「一建实务」结构设计与构造

（文整理/cc）

1A412000结构设计与构造

1A412010 结构可靠性要求

1A412011 结构工程的安全性

一、结构的功能要求

结构设计的主要目的

保证所建造的结构安全适用，能在规定的期限内满足各种预期的功能要求，并且要经济合理。

结构应具三项功能（概括称为结构的可靠性）：

(1) 安全性

在正常施工和正常使用的条件下，结构应能承受可能出现的各种荷载作用和变形而不发生破坏；在偶然事件发生后，结构仍能保持必要的整体稳定性。

如，厂房结构平时受自重、吊车、风和积雪等荷载作用时，均应坚固不坏，而在遇到强烈地震、爆炸等偶然事件时，容许有局部的损伤，但应保持结构的整体稳定而不发生倒塌。

(2) 适用性

在正常使用时，结构应具有良好的工作性能。

如吊车梁变形过大会使吊车无法正常运行，水池出现裂缝便不能蓄水等，都影响正常使用，需要对变形、裂缝等进行必要的控制。

(3) 耐久性

在正常维护的条件下，结构应能在预计的使用年限内满足各项功能要求（应具有足够的耐久性）。

如，不致因混凝土的老化、腐蚀或钢筋的锈蚀等影响结构的使用寿命。

二、两种极限状态

我国的设计是基于极限状态的设计。

极限状态通常可分为两类：承载能力极限状态与正常使用极限状态。

承载能力极限状态是对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形，它包括结构构件或连接因超过承载能力而破坏，结构或其一部分作为刚体而失去平衡（如倾覆、滑移），以及在反复荷载作用下构件或连接发生疲劳破坏等。这一极限状态关系到结构全部或部分的破坏或倒塌，会导致人员的伤亡或严重的经济损失，所以对所有结构和构件都必须按承载能力极限状态进行计算，施工时应严格保证施工质量，以满足结构的安全性。

三、杆件的受力形式

按其变形特点可归纳为五种：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转

实际结构中的构件往往是几种受力形式的组合，如梁承受弯曲与剪力，柱子受到压力与弯矩等。

四、材料强度的基本概念

结构杆件所用材料在规定的荷载作用下，材料发生破坏时的应力称为强度

要求不破坏的要求，称为强度要求

根据外力作用方式不同，材料有抗拉、抗压、抗剪强度等。

对有屈服点的钢材还有屈服强度和极限强度的区别。

在相同条件下，材料的强度高，则结构杆件的承载力也高。

五、杆件稳定的基本概念

在工程结构中，受压杆件如果比较细长，受力达到一定的数值（这时一般未达到强度破坏）时，杆件突然发生弯曲，以致引起整个结构的破坏，这种现象称为失稳，因此，受压杆件要有稳定的要求。

1A412012 结构工程的适用性

一、建筑结构的适用性

建筑结构除了要保证安全外，还应满足适用性的要求，在设计中称为正常使用极限状态。

这种极限状态相应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定的限值，它包括构件在正常使用条件下产生过度变形，导致影响正常使用或建筑外观；构件过早产生裂缝或裂缝发展过宽；在动力荷载作用下结构或构件产生过大的振幅等。超过这种极限状态会使结构不能正常工作，影响结构的耐久性。

二、 杆件刚度与梁的位移计算

结构杆件在规定的荷载作用下，虽有足够的强度，但其变形也不能过大，如果变形超过了允许的范围，会影响正常的使用。限制过大变形的要求即为刚度要求，或称为正常使用下的极限状态要求。

梁的变形主要是弯矩引起的，叫弯曲变形。剪力所引起的变形很小，可以忽略不计。

通常我们都是计算梁的最大变形，如图所示

影响位移因素（4个）

（1）荷载大小

（2）材料性能：与材料的弹性模量 E 成反比。

（3）构件的截面：与截面的惯性矩 I 成反比，如矩形截面梁，其截面惯性矩 。

（4）构件的跨度（影响最大）：与跨度 l 的 4 次方成正比。

三、混凝土结构的裂缝控制

裂缝控制主要针对混凝土梁（受弯构件）及受拉构件，裂缝控制分为三个等级：

（1）构件不出现拉应力。

（2）构件虽有拉应力，但不超过混凝土的抗拉强度。

（3）允许出现裂缝，但裂缝宽度不超过允许值。

对（1）（2）等级的混凝土构件，一般只有预应力构件才能达到。

1A412013 结构工程的耐久性

含义

指结构在规定的工作环境中，在预期的使用年限内，在正常维护条件下不需进行大修就能完成预定功能的能力。

二、结构设计使用年限

设计使用年限是设计规定的一个时期，在这一时期内，只需正常维修（不需大修）就能完成预定功能，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。

