建筑工程管理与实务
1.3、 建筑结构体系和设计作用
22 、第1篇建筑工程技术
1.3建筑结构体系和设计作用(荷载)
1.3.1结构可靠性要求
1.结构工程的安全性
1)结构的功能要求
(1)结构在设计工作年限内，必须符合下列规定：
①应能够承受在正常施工和正常使用期间预期可能出现的各种作用。
② 应保障结构和结构构件的预定使用要求。
第1章建筑工程设计技术、23
③应保障足够的耐久性要求。
(2)安全性、适用性和耐久性概括称为结构的可靠性。
①安全性（正常使用不破坏，偶然使用能稳定）
结构体系应具有合理的传力路径，能够将结构可能承受的各种作用从作用点传递 到抗力构件。当可能遭遇爆炸、撞击、罕遇地震等偶然事件和人为失误时，结构应保持 整体稳固性，不应出现与起因不相称的破坏后果。当发生火灾时，结构应在规定的时间 内保持承载力和整体稳固性。
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，也即应 具有足够的耐久性，例如，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。
2)安全等级与设计工作年限
(1)结构设计时，应根据结构破坏可能产生后果的严重性，采用不同的安全等级。 结构安全等级划分为一级、二级、三级。结构部件的安全等级不得低于三级。结构部件 与结构的安全等级不一致或设计工作年限不一致的，应在设计文件中明确标明。
(2)工程结构设计时，应根据工程的使用功能、建造和使用维护成本及环境影响 等因素规定设计工作年限。房屋建筑结构的设计工作年限不应低于表1.3-1的规定。
表1.3-1 房屋建筑结构的设计工作年限（设计影响40%，施工和材料各影响30%）
(3)结构应按设计规定的用途使用，并应定期检查结构状况，进行必要的维护和 维修。严禁下列影响结构使用安全的行为：
①未经技术鉴定或设计认可，擅自改变结构用途和使用环境。
②损坏或者擅自变动结构体系及抗震措施。
③擅自增加结构使用荷载。
④损坏地基基础。
⑤违章存放爆炸性、毒害性、放射性、腐蚀性等危险物品。
⑥影响毗邻结构使用安全的结构改造与施工。
2.结构工程的适用性
1)适用性要求
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
24、第1篇建筑工程技术
限状态。这种极限状态是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。
2)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。
悬臂梁的位移计算见式(1.3-1):
式中 f——梁的位移 ；
q——线 荷 载 ；
l——跨 度 ；
E——材料的弹性模量；
I—— 截面的惯性矩。
影响梁的位移变形因素除荷载外，还有：
(1)材料性能：与材料的弹性模量E 成反比。
(2)构件的截面：与截面的惯性矩I 成反比。
(3)构件的跨度：与跨度l的4次方成正比，此因素影响最大。
3)混凝土结构的裂缝控制
裂缝控制主要针对受弯构件(如混凝土梁)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。
3.结构工程的耐久性（与时间有关）
1)耐久性要求
1)耐久性要求
结构的耐久性是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 条件下不需要进行大修就能完成预定功能的能力。建筑结构中，混凝土结构耐久性是一个复杂的多因素综合问题，我国规范增加了混凝土结构耐久性设计的基本原则和有关规定。
2)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。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，见表1.3-2。
第1章建筑工程设计技术、25
表1.3-2环境类别
3)混凝土结构环境作用等级
一般环境、冻融环境对配筋混凝土结构的作用程度见表1.3-3。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。
表1.3-3 -一般环境、冻融环境对配筋混凝土结构的作用程度
4)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， 一般环境下配 筋混凝土结构满足耐久性要求的混凝土最低强度等级要求见表1.3-4。
