二级注册建筑师《建筑结构与建筑设备》辅导十三

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　　二、建筑结构概率极限状态设计方法

　　根据(统一标准》所确定的原则，应用我国现行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。

　　(一)设计基准期、设计使用年限、安全等级

　　1.设计基准期

　　设计基准期是为确定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，它不等同于建筑结构的设计使用年限。《统一标准》—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。

　　2.设计使用年限

　　设计使用年限是设计规定的一个时期，在这一规定时期内，结构或结构构件不需进行大修即可按预期目的使用，完成预定的功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的使用年限，如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维护的某一环节上出现了非正常情况。这里指的“正常维护”包括必要的检测、防护及维修。

　　设刊—使用年限是房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程“合理使用年限”的具体化。根据《统—标准》的规定，结构的设计使用年限应按表7-1采用，如建设单位提出更高要求，也可按建设单位的要求确定。

　　　　　　表7-1 设计使用年限分类

　　3.安全等级

　　根据结构破坏可能产生的后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)的严重性，《统一标准》将建筑物划分为三个安全等级，见表7-2。建筑结构设计时，应采用不同的安全等级。

　　　　　表7-2 建筑结构的安全等级

　　注：1.对特殊的建筑物，其安全等级应根据具体情况另行确定、，

　　2.地基基础设计安全等级及抗震要求设计时建筑结构的安全等级，尚应符合国家现行有关规范的规定。

　　大量的一般建筑物列人中间等级，重要的建筑物提高一级;次要的建筑物降低一级。设计部门可根据工程实际情况和设计传统习惯选用。大多数建筑物的安全等级均属二级。

　　同一建筑物内的各种结构构件宜与整个结构采用相同的安全等级，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合经济效果进行适当调整。如提高某一结构构件的安全等级所需额外费用很少，又能减轻整个结构的破坏，从而大大减少人员伤亡和财物损失，则可将该结构构件的安全等级比整个结构的安全等级提高一级;相反，如某一结构构件的破坏并不影响整个结构或其他结构构件，则可将其安全等级降低一级。

　　《荷载规范》在荷载效应组合中新增一项由永久荷载效应控制的组合，使承受恒载为主的结构构件的安全度有所提高，(混凝土结构设计规范)(CBS0010--2002)(以后简称《混凝土规范》)取消了原规范弯曲抗压强度fcm，统一取用抗压强度fc，使以混凝土受压为主的结构构件的安全度有所提高，所以取消了原规范“对屋架、托架、承受恒载为主的轴心受压柱、小偏心受压柱安全等级应提高一级”的规定。

　　工程实践表明，由于混凝土结构在施工阶段容易发生质量问题，因此取消了原规范 “对施工阶段预制构件安全等级可降低一级”的规定。

　　(二)结构的功能要求及可靠度

　　1.结构的功能要求

　　结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：

　　(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。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。

　　所谓足够的耐久性能，系指结构在规定的工作环境中，在预定时期内，其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率。从工程概念上讲，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。

　　2.结构的可靠度

　　上述对结构安全性、适用性、耐久性的要求可概括为结构可靠性的要求。结构的可靠性指的是，结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。

　　结构可靠度与结构的使用年限长短有关，《统一标准》所指的结构可靠度或结构失效概率，是对结构的设计使用年限而言的，也就是说，规定的时间指的是设计使用年限;而规定的条件则是指正常设计、正常施工、正常使用，不考虑人为过失的影响，人为过失应通过其他措施予以避免。

　　为了保证建筑结构具有规定的可靠度，除了应进行必要的设计计算外，还应对结构材料性能、施工质量、使用与维护进行相应的控制。对控制的具体要求，应符合有关勘察、设计、施工及维护等标准的专门规定。

　　(三)结构功能的极限状态

　　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，这个特定状态称为该功能的极限状态。极限状态可分为下列两类：

　　1.承载能力极限状态

　　这种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。当结构或结构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;

　　(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)。

　　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。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。

　　在建筑结构设汁时，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，如结拇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跟状态设计;而对于短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。

　　(四)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γ₀S≤R    (7-1)

　　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。

　　.

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　　(1)结构构件重要性系数γ0

　　根据《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或设计使用年限按表7-3取值。

 　　　　　　结构重要性系数γ₀                                     表7-3

　　注：对设计使用年限为25年的结构构件，各类材料结构设计规范可根据各自情况确定结构重要性系数γ0的取值。

　　在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。

　　同一建筑物中的各类构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同。但应根据需要，对某些构件的安全等级可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

　　①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：

　　(1)由可变荷载效应控制的组合

　　③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：

　　a)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。

　　b)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/m2的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。

　　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 (7-5)

　　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。

　　对于标准组合，荷载效应组合的设计值s应按下式采用：

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