1.4 結構設計的基本概念

一幢建筑物或構筑物要建造起來，必須進行結構設計。根據《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB 50068—2001）（以下簡稱《統標》）所確定的原則，結構設計采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法。下面將結構設計方法中涉及的基本概念作一簡單介紹。

1.4.1 設計基準期與設計使用年限

設計基準期是為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數，它不等同于建筑結構的設計使用年限。《統標》所考慮的荷載統計參數，都是按設計基準期為50年確定的，如設計時需采用其他設計基準期，則必須另行確定在設計基準期內最大荷載的概率分布及相應的統計參數。

結構的設計使用年限是設計規定的一個時期，在這一規定時期內，結構或結構構件不需進行大修，即可按預期目的使用，完成預定的功能，即房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和維護下所應達到的使用年限，如達不到這個年限則意味著在設計、施工、使用與維護的某一環節上出現了非正常情況。這里指的“正常維護”包括必要的檢測、防護及維修。設計使用年限是房屋建筑的地基基礎工程和主體結構工程“合理使用年限”的具體化。根據《統標》的規定，結構的設計使用年限應按表1.3采用，如建設單位提出更高要求，也可按建設單位的要求確定。

1.4.2 建筑結構安全等級

建筑物的用途是多種多樣的，其重要程度也各不相同。顯然設計時應當考慮到這種差別。例如，設計一個大型影劇院和設計一個普通倉庫就應有所區別。因為前者一旦發生破壞所引起的生命財產的損失要比后者大得多。因此建筑結構設計時，應根據結構破壞可能產生的后果（如危及人的生命、造成的經濟損失、產生的社會影響等）的嚴重性，采用不同的安全等級。它以結構重要性系數的形式反映在設計表達式中，我國規定的安全等級見表1.4。

表1.4中對安全等級作了原則的規定，設計人員在設計工作中應根據建筑的破壞后果以及工程的具體情況確定所設計的建筑物屬于哪個等級。一般說來，大量的一般建筑物列入中間等級，重要的建筑物提高一級，次要的建筑物降低一級。如影劇院、體育館或高層建筑等人員比較集中且使用頻繁的建筑，一旦發生破壞，會引起生命財產的重大損失，產生重大社會影響，宜按一級進行設計。

同一建筑物內的各種結構構件宜與整個結構采用相同的安全等級，但允許對部分結構構件根據其重要程度和綜合經濟效果進行適當調整。如提高某一結構構件的安全等級所需額外費用很少，又能減輕整個結構的破壞，從而大大減少人員傷亡和財物損失，則可將該結構構件的安全等級比整個結構的安全等級提高一級；相反，如某一結構構件的破壞并不影響整個結構或其他結構構件，則可將其安全等級降低一級。

1.4.3 結構功能要求

任何建筑結構都是為了完成所要求的某些功能設計的。從結構的觀點來考慮，建筑結構應滿足的功能要求可以歸納如下。

1.4.3.1 安全性的要求

即結構應能承受在施工和使用均屬正常的情況下可能出現的各種荷載和變形，在偶然事件發生時及發生后，結構仍能保持必需的整體穩定，不致發生倒塌。

1.4.3.2 適用性要求

即結構在正常使用期間具有良好的工作性能。例如，不發生過大的變形或振幅，以免影響使用；也不發生足以使用戶不安的過寬的裂縫。

1.4.3.3 耐久性的要求

即結構在正常維護下具有足夠的耐久性能。例如，混凝土不發生嚴重的風化、脫落；鋼筋不發生嚴重銹蝕，以免影響結構的使用壽命。

任何結構，隨著使用時間的增加，總會漸漸損壞，或逐漸變得不適用。因此，這里所謂的滿足預定的結構功能的要求，是指在一定的時期內而言的。如前所述，我國目前規定的設計基準期是50年。這一時期的長短與經濟發展的程度有關，經濟越發達，建筑物更新越快，設計基準期就應越短。應當說明，設計基準期并不等同于建筑結構的壽命。超過了設計基準期，建筑物并非一定損壞而不能使用，只是其完成預定功能的能力越來越差了。

良好的設計結構，應能滿足用戶提出的各項要求，結構應安全可靠，有完成預定功能的能力，成本和維修費用低，施工迅速，投資回收快，經濟效益高。一般來說結構的安全和經濟二者之間是有矛盾的，如何設計出既安全又經濟的結構是設計工作者的職責。

