第一节建筑结构设计方法
应用我国现行设计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、建筑结构基本功能
结构在规定的时间(设计使用年限)，在规定的条件下(正常设计、施工、使用、维修)必须保证完成预定的功能，这些功能包括：
(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。并且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。
结构在正常维护条件应能在规定的设计使用年限满足安全、实用性的要求。
上述对结构安全性、适用性、耐久性的要求总称为结构的可靠性。结构的可靠性的概率度量称为结构的可靠度。也就是说，可靠度是指在规定的时间内和规定的条件下，结构完成预定功能的概率。
结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修，即可按预定目的使用的时期，我国现行规范规定的设计使用年限应按表11-1采用。
由此可见，我国通常的建筑结构设计的使用年限是50年。对于按照我国现行设计规范选用的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则称为设计基准期。它不等同于建筑结构的设计使用年限。《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50086-2001)规定的设计基准期为50年。相应的《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)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。
二、结构功能的极限状态与设计状况
区分结构是否可靠与失效，其分解标志就是极限状态。当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。极限状态可分为两类：
1.承载能力极限状态
当结构或结构构件达到最大承载能力，或产生了不适于继续承载的变形时，即认为超过了承载能力极限状态。例如：
(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)。
事实上，承载能力极限状态就是结构或结构构件发挥最大承载能力的状态。
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的状态。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。
在建筑结构设计时，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，如结构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限状态设计;而对于短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。
一、结构上的作用、作用效应和结构抗力
结构产生各种效应的原因，统称为结构上的作用。结构上的作用包括直接作用和间接作用。直接作用指的是施加在结构上的集中力或分布力，例如结构白重、楼画活荷载和没备自重等。直接作用的计算一般比较简单，引起的效应比较直观。间接作用指的是引起结构外加变形或约束变形的作用，例如温度的变化、混凝土的收缩或徐变、地基的变形、焊接变形和地震等，这类作用不是以直接施加在结构上的形式出现的，但同样引起结构产生效应。间接作用的计算和引起的效应一般比较复杂，例如地震会引起建筑物产生裂缝、倾斜下沉以至倒塌，但这些破坏效应不仅仅与地震震级、烈度有关，还与建筑物所在场地的地基条件、建筑物的基础类型和上部结构体系有关。
过去习惯上将上述两类不同性质的作用统称为荷载。例如将温度变化称为温度荷载，将地震作用称为地震荷载等，这样就混淆了两类不同性质的作用，特别是对间接作用的复杂性认识不足。
根据目前结构理论发展水平以及现有规范颁布的现状，对直接作用在结构上的荷载可按《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)(以下简称《荷载规范》)的规定采用，对间接作用，除了对地震作用按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)(以下简称《抗震规范》)的规定采用外，其余的间接作用暂时还未制定相应的规范。
考虑到广大设计人员的现状及习惯上的衔接，目前还未将两类作用严格划分，而将其简称为荷载。
作用在结构上的直接作用或间接作用，将引起结构或结构构件产生内力(如轴力、弯矩、剪力、扭矩等)和变形(如挠度、转角、侧移、裂缝等)，这些内力和变形总称为作用效应，其中由直接作用产生的作用效应称为荷载效应。
结构或结构构件承受内力和变形的能力，称为结构的抗力，如构件的承载能力、刚度的大小、抗裂缝的能力等。结构抗力与结构构件的截面形式、截面尺寸及材料强度等级等因素有关。
二、荷载的分类
荷载是一个不确定的随机变量。在《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068一2001》(以下简称《统一标准》)中，规定设计基准期为50年，在这段期间内，荷载不仅在量值上是变化的，并且，作用在结构上的时间持续性也是变化的。因此在《荷载规范》中，将荷载按以下原则进行了分类。
