《荷载与结构设计原则》
荷载及结构设计
风荷载
建筑物受到的风力作用，与建筑物 的形状、高度和地理位置有关。
雪荷载
积雪对建筑物屋顶和墙面的压力， 取决于降雪量和建筑物的形状。
偶然荷载对结构设计的影响
01
02
03
地震作用
地震产生的水平力和垂直 力对建筑物的影响，需根 据地震烈度进行抗震设计。
爆炸荷载
建筑物内部或外部爆炸产 生的冲击波和碎片对结构 的影响。
03
专门针对建筑结构设计的有限元分析软件，具有高效的计算速
度和丰富的后处理功能。
05 结构优化与创新设计
结构优化方法
拓扑优化
通过改变结构的拓扑构型，实现材料的高效利用和性能提升。
形状优化
调整结构的几何形状，以改善应力分布、提高刚度等性能。
尺寸优化
在给定结构形式下，通过调整构件截面尺寸，实现结构性能的优 化。
案例二
某高层酒店设计。建筑高度200米，地上40层，地下2层。设计荷载包括恒载、活载、雪 载、风载和地震作用。结构设计采用剪力墙结构体系，注重提高结构的抗震性能和舒适度 。
案例三
某高层住宅楼设计。建筑高度150米，地上30层，地下2层。设计荷载主要考虑恒载、活 载、风载和地震作用。结构设计采用框架-剪力墙结构体系，重点优化结构的受力性能和 经济效益。
撞击荷载
如车辆撞击、飞机坠毁等 极端事件对建筑物结构的 冲击。
04 结构分析方法与工具
结构力学分析方法
弹性力学分析
基于弹性力学理论，对结 构进行应力、应变和位移 分析，适用于小变形和线 性材料行为的情况。
塑性力学分析
考虑材料的塑性变形行为， 对结构进行极限分析和设 计，适用于大变形和非线 性材料行为的情况。
GB50009—2001建筑结构荷载规范
提出对建筑群体要考虑建筑物相互干扰的影响
对柔性结构增加横风向风振的验算要求
工程建设标准全文信息系统
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本标准将来可能需要进行局部修订 有关局部修订的信息和
条文内容将刊登在 工程建设标准化 杂志上
本规范以黑体字标志的条文为强制性条文 必须严格执行
为了提高规范质量 请各单位在执行本标准的过程中 注意
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术语及符号
术语
永久荷载 在结构使用期间 其值不随时间变化 或其变化与平均值相 比可以忽略不计 或其变化是单调的并能趋于限值的荷载
可变荷载 在结构使用期间 其值随时间变化 且其变化与平均值相比 不可以忽略不计的荷载
偶然荷载 在结构使用期间不一定出现 一旦出现 其值很大且持续时 间很短的荷载
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荷载分类和荷载效应组合
荷载分类和荷载代表值
结构上的荷载可分为下列三类 永久荷载 例如结构自重 土压力 预应力等 可变荷载 例如楼面活荷载 屋面活荷载和积灰荷载 吊车荷载 风荷载 雪荷载等 偶然荷载 例如爆炸力 撞击力等
注 自重是指材料自身重量产生的荷载 重力
本规范适用于建筑工程的结构设计 本规范是根据 建筑结构可靠度设计统一标准
规定的原则制订的 建筑结构设计中涉及的作用包括直接作用 荷载 和间 接作用 如地基变形 混凝土收缩 焊接变形 温度变化或地震 等引起的作用 本规范仅对有关荷载作出规定 本规范采用的设计基准期为 年 建筑结构设计中涉及的作用或荷载 除按本规范执行外 尚应符合现行的其他国家标准的规定
建筑结构设计时 对不同荷载应采用不同的代表值 对永久荷载应采用标准值作为代表值 对可变荷载应根据设计要求采用标准值 组合值 频遇值或 准永久值作为代表值 对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值
高层建筑结构荷载作用与结构设计原则
3.2 风荷载的计算
（4）高层建筑的风振系数βz
z 1 (3.26) 《荷载》：7.4.1 对z 于基本自振周期T1 大于0.25s 的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构,以及对 于高度大于30m且高宽比大于1.5 z的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。