三、混凝土结构耐久性的环境类别

在不同环境中，混凝土的劣化与损伤速度是不一样的，因此应针对不同的环境提出不同要求。根据《混凝土结构耐久性设计标准》GB/T 50476—2019 规定，结构所处环境按其对钢筋和混凝土材料的腐蚀机理，可分为如下五类

四、混凝土结构环境作用等级

环境对配筋混凝土结构的作用程度

当结构构件受到多种环境类别共同作用时，应分别满足每种环境类别单独作用下的耐久性要求。

五、混凝土结构耐久性的要求

1.混凝土最低强度等级

结构构件的混凝土强度等级应同时满足耐久性和承载能力的要求，故《混凝土结构耐久性设计标准》GB/T 50476—2019 中对配筋混凝土结构满足耐久性要求的混凝土最低强度等级作出了相应规定

2.一般环境中混凝土材料与钢筋最小保护层

一般环境中的配筋混凝土结构构件，其普通钢筋的保护层最小厚度与相应的混凝土强度等级、最大水胶比应符合表 1A412013-5 的要求。

大截面混凝土墩柱在加大钢筋混凝土保护层厚度的前提下，其混凝土强度等级可低于表1A412013-5 的要求，但降低幅度不应超过两个强度等级，且设计使用年限为 100 年和 50 年的构件，其强度等级不应低于 C25 和 C20。

注：

1. I-A 环境中使用年限低于 100 年的板、墙，当混凝土骨料最大公称粒径不大于 15mm时，保护层最小厚度可降为 15mm，但最大水胶比不应大于 0.55;

2. 年平均气温大于 20℃且年平均湿度大于 75%的环境，除 I-A 环境中的板、墙构件外，混凝土最低强度等级应比表中规定提高一级，或将保护层最小厚度增大 5mm;

3. 直接接触土体浇筑的构件，其混凝土保护层厚度不应小于 70mm;有混凝土垫层时，可按表1A412013-输定；

4. 处于流动水中或同时受水中泥沙冲刷的构件，其保护层厚度宜增加 10～20mm;

5. 预制构件的保护层厚度可比表中规定减少 5mm;

6. 当胶凝材料中粉煤灰和矿渣等掺量小于 20%时，表中水胶比低于 0.45 的，可适当增加当采用的混凝土强度等级比表 1A412013-5 的规定低一个等级时，混凝土保护层厚度应增加5mm；当低两个等级时，混凝土保护层厚度应增加10mm。

具有连续密封套管的后张预应力钢筋，其混凝土保护层厚度可与普通钢筋相同且不应小于孔道直径的 1/2，否则应比普通钢筋增加 10mm。

先张法构件中预应力钢筋在全预应力状态下的保护层厚度可与普通钢筋相同，否则应比普通钢筋增加 10mm。

直径大于 16mm 的热轧预应力钢筋保护层厚度可与普通钢筋相同。

1A412020 结构设计

1A412021 常用建筑结构体系和应用

一、混合结构体系

一般是指楼盖和屋盖采用钢筋混凝土或钢木结构，而墙和柱采用砌体结构建造的房屋，大多用在住宅、办公楼、教学楼建筑中

二、框架结构体系

利用梁、柱组成的纵、横两个方向的框架形成的结构体系。

三、框架-剪力墙结构

可以适用于不超过 170m 高的建筑。

在一般情况下，整个建筑的全部剪力墙至少承受 80%的水平荷载。

四、剪力墙体系

利用建筑物的墙体（内墙和外墙）做成剪力墙来抵抗水平力。剪力墙一般为钢筋混凝土墙，厚度不小于 160mm。剪力墙的墙段长度不宜大于 8m，适用于小开间的住宅和旅馆等，在 180m 高度范围内都可以适用。

五、筒体结构

抵抗水平荷载最有效的结构体系。

六至十是屋顶封闭结构

属于平面结构：桁架结构、拱式结构、单悬索结构

属于空间结构：网架结构、薄壁空间结构、悬索结构

属于单纯受拉结构：悬索结构

属于受压结构：拱式结构、薄壁空间结构

属于即受压又受拉结构：桁架结构、网架结构

六、桁架结构体系（受力特点是作用在节点上）

桁架是由杆件组成的结构体系。

在进行内力分析时，节点一般假定为铰节点，当荷载作用在节点上时，杆件只有轴向力，其材料的强度可得到充分发挥。

七、网架结构

由许多杆件按照一定规律组成的网状结构。网架是高次超静定的空间结构。

八、拱式结构

拱是一种有推力的结构，它的主要内力是轴向压力。

九、悬索结构

主要承重构件是受拉的钢索，钢索是用高强度钢绞线或钢丝绳制成。

十、薄壁空间结构

也称壳体结构，属于空间受力结构，主要承受曲面内的轴向压力，弯矩很小。

1A412022 结构设计作用（荷载）

一、作用（荷载）的分类

(一） 按随时间的变异分类

1. 永久作用（永久荷载或恒载）

在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计。

如结构自重、土压力、预加应力等。

2. 可变作用（可变荷载或活荷载）

在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。

如安装荷载、屋面与楼面活荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载、积灰荷载等。

3. 偶然作用（偶然荷载、特殊荷载）

在结构设计使用年限内不一定出现，也可能不出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间很短的荷载。

