建筑幕墙与采光顶结构设计原理和方法

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1、第三篇!结构设计原理和方法第一章!结构设计方法的变迁人类使用结构物的历史甚早，在早期一般都利用原始物体，无所谓设计和计算。随着千百年历史经验的积累，始以经验和生物比拟为依据，总结出了营造法则之类的文献。后来由于自然科学的迅速发展和试验技术的逐步提高，对结构和构件的受力情况和材料的性能有了较深的了解，随着材料力学、结构力学的兴起和发展，结构设计和计算才有了科学依据并日趋完善。建筑结构设计要解决的根本问题是：在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径，使所建造的结构以适当的可靠度满足各种预定的功能要

2、求。结构计算是根据所拟定的结构方案和构造，按所承受的作用进行内力计算，确定出杆件的内力，再根据所用材料的特性，对整个结构及其连接进行核算，看它是否符合经济、可靠、适用等方面的要求。但从一些现场记录、调查数据和试验资料看，计算中所采用的标准荷载与实际荷载之间，计算所得的应力值与实际应力值之间，材料力学性能取值与材料实际力学性能数值之间，计算截面与材料实际截面之间，都存在一定差异。也就是说，在设计中所采用的作用、材料性能、截面特征、施工质量都不是固定不变的定值，在设计时如何恰当地考虑这些因素的变动规律，人们曾进行过多

3、方面的探讨，形成了结构设计方法的几个发展阶段。我国建国"#多年来，结构计算方法就有过几次变迁。建国初期，兼顾上因述因素的变动规律的解决方法是用一个所谓总安全系数来考虑。例如把钢材可以使用的最大强度，除以一个笼统的、完全由经验确定的总安全系数作为结构计算时构件容许达到的最大应力———容许应力，这种设计方法称为容许应力法。它的缺点是由于笼统地采用一个定值的安全系数，而构件的可靠度各不相同，这样整个结构的可靠度就取决于可靠度最小的构件。$%&’年以后，我国推广采用极限状态设计方法。它的特点是根据结构使用上的要求，在结构

4、设计中规定两种极限状态，即承载能力极限状态和正常使用极限状态，同时引入三个系数，即以荷载系数考虑荷载可能的变动；以匀质系数考虑材料性质的不一致性；以工作条件系数考虑结构及构件的工作特点以及某些假定的计算图式与实际情况不完全相符等因素。这种设计方法比容许应力设计方法考虑得细致，特别是在荷载与材料强度取值上分别部分地考虑了概率原则（统计变异性），但某些系数（如工作条件系数）的确定缺乏客观依据和科学方法，它的表达式较为繁琐。(#世纪’#年代颁发的《钢结构设计规范》等规范，承载能力表达式也采用容许应力设计法，但在确定可靠

5、度方面与建国初期的容许应力设计法有所不同。它是以结构的极限伏态为依据，对影响结构可靠度的各种因素以数理统计的方法)并结合我国多年来的工程实践，进行多系数分析，求出单一的安全系数，以简单的容许应力表达，实质上是半·"$·概率、半经验的极限状态设计法。上述这些设计方法中，为了保证结构的安全可靠，都采用定值的安全系数来表达结构的安全度，认为满足了这个安全系数的要求，也就满足了结构抵抗各种不同因素的安全储备，结构就百分之百可靠了，误认为安全系数就是结构的可靠度。实际上，定值的安全系数只能从经验上和常识上给予某种解释，不能

6、真正从定量上度量结构的可靠度，所以说定值理论对结构可靠度的研究是处于以经验为基础的定性分析阶段。!""#年国家颁发了《建筑结构可靠度设计统一标准》（$%&""’(—!""#），随后陆续颁发了以《建筑结构可靠度设计统一标准》为共同遵守准则的各种结构设计规范。这些规范采用概率极限状态设计法，以结构的失效概率或可靠度指标来度量结构的可靠度，并且建立了结构可靠度与结构极限状态方程之间的数学关系。这种设计方法就是“以概率理论为基础的极限状态设计方法”，简称概率极限状态设计法。概率极限状态设计法以结构的失效概率或可靠度指标来

7、度量结构可靠度。结构可靠度就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。可见结构可靠度是结构可靠性的概率度量，亦即可靠度是关于结构可靠性的概率的一种定量描述。在各种随机因素的影响下，结构完成预定功能的能力不能事先确定，只能用概率来描述。结构可靠度这一概率定义是从统计学观点出发的比较科学的定义，与其他各种从定值观点出发的定义（如认为结构安全度是结构安全储备）有本质的区别。结构能完成预定功能的概率也称为“可靠概率)*”；相对地，结构不能完成预定功能的概率则称为“失效概率)+”，两者互补，

8、即)*,)+-#.因此可以采用)*，也可以采用)+来度量结构的可靠性，而一般习惯于采用后者。当把概率引进安全度问题以后，对安全度的概念就比较明确了。所谓安全就是结构达到不能使用极限状态的概率足够小，即失效概率足够小，在人们思想上可以接受，认为在这样小的失效概率下是安全的。从概率的观点来说，安全可靠都不是绝对的，只能以它的失效概率（破坏概率）来加以衡镀，一般说具有很小的失效