计算：它可由构件和装修的尺寸和材料的重量直接计算，材料的自重可按荷载规范阿取值。
注意：在高层建筑结构设计中，恒荷载计算时不要漏项。
3.1 竖向荷载的计算
3.1.2 活荷载 相对恒荷载，活荷载种类较多，计算也复杂。 1）取值：楼面均布活荷载可按《荷载》规范取； 2）折减：设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面荷载在标准值应乘以《荷载》规定的折减系数。 3）施工或检修荷载：一般取1.0～1.52。 4.5.1 设计屋面板、檩条、钢筋砼挑檐、雨篷和预制小梁时,施工或检修集中荷载(人和小工具的自重) 应取1.0，并应在最不利位置处进行验算。
3.2 风荷载的计算
3.2.1 风荷载标准值和基本风压 《高规》：3.2.1 主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值应按（3.2.1）式计算，风荷载 作用面积应取垂直于风向的最大投影面积。
（3.2.1） 式中：ωk—风荷载标准值（）； ωo—基本风压（2）；μz—风压高度变化系数； μs—风荷载体型系数；βz—z度处的风振系数。
G H 式中：、—分别为i集中i 于质点i、j的重力荷载代表值；
F F 1 、—质i点i、j的n 计算高度； Ek
n
G H δn—顶部附加地震作用系数，可按表采用。 jj
荷载作用与结构设计原则
结构的适用性
01
结构在正常使用过程中，应具有 良好的工作性能，满足使用要求 。
02
结构的正常使用应满足耐久性要 求，保证结构在规定的使用年限 内正常工作。
结构的耐久性
结构在正常使用和维护条件下，应具 有足够的耐久性，满足设计使用年限 的要求。
结构的耐久性应考虑环境因素对结构 性能的影响，如温度、湿度、化学腐 蚀等。
楼盖梁板设计
根据楼盖荷载计算结果，进行楼盖梁板的设计，以满 足承载力和稳定性要求。
05
结构材料选择
钢材
01
钢材强度高、延性好，适用于承受较大动荷载和静荷载的建筑 物。
02
钢材易于加工、焊接，便于施工，适用于各种复杂结构形式。
钢材耐腐蚀性差，需要采取防腐措施，如涂装、热镀锌等。
03
混凝土
01 混凝土抗压强度高、耐久性好，适用于承受较大 静荷载的建筑物。
分析方法
常见的分析方法有静力分析、动力分析和有限元分析等。
02
结构设计原则
结构的安全性
01
结构在正常施工和正常使用过程中，能承受可能出 现的各种作用，即具有足够的承载能力。
02
结构在偶然事件发生时，仍能保持整体稳定性，即 具有足够的稳定性。
03
结构在正常使用的各过程中，不会出现过大的变形 或裂缝，影响正常使用和耐久性。
梁板设计
01
02
03
梁板截面尺寸
根据跨度、荷载大小和材 料性能等条件，确定梁板 截面尺寸。
梁板内力分析
通过计算和分析，确定梁 板在各种荷载作用下的内 力分布。
梁板配筋设计
根据梁板内力分析结果， 进行配筋设计，以满足承 载力和稳定性要求。
建筑结构荷载规范
中华人民共和国国家标准建筑结构荷载规范Load code for the design of building structuresGB 50009—2001主编部门:中华人民共和国建设部批准部门:中华人民共和国建设部施行日期:2002年3月1日关于发布国家标准《建筑结构荷载规范》的通知建标[2002]10号根据我部“关于印发《1997 年工程建设标准制订、修订计划的通知》”(建标[1997]108号)的要求,由建设部会同有关部门共同修订的《建筑结构荷载规范》，经有关部门会审，批准为国家标准,编号为 GB 50009-2001,自2002 年3月1日起施行。
其中，2002年12月31日废止。
本规范由建设部负责管理和对强制性条文的解释，中国建筑科学研究院负责具体技术内容的解释，建设部标准定额研究所组织中国建筑工业出版社出版发行。
中华人民共和国建设部2002年1月10日前言本规范是根据建设部[1997]108 号文下达的“关于印发《1997 年工程建设标准制(修)订计划的通知》”的要求,由中国建筑科学研究院会同各有关单位对1987 年国家计委批准的《建筑结构荷载规范》GBJ9-87 进行的全面修订。
