1、1第一篇 结构设计总论 1.1 建筑结构概念一. 结构的概念1. 概念的提出:建筑结构是指由不同的建筑材料组合,能有效抵抗各种结构作用的建筑物的骨架或体系. 通过上述的定义，我们知道组成结构的四个要素。 “结构”不是孤立地存在的，必需经过建筑、结构、设备、施工各个专业相互协作才能呈现出一个完美的建筑作品。因此，一个优秀的结构工程师需要了解其它专业的设计要求，才能在结构设计中兼顾到其它专业，避免出现各专业互相“打架”的现象。2. 建筑、结构、设备、施工的关系 建筑 环境：色彩、体型（建筑本身的色彩和体型符合美学要求；与周围环境的协调、适应。 ） 空间：内部空间的分隔（根据不同建筑使用要求分成独立
2、的空间） 物质：构造方面（通过构造措施实现建筑物的使用功能，比如保温、防水、隔音等） 美学：艺术上的（好的建筑设计应给人以美的享受。著名诗人歌德曾说过，建筑是凝固的音乐。 ） 结构（三大功能）: 安全（不能影响使用的安全） 、适用（结构的设计不能影响建筑物的使用或给人不安全感） 、耐久（与时间有关的结构的性能） 设备：保证内部系统的正常运转（给排水设计、电气设计、通讯等） 施工：施工工期和施工设备；材料来源；现场布置等。 通过施工，建筑物的设计得以实现。在设计中就应考虑到施工的问题，尽可能减小施工的难度（从施工的材料、设备各方面） 。哪个专业相比而言更重要？建筑、结构、给排水、电气的设计费为
3、4：3：2：1 的关系。比较这几个专业，都很重要，但是结构更为重要，首先生命财产的安全是排在最首位的，其次，结构的造价占到建筑总造价的 3040，但如果出问题，后期维修很困难且费用极高。二. 结构的功能1.安全性客观的要求正常作用（正常的施工、维修和使用）和非正常作用（失火、爆炸）下,结构都不能出现承载力（包括强度和刚度）不足的问题。在“结构设计方法”一节还要详细介绍安全性包括的内容。2.适用性主观的要求保证结构有适宜的（反映了使用者对结构工作状态的容忍程度）工作状态。结构的挠度、裂缝不能对结构安全有太多负面的影响。3.耐久性与时间有关的要求2满足前两种功能的前提下,要求结构具有足够的使用寿命
4、。设计寿命不同，对结构的设计要求也不同。 设计寿命: 专业术语为设计基准期（与设计的保证概率有关）. 例如，重要的建筑为100 年，一般的建筑为 50 年，次要建筑 30 年，临时建筑 510 年。 三. 结构的设计要求1.满足使用要求主要指对空间上的要求。有时“使用”与“结构”是矛盾的。2.满足结构功能（1）安全性结构不能由于承载力不足而发生破坏。要求结构安全、有效地承受各种可能出现的作用，不出现破坏。具体要求：结构要求： “结构” 与 “机构”相对应。 1刚体平衡要求：不能有整体的沉降、滑移和倾覆（包括整体的和局部构件） 2强度要求：截面材料强度不能出问题，注意截面、构件、结构三个层次的设
5、 3计。稳定问题（指压力作用下的平衡，包括结构、构件、局部三个层次的失稳） 4整体性要求：地震、火灾时，不能出现连锁式破坏，结构必须是个整体，局 5部受力整体分担，不致整体的破坏。（2）适用性使用中，变形（挠度、整体侧移） 、裂缝（混凝土、砌体容易开裂）不能太大。（3）耐久性（钢筋）锈蚀、 （砼）碳化、抗冻融、徐变、 （水池、管道的）抗渗等。3.专业协调:正确处理各专业间存在的矛盾和冲突，例如建筑与结构（悬挑的设计） 、建筑与设备、结构与设备专业间的关系。4.方便施工5.技术先进：包括先进的结构设计方法和理论、新型的建筑材料、先进的结构形式、施工工艺等。6.经济合理：在满足建筑物使用功能的前提