為了使設計工作者有章可循，使不同設計部門所設計的相同類型的結構水準不至相差太大，國家建設部門統一制定了各種規范、規程或標準。其中2001年頒布的《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB 50068—2001）作為制定建筑結構各項規范的準則，以使建筑結構的設計得以符合技術先進、經濟合理、安全適用、保證質量的要求，屬于第一層次的規范；第二層次的規范或標準主要有《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）、《建筑結構制圖標準》（GB/T 50105—2010）等；第三層次的規范則主要有《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）、《砌體結構設計規范》（GB 50003—2011），《鋼結構設計規范》（GB 50017—2011）等。進行建筑結構設計時必須遵守這些標準和規范所作的各項規定。

1.4.4 結構的極限狀態

1.4.4.1 極限狀態的概念

要進行結構設計，應先明確結構喪失其完成預定功能的能力標志是什么，并以此標志作為結構設計的一個準則。為此，先闡明極限狀態的概念。

結構從開始承受荷載直至破壞要經歷不同的階段，處于不同的狀態。結構所處的階段或狀態，從不同的角度出發，可以有不同的劃分方法。若從安全可靠的角度出發，可以區分為有效狀態和失效狀態兩類。所謂有效，是指結構能有效地、安全可靠的工作，得以完成預定的各項功能；反之，結構失去預定功能的能力，不能有效的工作，處于失效狀態。這里所謂的失效，不僅包括因強度不足而喪失承受荷載的能力，或是結構發生傾覆、滑移、喪失穩定等情況，而且包括了結構的變形過大、裂縫過寬而不適于繼續使用。這些情況均屬于失效狀態。

有效狀態和失效狀態的分界，稱為極限狀態。極限狀態實質上是一種界線，是從有效狀態轉為失效狀態的分界。超過這一狀態，結構就不能再有效地工作。極限狀態是結構開始失效的標志，結構的設計工作就是以這一狀態為準則進行的，使結構在工作時不致超過這一狀態。《建筑結構設計統一標準》對于極限狀態作了明確的定義，其定義為“整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一功能要求，此特定狀態就稱為該功能的極限狀態”。

1.4.4.2 極限狀態的分類

根據結構的功能要求的不同，極限狀態可分為兩類。

1.承載能力極限狀態

承載能力極限狀態是結構或構件達到了最大的承載能力（或極限強度）時的極限狀態，超過了這一極限狀態后，結構或構件就不能滿足預定的安全性的要求。如混凝土柱被壓壞、梁發生斷裂等。每一結構或構件均需按承載能力極限狀態進行設計和計算，必要時還應作傾覆和滑移驗算。

2.正常使用極限狀態

正常使用極限狀態是結構或構件達到了不能正常使用的極限狀態，超過了這一極限狀態后，結構或構件就不能完成對其所提出的適用性或耐久性的要求。如梁發生了過大的變形，或裂縫太大，或在不能出現裂縫的構筑物中（如水池）產生裂縫等。構件在按承載能力極限狀態進行設計后，還需按正常使用極限狀態進行驗算，以確定構件在滿足承載力要求的同時，是否也能滿足正常使用時的一些限值規定。

1.4.5 荷載與作用

結構設計中的一項重要工作就是確定在結構上的荷載的類型和大小。荷載的類型和大小直接影響到設計的結果。

在結構上各種集中力或分布力的集合，或者引起結構外加變形（由于基礎不均勻沉陷、地震等原因，使結構被強制地產生的變形）或約束變形（由于混凝土收縮、鋼材焊接、大氣溫度變化等原因使結構材料發生膨脹或收縮等變化，受到結構的支座或節點的約束而使結構間接地產生的變形）的原因，均稱結構上的作用。前者為直接作用，后者為間接作用。作用使結構產生壓力、拉力、剪力、彎矩、扭矩等和線位移、角位移、裂縫等的結構效應。

長期以來工程界習慣上將施加在工程結構上使工程結構或構件產生效應的各種直接作用稱為荷載，例如恒載、樓面活荷載、車輛荷載、雪荷載、風荷載、吊車荷載、屋面積灰荷載、波浪荷載等。

下面簡單介紹荷載的分類和荷載的標準值。

1.4.5.1 荷載的分類

結構上的荷載，按其隨時間的變異性和出現的可能性，分為永久荷載、可變荷載及偶然荷載。

1.永久荷載

也稱恒載，是施加在工程結構上不變的（或其變化與平均值相比可以忽略不計的）荷載。如結構自重、外加永久性的承重、非承重結構構件和建筑裝飾構件的重量、土壓力等。因為恒載在整個使用期內總是持續地施加在結構上，所以設計結構時，必須考慮它的長期效應。結構自重，一般根據結構的幾何尺寸和材料容重的標準值（也稱名義值）確定。