在修订过程中，修订组开展了专题研究，总结了近年来的设计经验，参考了国外规范和国际标准的有关内容，并以各种方式广泛征求了全国有关单位的意见，经反复修改通过审定后定稿。
本规范共分7 章和7 个附录，这次修订的主要内容如下:1.按修订后的《建筑结构可靠度设计统一标准》修改组合规则，并摈弃“遇风组合”的旧概念；对荷载基本组合增加由永久荷载效应控制的组合；在正常使用极限状态设计中，对短期效应组合分别给出标准和频遇两种组合,同时增加了可变荷载的频遇值系数；对所有可变荷载的组合值给出各自的组合值系数。
2.对楼面活荷载作部分的调整和增项。
3.对屋面均布活荷载中不上人的屋面荷载作了调整，并增加屋顶花园、直升机停机坪荷载的规定。
第二篇建筑结构设计的基本原则
(2)由永久荷载效应控制的组
S=γGSGk＋∑ ψ Qi γQiSQik
上式中各符号的意义见课P21
荷载分项系数
荷载类型 永久荷载
可变荷载
荷载特征
当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合 对由永久荷载效应控制的组合
当其效应对结构有利时 一般情况
Qk＝6KN/m
Gk＝15KN/m
解：
（1）计算荷载标准值作用下的跨中弯矩：
恒荷载作用下： MGK
1 8
GK
l02
1 8
15
62
67.5KN
M
活荷载作用下：
M QK
1 8
QK
l0 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 8
6
62
27KN M
（2）承载能力极限状态设计时跨中弯矩设计值：
①按可变荷载效应控制的组合：查表可得 G 1.2 Q 1.4
直接作用——施加在结构上的荷载。如结构自重、家具及人 群荷载等。
间接作用——指引起结构外加变形和约束变形的原因。如温 度变化、混凝土收缩、地基沉降等。
（一）荷载的分类
1.永久荷载——也称为恒荷载。指在结构的使用期间，其值 不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计或其 变化是单调的并能趋于限值的荷载，如结构自重、土压力、 预应力等。
S=γGSGk+γQ1SQ1k＋∑ ψ Qi γQiSQik
(2)由永久荷载效应控制的组
S=γGSGk＋∑ ψ Qi γQiSQik
上式中各符号的意义见课本P21
γ0S≤R
R——结构构件的承载力设计值。在抗震设计时， 应除以承载力抗震调整系数γRE
yantubbs-GF12-《建筑结构荷载规范》(GB_50009-2001)(2006年版)
2.1.13 基本组合 fundamental combination 承载能力极限状态计算时，永久作用和可变作用的组合。 2.1.14 偶然组合 accidental combination 承载能力极限状态计算时，永久作用、可变作用和一个偶然作用的组合。 2.1.15 标准组合 characteristic/nominal combination 正常使用极限状态计算时，采用标准值或组合值为荷载代表值的组合。 2.1.16 频遇组合 frequent combinations 正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用频遇值或准永久值为荷载代表值的组合。 2.1.17 准永久组合 quasi-permanent combinations 正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合。 2.1.18 等效均布荷载 equivalent uniform live load 结构设计时，楼面上不连续分布的实际荷载，一般采用均布荷载代替；等效均布荷载系指 其在结构上所得的荷载效应能与实际的荷载效应保持一致的均布荷载。 2.1.19 从属面积 tributary area 从属面积是在计算梁柱构件时采用，它是指所计算构件负荷的楼面面积，它应由楼板的剪 力零线划分，在实际应用中可作适当简化。 2.1.20 动力系数 dynamic coefficient 承受动力荷载的结构或构件，当按静力设计时采用的系数，其值为结构或构件 的最大动 力效应与相应的静力效应的比值。 