01 第1章 建筑结构及其设计基本原则.pptx

第1页：建筑结构课程主要内容

建筑结构本课程主要内容：建筑结构设计基本原则，钢筋混凝土结构基本构件计算和梁板结构，钢结构，砌体结构，地基与基础，高层建筑结构，建筑结构抗震设计。

第2页：建筑结构及其设计基本原则

第1章建筑结构及其设计基本原则

1.1 建筑结构与建筑的关系

1.1.1 建筑结构

是指房屋建筑中，由构件按一定的规律所组成的能承受各种作用的几何不变体系。构件是指梁、板、柱、基础、桁架、网架等。作用是指施加在结构上的荷载（永久荷载、可变荷载等）或引起建筑结构外加变形或约束变形的原因（地震、基础沉降、温度变化等）。

前者称为直接作用，后者称为间接作用。永久荷载：是指在结构使用期间，其值不随时间变化或变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。例如，构件自重、土压力等。

第3页：结构与建筑的关系

可变荷载

是指在结构使用期间，其值随时间变化，且变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。例如，风荷载、雪荷载、吊车荷载等。

1.1.2 结构与建筑的关系建筑

在房屋设计一开始，在决定建筑设计的平面、立面、剖面的时候，就应该考虑结构方案，既要保证建筑使用的要求，又要照顾材料的选用、结构的可能、施工的难易。一个成功的设计必然是以选择一个经济合理的结构方案为基础，就是要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。

第4页：结构与建筑的关系（续）

同时在各种可行的结构形式和结构体系的比较中，又要能在特定的物质与技术条件下，具有尽可能好的结构性能、经济效果和建造速度。一般，都是针对某一具体建筑相对地突出某一方面或两方面来判别合理性，例如特别重要的建筑物（如人民大会堂一类建筑），结构性能的安全可靠则是十分重要和突出的；对于大量性的居住建筑，则要求具有更好的经济效果和建造速度，当然其他方面也是需要认真对待的。

结构方案的选择还必须有可靠的施工方法来保证，如果没有一个适宜的施工方法加以保证，则结构方案的合理性和经济性均无从谈起，方案本身也

第5页：结构与建筑的关系（续）

难以成立。当然，与建筑设计密切配合无疑是结构方案选择的根本出发点，但反过来又必然对建筑设计提出要求和限制，设计者如对结构知识有较深刻的了解，将可能使两者的矛盾最大限度的减小。一个较复杂的建筑工程，往往需要各专业工种互相配合完成，而建筑又是其中的中枢，它既是建筑功能、工程技术和建筑艺术的综合，又是建筑、结构、设备、施工等各专业工种的综合。

所以，一个建筑师，除了在建筑方面应有较深的造诣之外，还必须对结构予以足够的重视。

第6页：建筑结构分类及其应用范围

1.2 建筑结构分类及其应用范围

1.2.1 按所用材料划分

1. 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构是由混凝土和钢筋两种材料组成，是土木工程中应用最广泛的一种结构形式。可用于房屋建筑工程、公路与城市道路工程、铁路工程、桥梁工程、隧道工程、地下工程、港口码头工程、机场工程、水利工程等。钢筋混凝土结构具有以下优点：
2. 可模性好。可以根据需要浇筑成各种形状和尺寸的结构。
3. 强度价格比相对较大。在相同费用下，用钢筋混凝土制成的构件比用木材、砌体、钢材制成的构件强度要高。

第7页：建筑结构分类及其应用范围（续）

3. 耐久性好。处于良好环境的钢筋混凝土结构，混凝土的强度随时间不断增长，且钢筋受混凝土保护而不易锈蚀，所以钢筋混凝土结构耐久性好。
4. 耐火性好。由传热性差的混凝土做钢筋的保护层，在遭受火灾时比木结构、钢结构的耐火性好。
5. 整体性好。现场浇筑的钢筋混凝土结构整体性好有利于抗震防爆。
6. 就地取材。钢筋混凝土中的砂、石、水，一般可以就地、就近取材，因而运输费用少，可以显著降低工程造价。主要缺点：
7. 自重大。不利于建造大跨度结构和超高层建筑。

