考点2 结构原则及两种设计法《建筑结构》吉林省（对口招生）建筑工程类（土木建筑类） 知识点讲解

吉林省建筑工程类（土木建筑类）对口招生复习讲义 《建筑结构》 考点2 结构原则及两种设计法 ■考纲要求 1．理解结构设计的原则； 2.了解概率极限状态设计法和极限状态设计表达式。 ■知识网络 一、知识树 图1-2-1结构设计的原则 图1-2-2概率极限状态 二、重点知识梳理 （一）核心原则细分（重点） 1.安全性：最首要原则。确保结构在承受预定荷载（如自重、活荷载、风荷载等）、偶然荷载（如地震、撞击）时，不发生破坏、失稳或倒塌，能够承受荷载效应的作用，保障人身和财产安全。具体包括构件承载力、结构整体稳定性、抗倾覆、抗滑移等要求，是结构设计的底线。 2.适用性：结构在正常使用过程中，应满足使用功能要求，不会产生影响使用的过大变形、裂缝宽度或振动。例如，楼板不出现影响使用的挠度，墙体不产生有害裂缝，确保建筑正常使用的舒适度和实用性。 3.耐久性：结构应能抵抗环境因素（如风雨侵蚀、温度变化、腐蚀等）的长期作用，在设计使用年限内保持其使用性能，不需要频繁维修或更换构件，避免因材料劣化导致结构性能下降，这是结构长期可靠工作的重要保障。 4.经济性：在满足安全性、适用性、耐久性的前提下，合理选用材料、优化结构方案，降低工程造价和使用维护成本，避免不必要的材料浪费和结构复杂化，实现技术与经济的平衡，贴合教材“内容实用、符合教学需求”的特点。 5.其他辅助原则：包括可施工性（设计方案应便于施工，降低施工难度和成本）、法规符合性（严格遵循国家现行建筑结构设计规范和相关标准），必要时兼顾美观性，使结构与建筑整体造型、周边环境相协调。 （二）、概率极限状态设计法 1. 核心定义 以概率统计为基础，根据结构的使用功能和重要性，确定结构的“极限状态”，通过计算结构的可靠指标（或失效概率），确保结构在设计使用年限内，达到预定功能要求的概率（可靠概率）满足规范规定，失效概率控制在可接受的范围内，本质是将荷载效应、结构抗力等影响因素视为随机变量，量化结构的可靠性。 2. 关键核心概念（重点） 1.极限状态：结构或结构构件达到不能满足预定功能要求的临界状态，是区分结构“可靠”与“失效”的界限。教材明确将其分为两类，也是后续设计表达式的核心依据： 承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载力、失稳、疲劳破坏，或整体失去静力平衡（如倾覆、滑移）的状态，是关乎结构安全的临界状态，必须严格验算，例如构件强度破坏、地基过度变形等均属于此类状态。 正常使用极限状态：结构或构件达到影响正常使用的过大变形、裂缝宽度、振动的状态，不影响结构安全，但影响使用功能和耐久性，例如楼板挠度超标、墙体裂缝过宽等。 2.荷载效应（S）：由荷载作用在结构上产生的内力（如弯矩、剪力、轴力、扭矩）和变形（如挠度、侧移），荷载的随机性导致荷载效应也是随机变量，其值需根据荷载组合计算确定，例如恒载、活载共同作用产生的弯矩即为一种荷载效应。 3.结构抗力（R）：结构或构件承受荷载效应的能力（如构件的承载力、抗裂能力、刚度），受材料性能、构件几何参数、计算模式精度等因素影响，这些因素的不确定性导致结构抗力也为随机变量，例如混凝土强度、钢筋强度越高，构件的结构抗力越强。 4.可靠指标（β）与失效概率（p）：可靠指标是衡量结构可靠性的量化指标，β值越大，结构失效概率越小，可靠性越高；失效概率是结构不能完成预定功能的概率，二者呈对应关系。教材明确，规范根据结构安全等级、破坏类型（延性破坏、脆性破坏）规定了不同的目标可靠指标，例如脆性破坏的目标可靠指标高于延性破坏，因为其破坏无明显预兆，危害更大。 