结构设计的一些重要概念

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建筑结构
狭义的建筑指各种房屋及其附属的构筑物。建筑结构是在建筑中，由若干构件，即组成结构的单元如梁、板、柱等，连接而构成的能承受作用（或称荷载）的平面或空间体系。建筑结构因所用的建筑材料不同，可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构、轻型钢结构、木结构和组合结构等。

《建筑结构设计统一标准（GBJ68－84）》
该标准是为了合理地统一各类材料的建筑结构设计的基本原则，是制定工业与民用建筑结构荷载规范、钢结构、薄壁型钢结构、混凝土结构、砌体结构、木结构等设计规范以及地基基础和建筑抗震等设计规范应遵守的准则，这些规范均应按本标准的要求制定相应的具体规定。制定其它土木工程结构设计规范时，可参照此标准规定的原则。本标准适用于建筑物（包括一般构筑物）的整个结构，以及组成结构的构件和基础；适用于结构的使用阶段，以及结构构件的制作、运输与安装等施工阶段。本标准引进了现代结构可靠性设计理论，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定，即将各种影响结构可靠性的因素都视为随机变量，使设计的概念和方法都建立在统计数学的基础上，并以主要根据统计分析确定的失效概率来度量结构的可靠性，属于“概率设计法”，这是设计思想上的重要演进。这也是当代国际上工程结构设计方法发展的总趋势，而我国在设计规范（或标准）中采用概率极限状态设计法是迄今为止采用最广泛的国家。

结构可靠度
建筑结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三项要求。结构可靠度是结构可靠性的概率度量，其定义是：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，称为结构可靠度。其“规定的时间”是指设计基准期50年，这个基准期只是在计算可靠度时，考虑各项基本变量与时间关系所用的基准时间，并非指建筑结构的寿命；“规定的条件”是指正常设计、正常施工和正常的使用条件，不包括人为的过失影响；“预定的功能”则是能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用的能力（即安全性）；在正常使用时具有良好的工作性能（即适用性）；在正常维护下具有足够的耐久性能（耐久性）。在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。结构能完成预定功能的概率称为可靠概率p↓s，结构不能完成预定功能的概率称为失效概率P↓f，p↓f＝1－Ps，用以度量结构构件可靠度是用可靠指标β，它与失效概率p↓f的关系为p↓f＝ψ（－β）。根据对正常设计与施工的建筑结构可靠度水平的校正结果，并考虑到长期的使用经验和经济后果后，《统一标准》给出构件强度的统－β值：对于安全等级为二级的各种构件，延性破坏的，β＝3．2；脆性破坏的，β＝3．7。影响结构可靠度的因素主要有：荷载、荷载效应、材料强度、施工误差和抗力分析五种，这些因素一般都是随机的，因此，为了保证结构具有应有的可靠度，仅仅在设计上加以控制是远远不够的，必须同时加强管理，对材料和构件的生产质量进行控制和验收，保持正常的结构使用条件等都是结构可靠度的有机组成部分。为了照顾传统习惯和实用上的方便，结构设计时不直接按可靠指标β，而是根据两种极限状态的设计要求，采用以荷载代表值、材料设计强度（设计强度等于标准强度除以材料分项系数）、几何参数标准值以及各种分项系数表达的实用表达式进行设计。其中分项系数反映了以β为标志的结构可靠水平。

建筑结构的安全等级
建筑结构设计时，应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，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，如表4－2。建筑物中各类结构构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同，对其中部分结构构件的安全等级可进行调整，但不得低于三级。

荷载的代表值
是结构或构件设计时采用的荷载取值，它包括标准值、准永久值和组合值等。设计时应根据不同极限状态的设计要求来确定采用哪一种荷载值。1．荷载标准值（G↓K、Q↓K）。荷载的基本代表值，是结构设计按各类极限状态设计时所采用的荷载代表值。2．荷载组合值（ψ↓qQ↓x）。是当结构承受两个或两个以上可变荷载时，承载能力极限状态按基本组合设计及正常使用极限状态按短期效应组合设计所采用的荷载代表值。3．荷载准永久值（ψ↓cQ↓K）。是正常使用极限状态长期效应组合设计时所采用的荷载代表值。因此，永久荷载只有标准值作为它的唯一代表值，而可变荷载的代表值则除了标准值外，还有组合值和准永久值。结构自重的标准值，可按设计尺寸与材料的标准容重计算。可变荷载的标准值Q↓K，应根据荷载的观测和试验数据，并考虑工程经验，按设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定，设计时可按《荷载规范》采用。荷载组合值系数ψ↓c应根据两个或两个以上可变荷载在设计基准期内的相遇情况及其组合的最大荷载效应概率分布，并考虑结构构件可靠指标具有一致性的原则确定。一般情况下，当有风荷载参与组合时，ψc取0．6；当没有风荷载参与组合时，ψc取1.0；对于高层建筑和高耸构筑物，其组合中风荷载效应的 Ψ↓c均取1．0；在一般框架、排架结构的简化组合中，当参与组合的可变荷载有两个或两个以上，且其中包括风荷载时，ψ取0．85；其他情况，Ψ均取1． 0。荷载准永久值系数Ψ↓q是荷载准永久值与荷载标准值的比值。荷载准永久值应按在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间T，与设计基准期T的比值确定，比值Tq／T可采用0，5。所以荷载准永久值相当于任意时点荷载概率密度函数50％的分位值。

