主编：孟华赵爱书

主编：孟华赵爱书 2 建筑结构的基本设计原理

2.1 荷载的概念、荷载的分类及荷载代表值 2.2 建筑结构的设计方法目录 2 建筑结构的基本设计原理

2 建筑结构的基本设计原理 • 理解荷载的分类、荷载的代表值； • 2. 了解建筑结构的基本设计方法和极限状态设计表达式。 www.techbook.com.cn

2.1 荷载的概念、分类及代表值 2.1 荷载的概念、分类及代表值

2.1.1 荷载的概念 2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 建筑结构在施工和使用期间要承受各种作用，这些作用在结构中会产生不同效应（内力和变形）。这些引起结构或结构构件产生内力（应力）、变形（位移、应变）和裂缝等的各种原因统称为结构上的作用。结构上的作用可分为直接作用和间接作用。直接作用是指直接以力的不同集结形式（集中力或均匀分布力）施加在结构上的作用，通常也称为结构上的荷载，如结构的自重、土压力、物品及人群重量、风压力、雪压力等；间接作用是指引起结构外加变形、约束变形的各种原因，如温度变化、材料的收缩、地基不均匀沉降、混凝土的徐变等。

2.1.2 荷载的分类 2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）将结构上的荷载按随时间的变异分为下列三类： • 2.1.2.1 永久荷载 • 永久荷载是指在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化可以忽略不计的作用，如结构自重、土压力等。永久荷载也称为恒荷载。

2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 2.1.2.2 可变荷载 • 可变荷载是指在设计基准期内其量值随时间而变化，且其变化不可忽略的作用，如楼面活荷载、雪荷载、风荷载等。可变荷载也称为活荷载。

2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 2.1.2.3 偶然荷载 • 偶然荷载是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用，如爆炸力、撞击力等。

2.1.3 荷载的代表值 2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 建筑结构设计时，根据不同状态的设计要求所采用的荷载量值称为荷载代表值。对永久荷载采用标准值作为代表值；对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。

2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 2.1.3.1 荷载标准值 • 荷载标准值是指结构在设计基准期内，在正常情况下可能出现的最大荷载值。由于荷载是随机变量，我们取设计基准期内最大荷载统计分布的某一特征值来确定。荷载标准值是荷载的基本代表值，其他代表值可在荷载标准值的基础上乘以相应系数后得出。

表2.1 常用材料和构件的自重

2.1 荷载的概念、分类及代表值 续表2.1

2.1 荷载的概念、分类及代表值 表2.2主要民用建筑楼面均布活荷载标准值及相关系数

2.1 荷载的概念、分类及代表值 表2.3 屋面均布活荷载注： ① 上人屋面当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用； ② 屋顶花园活荷载不包括花园土石等材料自重。

2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 2.1.3.2 可变荷载组合值 • 当作用在结构上的荷载有两种或两种以上时，由于各种可变荷载同时达到其标准值的可能性极小，因此，除其中产生最大效应的荷载（主导荷载）仍取标准值外，其他可变荷载均采用小于标准值的量值为荷载代表值，即可变荷载组合值。 • 可变荷载组合值可表示为ψcQk，其中Qk为可变荷载标准值，ψc为可变荷载组合值系数（见表2.2、表2.3）。

2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 2.1.3.3 可变荷载频遇值 • 对可变荷载，在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部分或超越频率为规定频率的荷载值被称为可变荷载频遇值。其值可表示为ψfQk，其中ψf为可变荷载频遇值系数（见表2.2、表2.3）。

2.1 荷载的概念、分类及代表值 • 2.1.3.4 可变荷载准永久值 • 在验算结构构件的变形和裂缝时，需要考虑荷载长期作用的影响，对于可变荷载，其标准值中一部分是长期作用在结构上的，其影响类似于永久荷载。《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）把在设计基准期内被超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值称为可变荷载准永久值。其值可表示为ψqQk，其中ψq为可变荷载准永久值系数（见表2.2、表2.3）。