3. 核心思路（教材逻辑） 通过统计分析荷载、材料性能、几何参数等随机变量的分布规律，建立结构功能函数Z=R-S（Z>0为可靠状态，Z=0为极限状态，Z<0为失效状态），计算可靠指标β，使其达到规范规定的目标值，从而实现结构的概率可靠设计，避免传统“定值设计法”忽略随机性的缺陷，使设计更具科学性和合理性。 （三）、极限状态设计表达式 教材基于现行规范，明确极限状态设计表达式是概率极限状态设计法的实用形式，核心是将随机变量转化为确定的设计值，通过分项系数调整，确保结构满足极限状态要求，无需复杂的概率计算，便于工程应用，主要分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类设计表达式，其中承载能力极限状态表达式是重点内容。 1. 承载能力极限状态设计表达式（核心重点） 用于验算结构或构件是否满足承载能力要求，是保障结构安全的核心表达式，教材结合规范给出两种常见形式，其中内力形式的表达式应用最广泛，具体如下： 1.基本表达式（内力形式）) ：结构重要性系数，根据结构安全等级确定（一级≥1.1，二级≥1.0，三级≥0.9）；地震设计状况下取1.0，偶然作用下≥1.0，体现结构重要性对安全的影响，例如重要建筑（如医院、学校）的安全等级高取值更大，安全储备更高。 S：承载能力极限状态下作用组合的效应设计值，持久设计状况、短暂设计状况按基本组合计算，地震设计状况按地震组合计算，本质是荷载效应的设计值，需考虑不同荷载的组合情况（如恒载与活载、风荷载组合），例如梁的跨中弯矩设计值即为S的一种表现形式。 R：结构构件的抗力设计值，计算公式为其中r(·)为结构构件的抗力函数，与材料性能为混凝土强度、为钢筋强度）、几何参数为几何参数标准值）相关；为结构构件的抗力模型不确定性系数，静力设计取1.0，不确定性较大的结构取大于1.0的值，抗震设计时用承载力抗震调整系数代替，反映结构抗力的不确定性对设计的影响。 2.补充表达式（刚体平衡形式）：，用于验算结构整体或其一部分作为刚体失去静力平衡的情况（如倾覆、滑移），其中为不平衡作用效应的设计值，为平衡作用效应的设计值，教材明确该表达式适用于地基破坏、结构整体失稳等场景。 用于验算结构或构件的变形、裂缝宽度等是否满足正常使用要求，教材明确其核心是控制荷载效应的限值，表达式形式为： S：正常使用极限状态下作用组合的效应设计值，根据设计要求，可采用标准组合、频遇组合或准永久组合计算，例如楼板的挠度计算采用准永久组合，裂缝宽度计算采用标准组合，体现不同使用场景的要求。[S]：正常使用极限状态的效应限值，由规范规定（如允许挠度、允许裂缝宽度），例如混凝土构件的最大允许裂缝宽度的限值，根据构件所处环境、使用要求确定，确保结构的适用性和耐久性。 ■练习题 一、单选题（下面选项中只有一个答案是正确的，每题2分，共20分） 1.建筑结构设计的首要原则是（ ） A. 经济性 B. 安全性 C. 适用性 D. 耐久性 2.下列不属于建筑结构设计三大原则的是（ ） A. 安全性 B. 经济性 C. 美观性 D. 耐久性 3.概率极限状态设计法的核心是基于（ ）来衡量结构的可靠程度 A. 经验判断 B. 概率统计 C. 直观分析 D. 规范规定 4.结构达到极限状态时，其功能将（ ） A. 完全丧失 B. 部分丧失或完全丧失 C. 不受影响 D. 略有下降 5.下列属于承载能力极限状态的是（ ） A. 结构产生过大变形 B. 结构出现裂缝 C. 结构发生倾覆 D. 结构耐久性不足 6.