第一節建築結構概述
一、建築結構的概念
建築結構是指建築物的骨架，建築物之所以能安全持久地屹立在地麵上，承受各種荷載，完全依賴於骨架的支撐。如果把建築物的骨架比作人的骨骼，那麼建築物內部的各種非承重牆體、門窗、衛生設備、采暖設備、照明設施等就像是人的血肉，而建築物從外到內的各式各樣的裝修就好像穿在人身上的衣服一樣。
一套完整的施工圖樣分為建築施工圖樣、結構施工圖樣、給排水施工圖樣、暖通施工圖樣及電氣施工圖樣。如果說建築施工圖樣反映了建築師對建築外形、功能和內部空間布局的精心構思，那麼結構工程師必須對建築物安全、穩定、耐久及成本進行精心的計算，規範完整地繪製結構施工圖樣。
二、建築結構的分類
作為建築物的承重骨架，建築結構的種類很多，分類方法也很多。按照結構的形式分，主要有砌體承重結構、框架結構、大跨度空間結構等；按照建築結構的材料分，主要有砌體結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構、木結構等。木結構易燃、易腐、強度低、變形大，加上木材資源緊缺，一般極少采用；鋼結構輕質高強，是理想的建築材料，但由於成本高，防火性能差，其使用也受到限製；砌體結構成本低、施工方便、防火性能好，對多層和低層建築比較適合，但牆體材料厚重，結構麵積較大，習慣上普遍使用的黏土磚浪費了大量的農田資源，牆體材料急待改革，同時，砌體結構抗震性能相對較差；鋼筋混凝土結構強度較高，防火性、耐久性、抗震性都很好，價格也比較低廉，是目前普遍采用的建築材料。
三、建築結構荷載及荷載效應
在建築物的施工和使用期間，建築物要承受其自身的巨大重力、人和家具的重力以及風吹、雪壓等，這些直接施加於建築物的作用稱為荷載。此外，溫度變化、地基沉降等也會間接的對建築物產生作用，使建築結構的內力發生變化，進而影響建築物的安全。
１．荷載的分類
建築結構的荷載可簡單分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載三大類型。
一直作用在結構上並保持不變的荷載稱為永久荷載，如結構的自重等。
時有時無，且經常變化的荷載稱為可變荷載，如樓麵活荷載（即人和家具的重力）、風荷載等。
有些荷載，其作用時間很短，但影響力卻很大，且結構使用期間不一定出現，這種荷載稱為偶然荷載，如地震力、爆炸力等。
２．荷載代表值
在建築結構的設計中，對不同的荷載和不同的設計要求，應分別采用不同的代表值。《建築結構荷載規範》（ＧＢ５０００９－２００１）規定：對永久荷載應采用標準值作為代表值；對可變荷載應根據設計要求采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值；對偶然荷載應根據建築結構使用的特點確定其代表值。
（１）荷載標準值荷載標準值是荷載的基本代表值，是結構在使用期間可能出現的最大荷載值，統一由設計基準期（５０年）內最大荷載概率分布的某個分位值來確定。荷載標準值有永久荷載標準值（Ｇk）和可變荷載標準值（Ｑk）之分。
（２）可變荷載組合值（Ｑc）當作用在結構上的可變荷載不止一個時，同時達到最大值的可能性很小。因此，除主導荷載（其荷載效應最大）仍以標準值為代表值外，對其他伴隨荷載，可將其標準值乘以一個不大於１的係數作為代表值，這個係數稱為可變荷載組合值。
（３）可變荷載頻遇值（Ｑf）在設計基準期內，其超越的總時間為規定的較小比率或超越頻率為規定頻率的荷載值稱為可變荷載頻遇值。這種荷載時而出現或多次出現，其值雖然較大，但總是小於標準值，可按可變荷載標準值乘以某一係數確定，這個係數稱為可變荷載頻遇值係數。