1.按随时间变异分类
(1)永久荷载(亦称恒载)。在设计基准期内，其量值不随时间变化，或即使有变化，其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载。如结构的自重、土压力、预应力等。
(2)可变荷载(亦称活载)。在设计基准期内，其量值随时间变化，且其变化值与平均值相比不能忽略的荷载。如楼(屋)面活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。
(3)偶然荷载。在设计基准期内，可能出现，也可能不出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载。如地震、爆炸力、撞击力等。
2.按随空间位置的变异分类
(1)固定荷载。在结构空间位置上具有固定分布的荷载。如结构自重、楼面上的固定设备荷载等。
(2)自由荷载。在结构上的一定范围内可以任意分布的荷载。如民用建筑楼面上的活荷载、工业建筑中的吊车荷载等。
3.按结构的动力反应分类
(1)静态荷载。对结构或结构构件不产生加速度或产生的加速度很小可以忽略不计。如结构的自重、楼面的活荷载等。
(2)动态荷载。对结构或构件产生不可忽略的加速度。如吊车荷载、地震作用、作用在高层建筑上的风荷载等。
三、荷载的代表值
设计中用来验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。
1.荷载标准值
荷载标准值是指在结构的设计基准期内，在正常情况下可能出现的最大荷载值，例如在《荷载规范》中，住宅楼面的均布活荷载规定为2.0kN/㎡。
对于永久荷载的标准值，是按结构构件的尺寸(如梁、柱的断面)与构件采用材料的重度的标准值(如梁、柱材料为钢筋混凝土，则其重度的标准值一般取25kN/m3)来确定的数值。对常用材料重度，可按《荷载规范》附录A采用。
对于可变荷载的标准值，则由设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位数来确定，一般取具有95%保证率的上分位值，但对许多还缺少研究的可变荷载，通常还是沿用传统的经验数值。对可变荷载的标准值，可按《荷载规范》的规定采用。
2.荷载组合值
当结构上作用两种或两种以上的可变荷载时，考虑到其同时达到最大值的可能性较少，因此，在按承载能力极限状态设计或按正常使用极限状态的短期效应组合设计时，应采用荷载的组合值作为可变荷载的代表值。
可变荷载的组合值，为可变荷载乘以荷载组合值系数。组合值系数见《荷载规范》表4.1.1。
3.荷载频遇值
对变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。
可变荷载频遇值应取可变荷载标准值乘以荷载频遇值系数。荷载频遇值系数见《荷载规范》表4.1.1。
4.荷载准永久值
对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。
作用在建筑物上的可变荷载(如住宅楼面上的均布活荷载为2.0kN/㎡)，其中有部分是长期作用在—上面的(可以理解为在设计基准期50年内，不少于25年)，而另一部分则是不出现的。因此，我们也可以把长期作用在结构物上面的那部分可变荷载看作是永久活载来对待。可变荷载的准永久值，为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数φq也就是说，准永久值系数φq，为荷载准永久值与荷载标准值的比值，其值恒小于1.0。
在荷载规范中，规定了各种不同建筑楼面上均布活荷载的准永久值系数φq，如对住宅楼面的均布活荷载，其准永久值系数φq=0.4，而对书库、档案库则φq=0.8，这表示了对不同用途的建筑物，其准永久值系数φq是不同的。φq的大小表示了均布活荷载数值变动的大小，φq大表示变动较小，φq小则表示变动大。如住宅楼面的均布活荷载标准值为2.0kN/㎡，准永久值系数φq=0.4，因此，荷载准永久值为2.0×0.4=0.8kN/㎡;而对一般书库、档案库楼面均布活荷载为5.0kN/㎡，准永久值系数φq=0.8，因此荷载准永久值为5.0×0.8=4.0kN/㎡。
四、荷载分项系数与荷载设计值
1.荷载分项系数
荷载分项系数是在设计计算中，反映了荷载的不确定性并与结构可靠度概念相关联的一个数值。对永久荷载和可变荷载，规定了不同的分项系数。
(1)永久荷载分项系数γG：当永久荷载对结构产生的效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合取γG=1.2;对由永久荷载效应控制的组合，取γG=1.35。当产生的效应对结构有利时，—般情况下取γG=1.0;当验算倾覆、滑移或漂浮时，取γG=0.9;对其余某些特殊情况，应按有关规范采用。
(2)可变荷载分项系数γQ：—般情况下取γQ=1.4;但对工业房屋的楼面结构，当其活荷载标准值>4kN/㎡时，考虑到活荷载数值已较大，则取γQ=1.3。
2.荷载设计值
荷载设计值等于荷载代表值乘以荷载分项系数。按承载能力极限状态计算荷载效应时，需考虑荷载分项系数;按正常使用极限状态计算荷载效应时(不管是考虑荷载的短期效应组合还是长期效应组合)，由于对正常使用极限状态的可靠度比对承载能力极限状态的可靠度要求可以适当放松，因此可以不考虑分项系数，即分项系数：1.0。
五、材料强度指标的取值
1.强度标准值
