第一章 建筑结构设计方法与荷载

　　第一节 建筑结构设计方法

　　根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)所确定的建筑结构可靠度设计的基本原则，应用我国现行设计规范进行结构设计时，采用的是以概率理论为基础的极限状态设计方法，使建筑结构符合技术先进、经济合理，安全适用、确保质量的要求。

　　一、建筑结构基本功能

　　结构在规定的时间(设计使用年限)，在规定的条件下(正常设计、施工、使用、维修)必须保证完成预定的功能，这些功能包括：

　　(1)安全性

　　在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。并且在设计规定的偶然事件(如地震、爆炸)发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性所谓整体稳定性。系指在偶然事件发生时及发生后，建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。

　　(2)适用性

　　在正常使用时具有良好的工作性能。如不产生影响使用的过大的变形或振幅，不发生足以让使用者产生不安的过宽的裂缝。

　　(3)耐久性

　　在正常维护下具有足够的耐久性能。

　　结构在正常维护条件应能在规定的设计使用年限满足安全、实用性的要求。

　　上述对结构安全性、适用性、耐久性的要求总称为结构的可靠性。结构的可靠性的概率度量称为结构的可靠度。也就是说，可靠度是指在规定的时间内和规定的条件下，结构完成预定功能的概率。

　　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进行大修，即可按预定目的使用的时期，我国现行规范规定的设计使用年限应按表11-1采用。

　　由此可见，我国通常的建筑结构设计的使用年限是50年。对于按照我国现行设计规范选用的可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数则称为设计基准期。它不等同于建筑结构的设计使用年限。《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50086-2001)规定的设计基准期为50年。相应的《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)所考虑的荷载统计参数都是按设计基准期为50年确定的，如设计时需采用其他设计基准期，则必须另行确定在设计基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。

　　二、结构功能的极限状态与设计状况

　　区分结构是否可靠与失效，其分解标志就是极限状态。当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，这 个特定状态称为该功能的极限状态。极限状态可分为两类：

　　1.承载能力极限状态

　　当结构或结构构件达到最大承载能力，或产生了不适于继续承载的变形时，即认为超过了承载能力极限状态。例如：

　　(1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，(如烟囱倾覆等);

　　(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，如简支梁跨中截面达到抗弯承载力形成三铰共线的机动体系，从而丧失承载能力;

　　(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)。

　　事实上，承载能力极限状态就是结构或结构构件发挥最大承载能力的状态。

　　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的状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即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)影响正常使用的其他特定状态。

　　在建筑结构设计时，除了考虑结构功能的极限状态之外，还须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，即在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况，例如房屋结构承受家具和正常人员荷载的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级。

　　(2)短暂状况，即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，如结构施工和维修时承受堆料荷载的状况。

　　(3)偶然状况，即在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如结构遭受火灾、爆炸、撞击、罕遇地震等作用。

　　这三种设计状况分别对应不同的极限状态设计。对于持久状况、短暂状况和偶然状况，都必须进行承载能力极限状态设计;对于持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计;而对于短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。

　　三、结构极限状态的设计表达式

　　建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载(效应)组合，并应取各自的最不利的效应组合进行设计。

　　1.承载力极限状态设计表达式

　　根据《荷载规范》的要求，结构构件承载力设计应根据荷载效应的基本组合或偶然组合进行，其一般表达式为

　　(1-1)

　　式中 γ0——结构重要性系数;

　　S——结构效应组合的设计值;

　　R——结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。

　　(1)结构构件重要性系数γ0

　　根据《建筑结构可靠度设计统一标准》，在建筑结构设计时，根据破坏可能产生的后果(危及人的生命安全、造成经济损失、产生社会影响等)的严重性，采用不同的安全等级。建筑的安全等级见表1-2

　　

　　在抗震设计中不考虑结构构件的重要性系数。

　　建筑物中各类结构的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同。对于其中部分结构构件的安全等级可进行调整，根据需要对某些构件的安全等级采取提高一级或降低一级。

　　(2)荷载效应组合设计值S

　　1)荷载效应基本组合

　　(a)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：

　　a)由可变荷载效应控制的组合：

　　(1-2)

　　式中：

　　γG—永久荷载的分项系数，应按《荷载规范》第3.2.5条采用;

　　γQi——第i个可变荷载的分项系数，其中γQ1为可变荷载Q1的分项系数，应按《荷载规范》第3.2.5条采用;

　　SGk——按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值;

　　SQik——按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其中SQ1k为诸可变荷载效应中起控制作用者;

　　ψci——可变荷载a的组合值系数，应分别按《荷载规范》各章的规定采用;

　　n——参与组合的可变荷载数。

　　b)由永久荷载效应控制的组合：

　　(1-3)

　　注：

　　①基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。

　　②当对SQlk无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为SQlk，选其中最不利的荷载效应组合。

　　③当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。

　　(b)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：

　　a)由可变荷载效应控制的组合：

　　(1-4)

　　b)由永久荷载效应控制的组合仍按公式(1-3)式采用。

　　(c)基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用：

　　a)永久荷载的分项系数：

　　I当其效应对结构不利时

　　对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2;

　　对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35。

　　Ⅱ当其效应对结构有利时

　　一般情况下应取1.0;

　　对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。

　　b)可变荷载的分项系数：

　　一般情况下应取1.4;

　　对标准值大于4kN/㎡的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。

　　注：对于某些特殊情况，可按建筑结构有关设计规范的规定确定。

　　2)荷载效应偶然组合

　　对于偶然组合，荷载效应组合的设计值宜按下列规定确定;偶然荷载的代表值不乘分项系数：与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。各种情况下荷载效应的设计值公式，可由有关规范另行规定。

　　2.正常使用极限状态表达式

　　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、频遇组合或准永久组合，并应按下列设计表达式进行设计：

　　S≤C (1—5)

　　式中 C——结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关建筑结构设计规范的规定采用。 f

　　所谓标准组合，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，其荷载效应组合的设计值S应按下式采用： ：

　　(1-5)

　　注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。

　　所谓频遇组合，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。其荷载效应组合的设计值S应按下式采用：

　　(1-7)

　　式中ψf1—可变荷载Q1的频遇值系数，应按有关的规定采用;

　　ψqi——可变荷载Qi的准永久值系数，应按有关的规定采用。

　　注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。

　　所谓准永久组合，当长期效应是决定先因素的一下情况，其荷载效应组合的设计值S可按下式采用：

　　(1-8)

　　注：组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。