1.4 结构设计的基本概念

一幢建筑物或构筑物要建造起来，必须进行结构设计。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068—2001）（以下简称《统标》）所确定的原则，结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法。下面将结构设计方法中涉及的基本概念作一简单介绍。

1.4.1 设计基准期与设计使用年限

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。《统标》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。

结构的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。设计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》的规定，结构的设计使用年限应按表1.3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。

1.4.2 建筑结构安全等级

建筑物的用途是多种多样的，其重要程度也各不相同。显然设计时应当考虑到这种差别。例如，设计一个大型影剧院和设计一个普通仓库就应有所区别。因为前者一旦发生破坏所引起的生命财产的损失要比后者大得多。因此建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（如危及人的生命、造成的经济损失、产生的社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级。它以结构重要性系数的形式反映在设计表达式中，我国规定的安全等级见表1.4。

表1.4中对安全等级作了原则的规定，设计人员在设计工作中应根据建筑的破坏后果以及工程的具体情况确定所设计的建筑物属于哪个等级。一般说来，大量的一般建筑物列入中间等级，重要的建筑物提高一级，次要的建筑物降低一级。如影剧院、体育馆或高层建筑等人员比较集中且使用频繁的建筑，一旦发生破坏，会引起生命财产的重大损失，产生重大社会影响，宜按一级进行设计。

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。

1.4.3 结构功能要求

任何建筑结构都是为了完成所要求的某些功能设计的。从结构的观点来考虑，建筑结构应满足的功能要求可以归纳如下。

1.4.3.1 安全性的要求

即结构应能承受在施工和使用均属正常的情况下可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定，不致发生倒塌。

1.4.3.2 适用性要求

即结构在正常使用期间具有良好的工作性能。例如，不发生过大的变形或振幅，以免影响使用；也不发生足以使用户不安的过宽的裂缝。

1.4.3.3 耐久性的要求

即结构在正常维护下具有足够的耐久性能。例如，混凝土不发生严重的风化、脱落；钢筋不发生严重锈蚀，以免影响结构的使用寿命。

任何结构，随着使用时间的增加，总会渐渐损坏，或逐渐变得不适用。因此，这里所谓的满足预定的结构功能的要求，是指在一定的时期内而言的。如前所述，我国目前规定的设计基准期是50年。这一时期的长短与经济发展的程度有关，经济越发达，建筑物更新越快，设计基准期就应越短。应当说明，设计基准期并不等同于建筑结构的寿命。超过了设计基准期，建筑物并非一定损坏而不能使用，只是其完成预定功能的能力越来越差了。

良好的设计结构，应能满足用户提出的各项要求，结构应安全可靠，有完成预定功能的能力，成本和维修费用低，施工迅速，投资回收快，经济效益高。一般来说结构的安全和经济二者之间是有矛盾的，如何设计出既安全又经济的结构是设计工作者的职责。

为了使设计工作者有章可循，使不同设计部门所设计的相同类型的结构水准不至相差太大，国家建设部门统一制定了各种规范、规程或标准。其中2001年颁布的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068—2001）作为制定建筑结构各项规范的准则，以使建筑结构的设计得以符合技术先进、经济合理、安全适用、保证质量的要求，属于第一层次的规范；第二层次的规范或标准主要有《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）、《建筑结构制图标准》（GB/T 50105—2010）等；第三层次的规范则主要有《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）、《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011），《钢结构设计规范》（GB 50017—2011）等。进行建筑结构设计时必须遵守这些标准和规范所作的各项规定。

1.4.4 结构的极限状态

1.4.4.1 极限状态的概念

要进行结构设计，应先明确结构丧失其完成预定功能的能力标志是什么，并以此标志作为结构设计的一个准则。为此，先阐明极限状态的概念。

结构从开始承受荷载直至破坏要经历不同的阶段，处于不同的状态。结构所处的阶段或状态，从不同的角度出发，可以有不同的划分方法。若从安全可靠的角度出发，可以区分为有效状态和失效状态两类。所谓有效，是指结构能有效地、安全可靠的工作，得以完成预定的各项功能；反之，结构失去预定功能的能力，不能有效的工作，处于失效状态。这里所谓的失效，不仅包括因强度不足而丧失承受荷载的能力，或是结构发生倾覆、滑移、丧失稳定等情况，而且包括了结构的变形过大、裂缝过宽而不适于继续使用。这些情况均属于失效状态。

有效状态和失效状态的分界，称为极限状态。极限状态实质上是一种界线，是从有效状态转为失效状态的分界。超过这一状态，结构就不能再有效地工作。极限状态是结构开始失效的标志，结构的设计工作就是以这一状态为准则进行的，使结构在工作时不致超过这一状态。《建筑结构设计统一标准》对于极限状态作了明确的定义，其定义为“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，此特定状态就称为该功能的极限状态”。

1.4.4.2 极限状态的分类

根据结构的功能要求的不同，极限状态可分为两类。

1.承载能力极限状态

承载能力极限状态是结构或构件达到了最大的承载能力（或极限强度）时的极限状态，超过了这一极限状态后，结构或构件就不能满足预定的安全性的要求。如混凝土柱被压坏、梁发生断裂等。每一结构或构件均需按承载能力极限状态进行设计和计算，必要时还应作倾覆和滑移验算。

