的重视。
通常对结构构件先按承载能力极限状态进行计算，按后根 据使用要求按正常使用极限状态进行验算。
二、结构的设计状况
正常使用极限状态荷载组合效应设计值S（只有一种可变荷载）
1、标准组合： 2、频遇组合： 3、准永久组合：
S SGk SQK
S SGk f SQK
S SGk q SQK
SGK––– 由永久荷载的标准值GK计算的荷载效应值。 SQK—— 由可变荷载的标准值QK计算的荷载效应值。
限），在规定的条件下（正常的设计、施工和使用)，完成预
定功能的概率。 结构可靠度是结构可靠性的概率度量。结构可靠度 越高，建设造价投资越大。因此，如何在结构可靠与经
济之间取得均衡，是设计方法要解决的问题。
建筑的设计使用年限见表3-1，如无特殊说明，一 般为50年。
三、结构的安全等级
根据结构破坏可能产生的各种后果的严重性（危
S ––– 承载能力极限状态下作用组合的效应设计值；对持久设计状
况和短暂设计状况按作用的基本组合计算；对地震设计状况
按作用的地震组合计算； R ––– 结构构件的抗力设计值。
Rd––– 结构构件的抗力模型不定性；静力设计取1.0，对不确定性
较大的结构构件根据具体情况取大于1.0的数值；抗震设计
用承载力抗震调整系数RE代替Rd 。
2、适用性
结构在正常使用时保持良好的使用性能，如不发生过大的变形 和裂缝，不妨碍正常使用。
3、耐久性
结构在正常维护下，材料性能虽随时间变化，但仍能满足预定功 能要求，如材料的风化、老化、腐蚀等不超过一定的限度。
安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性。
结构的可靠度是指结构在规定的时间内（设计使用年
三、结构的功能函数和极限状态方程
结构的功能函数：
Z=R–S
S—结构的作用效应 R—结构的抗力 Z > 0， Z = 0， Z < 0， 即R>S 结构可靠 即R=S 结构处于极限状态。 即R<S 结构失效
3.4 极限状态设计的实用表达式
一、承载能力极限状态设计表达式
结构构件截面设计表达式可采用内力或应力表达。
（一）基本表达式
对持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况，用内 力形式的表达式：
0 S R
R= R（fc， fs ，…….)/Rd
0 –––结构重要性系数；在持久设计状况和短暂设计状况下，对安全
等级为一、二、三级的结构构件，分别不应小于1.1, 1.0, 0.9 ，
对地震设计状况性下应取1.0；
二、正常使用极限状态设计表达式
结构或构件超过正常使用极限状态时所造成的财产和生命损失 要小于超过承载力极限状态的后果，故其可靠度指标要低一些。 正常使用极限状态常采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永 久组合，其表达式如下：
SC
S––– 正常使用极限状态的荷载效应的设计值；如变形、裂缝宽度等； C——结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度等的限值。 见 附表14、16。
承载能力极限状态主要考虑结构有关安全性的功能，所有 的结构构件都需按承载能力极限状态进行设计。
2、正常使用极限状态
结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。
结构或构件出现下列情形之一时，认为超过了承载能力极限状态： （1）影响正常使用或外观的变形（变形过大）;
（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（裂缝过宽）;
结构设计时，应区分以下四种设计状况：
1、持久设计状况 2、短暂设计状况 3、偶然设计状况 4、地震设计状况
以上4种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计，以确保 结构的安全。对持久设计状况，尚应进行正常使用极限状态设计， 以确保结构的适用和耐久；对短暂设计状况和地震设计状况，可根 据需要进行正常使用极限状态设计；对于偶然设计状况，可不进行 正常使用极限状态设计。
（二）荷载效应组合的设计值S（只有一种可变荷载）
对持久和短暂设计状况，应采用基本组合：
1、由可变荷载效应控制的组合
S G SGk Q L SQK
2、由永久荷载效应控制的组合
S G SGk Q L c SQK
SGK–––永久作用标准值GK的效应；
SQK——可变作用标准值QK的效应。
（三）结构抗力R
• 结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力。如结构构件 承载力、抵抗变形、抗裂性等。
材料性能的不确定性
• 结构抗力的影响因素： 材料几何参数的不确定性 计算模式的不确定性
本课程主要讲述各种构件的结构抗力的计算，作用效应的 计算在结构力学课程中已讲述。
结构或构件能否完成预定功能与结构的作用效应S与结构的抗力R有关。
f
q
––– 可变荷载的频遇值系数。 –––
可变荷载的准永久值系数。
本讲结束
结构的功能函数：
S—结构的作用效应 R—结构的抗力 Z > 0， Z = 0， Z < 0，
Z=R–S
即R>S 结构可靠 即R=S 结构处于极限状态。 即R<S 结构失效
二、结构的功能要求和可靠度
1、安全性
结构在正常施工和使用时应能承受可能出现的各种作用；在发 生火灾时，在规定的时间内保持足够的承载力；当发生偶然事件时， 能保持必须的整体稳定性。
1、钢筋的强度标准值：
对有明显屈服点的热轧钢筋，取屈服强度；
对无明显屈服点的钢筋、钢丝及钢绞线，取0.85b 各类钢筋、钢丝、和钢绞线的强度标准值见附表1、2。
2、混凝土的强度标准值：
混凝土强度标准值见附表9。
3.3 概率极限状态设计方法
一、结构的极限状态
整个结构或结构的一部分超过某一特定状态（如承载力、