材料强度标准值为结构设计时采用的材料性能的基本代表值，具有95%的保证率。
2.材料分项系数
材料强度分项系数是在按承载能力极限状态设计时，按可靠度指标[β]在计算中所采用的系数值。在我国规范中，通过[β]值及材料、几何参数、荷载基本参量，求出各种结构用的材料分项系数。对混凝土，材料分项系数取γC=4;对HRB335、HR400、
RRB400级钢筋，取γC=10。
3.材料强度设计值
指材料强度标准值除以材料分项系数值后的值。
在承载能力极限状态设计中，采用材料强度设计值。
第三节荷载的标准值
(一)民用建筑楼面均布活荷载
1.楼面活荷载是房屋结构设计中的主要荷载。
《荷载规范》规定的民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值、准永久值系数如表1-2所列。
注：①本表所给各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载较大或情况特殊时，应按实际情况采用。
②第6项书库活荷载当书架高度大于2m时，书库活荷载尚应按每米书架高度不小于2.5KN/m2确定。
③第8项中的客车活荷载只适用于停放载人少于9人的客车;消防车活荷载是适用于满载总重为300KN的大型车辆;当不符合本表的要求时，应将车轮的局部荷载按结构效应的等效原则，换算为等效均布荷载。
④第11项楼梯活荷载，对预制楼梯踏步平板，尚应按1.5kN集中荷载验算。
⑤本表各项荷载不包括隔墙自重和二次装修荷载。对固定隔墙的自重应按恒荷载考虑，当隔墙位置可灵活自由布置时，非固定隔墙的白重应取每延米长墙重(kN/m)的1/3作为楼面活荷载的附加值(kN/㎡)计人，附加值不小于1.0kN/㎡。
2.设计楼面梁、墙、柱及基础时，表1-2中的楼面活荷载标准值在下列情况下应乘以规定的折减系数。
(1)设计楼面梁时的折减系数：
1)第1(1)项当楼面梁从属面积超过25m2时，应取0.9;
2)第1(2)-7项当楼面梁从属面积超过50m2时，应取0.9;
3)第8项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8;
对单向板楼盖的主梁应取0.6;
对双向板楼盖的梁应取0.8;
4)第9—12项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。
(2)设计墙、柱和基础时的折减系数
1)第1(1)项应按表11-5规定采用;
2)第1(2)-7项应采用与其楼面梁相同的折减系数;
3)第8项对单向板楼盖应取0.5;
对双向板楼盖和无梁楼盖应取0.8;
4)第9-12项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。
注：楼面梁的从属面积应按梁两侧各延伸二分之一梁间距的范围内的实际面积确定。
二、民用建筑屋面均布活荷载
房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载，应按表1-4采用。
屋面均布活荷载，不应与雪荷载同时组合。
屋面均布活荷载表1-4
注：①不上人的屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用;对不同结构应按有关设计规范的规定，将标准值作0.2kN/㎡的增减。
②上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用。
③对于因屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加以防止;必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载。
④屋面花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。
直升机停机坪荷载应根据直升机总重按局部荷载考虑，同时其等效均布荷载不低于0.5KN/m2。
局部荷载应按直升机实际最大起飞重量确定，当没有机型技术资料时，一般可依据轻、中、重三种类型的不同要求，按下述规定选用局部荷载标准值及作用面积：
轻型，最大起飞重量2t，局部荷载标准值取20kN，作用面积0.20m×0.20m;
中型，最大起飞重量4t，局部荷载标准值取40kN，作用面积0.25m×0.25m;
重型，最大起飞重量6t，局部荷载标准值取60kN，作用面积0.30m×0.30m;
荷载的组合值系数应取0.7，频遇值系数应取0.6，准永久值系数应取0。
三、施工和检修荷载及栏杆水平荷载
1.设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨篷和预制小梁时，施工或检修集中荷载(人和小工具的自重)应取1.0kN，并应在最不利位置处进行验算。
注：①对于轻型构件或较宽构件，当施工荷载超过上述荷载时，应按实际情况验算，或采用加垫板、支撑等临时设施承受。
②当计算挑檐、雨篷承载力时，应沿板宽每隔1.0m取一个集中荷载;在验算挑檐、雨篷倾覆时，应沿板宽每隔2.5～3.0m取一个集中荷载。
2，楼梯、看台、阳台和上人屋面等的栏杆顶部水平荷载，应按下列规定采用：
(1)住宅、宿舍、办公楼、旅馆、医院、托儿所，幼儿园，应取0.5kN/m;
(2)学校、食堂、剧场、电影院、车站、礼堂、展览馆或体育场，应取1.0kN/m。
3.当采用荷载准永久组合时，可不考虑施工和检修荷载及栏杆水平荷载。