第8页：建筑结构分类及其应用范围（续）

2. 施工相对复杂，建造工期长。
3. 现场浇筑时耗费模板多。
4. 补强维修工作比较困难。
5. 普通混凝土抗裂性能差。
6. 现场浇筑时受天气条件影响，不宜在冬季和雨天施工。
7. 钢结构钢结构是由各种型材（钢板、角钢、工字钢、槽钢、钢管、T型钢、H型钢)及薄壁型钢制成的结构。常用于重型厂房、动力荷载厂房、大跨结构、高层建筑、轻型钢结构、需要移动拆卸的结构等。房屋钢结构具有以下特点：
8. 钢材强度高。因而钢结构重量轻。如普通钢

第9页：建筑结构分类及其应用范围（续）

屋架的重量仅为相同条件下的钢筋混凝土屋架重量的1/4---1/3。

2. 材质均匀。钢材内部组织接近匀质各向同性，实际受力情况与力学计算假定比较符合。
3. 钢材塑性韧性好。结构不易因超载而断裂，对动荷载结构适应性强。
4. 工业化程度高，便于运输、加工、安装和拆卸，施工工期短。
5. 密封性强。用于建造压力容器、管道。
6. 钢材在低温和特殊条件下，可能发生脆性断裂。
7. 耐热不耐火。
8. 耐腐蚀性差，维修费用高

第10页：建筑结构分类及其应用范围（续）

3. 砌体结构砌体结构是指用块材和砂浆砌筑而成的结构。用于单层与多层建筑、特种结构、高层建筑的填充墙等。优点：可就地取材，造价低廉，保温隔热性能好，耐火性好，砌筑方便。缺点：自重大，强度低，抗震性能差，现场作业量大等。
4. 木结构木结构是指全部或大部分用木材制成的结构。受木材自然生长条件的限制，很少使用。优点：就地取材，制造简单，便于施工等。缺点：易燃，易腐蚀，结构变形大等。

1.2.2 按承重结构类型划分

1. 混合结构；

第11页：结构的功能及极限状态

2. 框架结构；
3. 剪力墙结构；
4. 框架剪力墙结构；
5. 筒体结构；
6. 大跨结构。

1.3 建筑结构设计基本原

1.3.1 结构的功能及极限状态

.结构的功能建筑结构的基本要求是：以最经济的手段使结构在正常施工和使用的条件下，在预定的使用期内满足下列预定功能的要求。

1. 安全性。安全性是指建筑结构能承受正常施工和使用时可能施加于它的各种作用，如荷载、温度变化、支座沉陷等引起的内力。且在强烈地震、爆炸、撞击等偶然事件发生时和发生后，结构仍然能保持必要的整体稳定性，即结构不致因局部破坏而发生连续倒塌。

第12页：结构的功能及极限状态（续）

2. 适用性。适用性是指建筑结构在正常使用时具有良好的工作性能。如应具有足够的刚度，以避免变形过大而影响正常使用。
3. 耐久性。耐久性是指建筑结构的材料抵抗各种物理和化学作用的能力。如在设计规定的使用期间内，钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而发生锈蚀等。安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性。结构能够满足功能要求，称为结构可靠或有效；反之，则称为不可靠或失效。2.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就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态

第13页：结构的功能及极限状态（续）

称为该功能的极限状态。极限状态可分为以下两类：

1. 承载能力极限状态。结构或结构构件达到最大承载力，出现疲劳破坏或不适于继续承载的过大变形。当结构或构件出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限状态。
2. 结构或构件之间的连接因材料超过其强度而破坏(包括疲劳破坏)；
3. 结构丧失承载能力转变为几何可变体系；
4. 结构或构件丧失稳定；
5. 结构或构件发生滑移或倾覆，从而丧失位置平衡。承载能力极限状态主要考虑结构的安全性，结构一旦超过这种极限状态，即丧失了完成安全性功

第14页：能的能力

能的能力，从而造成人身伤亡和重大经济损失。因此，设计中应把出现这种情况的概率控制得非常小。

2. 正常使用极限状态。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。当结构或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。
3. 影响正常使用或外观的变形；
4. 影响正常使用或耐久性能的局部损坏，包括裂缝宽度达到了规定限值；
5. 影响正常使用的振动；
6. 影响正常使用的其他特定状态。正常使用极限状态主要考虑结构的适用性和耐久性。当结构或构件超过这种极限状态时一般不会造成人身伤亡和重大经济损失。