表1.3-4 一般环境下配筋混凝土结构满足耐久性要求的混凝土最低强度等级
注：预应力混凝土楼板结构混凝土最低强度等级不应低于C30,其他预应力混凝土构件的混凝土最低强度等 级不应低于C40。
(2)混凝土材料与钢筋最小保护层要求
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1 . 3- 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（都具备），其混凝土强度等级可 低于表1 . 3 - 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。
26 、第1篇建筑工程技术
表1.3-5一般环境中混凝土材料与钢筋最小保护层厚度
（面20条25）【受力钢筋的保护层厚度不能小于纵向受力钢筋的工称直径】
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，可按表确定；
【P92、P183】[有垫层100年50mm，无垫层40mm]
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1 . 3- 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。
1.3.2 常用建筑结构体系和应用
1.结构体系与应用
1)混合结构（多层住宅）
混合结构房屋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。住宅建筑最适合采用混合 结构，一般在6层以下。
2)框架结构（柔性结构）15层
框架结构是利用梁、柱组成的纵、横两个方向的框架形成的结构体系。常用于公共建筑、工业厂房等。其主要优点是建筑平面布置灵活，可形成较大的建筑空间，建筑立面处理也比较方便。主要缺点是侧向刚度较小，当层数较多时，会产生过大的侧移，易引起非结构性构件(如隔墙、装饰等)破坏进而影响使用。
3)剪力墙结构（刚性结构）180m
剪力墙结构是利用建筑物的墙体(内墙和外墙)做成剪力墙，既承受垂直荷载，也
第1章建筑工程设计技术、27
承受水平荷载，墙体既受剪又受弯，所以称剪力墙。剪力墙结构的优点是：侧向刚度 大，水平荷载作用下侧移小。缺点是：剪力墙的间距小，结构建筑平面布置不灵活，结 构自重也较大。剪力墙结构多应用于住宅建筑，不适用于大空间的公共建。
4)框架- 剪力墙结构（半刚性结构）框架20%；剪力墙80%
框架-剪力墙结构是在框架结构中设置适当剪力墙的结构。它具有框架结构平面 布置灵活、空间较大的优点，又具有侧向刚度较大的优点。框架-剪力墙结构中，剪力墙主要承受水平荷载，竖向荷载主要由框架承担。框架-剪力墙结构适用于不超过170m 高的建筑。
5)筒体结构
在高层建筑中，特别是超高层建筑中，水平荷载越来越大，起着控制作用。筒体结构是抵抗水平荷载最有效的结构体系，可分为框架-核心筒结构、筒中筒结构以及多筒结构等。筒体结构适用于高度不超过300m 的建筑。
6)桁架结构（挖空的梁）
桁架是由杆件组成的结构体系。桁架结构的优点是可利用截面较小的杆件组成截面较大的构件。单层厂房的屋架常选用桁架结构，在其他结构体系中也得到应用，如拱式结构、单层钢架结构等体系中，当断面较大时，亦可采用桁架的形式。
7)网架结构
网架是由许多杆件按照一定规律组成的网状结构。网架结构可分为平板网架和曲 面网架。平板网架采用较多，其优点是：空间受力体系，杆件主要承受轴向力（拉力+压力），受力合 理，节约材料，整体性能好，刚度大，抗震性能好。杆件类型较少，适合工业化生产。 平板网架可分为交叉桁架体系和角锥体系两类。角锥体系受力更为合理，刚度更大。
8)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，可利用抗压性能良好的混凝 土建造大跨度的拱式结构。由于拱式结构受力合理，在建筑和桥梁中被广泛应用。它适用于体育馆、展览馆等建筑中。
9)悬索结构
悬索结构是比较理想的大跨度结构形式之一，主要用于体育馆、展览馆中，在桥 梁中也被广泛应用。悬索结构的主要承重构件是受拉的钢索，用高强度钢绞线或钢丝绳 制成。悬索结构可分为单曲面与双曲面两类。
2.工程结构设计要求
(1)涉及人身安全以及结构安全的极限状态应作为承载能力极限状态。当结构或 结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：（人身安全、结构安全）