2.可變荷載

也稱活荷載，是施加在結構上的由人群、物料和交通工具引起的使用或占用荷載和自然產生的自然荷載。在結構使用期間，其值隨時間而變化，且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載。如工業建筑樓面活荷載、民用建筑樓面活荷載、屋面活荷載、屋面積灰荷載、車輛荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載、裹冰荷載、波浪荷載等。

3.偶然荷載

此類荷載在結構使用期間不一定出現，但一旦出現，其值很大且持續時間較短，如爆炸力、地震力等。

1.4.5.2 荷載標準值

荷載標準值是結構設計時采用的荷載基本代表值，也就是在荷載規范中所列的各項標準荷載。標準荷載在概念上一般是指結構或構件在正常使用條件下可能出現的最大荷載值，因此它應高于經常出現的荷載值。用統計的觀點，荷載的標準值是在所規定的設計基準期內，其超越概率小于某一規定值的荷載值，也稱特征值，是工程設計可以接受的最大值。在某些情況下，一個荷載可以有上限和下限兩個標準值。當荷載減小對結構產生更危險的效應時，應取用較不利的下限值作為標準值；反之，當荷載增加使結構產生更危險的效應時，則取上限值作為標準值。又如各種活荷載，當有足夠的觀測資料時，則應按上述標準值的定義統計確定；當無足夠的觀測資料時，荷載的標準值可結合設計經驗，根據上述的概念協議確定。

1.4.6 結構構件的承載力

結構設計中另一個要解決的問題是確定構件的承載力，亦即其能承受外加荷載的能力。影響承載力大小的主要因素是構件尺寸和材料強度。結構的尺寸的偏差以及計算模式的精確性亦對承載力有影響。

現在談談材料的強度問題。鋼筋混凝土結構所采用的建筑材料主要是鋼筋和混凝土。鋼筋和混凝土強度的大小，亦具有不定性，或稱變異性。即使是同一種鋼材或同一配合比的混凝土，當取不同試樣進行試驗時，所得試驗結果也不會完全相同，總會有一定的分散性。因此，鋼筋和混凝土的強度均應看做是隨機變量，需要數理統計的方法來確定具有一定保證率的材料強度值。

1.4.7 結構的可靠度與可靠性

當荷載的大小和構件的承載力都確定之后，剩下的問題是如何使所設計的結構構件能滿足預定的功能要求。結構設計的目的是用最經濟的方法設計出足夠安全可靠的結構。提到安全，人們往往以為只要把結構構件的承載力降低某一倍數，即除以大于1的某個安全系數，使結構具有一定得安全儲備，足以承擔所承受的荷載，結構便安全了。實際上，這種概念并不正確。因為這樣的安全系數并不能真正反映結構是否安全，而超過了上述限值，結構也不一定就不安全。此外，安全系數的確定帶有主觀的成分在內，定得過低，難免不安全；定得過高，又將偏于保守，造成不必要的浪費。

實際上，所謂安全可靠，其概念是屬于概率的范疇的。例如，當人們跨越車輛較少的街道時，并不感到緊張，具有安全感。但當跨越交通擁擠，事故多發的街道時，就會感到不安全，原因是發生交通事故的可能性（亦即概率）增加了。可見交通安全與否取決于發生事故的概率的大小。

建筑結構的安全可靠性，情況與此相同。結構的安全可靠與否，應當用結構完成其預定功能的可能性（概率）的大小來衡量，而不是用一個絕對的、不變的標準來衡量。沒有絕對安全可靠的結構。當結構完成其預定功能的概率達到一定的程度，或不能完成其預定功能的概率（亦稱失效概率）小到某一公認的、大家可以接受的程度，就認為該結構是安全可靠的，其可靠性滿足要求。

這樣一來結構可靠性可定義為：結構在規定的時間內、在規定的條件下、完成預定功能的能力。而為了定量描述結構的可靠性，需引入可靠度的概念。《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB 50068—2001）給出結構可靠度的定義為：結構在規定的時間內、在規定的條件下，完成預定功能的概率。因此，結構的可靠性是用結構完成預定功能的概率的大小來定量描述的。可靠度是可靠性的概率的度量。上述定義中所謂的規定時間，即指上文提到過的設計基準期（50年），所有的統計分析均應該以該時間區間為準；所謂的規定條件，是指設計、施工、使用、維護均屬正常的情況，不包括非正常的情況，例如人為的錯誤等。

1.4.8 規范對結構設計的規定

《建筑結構可靠度設計標準》（GB 50068—2001）規定：“結構在規定的設計使用年限內應具有足夠的可靠度。結構的可靠度可采用以概率論為基礎的極限狀態設計方法分析確定。”結構在規定的設計使用年限內必須滿足以下功能要求：

