第4章 建筑結構設計原則和方法

第四章

建筑結構設計原則和方法主要內(nèi)容概念設計和數(shù)值設計結構設計基本原則概率分布與保證率結構可靠度理論結構極限狀態(tài)設計法什么是概念設計

根據(jù)建筑結構本身的特點，根據(jù)工程經(jīng)驗、力學分析等形成的基本設計原則和設計思想，從建筑選址到進行建筑結構總體布置并確定細部構造的過程。

工程結構設計不是“規(guī)范+計算”工程結構設計是一個再創(chuàng)造的過程

建筑結構抗震概念設計的意義

根據(jù)地震災害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設計原則和設計思想進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程稱為抗震概念設計概念設計強調(diào)，在工程設計一開始，就應把握好能量輸入、房屋體形、結構體系、剛度分布、構件延性等幾個主要方面，從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計算和構造措施，就有可能使設計出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。

抗震建筑的概念設計的定義基本內(nèi)容：選擇有利場地合理的選擇建筑體形采用合理的建筑結構體系保證非結構構件安全采用隔震、消能、減震技術結構材料和施工質(zhì)量；

(1)選擇有利場地

工程地質(zhì)條件對地震破壞的影響很大。常有地震烈度異?，F(xiàn)象，即“重災區(qū)里有輕災，輕災區(qū)里有重災”產(chǎn)生的原因是局部地區(qū)的工程地質(zhì)條件不同。場地選擇的原則：選擇工程場址時，應該進行詳細勘察，搞清地形、地質(zhì)情況，挑選對建筑抗震有利的地段，盡可能避開對建筑抗震不利的地段；任何情況下均不得在抗震危險地段上，建造可能引起人員傷亡或較大經(jīng)濟損失的建筑物。①.避開地震危險地段建筑抗震危險的地段，一般是指地震時可能發(fā)生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度為8度以上的發(fā)震段裂帶在地震時可能發(fā)生地表錯位的地段。②.選擇有利于抗震的場地對建筑抗震有利的地段，一般是指位于開闊平坦地帶的堅硬場地土或密實均勻中硬場地土。在選擇高層建筑的場地時，應盡量建在基巖或薄土層上，或應建在具有較大“平均剪切波速”的堅硬場地土上，以減少輸入建筑物的地震能量，從根本上減輕地震對建筑物的破壞作用。(2)合理選用建筑體形

一幢房屋的動力性能基本上取決于它的建筑布局和結構布置。建筑平面布置建筑的平、立面布置宜規(guī)則、對稱，質(zhì)量和剛度變化均勻，避免樓層錯層。對稱的結構容易估計其地震時的反應，容易采取構造措施和進行細部處理。地震區(qū)的高層建筑，平面以方形、矩形、圓形為好；正六邊形、正八邊形、橢圓形、扇形也可以。建筑立面布置良好的建筑立面（a）大底盤建筑（b）階梯形建筑

不利的建筑立面我國《高層規(guī)程》規(guī)定：建筑的豎向體形宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。上部收進時，當H１/H>0.2時，B1/B≥0.75;當上部外挑時，時B/B1≥0.9且a≤4m。結構豎向收進和外挑示意

建筑結構的規(guī)則性對抗震能力的重要影響的認識始自若干現(xiàn)代建筑在地震中的表現(xiàn)。最為典型的例子是1972年2月23日南美洲的馬那瓜地震。