① 结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载。
② 整个结构或其一部分作为刚体失去平衡。
③ 结构转变为机动体系。
④ 结构或结构构件丧失稳定。
⑤ 结构因局部破坏而发生连续倒塌。
⑥ 地基丧失承载力而破坏。
⑦ 结构或结构构件发生疲劳破坏。
28、第1篇 建筑工程技术
(2)涉及结构或结构单元的正常使用功能、人员舒适性、建筑外观的极限状态应 作为正常使用极限状态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：（适用性）
① 影响外观、使用舒适性或结构使用功能的变形。
② 造成人员不舒适或者结构使用功能受限的振动。
③ 影响外观、耐久性或结构使用功能的局部损坏。
(4)结构设计应包括以下基本内容：
① 结构方案。
② 作用的确定及作用效应分析。
③ 结构及构件的设计和验算。
④ 结构及构件的构造、连接措施。
⑤ 结构耐久性的设计。
⑥ 施工可行性。
1.3.3结构设计基本作用(荷载)
1 . 作用(荷载)的分类
(1)引起建筑结构失去平衡或破坏的外部作用主要有两类。一类是直接施加在结构上的各种力，亦称为荷载。包括永久作用(如结构自重、土压力、预加应力等),可 变作用(如楼面和屋面活荷载、起重机荷载、雪荷载和覆冰荷载、风荷载等),偶然作用(如爆炸力、撞击力、火灾、地震等)。另一类是间接作用，指在结构上引起外加变 形和约束变形的其他作用，例如温度作用、混凝土收缩（1、凝结收缩2、失去水分干缩3、碳化收缩）、徐变等。
(2)结构上的作用根据随时间变化的特性分为永久作用、可变作用和偶然作用，其代表值应符合下列规定：
①永久作用，应采用标准值。
②可变作用，应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值。
③偶然作用，应按结构设计使用特点确定其代表值。
(3)确定可变作用代表值时应采用统一的设计基准期。当结构采用的设计基准期 不是50年时，应按照可靠指标一致的原则，对《工程结构通用规范》GB 55001—2021 规定的可变作用量值进行调整。
2.结构作用的规定
1)永久作用
(1)结构自重的标准值应按结构构件的设计尺寸与材料密度计算确定。对于自重变 异较大的材料和构件，对结构不利时自重的标准值取上限值，对结构有利时取下限值。
(2)位置固定的永久设备自重应采用设备铭牌重量值。当无铭牌重量时，应按实 际重量计算。
(3)隔墙自重作为永久作用时，应符合位置固定的要求。位置可灵活布置的轻质 隔墙自重应按可变荷载考虑。
第1章建筑工程设计技术、29
(4)土压力应按设计埋深与土的单位体积自重计算确定。土的单位体积自重应根 据计算水位分别取不同密度进行计算。
(5)预加应力应考虑时间效应影响，采用有效预应力。
2)楼面和屋面活荷载
(1)采用等效均布活荷载方法进行设计时，应保证其产生的荷载效应与最不利堆 放情况等效。建筑楼面和屋面堆放物较多或较重的区域，应按实际情况考虑其荷载。
(2)一般使用条件下的民用建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值系数、频遇值 系数和准永久值系数的取值，不应小于《工程结构通用规范》GB 55001—2021的规定。
(3)地下室顶板施工活荷载标准值不应小于5.0kN/m², 当有临时堆积荷载以及有重型车辆通过时，施工组织设计中应按实际荷载验算并采取相应措施。
(4)将动力荷载简化为静力作用施加于楼面和梁时，应将活荷载乘以动力系数，动 力系数不应小于1.1。
3)雪荷载和覆冰荷载
(1)屋面水平投影面上的雪荷载标准值应为屋面积雪分布系数和基本雪压的乘积。
(2)基本雪压应根据空旷平坦地形条件下的降雪观测资料，采用适当的概率分布 模型、按50年重现期进行计算。对雪荷载敏感的结构，应按照100年重现期雪压和基 本雪压的比值，提高其雪荷载取值。
4)风荷载
(1)垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应在基本风压、风向影响系数、地形 修正系数、风荷载体型系数、风压高度变化系数的乘积基础上，考虑风荷载脉动的增大 效应加以确定。
(2)基本风压应根据基本风速值进行计算，且其取值不得低于0.3kN/m²。
5)偶然作用
当以偶然作用作为结构设计的主导作用时，应考虑偶然作用发生时和偶然作用发生后两种工况。在允许结构出现局部构件破坏的情况下，应保证结构不致因局部破坏引 起连续倒塌。