例如爆炸力、撞击力、火灾、地震等。

(二） 按结构的反应分类

1. 静态作用或静力作用

不使结构或结构构件产生加速度或所产生的加速度可以忽略不计，

如结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载、雪荷载等。

2. 动态作用或动力作用

使结构或结构构件产生不可忽略的加速度，

例如地震作用、吊车设备振动、高空坠物冲击作用等。

(三） 按荷载作用面大小分类

1. 均布面荷载

建筑物楼面上均布荷载

如铺设的木地板、地砖、花岗石、大理石面层等重量引起的荷载。

2. 线荷载

建筑物原有的楼面或层面上的各种面荷载传到梁上或条形基础上时，可简化为单位长度上的分布荷载，称为线荷载心

3. 集中荷载

是指荷载作用的面积相对于总面积而言很小，可简化为作用在一点的荷载。

(四） 按荷载作用方向分类

1. 垂直荷载

如结构自重、雪荷载等。

2. 水平荷载

如风荷载、水平地震作用等。

二、荷载对结构的影响

主要是安全性和适用性，对于结构形式、构造及经济性也有很大影响。

(一） 永久荷载对结构的影响

永久荷载也可称为恒载。

特点是对结构的永久作用，在结构使用期间，荷载值的大小及其作用位置不随时间的变化而变化，并且作用时间长。

(二） 可变荷载对结构的影响

特点是在结构使用期间，其荷载值的大小和作用位置等经常变化，对结构构件的作用时有时无。

(三） 偶然荷载对结构的影响

特点是在设计使用年限内，可能发生也可能不发生，而一旦发生其量值可能很大，而持续时间很短。

地震作用与风荷载有不同的特点。

地震作用是地震时，地面运动加速度引起的建筑质量的惯性力。地震作用的大小与建筑质量的大小成正比，所以，抗震建筑的材料最好选用轻质高强的材料，这样不仅可以降低地震作用，结构的抗震能力还强。

在非地震区，风荷载是建筑结构的主要水平力。建筑体型直接影响风的方向和流速，改变着风压的大小。试验证明，平面为圆形的建筑其风压较方形或矩形建筑减小近 40%。所以在高层建筑中，常看到圆形建筑。它不仅风压小，而且各向的刚度比较接近，有利于抵抗水平力的作用。

(四）地面的大面积超载对结构的影响

在土质不太好的地区地面上堆土和砂、石等重物时，不要靠近已有建筑，且不可堆得太重，以免造成大面积超载，致使地面下沉，给邻近已建房屋的地基造成大的附加应力。如若靠得太近还可能造成严重不良后果。

(五） 装修对结构的影响及对策

(1) 装修时不能自行改变原来的建筑使用功能。如若必要改变时，应该取得原设计单位的许可。

(2) 在进行楼面和屋面装修时，新的装修构造做法产生的荷载值不能超过原有建筑装修构造做法荷载值。如若超过，应对楼盖和屋盖结构的承载能力进行分析计算，控制在允许的范围内。

(3) 在装修施工中，不允许在原有承重结构构件上开洞凿孔，降低结构构件的承载能力。如果确有需要，应经原设计单位的书面有效文件许可，方可施工。

(4) 装修时，不得自行拆除任何承重构件，或改变结构的承重体系；更不能自行设置夹层或增加楼层。如果必须增加面积，使用方应委托原设计单位或有相应资质的设计单位进行设计。改建结构的施工也必须有相应的施工资质。

(5) 装修施工时，不允许在建筑内楼面上堆放大量建筑材料，如水泥、砂石等，以免引起结构的破坏。

(6) 在装修施工时，应注意建筑结构变形缝的维护：

1) 变形缝间的模板和杂物应该清除干净，确保结构的自由变形。

2) 关于沉降缝现在常采用后浇带的处理方式来解决沉降差异的问题。但有时仍会产生微小的沉降差，为了防止装修的开裂，宜设缝。

3) 防震缝的宽度应满足相邻结构单元可能出现方向相反的振动而不致相撞的要求。当房屋高度在 15m 以下时，其宽度也不应小于 5cm。建筑结构变形缝的装修构造，必须满足建筑结构单元的自由变形，以防结构的破坏。

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