馬那瓜有相距不遠的兩幢高層建筑，一幢為十五層高的中央銀行大廈，另一幢為18層高的美洲銀行大廈。當?shù)氐卣鹆叶裙烙嫗?度。一幢破壞嚴重，震后拆除；另一幢輕微損壞，稍加修理便恢復使用。馬那瓜中央銀行大廈試問：那一幢破壞嚴重呢？馬那瓜美洲銀行大廈1）平面不規(guī)則4個樓梯間偏置塔樓西端，西端有填充墻。4層以上的樓板僅為5cm厚，擱置在高45cm長14m小梁上。2）豎向不規(guī)則塔樓上部（4層樓面以上），北、東、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4層樓板水平處的過渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（間距9.4m）。上下兩部分嚴重不均勻，不連續(xù)。主要破壞：第4層與第5層之間(豎向剛度和承載力突變),周圍柱子嚴重開裂，柱鋼筋壓屈；橫向裂縫貫穿3層以上的所有樓板(有的寬達1cm),直至電梯井東側；塔樓西立面、其他立面窗下和電梯井處的空心磚填充墻及其它非結構構件均嚴重破壞或倒塌。震后計算分析結果:1.結構存在十分嚴重扭轉效應;2.塔樓3層以上北面和南面大多數(shù)柱子抗剪能力大大不足,率先破壞；3.水平地震作用下,柔而長的樓板產(chǎn)生可觀的豎向運動等。馬那瓜中央銀行大廈結構是均勻對稱的，基本的抗側力體系包括4個L形的桶體，對稱地由連梁連接起來，這些連梁在地震時遭到剪切破壞，是整個結構能觀察到的主要破壞。分析表明：1.對稱的結構布置及相對剛強的聯(lián)肢墻，有效地限制了側向位移，并防止了明顯的扭轉效應；2.避免了長跨度樓板和砌體填充墻的非結構構件的損壞；3.當連梁剪切破壞后，結構體系的位移雖有明顯增加，但由于抗震墻提供了較大的側向剛度，位移量得到控制。美洲銀行常用建筑結構規(guī)范建筑結構設計統(tǒng)一標準建筑結構荷載規(guī)范混凝土結構設計規(guī)范結構抗震設計規(guī)范砌體結構設計規(guī)范鋼結構設計規(guī)范建筑結構抗震設計規(guī)范高層建筑結構設計和施工規(guī)程地基基礎設計規(guī)范4.2結構的功能要求和極限狀態(tài)4.2.1結構的功能要求（可靠性）：安全性：正常施工，正常使用的條件下，結構能承受可能出現(xiàn)的各種荷載作用而不破壞；在偶然事件發(fā)生后仍能保證必要的穩(wěn)定性，結構僅局部破壞而不出現(xiàn)連續(xù)倒塌的能力。適用性：正常施工，正常使用的條件下，結構保持良好的工作性能的能力耐久性：正常使用正常維護的條件下具有足夠的耐久性能結構設計的影響因素作用在結構上的荷載的大小所用材料強度的取值結構強度的計算方法衡量結構安全可靠的標準4.2.2極限狀態(tài)設計法的基本概念建筑結構功能要求設計工作壽命設計基準期設計使用年限結構的安全等級極限狀態(tài)設計狀況建筑結構的功能要求結構在規(guī)定的設計工作壽命期內(nèi)必須滿足以下各項功能要求能承受在施工和使用均屬正常的情況下可能出現(xiàn)的各種作用在正常使用時具有良好的工作性能在正常維護下具有足夠的耐久性和耐火性在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。極限狀態(tài)整個結構或結構的某一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)就稱為該功能的極限狀態(tài)。有效和失效，極限狀態(tài)為有效和失效的分界根據(jù)不同的功能要求，極限狀態(tài)可分為：承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)對應于結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。結構構件或連接因材料強度不足而破壞（包括疲勞破壞），或因過度的變形而不適于繼續(xù)承載結構或結構構件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）結構轉變?yōu)闄C動體系整個結構或結構的某一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）地基喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）正常使用極限狀態(tài)

對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限制。影響正常使用及外觀的變形影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）影響正常使用的振動影響正常使用的其他特定狀態(tài)4.3概率分布與保證率變異系數(shù)4.3.1隨機變量的統(tǒng)計參數(shù)4.3.2概率密度函數(shù)圖4.3.1正態(tài)分布概率密度函數(shù)曲（4-4）曲線的主要特點為：（1）對稱性，曲線對稱于x=

；（2）單峰值，曲線只有一個峰值點f(

)；（3）漸近性，當x趨于+

或-

時，f(x)趨于零，以x軸為漸近線；（4）存在拐點，在對稱軸（平均值）兩邊一倍標準差處，曲線各出現(xiàn)一個拐點（反彎點）。概率分布函數(shù)是指，給定隨機變量X，它的取值不超過實數(shù)x的概率P(X