结构上的作用
各种施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称为结构上的作用。引起结构外加变形或约束变形的原因系指地层、基础沉降、温度变化和焊接等作用。结构上前作用可按下列原则分类：1．按其随时间的变异性和出现的可能性可分为永久作用，如结构自重、土压力、预应力等；可变作用，如楼面活荷载、风、雪荷载、温度等；偶然作用，如地震、爆炸、撞击等。2．按随空间位置的变异分为固定作用，如楼面上的固定设备荷载、构件自重等；可动作用，如楼面上人员荷载、吊车荷载等。3．按结构的反应分为静态作用，如结构自重、楼面活荷重等；动态作用，如地震、吊车荷载及高耸结构上的风荷载等。

结构的作用效应
作用引起的结构或构件的内力和变形即称为结构的作用效应。常见的作用效应有：1．内力。（1）轴向力，即作用引起的结构或构件某一正截面上的法向拉力或压力；（2）剪力，即作用引起的结构或构件某一截面上的切向力；（3）弯矩，即作用引起的结构或构件某一截面上的内力矩；（4）扭矩，即作用引起的结构或构件某一截面上的剪力构成的力偶矩。2．应力。如正应力、剪应力、主应力等。3．位移。作用引起的结构或构件中某点位置改变（线位移）或某线段方向的改变（角位移）。4．挠度。构件轴线或中面上某点在弯短作用平面内垂直于轴线或中面的线位移。5．变形。作用引起的结构或构件中各点间的相对位移。变形分为弹性变形和塑性变形。6．应变：如线应变、剪应变和主应变等。

抗力
结构或构件承受作用效应的能力称为抗力，如强度、刚度和抗裂度等。强度：材料或构件抵抗破坏的能力，其值为在一定的受力状态和工作条件下，材料所能承受的最大应力或构件所能承受的最大内力（承载能力）。刚度：结构或构件抵抗变形的能力，包括构件刚度和截面刚度，按受力状态不同可分为轴向刚度、弯曲刚度、剪变刚度和扭转刚度等。对于构件刚度，其值为施加于构件上的力（力矩）与它引起的线位移（角位移）之比。对于截面刚度，在弹性阶段，其值为材料弹性模量或剪变模量与截面面积或惯性矩的乘积。抗裂度：结构或构件抵抗开裂的能力。

弹性模量（E）、剪变模量（G）、变形模量（Edef）弹性模量：
材料在单向受拉或受压且应力和应变呈线性关系时，截面上正应力与对应的正应变的比值：E：σ／ε。剪变模量：材料在单向受剪且应力和应变呈线性关系时，截面上剪应力与对应的剪应变的比值：G＝τ／γ（τ为剪应力，γ为剪切角）。在弹性变形范围内，G＝E／2（1＋υ）。υ——泊松比，预料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值。如对钢材，＝0．3，算得G＝0．384E；对混凝土，υ＝1／6，则得G＝ 0．425E。变形模量：材料在单向受拉或受压且应力和应变呈非线性（或部分线性和部分非线性）关系时，截面上正应力与对应的正应变的比值。例如混凝土，其应力应变关系只是在快速加荷或应力小于fc／3（fc为混凝土轴心抗压强度）时才接近直线，而一般情况下应力应变为曲线关系。混凝土规范中的Ec是在应力上限为σ：0．5fc反复加荷5～10次后变形趋于稳定，应力应变曲线接近于直线，其斜率即为混凝土的弹性模量Ec。当应力较大时，应力应变曲线上任一点，与原点。的联线oa的斜率称为混凝土的变形模量E＝tga↓1。E′c也称为割线模量。变形模量可用弹性模量表示：E′c＝，Ec。υ为弹性系数，随应力的增大而减小，即变形模量降低。