2.1.21 基本雪压 reference snow pressure 雪荷载的基准压力,一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，经概率统计得出 50 年一遇最大值确定。 2.1.22 基本风压 reference wind pressure 风荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上 10m 高度处 10min 平均的风速观测数据, 经概率统计得出 50 年一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气密度，按公式(D.2.2-4)确 定的风压。 2.1.23 地面粗糙度 terrain roughness 风在到达结构物以前吹越过 2km 范围内的地面时，描述该地面上不规则障碍物分布状况 的等级。 Gk—永久荷载的标准值； Qk—可变荷载的标准值； GGk—永久荷载效应的标准值； SQk—可变荷载效应的标准值； S—荷载效应组合设计值； R—结构构件抗力的设计值； SA—顺风向风荷载效应； SC—横风向风荷载效应； T—结构自振周期； H—结构顶部高度； B—结构迎风面宽度； Re—雷诺数； St—斯脱罗哈数； Sk—雪荷载标准值； So—基本雪压； ωk—风荷载标准值； ω0—基本风压； υcr—横风向共振的临界风速； α—坡度角；
GB50009-2001《建筑结构荷载要求规范》
建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范(GB50009-2001)第1章总则第1.0.1条为了适应建筑结构设计的需要，以符合安全实用、经济合理的要求，特制订本规范。
第1.0.2条本规范适用于工业与民用房屋和一般构筑物的结构设计。
第1.0.3条本规范是根据《建筑结构设计统一标准》(GB50068-2001)规定的原则制订的。
建筑结构设计中涉及的作用包括直接作用(荷载)和间接作用(如地基变形、混凝土收缩、第1.0.4条焊接变形、温度变化或地震等引起的作用)。
本规范仅对荷载作出规定。
第1.0.5条本规范采用的设计基准期为50年.建设结构设计中涉及的作用或荷载,除按本规范执行外,尚应符合现行的其他国家标准第1.0.6条的规定.2.1 术语第2.1.1条永久荷载permanent load在结构使用期间,其值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽略不计,或其变化是单调的并能趋于限值的荷载.第2.1.2条可变荷载vaiable load在结构使用期间,其值随时间变化,且其变化与平均值相比在可以忽略不计的荷载.第2.1.3条偶然荷载accidental load在结构使用期间不一定出现,一旦出现,其值很大且持续时间很短的荷载.第2.1.4条荷载代表值reprsentative values of a load设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值,例如标准值.组合值.频遇值和准永久值.第2.1.5条设计基准期design reference period为确定可变荷载代表值而选用的时间参数.第2.1.6条标准值characteristic value/nominal value荷载的基本代表值,为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(例如均值.众值.中值或某个分位值).第2.1.7条组合值combination value对可变荷载,使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率,能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值;或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值.第2.1.8条频遇值frequent value对可变荷载,在设计基准期内,其超越的总时间为这规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值.