2.正常使用极限状态

正常使用极限状态是结构或构件达到了不能正常使用的极限状态，超过了这一极限状态后，结构或构件就不能完成对其所提出的适用性或耐久性的要求。如梁发生了过大的变形，或裂缝太大，或在不能出现裂缝的构筑物中（如水池）产生裂缝等。构件在按承载能力极限状态进行设计后，还需按正常使用极限状态进行验算，以确定构件在满足承载力要求的同时，是否也能满足正常使用时的一些限值规定。

1.4.5 荷载与作用

结构设计中的一项重要工作就是确定在结构上的荷载的类型和大小。荷载的类型和大小直接影响到设计的结果。

在结构上各种集中力或分布力的集合，或者引起结构外加变形（由于基础不均匀沉陷、地震等原因，使结构被强制地产生的变形）或约束变形（由于混凝土收缩、钢材焊接、大气温度变化等原因使结构材料发生膨胀或收缩等变化，受到结构的支座或节点的约束而使结构间接地产生的变形）的原因，均称结构上的作用。前者为直接作用，后者为间接作用。作用使结构产生压力、拉力、剪力、弯矩、扭矩等和线位移、角位移、裂缝等的结构效应。

长期以来工程界习惯上将施加在工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种直接作用称为荷载，例如恒载、楼面活荷载、车辆荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载、屋面积灰荷载、波浪荷载等。

下面简单介绍荷载的分类和荷载的标准值。

1.4.5.1 荷载的分类

结构上的荷载，按其随时间的变异性和出现的可能性，分为永久荷载、可变荷载及偶然荷载。

1.永久荷载

也称恒载，是施加在工程结构上不变的（或其变化与平均值相比可以忽略不计的）荷载。如结构自重、外加永久性的承重、非承重结构构件和建筑装饰构件的重量、土压力等。因为恒载在整个使用期内总是持续地施加在结构上，所以设计结构时，必须考虑它的长期效应。结构自重，一般根据结构的几何尺寸和材料容重的标准值（也称名义值）确定。

2.可变荷载

也称活荷载，是施加在结构上的由人群、物料和交通工具引起的使用或占用荷载和自然产生的自然荷载。在结构使用期间，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载。如工业建筑楼面活荷载、民用建筑楼面活荷载、屋面活荷载、屋面积灰荷载、车辆荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、裹冰荷载、波浪荷载等。

3.偶然荷载

此类荷载在结构使用期间不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间较短，如爆炸力、地震力等。

1.4.5.2 荷载标准值

荷载标准值是结构设计时采用的荷载基本代表值，也就是在荷载规范中所列的各项标准荷载。标准荷载在概念上一般是指结构或构件在正常使用条件下可能出现的最大荷载值，因此它应高于经常出现的荷载值。用统计的观点，荷载的标准值是在所规定的设计基准期内，其超越概率小于某一规定值的荷载值，也称特征值，是工程设计可以接受的最大值。在某些情况下，一个荷载可以有上限和下限两个标准值。当荷载减小对结构产生更危险的效应时，应取用较不利的下限值作为标准值；反之，当荷载增加使结构产生更危险的效应时，则取上限值作为标准值。又如各种活荷载，当有足够的观测资料时，则应按上述标准值的定义统计确定；当无足够的观测资料时，荷载的标准值可结合设计经验，根据上述的概念协议确定。

1.4.6 结构构件的承载力

结构设计中另一个要解决的问题是确定构件的承载力，亦即其能承受外加荷载的能力。影响承载力大小的主要因素是构件尺寸和材料强度。结构的尺寸的偏差以及计算模式的精确性亦对承载力有影响。

现在谈谈材料的强度问题。钢筋混凝土结构所采用的建筑材料主要是钢筋和混凝土。钢筋和混凝土强度的大小，亦具有不定性，或称变异性。即使是同一种钢材或同一配合比的混凝土，当取不同试样进行试验时，所得试验结果也不会完全相同，总会有一定的分散性。因此，钢筋和混凝土的强度均应看做是随机变量，需要数理统计的方法来确定具有一定保证率的材料强度值。

1.4.7 结构的可靠度与可靠性

当荷载的大小和构件的承载力都确定之后，剩下的问题是如何使所设计的结构构件能满足预定的功能要求。结构设计的目的是用最经济的方法设计出足够安全可靠的结构。提到安全，人们往往以为只要把结构构件的承载力降低某一倍数，即除以大于1的某个安全系数，使结构具有一定得安全储备，足以承担所承受的荷载，结构便安全了。实际上，这种概念并不正确。因为这样的安全系数并不能真正反映结构是否安全，而超过了上述限值，结构也不一定就不安全。此外，安全系数的确定带有主观的成分在内，定得过低，难免不安全；定得过高，又将偏于保守，造成不必要的浪费。

实际上，所谓安全可靠，其概念是属于概率的范畴的。例如，当人们跨越车辆较少的街道时，并不感到紧张，具有安全感。但当跨越交通拥挤，事故多发的街道时，就会感到不安全，原因是发生交通事故的可能性（亦即概率）增加了。可见交通安全与否取决于发生事故的概率的大小。