（1）在正常施工和正常使用時，能承受可能出現的各種作用。

（2）在正常使用時具有良好的工作性能。

（3）在正常維護下具有足夠的耐久性能。

（4）在設計規定的偶然事件發生時及發生后，仍然能保持必需的整體穩定性。

在這四項預定功能中，（1）和（4）是安全性；（2）是適用性；（3）是耐久性。“安全、使用、耐久”三者缺一不可，但安全第一。

結構的失效，意味著結構或屬于它的構件不能滿足上述某一預定功能要求。結構的失效有下列幾種現象：

（1）破壞指結構或構件截面抵抗作用力的能力不足以承受作用效應的現象。如拉斷、壓碎、彎折等。

（2）失穩指結構或構件因長細比（如構件長度和截面邊長之比）過大而在不大的作用力下突然發生作用力平面外的極大變形的現象，如柱子的壓屈、梁在平面外的扭曲等。

（3）發生影響正常作用的變形指樓板、梁的過大撓度或過寬裂縫；柱、墻的過大側移；結構有過大的傾斜或過大的沉陷；人在室內有搖晃的感覺等。

（4）傾覆或滑移指整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡而傾倒或滑移的現象。

（5）結構所用材料喪失耐久性指鋼材生銹、混凝土受腐蝕、磚遭凍融、木材被蟲蛀蝕等化學、物理、生物現象。

1.4.9 建筑抗震設防

1.建筑物重要性分類

根據建筑物在地震發生后在政治、經濟和社會上的影響大小分為甲類、乙類、丙類、丁類四個抗震設防類別。

（1）甲類建筑。甲類建筑屬于重大建筑工程和地震時可能發生嚴重次生災害的建筑。地震作用應高于本地區抗震設防烈度的要求，其值應按國家規定的批準權限批準的地震安全性評價結果確定；抗震措施，當抗震設防烈度為6～8度時，應符合本地區抗震設防烈度提高一度的要求，當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求。

（2）乙類建筑。國家重點抗震城市的生命線工程的建筑或其他重要建筑。這類建筑主要是使用功能不能中斷或需要盡快恢復、及地震破壞會造成社會重大影響和國民經濟重大損失的建筑。包括醫療、廣播、通信、交通、供水、供電、供氣、消防、糧食等。這類建筑地震作用按本地區抗震設防烈度計算；抗震措施，當設防烈度為6～8度時，應提高一度設計；當為9度時應采取比9度設防時更高的抗震措施。

對較小的乙類建筑，當其結構改用抗震性能較好的結構類型時，應允許仍按本地區抗震設防烈度的要求采取抗震措施。

（3）丙類建筑。甲、乙、丁類以外的建筑，為大量的一般工業與民用建筑，抗震設計和抗震措施均按當地的設防烈度考慮。

（4）丁類建筑。次要建筑，一般指地震破壞或倒塌不易造成人員傷亡和較大經濟損失的建筑。如儲存價值低的物品或人員活動少的單層倉庫建筑。抗震計算按當地的設防烈度，抗震措施則降低一度考慮，但6度時不應降低。

2.抗震設防目標

抗震設防簡單地說，就是在工程建設時設立防御地震災害的措施。抗震設防通常通過三個環節來達到：確定抗震設防要求，即確定建筑物必須達到的抗御地震災害的能力；抗震設計，采取基礎、結構等抗震措施，達到抗震設防要求；抗震施工，嚴格按照抗震設計施工，保證建筑質量。上述三個環節是相輔相成密不可分的，都必須認真進行。

抗震設計要達到的目標是在不同頻數和強度的地震時，要求建筑具有不同的抵抗能力，對一般較小的地震，發生的可能性大，故又稱多遇地震，這時要求結構不受損壞，在技術上和經濟上都可以做到；而對于罕遇的強烈地震，由于發生的可能性小，但地震作用大，在此強震作用下要保證結構完全不損壞，技術難度大，經濟投入也大，是不合算的，這時若允許有所損壞，但不倒塌，則將是經濟合理的。我國抗震規范根據這些原則提出了“三個水準”的抗震設防目標。

第一水準：當遭受低于本地區設防烈度的多遇地震影響時，—般不受損壞或不需修理仍可繼續使用。

第二水準：當遭受本地區設防烈度的地震影響時，可能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續使用。

第三水準：當遭受到高于本地區設防烈度的罕遇地震（大震）時，建筑不致倒塌或危及生命財產的嚴重破壞。

通常將其概括為：“小震不壞，中震可修、大震不倒。”

在抗震設計時，為滿足上述三水準的目標采用兩個階段設計法。