四、雪荷载
雪荷载是房屋屋面结构的主要荷载之一。在寒冷地区的大跨度结构和轻型结构，对雪荷载更为敏感。
雪在屋面上的积存对结构产生的作用，与当地的地面积雪大小及气候条件等密切相关。
1.雪荷载标准值及基本雪压
《荷载规范》规定，屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：
式中sk——雪荷载标准值，kN/㎡;
μr——屋面积雪分布系数;
s0——基本雪压，kiN/㎡。
基本雪压系以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪的自重确定。
基本雪压应按《荷载规范》全国基本雪压分布图的规定采用。山区的基本雪压，当无实测资料时，可按当地空旷平坦地面的基本雪压值乘以1.2采用。
全国基本雪压标准值范围为0～1.0kN/㎡。
雪荷载的组合值系数可取0.7;频遇值系数可取0.6;准永久值系数应按雪荷载分区I、Ⅱ和Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0;雪荷载分区按《荷载规范》的规定采用。
2.屋面积雪分布系数
屋面积雪分布系数实际上就是将地面基本雪压换算为屋面雪荷载的换算系数，它与屋面形式、朝向及风力等因素有关。
《荷载规范》规定的屋面积雪分布系数，应根据不同类别的屋面形式，按表1-5采用。
设计建筑结构及屋面的承重构件时，可按下列规定考虑积雪的分布情况：屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况考虑;屋架可分别按积雪全跨均匀分布情况，不均匀分布情况和半跨均匀分布的情况考虑;框架和柱可按全跨均匀分布情况考虑。
五、风荷载
风荷载是建筑结构上的一种主要的直接作用，对高层建筑尤为重要。
风压随高度而增大，且与地面的粗糙度有关;建筑物体型与尺寸不同，作用在建筑物表画上的实际风压力(或吸力)不同;风压不是静态压力，实际上是脉动风压，对于高宽比较大的房屋结构，应考虑风的动力效应。
1.风荷载标准值及基本风压
垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：
(1)当计算主要承重结构时
式中Wk——风荷载标准值(kN/㎡);
βz——高度z处的风振系数;
μS——风荷载体型系数;
μZ——风压高度变化系数;
ω0——基本风压(kN/n/)。
(2)当计算围护结构时
式中βgz——高度z处的阵风系数。
基本风压应按《荷载规范》附录D.4中附表D.4给出的50年一遇的风压采用，但不得小于0.3kN/㎡：，
全国基本风压标准值范围为0.3～0.9kN/㎡。
对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。
2.地面粗糙度与风压高度变化系数μZ
对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表1-6确定。
地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：
(1)A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;
(2)B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区;
(3)C类指有密集建筑群的城市市区;
(4)D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
1)当地面粗糙度类别相同时，离地面越高，μZ值越大，但当达到一定高度后，μZ越接近以至相同;
2)对同一高度，μZ则A区>B区>C区>D区，但当≥450m后，其值相同;
3)表中μZ变化为从0.62至3.12，当离地面5～lOm高，B类时，μZ=1.0。
3.风荷载体型系数μS
风速只是代表在自由气流中各点的风速。气流以不同形式在房屋表面绕过，房屋对气流形成某种干扰，因此房屋设计时不能直接以自由气流的风速作为结构荷载。
风压在建筑物各表面上的分布是不均匀的，设计上取其平均值采用。
一般地，在房屋的迎风墙面上，墙面受正风压(压力);在背风墙面上受负风压(吸力);在侧墙面上受负风压;在屋面上，因屋面形状的不同，风压可表现为正风压或负风压。
《荷载规范》规定的房屋风荷载体型系数可按表1-7采用。
注：①表图中符号→表示风向;+表示压力;—表示吸力。
2表中的系数未考虑邻近建筑群体的影响。
表1-7中未列入的房屋类别，详见《荷载规范》。
4.风振系数βZ
《荷载规范》规定，对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔建筑，均应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。
顺风向风振系数值大于1。其值与脉动增大系数、脉动影响系数、振型系数有关。其值计算详见《荷载规范》的规定。
(六)常用材料和构件自重
常用材料和构件自重见表1—8。
表1-11
注：①以上材料自重单位，自第1～44项为kN/m3，第45~69项为kN/㎡。
②以上常用材料自重中，应熟记下列材料自重值：
钢筋混凝土25kN/m3;
钢78.5kN/m3;
砖砌体18~20kN/m3;
木材(由于树种和含水率不同差别较大，可以榆、松、水曲柳为例)7kN/m3;