6、下，尽可能最到造价最低。四. 结构设计步骤1. 方案设计:确定结构体系 1结构材料 2估算结构主要构件尺寸 32. 技术设计：可行性的研究与论证、技术先进性3. 施工图设计：设计方案的落实31.2 结构材料一. 结构材料与结构类型1.材料的分类塑性材料：建筑钢材 脆性材料：土、木材、砖石、砼天然材料：土、木材、竹、石材人工材料：钢材、砼、砂浆砌体 2.根据材料对结构类型的分类(1)木结构：轻、施工方便(2)钢结构：强度高、刚度好、自重轻造价高、防火不易解决锈蚀问题：前期处理、后期维护费用很高常用于大跨超高层建筑；临时建筑（建成快，易拆迁、可重复利用）(3)砼结构：抗拉强度低、自重大、稳定性好、
7、造价低(4)砌体结构：石材保温性差，施工不方便；造价低，稳定性好；工期长。(5)膜结构采用聚脂纤维涂层织物覆盖高强、耐久性好、透光率高用于体育场馆、游泳馆、展览馆等建筑奥运游泳馆“水立方”外层膜结构采用 ETFE 材料，质地轻巧，但强度却超乎想象，膜的延展性非常好（它可以拉到本身的三到四倍长都不会断裂），耐火性、耐热性都很明显。，燃点在 715 度以上才能烧成一个窟窿，但是不扩散，也没有烟，也没有燃烧物掉下去。阳光下的“水立方”有很多闪闪“发光”的亮点，宛若星辰散落在水立方的表面。这些亮点就是镀点。镀点是功能性镀点。通过镀点，膜结构变成光和热的过滤器，需要的进来，不需要的返回去。镀点改变光线的
8、方向，将多余的光线和热量挡在场馆之外，从而保证了酷热天气时“水立方”不会成为巨大的“温室浴场”。水立方的建筑面积约 8 万平方米，高约 30 米，是世界上唯一一个完全由膜结构来进行全封闭的公共建筑。二. 材料的物理性能1.容重（密度）容重大小对结构的影响表现为， 小，自重轻，地震荷载小。2.密实度（孔隙率）密实度高，可提高材料强度、刚度。 3.热物理性能(1)热传导性能(2)热膨胀 钢材 = 砼 =1.210-5 砌体 = 610-6 三. 材料的力学性能41.强度(1) ft 、f c 不同（脆性材料拉压不等）(2)是单向强度：多向受力情况下，应用强度准则来判断。钢材强度高，混凝土和砌体较低
9、。举例，Q235 钢 fy235 N/mm 2，抗拉和抗压相等C30 混凝土 fc13.5 N/mm 2，MU10、M5 砌筑的砌体 fc4.5 N/mm 2 强度高的材料不适合做受压构件，应选截面大、稳定性好的混凝土或砌体材料。2.变形模量（三种弹性模量的定义） 初始模量：一般表中给出的弹性模量，反映弹性工作阶段的变形性能 切线模量：反映某一点的应力应变关系时，采用 割线模量：举例，简支梁均布荷载下的变形中，混凝土开裂，应采用割线模型，而不是初始模量3.延性 = u/ y 大的优点是，如果超载，可以进入塑性阶段。大多材料按照 分类为，塑性材料和脆性材料。4.材料的异向性能材料力学中的研究对象
10、:均匀、各向同性 实际工程材料:各向不同性,如:拉压不等,各向受力性能不同. 5.力学性能的温度效应 (Temperature-Dependent)低温-冷脆 ,温度使材料分子结构发生变化.高温-混凝土中水化热使孔隙或裂缝扩大.一般温度下，材料都有热胀冷缩的现象，之后，材料的力学性能并不会发生变化。但是，在极低温和高温时，材料的力学性能会改变。例如在40下钢材强度会增高，但塑性会降低，脆性增强，在不大的应力作用下，材料突然断裂。钢材在 570高温时会丧失承载力，因此当钢结构表面长期受 150以上热辐射或可能受到火焰作用时应采用耐热材料做成隔热层加以保护。四. 材料的耐久性1.抗渗性能：指多孔材