第15页：荷载代表值与荷载效应组合

建筑结构设计时，为保证结构的安全可靠，对一切结构和构件均应进行承载能力极限状态的计算，而正常使用极限状态的验算应根据具体使用要求进行。

1.3.2 荷载代表值与荷载效应组合

.荷载代表值荷载都存在着变异性，例如:同样形状、材料的两块预制板，如称其重量，一般总会有差异；办公楼楼板上每平方米承受的活荷载更是会千差万别，有时可能为零(没有人员和设备)，有时又可能相当大(如召开临时性的多人员会议)；风载与雪载也都是变化的。

因此说荷载是随机变量。

第16页：荷载代表值与荷载效应组合（续）

结构设计时，为了适应不同极限状态下的设计要求，《荷载规范》给出了荷载各种代表值。对永久荷载应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。

1. 荷载标准值。荷载标准值指结构在使用期间，正常情况下可能出现的最大荷载统计分布的特征值（如均值、众值、中值或某个分位值）。荷载标准值是结构设计时采用的荷载基本代表值，荷载的其他代表值是以其为基础乘以适当的系数后得到的。各类荷载的标准值可见《建筑结构荷载规范》（50009—2001）。

第17页：荷载代表值与荷载效应组合（续）

1. 永久荷载的标准值。永久荷载变异性不大，一般以平均值作为荷载的标准值，即可按结构设计规定的尺寸和材料的平均密度确定。对自重变异大的材料，在设计时应根据荷载对结构有利或不利，分别取其自重的下限值或上限值。
2. 可变荷载的标准值。可变荷载的标准值根据数理统计方法确定，通常要求具有95%的保证率。教材中

表6-1

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

表6-2 给出了有关楼面、屋面均布活荷载的标准值等

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

2. 可变荷载准永久值。在设计基准期（或称预期使用年限）内，其达到和超过的总时间为设计基准期一半的荷载值称为可变荷载准永久值。可变荷载准永久值可写成

第18页：荷载代表值与荷载效应组合（续）

用。主导荷载以其标准值为代表值外，Qq=ψqQk式中Qq—可变荷载准永久值；Qk—可变荷载标准值；—准永久值系数，按

表6-1

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

表6-2

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

3. 可变荷载频遇值。在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值称为可变荷载频遇值。其大小等于可变荷载标准值乘以频遇值系数ψf，按

表6-1

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

表6-2 采用

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

4. 可变荷载组合值。当考虑两种或两种以上可变荷载在结构上同时作用时，由于所有荷载同时达到其单独出现的最大值的可能性极小，因此，除

第19页：荷载代表值与荷载效应组合（续）

其他伴随荷载应取标准值乘以小于1的荷载组合系数ψc，按教材

表6-1

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

表6-2 采用

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

2.荷载效应及荷载效应组合作用使得结构或构件产生内力、变形和裂缝，我们称之为作用效应。由直接作用的荷载使结构或构件产生内力、变形和裂缝，称为荷载效应。荷载效应与荷载之间可认为近似线性关系，即S=CQ式中C-荷载效应系数。

如简支梁均布荷载作用下，跨中截面弯矩和支座边缘截面剪力分别为2M=18qlV=12ql

第20页：荷载代表值与荷载效应组合（续）

∑20为荷载效应系数。（1-1）式中M、V为荷载效应；q为荷载；18l2、12l因为荷载为随机变量，荷载效应也是随机变量。建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，亦可称为荷载效应组合，并应取各自的最不利的效应组合进行设计。

1. 承载能力极限状态的荷载效应组合对于承载能力极限状态设计，一般考虑荷载效应基本组合，荷载效应组合的设计值S从下列组合值中取最不利值确定。
2. 由可变荷载效应控制的组合nS=γGSGk+γQ1SQ1k+γQiψciSQiki=1

第21页：荷载代表值与荷载效应组合（续）

对于一般排架、框架结构，应按下列组合值中取最不利值确定（1-2）GkQ1k+γQ1SS=γGSni=

12. 由永久荷载效应控制的组合ni=1式中γG—永久荷载分项系数，具体取值如下：a)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；21

