第七章力學(xué)和結(jié)構(gòu)概念

1、第七章 土木工程中的力學(xué)和結(jié)構(gòu)概念第一節(jié) 荷載和作用結(jié)構(gòu)的外部作用，一般分為荷載與作用兩大類。荷載是指外界、建筑構(gòu)造與結(jié)構(gòu)自身對于結(jié)構(gòu)所形成的力。作用是指外界、建筑構(gòu)造與結(jié)構(gòu)自身對于結(jié)構(gòu)所形成的變形、位移的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)受力。由于各種作用對于結(jié)構(gòu)的效果最終也表現(xiàn)為等效力，因此在常規(guī)上將荷載與作用統(tǒng)稱為荷載。一、荷載的分類結(jié)構(gòu)上的荷載，按其隨時間的變異性不同，可分為下列三類：1.恒荷載（永久荷載）2.活荷載（可變荷載）3.偶然荷載按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特點，荷載可分為靜力荷載和動力荷載：1.靜力荷載靜力荷載是指逐漸增加的，不致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的沖擊或振動，因而可忽略慣性力影響的荷載。靜力荷載的大方向和作用

2、點都不隨時間而變化，如結(jié)構(gòu)自重、一般的樓、屋面活荷載等。2.動力荷載動力荷載是一種隨時間迅速變化的荷載，它將使結(jié)構(gòu)受到顯著的沖擊和振動，因而不能忽視加速度的影響，如地震作用、大型設(shè)備的振動、沖擊波的壓力均為動力荷載。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算時，要把建筑物上的荷載進(jìn)行簡化，簡化后的荷載一般分為：1.集中荷載如圖 6-1 所示。(a)(b)圖 6-1 集中荷載示意圖2.分布荷載圖 6-2a,b 為均勻分布的荷載，圖 6-2c 為非均勻分布的荷載。(a) 均布線荷載(b) 均布面荷載(c) 非均布荷載圖 6-2 分布荷載示意圖二、特殊荷載與作用（一）風(fēng)荷載1.風(fēng)的形成與危害（1）風(fēng)是由于大氣層的溫度差、

3、氣壓差等大氣現(xiàn)象導(dǎo)致的空氣流動現(xiàn)象，建筑物會對風(fēng)形成阻擋，因此風(fēng)會對于建筑物形成反作用。（2）風(fēng)是極其復(fù)雜的氣流現(xiàn)象，是隨機性的動荷載，巨大的風(fēng)力作用會致使建筑物水平側(cè)移、振動甚至垮塌。（3）在風(fēng)的作用下，建筑物可能發(fā)生以下破壞：1）主體結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致內(nèi)墻裂縫；2）長時間的風(fēng)振效應(yīng)使結(jié)構(gòu)受到往復(fù)應(yīng)力作用而發(fā)生局部疲勞破壞；3）外裝飾，受風(fēng)力作用而脫落；4）輕屋面，受風(fēng)的作用會向上浮起甚至破壞。2.風(fēng)荷載的基本理論氣體的流動速度與壓力成反比，迎風(fēng)面受到壓力作用，其他面由于風(fēng)的流動而受到吸力，圖 6-3 所示，風(fēng)荷載對建筑物的作用：（1）迎風(fēng)面風(fēng)力為壓力，側(cè)風(fēng)面隨著與風(fēng)載夾角的變化，風(fēng)力逐漸有壓力轉(zhuǎn)

4、變?yōu)槲?；?）矩形、圓形、三角形等不同平面形狀的建筑物，各個側(cè)面所受的風(fēng)力作用差異很大；（3）建筑物表面粗糙會加大風(fēng)力的作用。(a) 氣流對單層房屋的作用(b) 氣流對高層房屋的作用圖 6-3 風(fēng)荷載對建筑物的作用3.風(fēng)荷載的計算垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 wk ，應(yīng)按下式計算：wk = z z s wo（6-1）式中2wk 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m）； z z高度處的風(fēng)振系數(shù)，是考慮脈動風(fēng)壓對結(jié)構(gòu)的不利影響，對于房屋高度低于 30m 或高寬比小于 1.5 的房屋結(jié)構(gòu)，可不考慮此項影響，即 z =1.0； s 風(fēng)荷載體型系數(shù)，對于矩形平面的多層房屋，；2迎風(fēng)面為+0.8，背風(fēng)面為-0.5

5、，其他平面見建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001） z 風(fēng)壓高度變化系數(shù)，應(yīng)根據(jù)地面粗糙類別按規(guī)范 GB50009-2001 確定。2w0 基本風(fēng)壓（kN/m）按規(guī)范GB50009-2001 給出的全國基本風(fēng)壓分布圖采用，但不得小于 0.30KN/m 。（二）地震作用地震強度通常用震級和烈度來反應(yīng)。震級是表示一次地震本身強弱程度和大小的尺度，以一次地震釋放能量的多少來確定，一次地震只有一個震級。地震烈度是地震時某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受到一次地震影響的強弱程度，一次同樣大小的地震，若震源深度、距震中的距離和土質(zhì)條件等因素的不同，則對地面和建筑物的破壞也不相同，一般說來，距震中愈近，地

6、震影響愈大，地震烈度愈高；離震中愈遠(yuǎn)，地震烈度就愈低。圖 6-4 震源、震中、震中距、地震波關(guān)系示意圖1976 年 7 月 28 日，在河北唐山發(fā)生了 7.8 級強烈地震，震中區(qū)烈度 11 度，唐山市區(qū)地震烈度為 10 度，天津市區(qū)為 89 度；2008 年 5 月 12 日，在四川汶川發(fā)生了 8.0 級的強烈地震，震中區(qū)烈度為 11 度，毗鄰的青川縣為 10 度，陜西寧強縣為 9 度。唐山大地震死亡人數(shù)達(dá) 24 萬，造成直接經(jīng)濟損失達(dá) 100 億，全市幾乎全部毀滅；汶川大地震死亡人數(shù)近 7 萬，造成直接經(jīng)濟損失 8451 億。地震引起的地面運動會使建筑物在水平方向、豎直方向產(chǎn)生加速度，這種加

7、速度的反應(yīng)值與房屋本身質(zhì)量的乘積，就形成地震對房屋的作用力，即地震作用。地震對房屋的破壞作用主要由水平方向的最大加速度反應(yīng)引起，故地震作用多以水平方向作用在建筑物上為主。（三）由溫差和地基不均勻沉降引起的內(nèi)力房屋因晝夜溫差和季節(jié)性溫差，每時每刻都在改變著形狀和尺寸，當(dāng)這種改變受到約束時，就會使房屋結(jié)構(gòu)受到內(nèi)力效應(yīng)，這也是一種“內(nèi)在的”作用。如圖-5，圖-6，圖-7 所示。圖-5 鋼梁因溫差引起的內(nèi)力效應(yīng)圖-6 鋼框架因溫差引起的內(nèi)力效應(yīng)圖-7 鋼框架因地基不均勻沉降引起的內(nèi)力效應(yīng)地基不均勻沉降引起建筑物的裂縫是多種多樣的，有些裂縫尚隨時間長期變化，裂縫寬度有幾厘米至數(shù)十厘米。一般情況下，地基受

8、到上部結(jié)構(gòu)的作用，引起地基的沉降變形呈凹形，這種沉降使建筑物形成中部沉降大，端部沉降小的彎曲，結(jié)構(gòu)中下部出現(xiàn)正八字形裂縫；地基的局部不均勻沉降也會引起這樣的裂縫。當(dāng)?shù)鼗胁坑谢靥钌?、石，或中部的地基堅硬而端部軟弱時，或由于上部結(jié)構(gòu)荷載相差懸殊時，建筑物端部沉降大于中部時，會形成斜裂縫。三、荷載的代表值在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，荷載的代表值可分為：1.荷載的標(biāo)準(zhǔn)值荷載的標(biāo)準(zhǔn)值一般是指結(jié)構(gòu)在其設(shè)計基準(zhǔn)期為 50 年的期間內(nèi)，在正常情況下可能出現(xiàn)具有一定保證率的最大荷載。它是荷載的基本代表值，當(dāng)有足夠?qū)崪y資料時，荷載標(biāo)準(zhǔn)值由資料按統(tǒng)計分析加以確定，即：s k = s m + s s = s m (1 + s s

9、 )（6-2）式中s k 荷載標(biāo)準(zhǔn)值；s m 荷載平均值； s 荷載標(biāo)準(zhǔn)值的保證率系數(shù)； s 荷載的變異系數(shù)， s = s / s m ； s 荷載的標(biāo)準(zhǔn)差。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）建議 s =1.645，即相當(dāng)于具有 95%保證率的上限分位值，圖 6-8 所示。當(dāng)沒有足夠統(tǒng)計資料時，荷載標(biāo)準(zhǔn)值可根據(jù)歷史經(jīng)驗估算確定。圖 6-8 荷載標(biāo)準(zhǔn)值的取值我國荷載規(guī)范對荷載標(biāo)準(zhǔn)值的取值方法為：恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值，對結(jié)構(gòu)自重，由于其變異性不大，可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸與材料單位體積的自重計算確定，對于某些自重變異性較大的材料和構(gòu)件，自重的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)對結(jié)構(gòu)的不利狀態(tài)，取上限值或下限值；可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按荷載規(guī)范

10、各章中規(guī)定采用。2.可變荷載的組合值可變荷載的組合值，是指幾種可變荷載進(jìn)行組合時，其值不一定都同時達(dá)到最大，因此需作適當(dāng)調(diào)整。其調(diào)整方法為：除其中最大荷載仍取其標(biāo)準(zhǔn)值外，其他伴隨的可變荷載均采用小于 1.0 的組合值系數(shù)乘以相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值來表達(dá)其荷載代表值。這種調(diào)整后的伴隨可變荷載，稱為可變荷載的組合值，其值用可變荷載的組合值系數(shù)與其相應(yīng)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的乘積來確定。3.可變荷載頻遇值可變荷載頻遇值是指結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的較大荷載。它與時間有密切的關(guān)聯(lián)，即在規(guī)定的期限內(nèi)（如在結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)），具有較短的總持續(xù)時間或較少的發(fā)生次數(shù)的特性，使結(jié)構(gòu)的破壞性有所減緩，因此，可變荷載的頻遇值總是小于荷載的標(biāo)準(zhǔn)值

11、。荷載規(guī)范規(guī)定：可變荷載頻遇值是以荷載的頻遇值系數(shù)與相應(yīng)的可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的乘積來確定。4.可變荷載的準(zhǔn)永久值可變荷載的準(zhǔn)永久值是指在結(jié)構(gòu)上經(jīng)常作用的可變荷載。它與時間的變異性有一定的相關(guān)，即在規(guī)定的期限內(nèi)，具有較長的總持續(xù)時間，對結(jié)構(gòu)的影響有如永久荷載的性能。荷載規(guī)范規(guī)定：可變荷載準(zhǔn)永久值是以荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)與相應(yīng)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的乘積來確定。第二節(jié) 反力和內(nèi)力一、反力當(dāng)物體沿著約束所能阻止的運動方向上有運動或有運動趨勢時，對它形成約束的物體必有能阻止其運動的力作用于它，這種力稱為該物體所受到的約束反力，即反力，約束反力的方向恒與約束所能阻止的運動方向相反，工程中常見的有柔體約束、光滑接觸面約

12、束、光滑圓柱形鉸鏈約束、鉸鏈支座約束等。1.柔體約束柔體約束只能限制物體沿柔體伸長的方向運動，而不能限制其他方向的運動，如圖 6-9 所示。F TCF A F BF T2FT2ABABO1O2O1O2GGF T1FT1(a)(b)(c)(d)圖 6-9 柔體約束2.光滑接觸面約束當(dāng)兩物體接觸面之間的摩擦很小，可以忽略不計時，則構(gòu)成光滑接觸面約束。如圖 6-10 所示。公法線切面公法線AC公法線公法線BF NF NAAF NBBCF NC3.光滑圓柱形鉸鏈約束在兩個物體上分別穿直徑相同的圓孔，再將一直徑略小于孔徑的圓柱體（稱為銷釘）插入該兩物體的孔中就形成圓柱形鉸鏈。光滑圓柱形鉸鏈約束的約束反力

13、一般可將其分解為互相垂直的兩個分力 Fx 、 Fy ，圖 6-11 所示。12F y銷釘F x(a)(b)(c)(d)4.鉸鏈支座約束任何建筑結(jié)構(gòu)（構(gòu)件），都必須安置在一定的支承物上，才能承受荷載的作用，達(dá)到穩(wěn)固使用的目的。在工程上常常通過支座將構(gòu)件支承在基礎(chǔ)或另一靜止的構(gòu)件上，這樣支座對構(gòu)件就構(gòu)成約束，工程中常見的支座約束有固定鉸支座、可動鉸支座、固定支座三種。（1）固定鉸支座建筑結(jié)構(gòu)中通常把不能產(chǎn)生移動，只可能產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動的支座視為固定鉸支座。其約束反力可以用相互垂直的兩個分力表示，圖 6-12 所示。桿(a)銷釘支座A(b)F xF y(c)（2）可動鉸支座若在固定鉸支座的下面與支承物之

14、間放入可沿支承面滾動的滾軸就構(gòu)成了可動鉸支座，其約束反力見圖 6-13 所示。(b)F N(c)(e)(a)(d)（3）固定支座固定支座不允許結(jié)構(gòu)發(fā)生任何方向的移動和轉(zhuǎn)動，在實際結(jié)構(gòu)中，凡嵌入墻身的桿件，若嵌入部分有足夠的長度，以致使桿端不能有任何移動和轉(zhuǎn)動時，該端就可視為固定支座，固定支座的約束反力可以用水平和豎向的反力Fx 和Fy 及反力偶M來表示，如圖 6-14 所示。MF xF y二、內(nèi)力物體因受外力而變形，其內(nèi)部各部分之間相對位置發(fā)生改變而引起的相互作用就是內(nèi)力。當(dāng)物體不受外力作用時，內(nèi)部各質(zhì)點之間存在著相互作用力，此也為內(nèi)力，但在工程力學(xué)中所指的內(nèi)力是指與外力和變形有關(guān)的內(nèi)力，即隨

15、著外力的作用而產(chǎn)生，隨著外力的增加而增大，當(dāng)外力撤去后，其內(nèi)力也將隨之消失。所以，結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）中的內(nèi)力是與其變形同時產(chǎn)生的，內(nèi)力作用的趨勢則是力圖使受力構(gòu)件恢復(fù)原狀，內(nèi)力對變形起抵抗和阻止作用。在計算構(gòu)件任一截面上的內(nèi)力時，因內(nèi)力為作用力和反作用力，圖 6-15 所示，對整體而言不出現(xiàn)，為此必須采用截面法，將內(nèi)力暴露才能計算。(a)用截面把構(gòu)件截開 (b)左側(cè)截面上的內(nèi)力 (c)右側(cè)截面上的內(nèi)力圖 6-16a 所示受力物體代表任一受力構(gòu)件，為了顯示和計算某一截面上的內(nèi)力，可在該截面處用一假想的平面將構(gòu)件截為兩部分并棄掉一部分，將棄掉部分對保留部分的作用以力的形式表示之，此力就是該截面上的內(nèi)力。

16、通常是將截面上的分布內(nèi)力用位于該截面形心處的合力來代替，雖然內(nèi)力的合力是未知的，但總可以用六個內(nèi)力分量來表示，如圖6-16b 所示。(a)受力構(gòu)件(b)截面上的內(nèi)力因構(gòu)件在外力作用下處于平衡狀態(tài)，所以截開后的保留部分也應(yīng)該是平衡的，這樣，根據(jù)下列兩組平衡： X = 0Y = 0 Z = 0 mx = 0 m y = 0 mz = 0（6-3）可求出 N x 、 Qy 、 Qz 與 M x 、 M y 、 M z 等各內(nèi)力分量，此時對圖 6-16b 而言， N x 、 Qy 、 Qz 與 M x 、 M y 、 M z 均相當(dāng)于外力。截面上的內(nèi)力并不一定同時存在上述六個分量，可能只存在其中的一個

17、或幾個。下面以軸向拉伸（或壓縮）桿件和典型的受彎構(gòu)件梁為例，分析其截面上的內(nèi)力。1.軸向拉伸（或壓縮）桿件的內(nèi)力軸向拉（壓）桿件是指在一對方向相反、作用線與桿件重合的外力作用下，將發(fā)生長度的改變（伸長或縮短）的桿件。設(shè)一等直桿在兩端軸向拉力 F 的作用下處于平衡，求桿件截面 m-m 上的內(nèi)力，圖 6-17a 所示。為此假想一平面沿橫截面 m-m 將桿件截分為、兩部分，任取一部分（如部分），棄去另一部分（如部分）并將棄去部分對留下部分的作用以截開面上的內(nèi)力來代替。對于留下部分來說，截開面 m-m 上的內(nèi)力 F N 就成為外力。由于整個桿件處于平衡狀態(tài)，桿件的任一部分均應(yīng)保持平衡，故其留下部分也應(yīng)

18、保持平衡。于是，桿件截面 m-m 上的內(nèi)力必定是與其左端外力 F 共線的軸向力 F N ，圖 6-17b 所示由平衡方程得 Fx= 0， FN F = 0FN = F式中 F N 為桿件任一橫截面 m-m 上的內(nèi)力，其作用線也與桿的軸線重合，即垂直于橫截面并通過形心，這種內(nèi)力稱為軸力，用 F N 表示。若取部分為留下部分，則由作用與反作用原理可知，部分在截開面上的軸力與前述部分上的軸力數(shù)值相等而指向相反，圖 6-17c 所示。由以上分析可知，軸向拉伸（或壓縮）桿件的內(nèi)力僅有一個，即軸力 F N 。2.梁截面上的內(nèi)力等截面直桿在其包含桿軸線的縱向平面內(nèi)，承受垂直于桿軸線的橫向外力作用，桿的軸線在

19、變形后成為曲線，這種變形稱為彎曲，凡是以彎曲為主要變形的桿件，通稱為梁。如圖 6-19a 為所示受集中力 F 作用的簡支梁，求其任一截面m-m 上的內(nèi)力。圖 6-19 集中荷載作用的簡支梁為求得坐標(biāo)為 x 的任一橫截面 m-m 上的內(nèi)力，取 A 點為坐標(biāo)軸的原點，應(yīng)用截面法沿橫截面 m-m 假想地把梁截為兩y部分，圖 6-19b,c 所示。分析梁的左側(cè)部分，因在這段梁上的作用有向上的支座約束反力 FA ，為滿足沿 y 軸方向力的平衡條件，故在橫截面 m-m 上必有一作用線與 FA 平行而指向相反的內(nèi)力，設(shè)內(nèi)力為 FS ，則由平衡方程 F= 0， FA Fs= 0得Fs = FAFS 稱為剪力。

20、由于外力 FA 與剪力 FS 組成一力偶，因而，C根據(jù)左部分梁的平衡可知，橫截面上必有一與其相平衡的內(nèi)力偶。設(shè)內(nèi)力偶的矩為 M，則由平衡方程 M= 0， M FA x = 0M = FA x矩心 C 為橫截面 m-m 的形心，內(nèi)力偶矩 M 稱為彎矩。左部分梁橫截面 m-m 上的剪力和彎矩，實際上是右部分梁對左部分梁的作用，根據(jù)作用與反作用的原理，右部分梁在同一橫截面 m-m 上的剪力和彎矩，在數(shù)值上應(yīng)該分別與左部分梁剪力和彎矩相等，但指向和轉(zhuǎn)向相反，圖 6-19c 所示。由以上分析可知，受彎構(gòu)件梁橫截面上的內(nèi)力一般有剪力 FS 和彎矩 M。第三節(jié) 結(jié)構(gòu)的定義和對結(jié)構(gòu)的要求一、結(jié)構(gòu)的定義為了使建

21、筑物、構(gòu)筑物在各種自然的與人為的作用下，保持其自身正常的工作狀態(tài)，必須有相應(yīng)的受力、傳力體系，這個體系就是結(jié)構(gòu)，圖 6-20 所示。建筑結(jié)構(gòu)是構(gòu)成建筑物并為使用功能提供空間環(huán)境的支承體，承擔(dān)著各種荷載；同時又是影響建筑構(gòu)造、建筑經(jīng)濟和建筑整體造型的基本因素。具體講，在土木工程中，承受荷載的建筑物和構(gòu)筑物或其中的某些承重構(gòu)件，都可稱為結(jié)構(gòu)。如常見建筑物的梁、柱、板；橋梁的橋墩、橋跨；水壩、堤岸等就是結(jié)構(gòu)，而人們在日?；顒又锌床坏降幕A(chǔ)、地基也屬于結(jié)構(gòu)。有了結(jié)構(gòu)，建筑物與構(gòu)筑物就可以抵抗自然界與人為的各種作用，因此結(jié)構(gòu)必須是安全的。(a) 工業(yè)廠房(b) 橋梁圖 6-20結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)在其使用期限

22、內(nèi)，要承受各種永久荷載和可變荷載，有些結(jié)構(gòu)可能還要承受偶然荷載。除此之外，結(jié)構(gòu)在其使用期限內(nèi)，還將受到溫度、收縮、徐變、地基不均勻沉降等影響。在地震區(qū)，結(jié)構(gòu)還可能承受地震作用。結(jié)構(gòu)在上述各種因素的作用下，應(yīng)具有足夠的承載能力，不發(fā)生整體或局部的破壞或失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有足夠的剛度，不產(chǎn)生過大的撓度或側(cè)移。二、結(jié)構(gòu)的組成1.形成跨度的構(gòu)件與結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)部要形成必要的使用空間，跨度是必不可少的尺度要求。常見的跨度構(gòu)件是梁。板是梁水平側(cè)向尺度的變異性構(gòu)件，其原理、作用與梁基本相同，圖 6-21 中的梁、板即為形成跨度的構(gòu)件。圖 6-21 結(jié)構(gòu)的組成2.垂直傳力的構(gòu)件與結(jié)構(gòu)跨度構(gòu)件的兩端形成對于其他構(gòu)件

23、向下的壓力作用，需要有其他構(gòu)件承擔(dān)并傳遞至地面，這就是垂直傳力構(gòu)件或結(jié)構(gòu)。常見的垂直傳力構(gòu)件或結(jié)構(gòu)是柱，如圖 6-21 中的柱子即為垂直傳力構(gòu)件。墻是柱水平側(cè)向尺度的變異性構(gòu)件，其原理、作用與柱基本相同，但是具有較大側(cè)向剛度。對于一些特殊結(jié)構(gòu)，不能夠簡單的將其分解成為跨度構(gòu)件與垂直構(gòu)件，可能是由整體結(jié)構(gòu)形成的，如拱。3.抵抗側(cè)向力的構(gòu)件與結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)部要有相應(yīng)的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，來抵抗側(cè)向力或者作用。常見的抵抗側(cè)向力的構(gòu)件是墻。樓板的側(cè)向剛度也較大，但只能夠?qū)⒔ㄖ镌诎逅诘钠矫鎯?nèi)形成剛性聯(lián)接體。除了墻以外，柱與柱之間可以利用支撐來形成抵抗側(cè)向變形的結(jié)構(gòu)。4.承擔(dān)和傳遞上部荷載的構(gòu)件與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是建筑

24、物的組成部分，承受著建筑物的上部荷載，并將這些荷載傳給地基，圖 6-21 中的基礎(chǔ)?；A(chǔ)要承擔(dān)垂直力、水平側(cè)向力、彎矩等復(fù)雜的作用?；A(chǔ)必須向地面以下埋置一定的深度，以確保建筑物的整體穩(wěn)定性。地基是基礎(chǔ)以下的持力土層或巖層。地基必須有足夠的強度、剛度與穩(wěn)定性。三、結(jié)構(gòu)的基本要求房屋結(jié)構(gòu)要根據(jù)房屋的用途、建筑材料、施工技術(shù)條件、地質(zhì)、地形、自然氣候條件、造型要求及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等選定合理的結(jié)構(gòu)方案。既要滿足結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性和經(jīng)濟性的要求，又要考慮建筑藝術(shù)的要求，盡量使結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美，與建筑融為一體。對結(jié)構(gòu)的基本要求包括平衡、強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性等方面。1.平衡平衡的基本要求就是

25、保證建筑物及其任一組成構(gòu)件不致發(fā)生運動。這里指的運動不包括支座產(chǎn)生的微小位移，也就是說，有些運動是不可避免的和必要的，但又是可以被建筑物所允許的，這種允許的微小運動仍使建筑結(jié)構(gòu)處于平衡的狀態(tài)。2.強度強度是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載作用下，抵抗破壞的能力。強度的基本要求就是保證結(jié)構(gòu)及其任一組成構(gòu)件在荷載作用下保持完好狀態(tài)，也就是說結(jié)構(gòu)體系能夠把房屋在施工和使用期間所承受的各種荷載，通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳遞到地基上，并保證建筑物在正常工作情況下的安全性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件因強度不足造成破壞的實例如圖 6-22 所示。(a) 柱子強度不足造成的破壞(b) 梁強度不足造成的破壞圖 6-22 結(jié)構(gòu)因強度不足產(chǎn)生的破壞3.

26、剛度剛度是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在外力作用下抵抗變形的能力。剛度的要求就是使結(jié)構(gòu)及其任一組成構(gòu)件在荷載作用下不致產(chǎn)生過大的變形而影響使用，其變形值應(yīng)控制在規(guī)范所允許的范圍內(nèi)，圖 6-23 為結(jié)構(gòu)變形的示意圖。剛度是衡量結(jié)構(gòu)承受溫度變化、地基不均勻沉陷和動力荷載時柔韌性的一個標(biāo)志。圖 6-23 結(jié)構(gòu)變形的示意圖房屋建筑對結(jié)構(gòu)允許變形的規(guī)定是根據(jù)使用要求，按照規(guī)范規(guī)定確定的。如樓板的撓度限值是根據(jù)裝飾與美觀的要求確定，吊車梁的撓度限值是根據(jù)吊車行走坡度的要求確定的，高層建筑抗震縫限值是根據(jù)結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時，為避免結(jié)構(gòu)振動碰撞而規(guī)定的。4.穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)受到外力作用，在力的傳遞過程中，除要求滿足強度和剛度要求外

27、，結(jié)構(gòu)的整體與局部尚需滿足穩(wěn)定性的要求。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，分基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)本身兩個方面。在基礎(chǔ)方面，要防止地基不均勻沉降而引起的傾斜倒塌或在地基在水平力作用下的滑移。在結(jié)構(gòu)方面有整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的問題，結(jié)構(gòu)施工中，要防止結(jié)構(gòu)尚未形成整體時的失穩(wěn)，如單層廠房排架柱施工和升板結(jié)構(gòu)提升階段的群柱失穩(wěn)等。局部穩(wěn)定是指結(jié)構(gòu)本身的局部或結(jié)構(gòu)中的桿件在受力時產(chǎn)生的屈曲現(xiàn)象，如壓桿的失穩(wěn)、梁受壓翼緣的失穩(wěn)、薄壁結(jié)構(gòu)腹板的失穩(wěn)等，特別在鋼結(jié)構(gòu)中要注意失穩(wěn)現(xiàn)象，如圖 6-24 所示。(a) 鋼柱失穩(wěn)(b) 鋼梁失穩(wěn)5.耐久性結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，在規(guī)定的使用期限內(nèi)要有足夠的耐久性。結(jié)構(gòu)的耐久性問題已引起世

28、界各國的高度重視，結(jié)構(gòu)的耐久性可從兩個方面即環(huán)境條件的腐蝕和受力狀態(tài)對結(jié)構(gòu)耐久性的影響考慮。解決環(huán)境條件的影響問題，目前采取的措施是選用耐環(huán)境腐蝕的材料、加大保護(hù)層、選用合理的形狀和連接構(gòu)件等。第四節(jié) 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)和結(jié)構(gòu)失效一、結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求而且能夠良好的工作，稱為結(jié)構(gòu)的可靠或有效，反之則稱結(jié)構(gòu)不可靠或失效。區(qū)分結(jié)構(gòu)可靠與失效狀態(tài)的標(biāo)志是極限狀態(tài)。整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)時，如達(dá)到極限能力、失穩(wěn)、變形過大、裂縫過寬等，就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。根據(jù)功能要求，結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)可分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。1.承載

29、能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力、疲勞破壞或不適于繼續(xù)承載的變形時的狀態(tài)。對于所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，均應(yīng)進(jìn)行承載力極限狀態(tài)的計算，在必要時尚應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件的疲勞強度或結(jié)構(gòu)的傾覆和滑移驗算。2.正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項規(guī)定限值時的狀態(tài)。對于在使用上或外觀上需要控制變形值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行變形的驗算；對于在使用上要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行混凝土拉應(yīng)力的驗算；對于允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行裂縫寬度的驗算；同時應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的耐久性設(shè)計，以保證結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性的要求。二、結(jié)構(gòu)的失效因各種荷載使房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受的拉力、壓力、彎矩和扭矩等，及

30、結(jié)構(gòu)構(gòu)件因承受著各種作用力而產(chǎn)生的拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)變形等統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)，用 S 表示。結(jié)構(gòu)抗力即結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗其內(nèi)力和變形的能力，是指由材料、截面及其連接方式所構(gòu)成的抗拉能力、抗壓能力、抗彎能力和抗扭能力，以及結(jié)構(gòu)所能經(jīng)受的變形、位移或沉陷量，用 R 表示。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作狀態(tài)可以用作用效應(yīng) S 和結(jié)構(gòu)抗力 R 的關(guān)系式來描述：當(dāng) SR，結(jié)構(gòu)處于實效狀態(tài)。結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定功能的（SR）的概率即為“可靠概率” ps ，不能完成預(yù)定功能（SR）的概率為“失效概率” p f 。即ps + p f = 1.0（6-4）在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，荷載、材料強度指標(biāo)都是隨機變量，它們的概率分布函數(shù)可以用不同的曲線來反映，其中正態(tài)分布占很重要的地位，由荷載等外部因素所產(chǎn)生的荷載效應(yīng) S 和材料強度及截面幾何特征相關(guān)的結(jié)構(gòu)抗力 R 也可認(rèn)為是正態(tài)分布的隨機變量。由于荷載效應(yīng)可表示成各個截面的內(nèi)力，而結(jié)構(gòu)抗力可表示成結(jié)構(gòu)內(nèi)部所承受的內(nèi)力值，所以兩者的統(tǒng)計關(guān)系可列于同一坐標(biāo)內(nèi)，如圖 6-25 所示。圖 6-25 S 與 R 概率分布曲線圖 6-26 Z 的概率分布曲線從圖 6-25 可以看出，結(jié)構(gòu)抗力 R 值在大多數(shù)情況下出現(xiàn)大于荷載效應(yīng) S 值的情況，但在兩條曲線重疊面積范圍內(nèi)，仍有可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗力 R 低于荷載效 S 應(yīng)的情況。例如圖 6