11、料抵抗压力水或油渗透的性能。抗渗性能直接影响材料内部的含水量，对材料的抗冻性能、抗腐蚀性能有非常大的影响。与材料密实度、孔隙率有关。2.抗冻性能：指材料耐低温的性能，即吸水材料在饱和水状态下，经受多次冻融循环而不破坏，也不明显降低材料强度的性能。主要与材料的孔隙率、孔隙结构、抗拉强度、环境湿度等有关。3.耐酸碱腐蚀：指材料抵抗酸碱反应的能力。对结构耐久性影响较大的酸碱反应有：氯盐对钢筋的腐蚀、水汽对钢筋的锈蚀作用、混凝土的碳化、混凝土碱反应的碱骨料反应等。 . 耐久性即使用寿命,材料的寿命决定结构的寿命.1.3 结构作用5要理解结构作用，必须先了解结构的效应，因为结构作用指引起结构效应的一切作
12、用或因素。一. 结构效应与结构作用结构作用 ：引起 结构效应 的一切作用或因素.1.结构效应的概念使结构发生运动、破坏（以失去承载力为标志） 、变形、开裂。用力学来解释就是，外力作用引起 M、V、T 应力应变结构效应2. 结构作用指引起效应的 一切因素 ，不一定以“力”的形式表现。 荷载可以计算 沉降 约束变形 安装应力3. 结构作用的分类和特点结构荷载的分类，按是否与时间有关： 动载： 需用动力学分析，实际计算指乘以大于 1 的系数，按静力)(tfP学计算分析 静载： 按静力学计算分析Ct)(结构荷载的分类，按大小是否随时间变化： 活载：不同时刻大小变化（随机的变化） ，本质上也是地心引力
13、恒载：物体的地心引力结构作用主要包括以下内容：(1) 重力荷载 ： G = V恒载 结构或非结构的自重。活载 人、设备（包括施工、使用、维护中）的自重。(2) 材料作用：混凝土水化中产生大量热量，结构内部温度升高，使体积膨胀；但水化结束后表面有自由水蒸发，表面温度降低使体积收缩，即混凝土的干缩现象。常见的情况：路面设缝；桥面钢锯齿缝(3) 地基作用 沉降 均匀；不均匀振动 地震 (4) 自然作用：温度：温差作用下，结构伸长、缩短风：只对建筑物表面有影响 0wsz雪：积雪对屋面的影响 0Ssk(5) 环境作用：环境介质的作用（土对挡土墙、水对水坝） 。(6) 人工作用：额外的作用，例如，安装误差
14、引起的结构内力；设备、机具等(7) 意外：冲撞、爆炸（的冲击波） 。 6以上的结构作用可以分为 2 类：可以计算的（荷载，具体的计算方法在课程设计中讲）和不可以计算的结构作用。以下介绍非荷载形式的结构作用及相应的抵御措施。二. 结构作用的主要形式及抵御措施1. 作用的主要形式(1)温度作用 自然界的温差、混凝土结构的“干缩” a . 大体积混凝土的干缩作用； b . 建筑物地面以上部分温度变化大、以下部分温度变化小； c . 建筑物的向阳面相对阴面也会发生膨胀。(2)不均匀沉降，原因有： a . 地基不均匀，弹性模量不同 b .上部重量不均匀 c .建筑物长度过大(3)地震作用 a .建筑物有
15、高、低差（截面变化大） b .平面上有弯折（各部分的振动不均匀、不同步使结构发生破坏） c .错层（楼盖不在同一标高处）2. 措施(1) 防 防止出现 温度方面：l， T（使结构不外露） 沉降方面：尽量使沉降均匀 地震：平面布置均匀没有弯折、不错层(2) 抗 完全抵抗例如，采用桩基，使上部结构只发生刚体转动。但实施起来较难，原因是：计算困难，且越牢靠（约束多）的位置，其局部的刚度和内力越大。(3) 消 部分或全部消除a . 温度作用：设缝，建筑分为不同的温度区段b . 地震作用：设缝，形成独立的抗震单元c . 沉降作用：设缝，基础要分开(4) 调 避免“消”带来的困难。例如，设后浇带。1.4