第2.1.9条准永久值quasi-permanet value对可变荷载,在设计基准期内,其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值.第2.1.10条荷载设计值design value of a load荷载代表值与荷载分项系数的乘积.第2.1.11条荷载效应load effect由荷载引起结构或结构构件的反应,例如内力,变形和裂缝等.第2.1.12条荷载组合load combination按极限状态设计时,为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载设计值的规定.第2.1.13条基本组合fundamental combination承载能力极限状态计算时,永久作用和可变作用的组合.第2.1.14条偶然组合accidental combination承载能力极限状态计算时,永久作用,可变作用和一个偶然作用的组合.第2.1.15条标准组合characteristic/nominal combination正常使用极限状态计算时,采用标准值或组合值为荷载代表值的组合.第2.1.16条频遇组合frequnt combinations正常使用极限状态计算时,对可变荷载采用频遇值或永久值为荷载代表值的组合. 第2.1.17条准永久组合quasi-permanent combinations正常使用极限状态计算时,对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合.第2.1.18条等效均布荷载equivalent uniform live load结构设计时,楼面上下连续分布的实际荷载,一般采用均布荷载代替;等效均布荷载系指其要结构上所得的荷载效应能与实际的荷载效应保持一致的均布的均布荷载.第2.1.19条从属面积tributary area从属面积是在计算梁柱构件时采用,它是指所计算构件负荷的楼面面积,它应由楼板的零线划分,在实际应用中可作适当简化.第2.1.20条动力系数dynamic coeffcient承受动力荷载的结构或构件,当按静力设计时采用的系数,其值为结构或构件的最大动力效应与相应静力效应的比值.第2.1.21条基本雪压reference snow pressure雪荷载的基准压力,一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据,经概率统计得出50年一遇最大值确定.第2.1.22条基本风压reference wind pressure风荷载的基准压力,一般按当地空旷平坦地面上10m高度处10min平均的风速观测数据,经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速,再考虑相应的空气密度,按公式(D.2.2-4)确定的风压.第2.1.23条地面粗糙度terrain roughness风在到达结构以前吹越过2km范围内的地面时,描述该地面上不规则障碍物分布状况的等级.2.2 符号第2.2.0条G k---永久荷载的标准值;Q k---可变荷载的标准值;G Gk---永久荷载效应的标准值;S Qk---可变荷载效应的标准值;S---荷载效应组合设计值;R---结构构件抗力的设计值;S A---顺风向风荷载效应;S C---横风向风荷载效应;T---结构自振周期;H---结构顶部高度;B---结构迎风面宽度;R e---雷诺数;S t---斯脱罗哈数;s k---雪荷载标准值;s0---基本雪压;w k---风荷载标准值;w0---基本风压;νcr---横风向共振的临界风速;α---坡度角;βz---高度z处的阵风系数;βgz---高度z处的阵风系数;γ0---结构重要性系数;γG---永久荷载的分项系数;γQ---可变荷载的分项系数;ψc---可变荷载的组合值系数;ψf---可变荷载的频遇值系数;ψq---可变荷载的准永久值系数;μr---屋面积雪分布系数;μz---风压高度变化系数;μs---风荷载体型系数;η---风荷载地形,地貌修正系数;ξ---风荷载脉动增大系数;ν---风荷载脉动影响系数;φz---结构振型系数;ζ---结构阻尼比.第3章建筑结构荷载规范3.1 荷载分类和荷载代表值第3.1.1条结构上的荷载，可分为下列三类:1.永久荷载,例如结构自重、土压力,预应力等。