建筑结构的安全可靠性，情况与此相同。结构的安全可靠与否，应当用结构完成其预定功能的可能性（概率）的大小来衡量，而不是用一个绝对的、不变的标准来衡量。没有绝对安全可靠的结构。当结构完成其预定功能的概率达到一定的程度，或不能完成其预定功能的概率（亦称失效概率）小到某一公认的、大家可以接受的程度，就认为该结构是安全可靠的，其可靠性满足要求。

这样一来结构可靠性可定义为：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。而为了定量描述结构的可靠性，需引入可靠度的概念。《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068—2001）给出结构可靠度的定义为：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。因此，结构的可靠性是用结构完成预定功能的概率的大小来定量描述的。可靠度是可靠性的概率的度量。上述定义中所谓的规定时间，即指上文提到过的设计基准期（50年），所有的统计分析均应该以该时间区间为准；所谓的规定条件，是指设计、施工、使用、维护均属正常的情况，不包括非正常的情况，例如人为的错误等。

1.4.8 规范对结构设计的规定

《建筑结构可靠度设计标准》（GB 50068—2001）规定：“结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。结构的可靠度可采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。”结构在规定的设计使用年限内必须满足以下功能要求：

（1）在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。

（2）在正常使用时具有良好的工作性能。

（3）在正常维护下具有足够的耐久性能。

（4）在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍然能保持必需的整体稳定性。

在这四项预定功能中，（1）和（4）是安全性；（2）是适用性；（3）是耐久性。“安全、使用、耐久”三者缺一不可，但安全第一。

结构的失效，意味着结构或属于它的构件不能满足上述某一预定功能要求。结构的失效有下列几种现象：

（1）破坏指结构或构件截面抵抗作用力的能力不足以承受作用效应的现象。如拉断、压碎、弯折等。

（2）失稳指结构或构件因长细比（如构件长度和截面边长之比）过大而在不大的作用力下突然发生作用力平面外的极大变形的现象，如柱子的压屈、梁在平面外的扭曲等。

（3）发生影响正常作用的变形指楼板、梁的过大挠度或过宽裂缝；柱、墙的过大侧移；结构有过大的倾斜或过大的沉陷；人在室内有摇晃的感觉等。

（4）倾覆或滑移指整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡而倾倒或滑移的现象。

（5）结构所用材料丧失耐久性指钢材生锈、混凝土受腐蚀、砖遭冻融、木材被虫蛀蚀等化学、物理、生物现象。

1.4.9 建筑抗震设防

1.建筑物重要性分类

根据建筑物在地震发生后在政治、经济和社会上的影响大小分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别。

（1）甲类建筑。甲类建筑属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按国家规定的批准权限批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。

（2）乙类建筑。国家重点抗震城市的生命线工程的建筑或其他重要建筑。这类建筑主要是使用功能不能中断或需要尽快恢复、及地震破坏会造成社会重大影响和国民经济重大损失的建筑。包括医疗、广播、通信、交通、供水、供电、供气、消防、粮食等。这类建筑地震作用按本地区抗震设防烈度计算；抗震措施，当设防烈度为6～8度时，应提高一度设计；当为9度时应采取比9度设防时更高的抗震措施。

对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。

（3）丙类建筑。甲、乙、丁类以外的建筑，为大量的一般工业与民用建筑，抗震设计和抗震措施均按当地的设防烈度考虑。

（4）丁类建筑。次要建筑，一般指地震破坏或倒塌不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑。如储存价值低的物品或人员活动少的单层仓库建筑。抗震计算按当地的设防烈度，抗震措施则降低一度考虑，但6度时不应降低。

2.抗震设防目标

抗震设防简单地说，就是在工程建设时设立防御地震灾害的措施。抗震设防通常通过三个环节来达到：确定抗震设防要求，即确定建筑物必须达到的抗御地震灾害的能力；抗震设计，采取基础、结构等抗震措施，达到抗震设防要求；抗震施工，严格按照抗震设计施工，保证建筑质量。上述三个环节是相辅相成密不可分的，都必须认真进行。

抗震设计要达到的目标是在不同频数和强度的地震时，要求建筑具有不同的抵抗能力，对一般较小的地震，发生的可能性大，故又称多遇地震，这时要求结构不受损坏，在技术上和经济上都可以做到；而对于罕遇的强烈地震，由于发生的可能性小，但地震作用大，在此强震作用下要保证结构完全不损坏，技术难度大，经济投入也大，是不合算的，这时若允许有所损坏，但不倒塌，则将是经济合理的。我国抗震规范根据这些原则提出了“三个水准”的抗震设防目标。

第一水准：当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，—般不受损坏或不需修理仍可继续使用。

第二水准：当遭受本地区设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。

第三水准：当遭受到高于本地区设防烈度的罕遇地震（大震）时，建筑不致倒塌或危及生命财产的严重破坏。

通常将其概括为：“小震不坏，中震可修、大震不倒。”

在抗震设计时，为满足上述三水准的目标采用两个阶段设计法。