（４）可變荷載準永久值（Ｑq）在設計基準期內，其超越的總時間約為設計基準期一半（可以理解為總持續時間不低於２５年）的荷載值，也就是經常作用於結構上的可變荷載，其值等於可變荷載標準值乘以可變荷載準永久值係數。
３．荷載的分布形式
（１）集中荷載集中地作用於一點的荷載，如梁擱在梁、牆或柱上，在擱置處的荷載可以看成是集中荷載。
（２）分布荷載並非以集中荷載的形式作用於結構的某一處，而是分散於結構的某一範圍。分布荷載可分為規則分布和不規則分布兩種，規則分布又分為均布、三角形分布、梯形分布以及各種規則曲線分布（如拋物線分布、圓形分布）。
４．荷載設計值
由於荷載的隨機性很大，在建築結構的設計中，應將荷載代表值乘以一個大於１的荷載分項係數，所以荷載設計值等於荷載分項係數乘以荷載代表值。
（１）永久荷載設計值Ｇ
Ｇ＝γGＧk式中Ｇk－永久荷載標準值；
γG——永久荷載分項係數。對由可變荷載效應控製的組合，取γG﹦
１.２；對由永久荷載效應控製的組合，取γG＝１.３５；當其效應對
結構有利時，一般情況下取γG﹦１．０；對結構的傾覆、滑移或漂
浮進行驗算時，取γG﹦０.９。
（２）可變荷載設計值Ｑ（Ｑi）
當采用荷載標準值時
Ｑ＝γQＱk（或Ｑi﹦γQiＱik）
當采用荷載組合值時
Ｑ＝γQΨcＱk（或Ｑi﹦γQiΨciＱik）式中Ｑk（γQi）——可變荷載標準值；
γQ（γQi）——可變荷載分項係數。一般情況下取γQ﹦１.４，對標準值
大於４ｋＮ／ｍ2的工業房屋樓麵結構的活荷載取γQ﹦１.３。
５．荷載效應
荷載效應是指由荷載產生的結構內力與變形，如拉、壓、剪、扭、彎等內力和伸長、壓縮、撓度、轉角等變形以及產生裂縫、滑移等後果。荷載效應Ｓ與荷載Ｑ之間的關係為Ｓ＝ＣＱ，其中Ｃ稱為荷載效應係數，取決於結構的形式、尺寸及荷載的分布形式。如一根受均布荷載q作用的簡支梁，其支座處剪力Ｖ為qι／２，跨中彎矩Ｍ＝ｑι2／８，這裏的ｌ／２、ι2／８就是荷載效應係數。
四、結構的可靠性
任何建築結構都是為了滿足所要求的功能而設計的。建築結構在規定的設計使用年限內，應滿足下列功能要求：
（１）安全性即結構在正常施工和正常使用時能承受可能出現的各種作用，在設計規定的偶然事件發生時及發生後，仍能保持必需的整體穩定。
（２）適用性即結構在正常使用條件下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，也不發生足以令用戶不安的裂縫。
（３）耐久性即結構在正常維護下具有足夠的耐久性能，如混凝土不發生嚴重的風化、脫落，鋼筋不發生嚴重鏽蝕等。
結構的安全性、適用性和耐久性總稱為結構的可靠性。
五、結構的極限狀態
１．極限狀態的概念
建築結構受荷後能安全可靠地工作，完成各項預定功能，建築結構就處於可靠狀態或有效狀態，否則就處於不可靠狀態或失效狀態。失效狀態不僅包括因強度不足而喪失承載能力、結構發生傾覆、滑移、喪失穩定等，也包括結構變形過大、裂縫過寬而不適於繼續使用等。
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限，是建築結構失效的標誌，建築結構的設計就是對建築結構進行極限狀態的分析和計算。
２．極限狀態的分類
根據結構的功能要求，極限狀態分為兩類，並具有明確的標誌和限值。
（１）承載能力極限狀態當結構超過這一極限狀態後，結構或構件就不能滿足預定的安全性的要求。當結構或構件出現下列狀態之一時，即可認為超過了承載能力極限狀態：
１）整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如陽台、雨篷的傾覆）。
２）結構構件或連接因超過材料強度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度變形而不適於繼續承載。
３）結構轉變為機動體係（如構件發生三鉸共線而形成機動體係喪失承載力）。
４）結構或構件喪失穩定（如長細杆的壓屈失穩破壞等）。
５）地基喪失承載能力而破壞（如失穩等）。
（２）正常使用極限狀態當結構或構件出現下列狀態之一時，結構或構件就不能滿足適用性或耐久性的要求：
１）影響正常使用或外觀的變形（如過大的變形使粉刷層脫落，填充牆開裂等）。
２）影響正常使用或耐久性能的局部損壞（如水池、油罐開裂引起滲漏，裂縫過寬導致鋼筋鏽蝕等）。
３）影響正常使用的振動。
４）影響正常使用的其他特定狀態（如沉降量過大等）。
結構或構件一旦超過承載能力極限狀態，就可能發生嚴重破壞甚至倒塌，造成人身傷亡和重大經濟損失，而出現正常使用極限狀態的危險性和損失就要小得多。因此，應該嚴格控製承載能力極限狀態出現的概率，而正常使用極限狀態的出現概率可以適當放寬。
六、概率極限狀態設計法
１．概念
結構設計的原則是抗力Ｒ不小於荷載效應Ｓ。但事實上，抗力、荷載效應等都是隨機變量，總是存在著不確定性，要絕對地保證Ｒ≥Ｓ是不可能的。在一般情況下，抗力小於荷載效應，使結構處於失效狀態的可能性雖然不大，但總是存在，這種可能性的大小用概率來表示就是失效概率。綜合考慮結構具有的風險和經濟效果，隻要失效概率小到可以接受的程度，就可以認為結構設計是可靠的。
２．概率極限狀態設計法的計算內容
為保證結構或構件的承載能力和正常使用，必須進行兩種極限狀態的驗算，具體計算項目有四項，應根據具體情況選用。
１）所有結構構件均應進行承載力計算，必要時進行結構的抗傾覆和抗滑移驗算；地震區的結構尚應進行結構構件的抗震承載力計算。
２）對使用上需要控製變形值的結構構件，應進行變形驗算。
３）對需要控製混凝土裂縫的結構構件，應進行裂縫控製驗算。
４）對直接承受吊車的構件，應進行疲勞強度驗算。
３．極限狀態實用設計表達式
（１）承載能力極限狀態設計表達式為了方便計算，在實際設計中采用一種簡潔實用的設計表達式。結構構件的承載力設計應根據荷載效應（內力）的基本組合和偶然組合（必要時）進行，並以內力和承載力的設計值來表達，其設計表達式為
γ0Ｓ≤Ｒ式中Ｒ－結構抗力的設計值；
Ｓ——結構荷載效應（即內力）的設計值，應從多種組合中取最不利值
確定；
γ0——結構重要性係數，一、二、三級安全等級的結構構件分別不小
於１.１、１.０和０.９。建築結構的安全等級分為三級，是根據建
築結構破壞後可能產生的後果（危及生命、造成經濟損失、產
生社會影響等）的嚴重程度來劃分的，重要的建築，如影劇院、
體育館和高層建築等為一級；一般建築為二級；次要建築，如
臨時建築等為三級。有特殊要求的建築，其安全等級可根據具
體情況另行確定。
（２）正常使用極限狀態設計表達式對於正常使用極限狀態，應根據不同的設計要求，采用荷載的標準組合、頻遇組合和準永久組合進行設計，使變形、裂縫、基底應力等荷載效應的組合值滿足
Ｓ≤Ｃ式中Ｓ——變形、裂縫、基底應力等荷載效應的組合值；
Ｃ——設計對變形、裂縫、基底應力等規定的相應限值。