第22页：荷载代表值与荷载效应组合（续）

b）当其效应对结构有利时，一般情况下取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算取0.9；其中为诸多可变荷载效应中起控制作用者；

2. 正常使用极限状态的荷载效应组合对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要其中γQ1为第一个可变荷载Q1的分项系数，一般应取1.4，对标准值大于4kN/m2的工业建筑楼面活荷载应取1.3；γQi—第i个可变荷载的分项系数，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，ψci—可变荷载的组合系数；n—参与组合的可变荷载数。

第23页：荷载代表值与荷载效应组合（续）

求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合。荷载效应组合的设计值应按下列各式采用。

1. 标准组合ni=2ni=2（1-6）式中ψf1—可变荷载的频遇值系数；ψqi—可变荷载的准永久值系数。
2. 准永久组合ni=1

第24页：以概率论为基础的极限状态设计法

3.结构构件的抗力结构构件的抗力是指结构构件承受影响结构构件抗力的主要因素有：材料性能（强度、变形）、构件截面几何特性（宽度、高度、面积、惯性矩等）、计算模式的精确性。

1.3.3 以概率论为基础的极限状态设计法

.结构的失效概率与可靠指标结构的可靠度受结构荷载效应和结构构件抗力的影响，若取Z=R-S，则可由Z的大小判断结构是否可靠。我们称Z=R-S为结构的功能函数。显然，当Z=R-S>0，即S<R时，结构处于可靠状态；当Z=R-S<0，即S>R时，结构处于失效状态；当Z=R-S=0，即S=R时，结构处于极限状态。

作用效应的能力。一般用R表示。

第25页：以概率论为基础的极限状态设计法（续）

Z=R-S=0称为极限状态方程。当结构按极限状态设计时，应符合以下条件Z=R-S≥0（1-8）由于荷载效应S和结构构件抗力R都是随机变量，所以功能函数Z=R-S也是随机变量。结构可靠度即为结构处于可靠状态Z=R-S≥0的概率，因此，也称它为结构的可靠度概率，以表示；反PsPf之，结构处于失效状态Z=R-S<0的概率称为结构P=1，即Ps=1–。

所以，结构的可靠性也可以用失效概率来度量。只要结构的失效概率足够小，我们就可认为结构是可靠的。失效概率的大小可以通过可靠度指标来度量，失效概率越小，越大。《建筑结构可靠25ββ

第26页：以概率论为基础的极限状态设计法（续）

如能满足（1-9）建筑作为设计依据的可靠指标称为目标可靠指标，用[β]表示。在结构设计时，β≥[β]则结构处于可靠状态。2.极限状态设计表达式

1. 承载能力极限状态设计表达式一般情况下，按荷载效应基本组合设计，其表达式为（1-10）式中γ0—结构重要性系数，按

表1-3 确定

本页表格在源文件中为图片，未提取到单元格数据，需对照原课件图片补齐。

S—结构荷载效应基本组合值，根据具体情况按式（1-1）、（1-2）、（1-3）确定；R—结构构件抗力设计值；f—构件材料强度设计值

第27页：表1-3 安全等级与结构重要性系数γ0

αk—构件截面几何特征参数的标准值。

3.正常使用极限状态验算表达式：正常使用极限状态验算包括构件的变形、裂缝等，结构构件应分别按荷载效应的标准组合、准永久组合或标准组合并考虑长期荷载作用影响，其极限状态设计表达式为（1-11）S≤C，式中S为正常使用极限状态的荷载效应组合值，C为结构构件达到正常使用要求所规定的变形、裂缝宽度和应力等限值。

第28页：本章思考题

效应组合值；求所规定的变形、裂缝宽度和应力等限值。思考题

1. 建筑结构按所使用的材料可划分为哪几类？其各有哪些特点？
2. 建筑结构的主要承重形式有哪几种？各有什么特点？
3. 何谓结构的可靠性？
4. 结构的极限状态有哪两种？
5. 荷载的代表值有哪些？规范是如何规定的？S—正常使用极限状态的荷载C—结构构件达到正常使用要