几个常用几何参数
1．截面面积矩（又叫静矩s）。截面上某一微元面积到截面上某一指定轴线距离的乘积，称为微元面积对指定轴的静矩；而把微元面积与各微元至截面上指定轴线距离乘积的积分称为截面的对指定轴的静矩Sx＝ ydF。2．截面惯性矩（I）。截面各微元面积与各微元至截面某一指定轴线距离二次方乘积的积分Ix＝ y↑2dF。3．截面极惯性矩（Ip）。截面各微元面积与各微元至垂直于截面的某一指定轴线二次方乘积的积分Ip＝ P↑2dF。截面对任意一对互相垂直轴的惯性矩之和，等于截面对该二轴交点的极惯性矩Ip＝Iy＋Iz。4．截面抵抗矩（W）。截面对其形心轴惯性矩与截面上最远点至形心铀距离的比值W2＝ 。5．截面回转半径（i）。截面对其形心轴的惯性矩除以截面面积的商的二次方根。6．弯曲中心。对矩形、I形梁的纵向对称中面施加垂直（或叫横向力）外，对其他截面梁除产生弯曲外，还产生扭转。欲使梁不产生扭转，就必须使外力P在过某一A点的纵向平面内，此A点就称为弯曲中心，即只有当横向力P作用在通过弯曲中心的纵向平面内时，梁才只产生弯曲而不产生扭转。

脆性破坏和延性破坏 脆性破坏：
结构或构件在破坏前无明显变形或其它预兆的破坏类型。延性破坏：结构或构件在破坏前有明显变形或其它预兆的破坏类型。在冲击和振动荷载作用下，要求结构的材料能够吸收较大的能量，同时能产生一定的变形而不致破坏，即要求结构或构件有较好的延性。例如，钢结构材料延性好，可抵抗强烈地震而不倒塌；而砖石结构变形能力差，在强烈地震下容易出现脆性破坏而倒塌。为此，砖石砌体结构房屋需按抗震规范要求设置构造柱和抗震圈梁，约束砌体的变形，以增加其在地震作用下的抗倒塌能力。钢筋混凝土材料具有双重性，如果设计合理，能消除或减少混凝土脆性性质的危害，充分发挥钢筋塑性性能，实现延性结构。为此，抗震的钢筋混凝土结构都要按照延性结构要求进行抗震设计，以达到抗震设防的三水准要求：小震下结构处于弹性状态；中震时，结构可能损坏，但经修理即可继续使用；大震时，结构可能有些破坏，但不致倒塌或危及生命安全。

压杆稳定
细长的受压杆当压力达到一定值时，受压杆可能突然弯曲而破坏，即产生失稳现象。由于受压杆失稳后将丧失继续承受原设计荷载的能力，而失稳现象又常是突然发生的，所以，结构中受压杆件的失稳常造成严重的后果，甚至导致整个结构物的倒塌。工程上出现较大的工程事故中，有相当一部分是因为受压构件失稳所致，因此对受压杆的稳定问题绝不容忽视。所谓压杆的稳定，是指受压杆件其平衡状态的稳定性。当压力P小于某一值时，直线状态的平衡为稳定的，当P大于该值时，便是不稳定的，其界限值P↓（1j）称为临界力。当压杆处于不稳定的平衡状态时，就称为丧失稳定或简称失稳。显然，承载结构中的受压杆件绝对不允许失稳。由于杆端的支承对杆的变形起约束作用，且不同的支承形式对杆件变形的约束作用也不同，因此，同一受压杆当两端的支承情况不同时，其所能受到的临界力值也必然不同。工程中一般根据杆件支承条件用“计算长度”来反映压杆稳定的因素。不同材料的压杆，在不同支承条件下，其承载力的折减系数也不同，所用的名称也不同，例如钢压杆叫长细比，钢筋混凝土柱叫高宽比，砌体墙、柱叫高厚比，但这些都是考虑压杆稳定问题。

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，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态可分为两类：1．承载能力极限状态。结构或结构构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态：（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）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性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）。2．正常使用极限状态。结构或结构构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。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）影响正常使用的其它特定状态。

结构设计方法
结构设计的基本任务，是在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最低的代价，使所建造的结构在规定的条件下和规定的使用期限内，能满足预定的安全性、适用性和耐久性等功能要求。为达到这个目的，人们采用过多种设计方法。以现代观点看，可划分为定值设计法和概率设计法两大类。1．定值设计法。将影响结构可靠度的主要因素（如荷载、材料强度、几何参数、计算公式精度等）看作非随机变量，而且采用以经验为主确定的安全系数来度量结构可靠性的设计方法，即确定性方法。此方法要求任何情况下结构的荷载效应S （内力、变形、裂缝宽度等）不应大于结构抗力R（强度、刚度、抗裂度等），即S≤R。在20世纪70年代中期前，我国和国外主要都采用这种方法。2．概率设计法：将影响结构可靠度的主要因素看作随机变量，而且采用以统计为主确定的失效概率或可靠指标来度量结构可靠性的设计方法，即非确定性方法。此方法要求按概率观念来设计结构，也就是出现结构荷载效应3大于结构抗力R（S＞R）的概率应小于某个可以接受的规定值。这种方法是20世纪40年代提出来的，至 70年代后期在国际上已进入实用阶段。我国自80年代中期，结构设计方法开始由定值法向概率法过渡。

来自：okok

jli

在概率设计中有蒙特卡罗分析、田口法等，随着计算机的性能的提升，概率设计的应用范围会越来越广，iSIGHT软件在可靠性分析中有各种不确定性算法。