概率极限状态设计法中，可靠指标β越大，说明结构的（ ） A. 可靠性越低 B. 可靠性越高 C. 经济性越好 D. 适用性越差 7.极限状态设计表达式中，荷载效应组合的目的是（ ） A. 简化计算 B. 考虑不同荷载同时作用的影响 C. 提高经济性 D. 降低设计难度 8.建筑结构设计中，耐久性设计主要考虑的是（ ）对结构的影响 A. 荷载作用 B. 环境因素 C. 施工误差 D. 设计失误 9.下列关于概率极限状态设计法的说法，错误的是（ ） A. 考虑了荷载和材料性能的随机性 B. 以可靠指标衡量结构可靠度 C. 完全替代了传统经验设计法 D. 符合现代工程设计的科学性要求 10.适用性极限状态对应的是结构（ ）的要求 A. 不发生破坏 B. 不影响正常使用 C. 不产生裂缝 D. 不发生倾覆 二、多选题（每题3分，共10道，共计30分） 1.建筑结构设计的三大原则包括（ ） A. 安全性 B. 适用性 C. 耐久性 D. 经济性 E. 美观性 2.下列属于承载能力极限状态的有（ ） A. 结构构件发生强度破坏 B. 结构整体失稳 C. 结构产生过大位移 D. 结构发生倾覆 E. 结构出现裂缝但不影响使用 3.概率极限状态设计法中，影响结构可靠度的因素包括（ ） A. 荷载的随机性 B. 材料性能的随机性 C. 施工质量的随机性 D. 设计方法的科学性 E. 结构的形式 4.极限状态设计表达式中，通常包含的参数有（ ） A. 荷载分项系数 B. 材料分项系数 C. 荷载效应 D. 结构抗力 E. 可靠指标 5.关于建筑结构安全性的说法，正确的有（ ） A. 是结构设计的首要要求 B. 要求结构在正常使用时不发生破坏 C. 要求结构在偶然荷载作用下仍能保持整体稳定 D. 安全性与经济性是对立统一的 E. 安全性无需考虑施工误差 6.下列属于适用性极限状态的有（ ） A. 结构产生过大挠度 B. 结构出现影响外观的裂缝 C. 结构发生强度破坏 D. 结构振动过大影响使用 E. 结构耐久性不足 7.概率极限状态设计法与传统设计方法相比，具有的优点有（ ） A. 考虑了各种随机因素的影响 B. 定量衡量结构可靠度 C. 设计更科学合理 D. 计算更简便 E. 完全不需要经验判断 8.建筑结构耐久性设计需要考虑的环境因素有（ ） A. 温度变化 B. 湿度变化 C. 化学腐蚀 D. 机械磨损 E. 荷载大小 9.极限状态设计表达式中，荷载效应组合分为（ ） A. 基本组合 B. 标准组合 C. 频遇组合 D. 准永久组合 E. 偶然组合 10.关于结构可靠指标β的说法，正确的有（ ） A. β是衡量结构可靠度的定量指标 B. β越大，结构失效概率越小 C. 规范中对不同结构规定了不同的β限值 D. β与结构的安全等级无关 E. β的取值范围一般在2-4之间 三、判断题（10道，共20分） 1.建筑结构设计中，安全性、适用性、耐久性三者缺一不可，同等重要。（ ） 2.概率极限状态设计法中，结构的可靠度是指结构在规定的使用年限内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。（ ） 3.承载能力极限状态是指结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。（ ） 4.适用性极限状态只需要考虑结构的变形，不需要考虑裂缝宽度。（ ） 5.概率极限状态设计法完全摒弃了经验设计的思路，只依靠概率统计分析。（ ） 6.建筑结构的耐久性主要取决于材料的性能和施工质量，与使用环境无关。（ ） 7.极限状态设计表达式中，荷载分项系数大于1，说明要考虑荷载的不利影响，提高结构的安全性。