2.2 建筑结构的设计方法 2.2 建筑结构的设计方法

2.2.1 结构的极限状态 2.2 建筑结构的设计方法 • 整个结构或结构的一部分能满足设计规定的某一功能要求，我们称之为该功能处于可靠状态；反之，称之为该功能处于失效状态。这种“可靠”与“失效”之间必然存在某一特定界限状态，此特定状态称为该功能的极限状态。 • 极限状态可分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。

2.2 建筑结构的设计方法 • 2.2.1.1 承载能力极限状态 • 承载能力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。超过这一极限状态，结构或结构构件便不能满足安全性的功能要求。 • 当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态： • （1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如雨篷的倾覆等）； • （2）结构构件或其连接因材料强度不足而破坏，或因过度的变形而不适于继续承载； • （3）结构转变为机动体系； • （4）结构或构件丧失稳定（如压屈等）； • （5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。

2.2 建筑结构的设计方法 • 2.2.1.2 正常使用极限状态 • 正常使用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的限值。超过这一极限状态，结构或结构构件便不能满足适用性或耐久性的功能要求。当结构或物体出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态： • （1）影响正常使用及外观的变形； • （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。

2.2.2 极限状态设计表达式 2.2 建筑结构的设计方法 • 2.2.2.1 极限状态方程 • 为说明结构的工作状态，可令： • Z=g(S,R)=R-S（2.1） • 式中 S ——作用效应，指荷载引起的结构或结构构件的内力、变形和裂缝等各种效应； • R ——结构抗力，指结构或结构构件承受作用效应的能力，如结构构件的承载力、刚度等。

2.2 建筑结构的设计方法 • 显然，当Z＞0(R＞S)时，结构处于可靠状态； Z＜0(R＜S)时，结构处于失效状态； Z=0(R=S)时，结构处于极限状态。 • 式（2.1）称为结构的功能函数，相应地， Z=R-S=0称为极限状态方程。

2.2 建筑结构的设计方法 • 2.2.2.2 极限状态设计表达式 • （1）承载能力极限状态设计表达式 • 承载能力极限状态设计表达式为： • γ0S≤R (2.2) • 式中γ0——结构构件的重要性系数，在持久设计状况和短暂设计状况下，对安全等级为一级的结构构件不应小于1.1，对安全等级为二级的结构构件不应小于1.0，对安全等级为三级的结构构件不应小于0.9，在地震设计状况下不应小于1.0；

2.2 建筑结构的设计方法 • S——承载能力极限状态的荷载效应组合设计值； • R——结构构件的抗力设计值。 • 对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合进行计算，必要时应考虑荷载效应的偶然组合。

2.2 建筑结构的设计方法 • 对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应按下列组合中最不利值确定： • ① 由可变荷载效应控制的组合：

2.2 建筑结构的设计方法

2.2 建筑结构的设计方法 • （2）正常使用极限状态设计表达式 • 正常使用极限状态主要验算结构构件的变形、抗裂度或裂缝宽度等，使其满足结构适用性和耐久性的要求。设计时取荷载标准值，不需乘以荷载分项系数，其设计表达式为： • S≤C （2.5） • 式中 S——正常使用极限状态的荷载效应组合值 • C——结构或结构构件达到正常使用要求的规定的变形、裂缝宽度、应力等的限值。

2.2 建筑结构的设计方法 【例2.1】某办公楼简支梁，安全等级为二级，计算跨度l0=6m，作用在梁上的永久荷载（含自重）标准值Gk=15kN/m，可变荷载标准值Qk=6kN/m，试计算承载能力极限状态设计时梁的跨中弯矩。

2 建筑结构的基本设计原来 思考题 • 什么是结构上的“作用”？什么是荷载？ • 2. 按随时间变异，结构上的荷载分为哪几类？ • 3. 何谓荷载代表值？永久荷载和可变荷载分别以什么为代表值？ • 4. 可变荷载组合值、频遇值、准永久值的含义是什么？ • 5. 何为结构功能的极限？承载能力极限状态和正常使用极限状态的含义分别是什么？ www.techbook.com.cn

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