x)是x的函數(shù)，這個函數(shù)稱為X的分布函數(shù)，簡稱分布函數(shù)，用f(x)表示。對于正態(tài)分布函數(shù)有：

4.3.3保證率

當時隨機變量大于上述各值的概率分別為84.13%、95%、和97.72%。例如，如果隨機變量代表材料強度，則當材料強度取為時（此值即為規(guī)范規(guī)定的材料強度標準值），則材料實際強度值大于這個強度的概率（亦稱為保證率），為95%。隨機變量的統(tǒng)計特征值荷載和材料強度都是隨機的，為保證結構安全，荷載值應取得足夠大，而材料強度值應取得足夠小。荷載標準值和材料強度標準值以達到某一概率分位值來確定95%的保證率結構上的作用作用：所有使結構產(chǎn)生內(nèi)力和變形的原因的統(tǒng)稱直接作用：以力的形式出現(xiàn)的各種荷載間接作用：混凝土收縮、溫度變化、基礎不均勻沉降、地震等引起的結構外加變形4.4結構可靠度理論簡介4.4.1結構極限狀態(tài)方程作用效應S由作用引起的結構的反應：軸力、彎矩、剪力……作用效應是隨機變量結構抗力結構構件對抵抗各種作用的承載力，以及對變形、裂縫等的抵抗能力。影響抗力大小的因素主要是結構構件的幾何尺寸、所用材料的性能（強度、彈性模量、變形模量等）、計算模式。結構抗力也是一個隨機變量結構極限狀態(tài)方程結構功能函數(shù)（4-6）（4-7）極限狀態(tài)方程（4-8）當Z>0結構處于可靠狀態(tài)；Z<0結構處于失效狀態(tài)；Z=0結構處于極限狀態(tài)。

對不同的設計狀況，可采用相應的結構體系、可靠度水準和基本變量等。設計狀況與極限狀態(tài)的關系，對三種狀況均應進行承載力極限狀態(tài)設計。對持久狀況，應進行正常使用極限狀態(tài)計算；對短暫狀況，正常使用極限狀態(tài)可根據(jù)需要進行；對偶然狀況，可不進行正常使用極限狀態(tài)的計算。2.2.4結構設計的原則和方法

結構構件的計算和驗算內(nèi)容承載力及穩(wěn)定：所有結構構件均應進行承載力（包括壓屈失穩(wěn)）計算，必要時尚應進行結構的傾覆、滑移和漂浮驗算；對處于地震區(qū)的結構，還應進行結構抗震的承載力計算。疲勞：直接承受吊車的構件，應進行疲勞強度驗算。變形：對于使用上需控制變形值的結構構件，應進行變形驗算?？沽鸭傲芽p寬度：對使用上要求不出現(xiàn)裂縫的構件，應進行混凝土拉應力驗算；對使用上允許出現(xiàn)裂縫的構件，應進行裂縫寬度驗算。荷載效應和結構抗力荷載效應：當作用為集中力或分布力時的作用效應即是荷載效應。（S）結構抗力：結構或構件承受作用效應的能力。（R）R、S都是隨機變量概率論極限狀態(tài)設計法將荷載和材料強度看作隨機變量，引入概率統(tǒng)計的方法，按照不同極限狀態(tài)的要求進行設計。衡量結構的可靠性（安全性），以結構在一定條件下完成預定功能的概率來度量。目前的設計方法還未達到全概率水平，還必須結合過去的經(jīng)驗，并按傳統(tǒng)設計公式表達。為什么安全性要用概率來衡量？沒有絕對的安全或絕對的失效安全和經(jīng)濟是矛盾的統(tǒng)一體，結構設計實際上是找一種平衡荷載標準值與材料強度標準值的確定荷載標準值=即：結構構件可能承受的荷載低于荷載標準值的概率為95%，而比荷載標準值大的可能性僅為5%材料強度標準值即：實際材料強度值高于材料強度標準值的概率為95%，而比材料強度標準值低的可能性僅為5%。荷載的分類

永久荷載可變荷載偶然荷載（恒載）（活載）（按作用時間）靜態(tài)荷載動態(tài)荷載（按對結構的反應）荷載荷載代表值

根據(jù)不同的工作狀態(tài)，取用以統(tǒng)計學方法得出具有一定保證率的統(tǒng)計特征值。荷載代表值具有不確定性，應按概率統(tǒng)計的方法來處理荷載的標準值：在正常使用期間可能出現(xiàn)（具有足夠的概率保證率）的荷載最大值。永久荷載標準值可根據(jù)尺寸按材料的容重計算；可變荷載標準值可按《荷載規(guī)范》提供的數(shù)值取用。荷載的代表值荷載的組合值：考慮多個可變荷載作用在結構上的情況。荷載的準永久值：在結構設計基準期內(nèi)，其超越的總時間占設計基準期一半的荷載值。荷載的頻遇值：在結構設計基準期內(nèi)，其超越的總時間僅占設計基準期的一小部分。承載能力極限狀態(tài)的荷載效應組合1基本組合：永久作用效應和可變作用效應的組合1.由可變荷載效應控制的組合2.由永久荷載效應控制的組合基本組合按1和2的最不利值確定承載能力極限狀態(tài)的荷載效應組合2偶然組合：永久作用效應、可變作用效應和一個偶然作用效