（ ） 8.结构的可靠指标β越大，说明结构的经济性越好。（ ） 9.偶然荷载（如地震、台风）作用下，结构只需保证不发生整体倒塌即可，无需考虑正常使用。（ ） 10.概率极限状态设计法是目前建筑结构设计的主流方法，符合现代工程设计的发展趋势。（ ） 四、简答题（1道，共10分） 简述建筑结构设计的三大原则及其相互关系。 五、计算题（1道，共10分） 某钢筋混凝土受弯构件，承受的永久荷载标准值为，可变荷载标准值为（可变荷载组合值系数，准永久值系数），构件跨度为5m。已知荷载分项系数：永久荷载，可变荷载，结构抗力。试用极限状态设计基本表达式判断该构件是否满足承载能力要求（荷载效应按均布荷载计算，）。 ■真题练习 六、真题练习（每道2分，共计5道，总共10分） 1.（23年真题单选题）下列关于建筑结构设计原则的说法，正确的是（ ） A. 经济性优先于安全性 B. 耐久性是结构设计的核心要求 C. 安全性是结构设计的首要原则 D. 适用性与安全性相互矛盾 2.（多选题）下列属于建筑结构承载能力极限状态的有（ ） A. 构件发生断裂 B. 结构产生过大挠度 C. 结构整体倾覆 D. 构件出现裂缝 E. 结构失稳破坏 3.（24你判断题）概率极限状态设计法以可靠指标衡量结构的可靠程度，可靠指标越大，结构越安全。（ ） 4.（23年简答题）简述概率极限状态设计法与传统经验设计法相比的优势。 5.（20年单选题）极限状态设计表达式中，荷载分项系数的作用是（ ） A. 简化计算过程 B. 考虑荷载的随机性和不利影响 C. 提高结构的经济性 D. 降低结构的可靠度 ■参考答案 一、单选题答案 1.B 2.C 3.B 4.B 5.C 6.B 7.B 8.B 9.C 10.B 二、多选题（10题） 1.ABC 2.ABD 3.ABC 4.ABCD 5.ABCD 6.ABD 7.ABC 8.ABCD 9.ABCDE 10.ABCE 三、判断题（10题） 1.×2.√ 3.√ 4.× 5.× 6.× 7.√ 8.× 9.√ 10.√ 四、简答题 建筑结构设计的三大原则是安全性、适用性和耐久性。 1. 安全性：是结构设计的首要原则，要求结构在正常使用、偶然荷载作用下，不发生破坏、失稳或倒塌，保证人身和财产安全； 2. 适用性：要求结构在正常使用过程中，不产生过大的变形、裂缝或振动，保证使用功能的正常发挥； 3. 耐久性：要求结构在规定的使用年限内，抵抗环境因素（如腐蚀、老化）的作用，保持其使用性能，避免过早损坏。 相互关系：三者相互联系、相互制约，以安全性为核心，适用性和耐久性为补充。安全性是前提，没有安全性，适用性和耐久性无从谈起；适用性保证结构的正常使用，耐久性延长结构的使用寿命，同时，在设计中需兼顾经济性，在满足三大原则的前提下，优化设计，降低造价。 五、计算题 解：1. 计算荷载效应标准值Mk 永久荷载效应： 2. 按承载能力极限状态基本组合计算荷载效应组合值M 基本组合：= 1.2×31.25 + 1.4×25 = 37.5 + 35 = 7 3. 判断是否满足要求 结构抗力因此该构件满足承载能力要求。 六、高考真题 1.C 2.ACE 3.√ 4. 优势：① 考虑了荷载、材料性能等因素的随机性，设计更科学合理；② 以可靠指标定量衡量结构可靠度，避免了传统经验设计法的主观性和局限性；③ 能够兼顾结构的安全性、适用性和耐久性，同时优化经济性；④ 符合现代工程设计的发展趋势，适用于各类复杂建筑结构设计。 5.B 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $