结构设计原理2014.10.30
结构设计原理简介
结构设计原理简介结构设计原理是指在建筑、土木工程等领域中，根据工程要求和结构特点，通过科学的方法和理论，确定结构的形式、尺寸、材料等方面的设计原则。
它是建筑和土木工程的核心内容之一，对于保证工程的安全、稳定和经济性具有重要作用。
本文将简要介绍结构设计原理的基本概念、主要内容和应用。
一、结构设计原理的基本概念结构设计原理是指在建筑和土木工程中，根据结构的力学性能和工程要求，通过合理的设计方法和原则，确定结构的形式、尺寸、材料等方面的基本规定。
它是建筑和土木工程设计的基石，对于工程的安全性、可靠性和经济性具有决定性的影响。
二、结构设计原理的主要内容1. 结构的受力分析：结构设计的第一步是进行受力分析，确定结构所受到的外力以及结构内部受力的大小和方向。
通过受力分析，可以确定结构的受力状态，为后续的设计提供依据。
2. 结构的形式选择：根据工程要求和结构特点，选择合适的结构形式。
常见的结构形式包括梁、柱、桁架等，每种结构形式都有其适用的范围和特点。
3. 结构的尺寸设计：确定结构的尺寸，包括截面尺寸、跨度、高度等。
结构的尺寸设计需要考虑结构的受力性能、变形控制和施工要求等因素。
4. 结构的材料选择：选择合适的材料用于结构的建造。
常见的结构材料包括钢材、混凝土、木材等，每种材料都有其特点和适用范围。
5. 结构的连接设计：设计结构的连接方式和连接件，确保结构的稳定性和可靠性。
连接设计需要考虑结构的受力传递、变形控制和施工要求等因素。
三、结构设计原理的应用结构设计原理广泛应用于建筑和土木工程领域。
在建筑设计中，结构设计原理被用于确定建筑物的结构形式、尺寸和材料，确保建筑物的安全和稳定。
在土木工程中，结构设计原理被用于设计桥梁、隧道、水坝等工程结构，确保工程的安全和经济性。
结构设计原理的应用还涉及到结构的优化设计、抗震设计、防火设计等方面。
通过科学的结构设计原理，可以提高工程的安全性、经济性和可持续性，满足人们对于建筑和土木工程的需求。
建筑结构设计原理
建筑结构设计原理
建筑结构设计原理包括以下几个方面：
1. 静力学原理：建筑结构设计必须遵循静力学原理，即构件的受力平衡。
各个构件的受力应符合受力平衡方程，以确保结构的稳定性和安全性。
2. 轻质化原理：建筑结构设计应尽量采用轻质化材料，以减轻结构的自重，降低地基负荷。
轻质化还有助于提高结构的抗震性能和抗风性能。
3. 简化原理：建筑结构设计应尽量简化结构形式，减少构件数量和节点数量。
简化结构有助于提高施工效率，减少施工难度和成本，并且方便维护和监测。
4. 经济原理：建筑结构设计应力求经济合理，即在满足使用寿命和安全性要求的前提下，尽量减少材料和人工投入。
经济合理的结构设计能够提高建筑的竞争力，降低建设成本。
5. 美观原理：建筑结构设计应注重建筑的美学价值，力求结构形式简洁、流畅，与建筑整体风格协调。
美观的结构设计能够增强建筑的审美价值，提升使用者的体验和满意度。
6. 可持续发展原理：建筑结构设计应符合可持续发展的理念，即在减少资源消耗和环境影响的同时，满足人们对建筑功能和舒适性的需求。
可持续发展的结构设计能够降低建筑对自然资源的依赖，并减少环境污染。
综上所述，建筑结构设计原理包括静力学原理、轻质化原理、简化原理、经济原理、美观原理和可持续发展原理。
这些原理在设计过程中相互作用，共同确保建筑结构的安全、稳定、经济、美观和可持续发展。
结构设计原理
结构设计原理
强度
强度是指结构在负载作用下的抗力能力。
结构设计原理中，强度原则是关键的一项，它要求设计者根据建筑物的功能、负载条件和材料特性等因素，合理确定结构的截面尺寸和材料强度等参数，以保证结构在正常使用和极限状态下具有足够的强度。
稳定性
稳定性是指结构在受力情况下不发生失稳的能力。
稳定性原理要求设计者通过合理的结构形式和布置，确保结构在受到外力作用时能够保持稳定，避免塌陷或倾覆的情况发生。
耐久性
耐久性是指结构在长期使用和环境影响下不受损害的能力。
结构设计原理中，耐久性原则要求设计者在选择材料、施工工艺和防
护措施等方面考虑到结构的长期使用条件，以确保结构具有足够的耐久性。
经济性
经济性是指在满足强度、稳定性和耐久性等要求的前提下，尽可能减少结构造价的能力。
结构设计原理中，经济性原则要求设计者在合理确定结构参数和施工工艺的基础上，通过优化设计和合理选用材料，以达到在满足功能要求的同时，尽量降低建设成本。
总结
结构设计原理的基本目标是通过合理的设计方案，保证结构的强度、稳定性和耐久性等要求，并在经济性的前提下尽量降低建设成本。
这些原理在结构设计过程中起着重要的指导作用，对于确保工程项目的安全性和可持续性具有重要意义。
结构设计原理
结构设计原理1. 概述结构设计是指在工程建设中，根据设计要求和功能需求，通过合理的结构组织和布局，以达到设计目标的过程。
在工程项目中，结构设计原理是指根据工程结构的基本理论和设计准则，对工程结构进行合理的布置和设计的基本原则。
结构设计涉及多个学科领域，如力学、材料学、建筑学等，它对于提高工程结构的强度和稳定性、确保工程安全和可靠运行具有重要作用。
在结构设计中，设计师需要借助结构设计原理，进行结构的全面考虑和分析，以制定合理的设计方案。
本文将介绍几个常见的结构设计原理。
2. 强度和稳定性原理在结构设计中，强度和稳定性是设计的基本要求。
强度是指结构在外部荷载作用下不发生破坏的能力，而稳定性是指结构在荷载作用下保持平衡和稳定的能力。
结构的强度和稳定性原理主要包括以下几个方面：•材料选择原则：根据结构的设计要求和使用环境，选择合适的材料，并根据其物理特性和力学性能进行合理的设计。
•截面设计原则：在设计过程中，根据结构的受力特点，合理选择截面形状和尺寸，以保证结构的强度和稳定性。
•连接设计原则：结构的连接部分是承载力传递和协调力分布的关键，设计时应合理选择连接方式和材料，以确保连接的强度和稳定性。
•增强措施原则：对于结构中存在的薄弱部位或容易受到外力破坏的部分，采取适当的增强措施，提高其强度和稳定性。
3. 经济性原理经济性是结构设计的重要指标之一，它要求在满足设计要求和功能需求的前提下，尽可能降低工程的投资和运营成本。
经济性原理可以从以下几个方面来考虑：•材料选择与用量控制：根据工程的特点和预算要求，选择性能良好且经济实用的材料，并合理控制使用量，以降低建设成本。
•结构构造优化：通过合理的结构布局和构造设计，最大限度地提高结构的强度和刚度，同时减少材料的使用量和浪费，实现结构的节能和环保。
•施工方法和工序优化：在施工过程中，合理选择施工方法和工序，提高施工效率，减少施工时间和成本，并确保结构的质量和稳定性。
结构设计原理解读
结构设计原理解读结构设计是建筑领域中至关重要的一环，它涉及到建筑物的稳定性、安全性和美观性等方面。
本文将从结构设计的原理出发，对其进行深入解读。
一、结构设计的基本原理结构设计的基本原理包括力学平衡原理、材料力学原理和结构力学原理。
1. 力学平衡原理力学平衡原理是结构设计的基石。
根据这一原理，一个结构在静力平衡时，受力的合力和合力矩均为零。
设计师需要根据建筑物的形状、荷载和支座条件等因素，合理分析和计算受力情况，确保结构的平衡。
2. 材料力学原理材料力学原理是指材料在外力作用下产生变形和破坏的规律。
结构设计师需要了解不同材料的力学性能，如强度、刚度和稳定性等，以及材料的应力-应变关系，从而选择合适的材料并合理设计结构。
3. 结构力学原理结构力学原理是指通过力学分析和计算，确定结构内力和变形的原理。
结构设计师需要运用结构力学原理，进行受力分析、内力计算和变形控制，确保结构的安全性和稳定性。
二、结构设计的优化原则结构设计的优化原则包括最小重量原则、最小材料消耗原则和最小成本原则。
1. 最小重量原则最小重量原则是指在满足结构强度和刚度要求的前提下，尽量减小结构的自重。
通过合理选择材料和优化结构形式，可以实现结构的轻量化设计，提高资源利用效率。
2. 最小材料消耗原则最小材料消耗原则是指在满足结构安全性和稳定性要求的前提下，尽量减少材料的使用量。
通过合理布置结构材料和优化截面形状，可以降低材料成本，减少资源消耗。
3. 最小成本原则最小成本原则是指在满足结构强度、稳定性和经济性要求的前提下，尽量降低结构的建造和维护成本。
结构设计师需要综合考虑材料成本、施工工艺和维护费用等因素，选择最经济的结构方案。
三、结构设计的创新原则结构设计的创新原则包括形式创新原则、材料创新原则和施工工艺创新原则。
1. 形式创新原则形式创新原则是指通过创新的结构形式，实现建筑物的独特性和美观性。
设计师可以运用现代建筑技术，采用新颖的结构形式，如悬挑结构、拱形结构和网壳结构等，赋予建筑物独特的外观和空间感。
建筑物结构设计的基本原理
建筑物结构设计的基本原理
建筑物结构设计的基本原理主要包括以下几点：
1. 结构平衡原理：建筑物结构设计必须保证结构内部的平衡，使结构在各种外力作用下保持稳定。
结构平衡是结构设计的基本要求，也是保证建筑物安全性的基础。
2. 结构承载能力原理：建筑物结构设计必须考虑结构的承载能力，确保结构能够承受各种预期的载荷，包括静载和动载。
承载能力是衡量结构性能的重要指标，也是保证建筑物正常使用的前提。
3. 结构传力原理：建筑物结构设计必须保证力的传递路径清晰、合理，使结构在承受载荷时能够有效地将载荷传递到各个部位，从而达到整体结构的平衡和稳定。
4. 结构耐久性原理：建筑物结构设计必须考虑结构的耐久性，即结构的寿命。
结构耐久性取决于材料的质量、结构的构造方式和维护状况等多个因素。
结构设计应保证结构的耐久性，以满足建筑物的使用寿命要求。
5. 环境保护原理：随着人们对环境保护意识的提高，建筑物结构设计也应考虑环境保护因素。
结构设计应尽可能采用环保材料和节能技术，减少对环境的负面影响，同时充分利用自然资源，实现可持续发展。
总之，建筑物结构设计的基本原理是确保建筑物的安全性、经济
性和可持续性的关键。
只有遵循这些基本原理，才能设计出安全、经济、可靠的建筑物。
结构设计原理总结
结构设计原理总结结构设计原理是指在进行结构设计时所遵循的一些基本原则和规则。
这些原理可以帮助工程师在设计过程中确保结构的安全性、稳定性和经济性。
下面将对结构设计原理进行总结，内容大致包括以下几方面：第一，安全性原理。
结构设计首要考虑的是结构的安全性，即结构在受到外力作用时能否保持稳定，并且不会发生破坏。
为了确保结构的安全性，设计中需要考虑结构的强度、稳定性、承载能力、刚度以及抗震能力等因素。
此外，还需要考虑到结构的使用寿命和防火性能等方面的安全因素。
第二，经济性原理。
结构设计需要在保证安全性的基础上尽可能地降低成本和资源消耗。
在进行结构设计时，需要考虑材料成本、施工工艺、维护成本等因素，并在不影响结构安全的前提下寻找最经济的设计方案。
第三，可靠性原理。
结构设计应追求结构的可靠性，即结构在设计寿命内能够满足设计要求并保持稳定。
为了确保结构的可靠性，设计中需要考虑结构的可靠性指标和可靠性分析方法，并采取相应的设计措施。
第四，合理性原理。
合理性是结构设计的一个重要原则，即设计应符合实际工程条件和使用要求，并且能够满足工程师在设计中的要求。
合理性原则涉及到结构形式、结构布置、材料选择、工艺安排等方面的问题，只有在满足实际要求的情况下，才能够得到一个合理的设计方案。
第五，灵活性原理。
结构设计应具有一定的灵活性，即在满足功能和安全要求的前提下，能够适应不同的场地和使用要求。
灵活性原则涉及到结构的可调性和可改造性等方面的问题，设计中需要考虑到结构的可调整性和可扩展性，以适应未来可能的变化和调整。
第六，美观性原理。
结构设计不仅仅是为了满足功能和经济要求，还应考虑结构的美观性。
美观性原则涉及到结构形式、比例、纹理、颜色等方面的问题，设计中需要注重表达设计意图，并追求结构的整体美感。
综上所述，结构设计原理是一系列基本原则和规则，它们在结构设计中发挥着重要的作用。
安全性原理、经济性原理、可靠性原理、合理性原理、灵活性原理和美观性原理是结构设计原理的主要内容。
建筑结构设计的基本原理
建筑结构设计的基本原理建筑结构设计是指在建筑设计中根据建筑物的性能要求和使用功能，合理选择结构形式、材料和设计参数，经过结构计算和分析，确定结构的稳定性、安全性、经济性和美观性等设计要求，最终确定适合建筑物的结构方案和施工图纸的过程。
建筑结构设计的基本原理包括承载原理、稳定原理和刚度原理。
一、承载原理承载原理是建筑结构设计的核心原理之一。
建筑结构的任务是将荷载从上部传递到地基，并保证建筑物整体的稳定性。
根据承载原理，建筑结构设计应尽可能合理分配和传递荷载，使结构的内力控制在安全范围内，防止产生过大的位移和变形。
在承载原理中，有几个重要的概念需要明确：1. 荷载：荷载是指施加在建筑结构上的各种外部力和作用。
包括常规荷载（如自重、活荷载、风荷载等）和非常规荷载（如地震荷载、温度荷载等）。
2. 内力：内力是指结构中构件所承受的各种反力和剪力。
根据力学原理，结构的设计应使各构件的内力处于安全范围内。
3. 构件：构件是指构成整个建筑结构的各个组成部分，如梁、柱、墙等。
在建筑结构设计中，需要根据结构的受力特点和荷载特点合理选择构件类型和尺寸。
二、稳定原理稳定原理是指建筑结构在承载荷载的作用下保持平衡和稳定的原理。
建筑结构稳定性是结构设计的重要指标之一，与结构的几何形态、荷载传递路径和内力分布有关。
根据稳定原理，建筑结构设计应满足以下几个方面的要求：1. 抗倾覆稳定要求：建筑结构在水平荷载和垂直荷载作用下，要保持稳定，避免倾覆。
2. 抗倾压稳定要求：建筑结构中的构件在受到压力时，要保持稳定，避免产生局部屈曲和破坏。
3. 抗剪稳定要求：建筑结构中的构件在受到剪力作用时，要保持整体稳定，避免产生剪切破坏。
三、刚度原理刚度原理是指建筑结构设计中保证结构刚度和变形控制的原则。
建筑结构的刚度与结构的内力分布和构件的弯曲刚度相关，直接影响结构的变形和振动性能。
根据刚度原理，建筑结构设计应满足以下几个方面的要求：1. 确定结构的刚度：根据建筑物的使用要求，合理确定结构的刚度，确保结构在使用过程中满足相应的刚度要求。
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轴心抗压强度fc（棱柱体抗压强度）
结构设计原理
承压板
标准试块：150×150 ×300 非标准试块：100×100 ×300 换算系数 0.95 200×200 ×400 换算系数1.05
试 块
*考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱 体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果) 。
方体抗压强度标准值（以N/mm2）表示。
14个等级：C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C50, C55, C60,
C65, C70, C75, C80.
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轴心抗压强度fc（棱柱体抗压强度）
* 棱柱体试件的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受 力情况，故棱柱体抗压强度是实际受压构件混凝土抗压 强度的取值依据。
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2结构设计原理 、素混凝土梁和配置钢筋的梁对比荷载试验
P
P
钢筋（加筋）
+
混凝土
钢筋混凝土结构（构件）
拉压性能均好
抗压性能好
利用混凝土抗压，钢 筋受拉（亦可受压）
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2、素混凝土梁和配置钢筋的梁对比荷载试验：
结构设计原理
P
P
由此得出钢筋和混凝土结合的有效性： 大大提高结构的承载力 结构的受力性能得到改善
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结构设计原理
0.2 各工程结构的特点及使用范围
根据构件的受力特征在混凝 土构件的适当部位配置受力 的普通钢筋的结构
① 钢筋混凝土结构
特点： 优点：适用性强、 就地取材、耐久性好、耐火性好、整 体性好、可模性好 缺点：自重大、抗裂性差、耗模板、施工受季节性影响、 隔热隔声性能差 应用： 房屋建筑、地下结构、桥梁、隧道、水利、港口等
1、泊松比νc 混凝土横向应变与纵向应变的比值。随应力增大而增大。
当 c 0.5 f c
2、混凝土剪切模量
c
c 0.2
EC 2(1 C )
规范取
c 0.2
由弹性理论求出： Gc
把 c 0.2 代入得 G = 0.417Ec
规范取 G = 0.4Ec
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0
• 收敛点E
•
F
0
cu
混凝土受压时应力－应变关系曲线
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结构设计原理
砼轴心受压应力应变曲线的主要影响因素
1.
2. 3.
砼的强度：
应变速率： 横向约束 ：
强度 ↑
速率 ↑
延性↓
σmax↑ εcu↓
配箍率增加，间距加密 →σ0↑ ，εcu↑
4.
测试技术和试验条件
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结构设计原理
1=fcc’ 2= 3= fL
fL----侧向约束压 应力（加液压） 工程应用：密配螺 旋箍筋、钢管砼
三向受压时的混凝土强度
fcc ' fc ' k ' f L
1=fcc’
圆柱体试验
有侧向约 束时的抗 压强度
侧压力效 应系数 无侧向约 束时圆柱 体的单轴 抗压强度
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1.2.1 混凝土的变形源自1、混凝土结构钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构
配置预应力钢筋，再经过张 拉或其他方法建立预加应力 的砼制成的结构
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1.1 钢筋混凝土结构的基本概念
2、素混凝土梁和配置钢筋的梁对比荷载试验
P P P P
素混凝土梁承载力小， 破坏突然
钢筋混凝土梁承载力大， 变形性能好，破坏有预兆
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结构设计原理
0.2 各工程结构的特点及使用范围
② 预应力混凝土结构
特点：
为解决钢筋混凝土结构在使 用阶段容易开裂问题而发展 起来的结构
优点：抗裂性好、结构刚度大、挠度小、自重轻、疲劳性能好 缺点：单价高、施工机械设备要求高、工序多、设计计算复杂 应用： 房屋、铁道、公路、桥梁、水利、通讯、海洋工程等
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结构设计原理
结构设计原理
土木工程学院桥梁教研室
曹国辉
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课程的地位和任务
地
位: 结构设计原理课程是土木工程、道路桥梁与渡河工程
专业一门主要的专业基础课程，也是学习和掌握桥梁工程及道 路人工构造物设计的基础。
主要任务：讨论钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、圬工结
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0.2 各工程结构的特点及使用范围
③ 圬工结构
用胶结材料将砖、天然石料 等块材按一定规则砌筑而成 整体的结构
特点： 优点：就地取材、耐久性好
缺点：自重大、施工机械化程度低
应用：中小跨径的拱桥、桥墩（台）、挡土墙、涵洞、道路护坡等
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结构设计原理
0.2 各工程结构的特点及使用范围
ce 弹性变形 ch 收缩
21 24
t (月)
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结构设计原理
长期荷载作用下的变形 ---徐变
徐变的原因：
① 胶凝体的粘性流动（应力不大时） ② 混凝土内部微裂缝的不断发展（应力较大时）
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结构设计原理
长期荷载作用下的变形 ---徐变
徐变的影响因素：
① 内在因素 ——混凝土的组成和配比。骨料的刚度越大，体积比越 大，徐变就越小；水灰比越小，徐变也越小。 ② 环境影响——养护条件和使用条件。受荷前养护的温湿度越高， 徐变就越小；受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，
掌握混凝土结构、预应力混凝土结构、圬工结构的基本理论、
设计计算方法和构造原则，达到具有进行工程结构设计和解决工程 问题的初步能力。
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结构设计原理
绪论
主要内容：
介绍工程结构基本概念； 各工程结构的特点及使用范围；
学习本课程需注意的问题。
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结构设计原理
要求
掌握各工程结构的一般概念及特点
混凝土一次短期加荷的变形 受力变形
结构设计原理
混凝土长期作用的变形
混凝土的变形
多次重复荷载作用下的变形 收缩变形 非受力变形 （体积变形）
温度引起的变形
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单调、短期加荷的变形
结构设计原理
fc
0.75~0.9fc
临界点B
•
• 峰点C
•
拐点D
0.3~0.5fc 标准棱柱体短时 加载试验
•比例极限A
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结构设计原理
3、混凝土和钢筋共同工作的原因
混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，
可共同受力，共同变形 。
两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏 两者的粘结力，混凝土：1.0×10-5~1.5 ×10-5，钢筋： 1.2 ×10-5 。
混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化 。
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抗拉强度fct
混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度1/8~ 1/18。
试 验 方 法
直接测试方法（直接受拉试验）
误差大、影 响因素多
常采用
间接测试方法(弯折，劈裂试验)
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结构设计原理
抗拉强度fct
直 接 受 拉 试 验
100 150 150 100
500
• 试验结果：ft=0.395fcu 0.55 • 虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速 度等的影响，取ft=0.348fcu 0.55
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结构设计原理
抗拉强度fct
F
F
劈 裂 试 验
d
d
2F f ts dl
F ft
s
F
• 我国根据100mm立方体的 劈裂与抗压试验结果有： • fts=0.19fcu 3/4
徐变就越大。
湖南城市学院 混凝土的弹性模量的试验方法（150×150×300标准试件）
结构设计原理
c/fc
0.5
5~10次
统计分析，得 经验公式
此线和原点切线基 本平行，取其斜率 作为Ec
c
105 Ec ( N/mm2 ) 34.74 2.2 f cu
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结构设计原理
混凝土的泊松比与剪切模量
构、钢结构基本构件的受力性能、计算方法和构造要求等 ，为
学习后续课程（桥梁工程）打下坚实的基础。
* 本课程在性质上相当于 各工程结构“材料力学”，但它既与材 料力学有不少相似之处，又有很多不同的地方。在学习本课程
时要着重从它与材料力学的不同方面来掌握结构的材料特点。
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结构设计原理
课程的要求
湖南城市学院
复合受力状态下混凝土的强度
拉 -0.2
结构设计原理
2/ f
c
1.2 1.0
-0.2
/fc
0.2 0.1
压
1.0 1.2 1/f
c
-0.1
0.0
0.6
1.0
/fc
单轴抗拉强度
单轴抗压强度
双向正应力下的强度曲线
法向应力和剪应力下的强度曲线
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结构设计原理
复合受力状态下混凝土的强度
试块
•另影响强度的因素 还有：龄期、加载速 率、试块尺寸等 不涂润滑剂
强度大于
涂润滑剂
我国规范的方法：不涂润滑剂
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结构设计原理
立方体抗压强度fcu
规范规定用边长为150mm的标准立方体试块，在标准养护室（温度 20±2℃，相对湿度不小于95%）养护28天后，以大约每秒