16、结构体系一. 荷载传递与结构体系1根据荷载作用的方向，荷载传递途径可以分为： 竖向荷载（主要为重力荷载）楼/屋盖结构 竖向结构基础地基 水平荷载（如风荷载、地震荷载）竖向结构水平结构调节所有竖向结构2结构体系及其作用可以分为水平分结构体系和竖向分结构体系，两者缺一不可，由于其分工和受力特点各不相同，因此分开讲述。（1）水平分结构：建筑上：形成平面空间7结构上：a.承受楼、屋盖上所有竖向荷载b.调节、连接非水平构件（2） 竖向分结构：建筑上：形成竖向空间结构上：a.支承水平结构; 将水平结构上的荷载传到基础b.直接承受水平荷载二. 水平结构体系1作用2结构体系(1) 基本体系 简支板受力为受弯构
17、件，其缺点是：存在受拉区；使材料不能充分发挥作用。由于，跨度 l 一定时，满足安全和适应的要求需要 h 大，但建42385,qlwlM筑净高将受影响。(2) 演进体系增加支撑减小跨度 1变为梁板结构下支；悬索上吊变受弯为单向拉压改变受力方式 2方式一：桁架。优点是，可以发挥各种材料的优势；材料充分利用，强度高、刚度大。方式二：拱。变单向受力为双向受力 3单向结构 双向结构，例如，交叉梁。增加约束(想办法使 M) 4 铰支变固支（黑板示意简支、固支梁的变形曲线） 做成外伸结构，例如，体育馆 连续梁/板三. 竖向结构体系1作用2结构体系(1) 基本体系 墙 存在的问题：自重大；开洞受限制。 (2)
18、 演进体系 取消 wall，使其变为柱-梁体系。根据梁、柱连接方式分为框架和排架 改变受力方式。将水平结构与竖向结构合而为一，成为拱，M 降下来 变单向结构为空间结构：通过加强屋盖、山墙与排架的连接，使排架不是单独受力，而是相互间有空间联系。1.5 结构设计方法一. 结构设计要素及其变异性8为了达到设计目标，不可避免地与设计要素相联系。1.设计要素荷载 效应 S（effect of action ）材料 抗力 R（resistance ） 结构分析效应 S（内力、变形） 力学分析 计算模型模糊、不精确的人为简化结构尺寸抗力 R（强度、刚度） 材料强度、弹性模量yfAN计算理论（弹性/塑性） 设
19、计要素包括：荷载、构件尺寸、 材料、计算模式（理论） 2.设计要素的不确定性设计要素有三个特点：可变性、不可预测的随机变量、符合一定的规律概率统计学的规律。以上分析得出，与设计目标有关的设计要素(参数)具有不确定性的特点，因此，设计结构不可能 100安全。结构安全的程度用结构可靠度来表示。二. 结构可靠度1. 结构可靠概率，为了研究的方便，定义函数 0SRNN内 力强 度内 力强 度 Z = R S，Z 为随机函数，它与所有设计要素有关。Z 0 可靠（有效） ；Z = 0 临界（极限状态） ；Z 0) 可靠概率 （以图表示其几何含义）pf (Z0) 失效概率0 ps 1ps+ pf =1 ps
20、 =1- pf2. 可靠度指标 可靠概率(可靠度指标 )的概念：结构在正常设计、正常施工和使用、正常维护的条件下，在预定年限（设计基准期）内完成预定功能（安全、适用、耐久）的概率。 Z = R S Z = R SZ = (R2+ S2) = Z Z R R= R(可查表求得 ) 22S9可靠指标 与失效概率 pf=-1(pf ) 2.7 3.2 3.7 4.2pf 3.4710-3 6.8710-3 1.0810-4 1.3310-43. 目标可靠度与目标可靠概率实际可靠度 作为 目标可靠度 一般建筑 延性设计 = 3.2；脆性设计 = 3.7重要建筑 延性设计 = 3.7；脆性设计 = 4.
21、2三. 概率极限状态的设计方法1. 基本要求(1)用概率的思想而不是安全系数(2)极限状态 (Limit States)设计（Z = 0）2. 极限状态的规定和划分(1)承载能力极限状态 ultimate limit states 设计依据设计内容包括：强度、稳定、倾覆、滑移、整体性。 (2)正常使用极限状态 serviceability limit states 验算验算内容：位移和变形、开裂。3. 一次二阶矩概率极限状态设计法均值 一阶矩均值方差 二阶矩均值 承载力极限状态设计表达式为： 0SR；确定结构重要性系数 0 时，规定了设计使用年限为 100 年及以上的结构构件与安全等级一级相当
22、，设计使用年限为 50 年的结构构件与安全等级二级相当，设计使用年限为 5 年及以下的结构构件与安全等级三级相当。规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。对所有的设计要素，统一给出一个保证概率的取值代表值，称为标准值。表达式涉及：设计要素；对不同的设计要素用系数进行调整多系数。4. 实用表达式（1）承载能力极限状态设计表达式对由可变荷载效应控制的组合 对由永久荷载效应控制的组合RQCQCGni KiiiKKi 20 )(1 KiCiQiniKGi )(10可 变 荷 载 的 组 合 值 系 数 荷 载 效 应 系 数荷 载
23、、 其 他 可 变 荷 载 的永 久 荷 载 、 第 一 种 可 变的 分 项 系 数： 永 久 荷 载 、 可 变 荷 载 其 余 可 变 荷 载 的 标 准 值标 准 值最 大 的 一 个 可 变 荷 载 的： 永 久 荷 载 标 准 值、 、 : :;1:1CiQiG ikk10承载能力极限状态分项系数分项系数 我国规范 欧洲规范恒载 G 1.20（1.35） 1.35活载 Q 1.40（1.0） 1.50混凝土材料 c 1.40 1.50钢筋材料 s 1.101.20 1.15（2）正常使用极限状态设计表达式 通过该极限状态设计保证：a.变形不太 ;b.局部损坏时，裂缝不能太大。 公式
24、中用实际值（标准值）代入计算，因为变形不需要保证概率，是实际发生的。 准永久值的概念 q Qk：因为活载随时间发生变化，其峰值只在短时间出现，对于控制变形来说，由于材料的续编性质，结构的最多变形出现在荷载持续一段时间之后，荷载峰值一旦消失，相当一部分的结构变形都会恢复，所以进行正常使用极限状态长期效应组合设计时，可变荷载用准永久值进行计算。 准永久组合的表达式： 标准组合的表达式：承载力极限状态计算时，永久荷载和可变荷载的组合为基本组合；正常使用极限状态验算时，对可变荷载采用标准值为荷载代表值的组合为标准组合；正常使用极限状态验算时，对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合为准永久组合。四. 设计要素的代表值1.平均值（50保证概率） max1fQDGkiiniqk max21 fkiikQnicQk mGQf112.标准值（95保证概率）3.设计值4组合值、准永久值本章总结1.结构概念2.结构作用、结构效应的概念；结构作用的种类及抵御措施3.结构体系的作用，了解结构体系的基本体系及相应的演进体系4.承载能力极限状态与正常使用极限状态的概念及区别5.实用设计表达式中三个重要系数：荷载分项系数、材料强度分项系数、结构重要系数的作用6. 荷载、材料强度的代表值的含义 kkGQf )645.1()645.1( fmfmkf