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《荷载与结构设计原则》课程教学大纲
课程编号：031178 学分：1 总学时：17
大纲执笔人：李国强大纲审核人：黄宏伟
一、课程性质与目的
本课程属于专业基础课，是土木工程专业的重要结构工程教学内容，为必修课。
本课程的教学目的是让学生了解工程结构可能承受的各种荷载，以及工程结构设计的可靠度背景。
二、课程基本要求
通过本课程的学习，学生应掌握工程结构设计时需考虑的各种主要荷载，这些荷载产生的背景，以及各种荷载的计算方法；并掌握结构设计的主要概念、结构可靠度原理和满足可靠度要求的结构设计方法。
三、课程基本内容
（一）荷载类型
1．荷载与作用
2．作用的分类
（二）重力
1．结构自重
2．土的自重力
3．雪荷载
（1）基本雪压
（2）屋面雪压
4．车辆重力
5．屋面活荷载
（三）侧压力
1．土的侧向压力
（1）基本概念及土压力分类
（2）基本原理
（3）土压力的计算
2．水压力及流水压力
3．波浪荷载
（1）波浪的分类
（2）波浪荷载的计算
4．冻胀力
（1）动土的概念、性质及结构物的关系
（2）土的冻胀原理
（3）冻胀力的分类及其计算
5．冰压力
（1）冰压力概念及分类
（2）冰压力的计算
（四）风载
1．风的有关知识
（1）风的形成
（2）两类性质的大风
（3）我国风气候总况
（4）风级
2．风压
（1）风压与风速的关系
（2）基本风压
（3）非标准条件下的风速或风压计算3．结构抗风计算的几个重要概念
（1）结构的风力与风效应
（2）顺风向平均风与脉动风
（3）横风向风振
4．顺风向结构风效应
（1）顺风向平均风效应
（2）顺风向脉动风效应
（3）顺风向总风效应
5．横风向结构风效应
（1）流经任意截面体的风力
（2）结构横风向风力
（3）结构横风向风效应
（4）结构总风效应
（5）结构横风向驰振（galloping）（五）地震作用
1．地震基本知识
（1）地震的类型与成因
（2）地震分布
（3）震级与烈度
（4）地震波与地面运动
2．单质点体系地震作用
（1）单质点体系地震反应
（2）地震作用与地震反应谱
（3）设计反应谱
3．多质点体系地震作用
（1）多质点体系地震反应
（2）震型分解反应谱法
（3）底部剪力法
（六）其它作用
1．温度作用
（1）基本概念及温度作用原理
（2）温度应力的计算
2．变形作用
3．爆炸作用
（1）爆炸概念
（2）爆炸荷载的计算
4．浮力作用
5．制动力
（1）汽车制动力
（2）吊车制动力
6．离心力
7．预加力
（七）荷载的统计分析
1．荷载的概率模型
（1）二项随机过程模型
（2）统计参数分析
2．荷载的各种代表值
（1）标准值
（2）准永久值
（3）荷载组合值
3．荷载效应及荷载效应组合
（1）荷载效应
（2）荷载效应组合
（八）结构抗力的统计分析
1．影响结构抗力的不定性
2．结构构件材料性能的不定性
3．结构构件几何参数的不定性
4．结构构件计算模式的不定性
5．结构构件抗力的统计特征
（1）结构构件抗力的统计参数
（2）结构构件抗力的分布类型（九）结构可靠度分析
1．结构可靠度基本概念
（1）结构的功能要求
（2）结构的功能函数
（3）结构极限状态
（4）结构可靠度
（5）可靠指标
2．结构可靠度分析的实用方法
（1）中心点法
（2）验算点法
3．相关随机向量的结构可靠度计算4．结构体系的可靠度
（1）基本概念
（2）结构体系可靠度的上下界（十）结构概率可靠度设计法
1．结构设计的目标
（1）设计要求
（2）目标可靠度
2．结构概率可靠度的直接设计法
3．结构概率可靠度设计的实用表达式
（1）单一系数设计表达式
（2）分项系数设计表达式
（3）规范设计表达式
四、实验或上机内容
无
五、前修课程要求
结构力学、结构动力学、概率与统计。
七、教材与主要参考书
建议教材：
《工程结构荷载与可靠度设计原理》，李国强、黄宏伟、郑步全编著，中国建筑工业出版社，1999年。
《工程结构荷载与可靠度设计原理》，李国强、黄宏伟等编著，中国建筑工
业出版社，2001。
参考教材：
《建筑结构概率极限状态设计》，李继华等编著，中国建筑工业出版社，1990年。
八、课外要求
阅读有关参考文献。