三、结构失效
（一）结构的基本受力特征
结构受荷载作用的特征：
受拉、受压、受弯、受剪、受扭
（二）作用效应、抵抗能力和结构的基本功能
1、作用效应S
由荷载作用致使结构产生的各种力（拉、压、弯、剪、扭）和变形。
2、抵抗能力R
由材料、截面（大小、形状等）及连接方式所形成的抵抗作用力、变形和位移的能力。
S、R的关系：
S≤R，结构安全可靠；
S＞R，结构失效或破坏。
3、结构应具备的基本功能
⑴能承受正常施工和使用时可能出现的各种作用力；
⑵正常使用时具有良好的工作性能（无过大的变形、位移、摇晃等）；
⑶正常维护条件下具有足够的耐久性能；
⑷在偶然事件发生时能保持必需的稳定性（整体性）。
（三）结构的失效
结构不满足基本功能要求即失效。失效的类型：
1、破坏
S＞R引起的拉断、压碎等结构破坏；
2、失稳
结构或构件因长细比过大，在作用力不大的情况下突然发生作用力平面外的极大变形，从而使结构不能正常使用。如柱子压屈、梁在平面外扭曲等。
3、出现影响正常使用的变形
梁、板的挠度过大、裂缝过宽；柱、墙侧移过大；房屋倾斜、沉陷过大；房屋摇晃等。
4、倾覆
结构整体或部分平衡而倾倒。
5、材料丧失耐久性
钢筋锈蚀、混凝土被腐蚀、砖冻融破坏、木材虫蛀等。
Ⅴ、土木工程的主要分支
一、建筑工程
第一、建筑工程的基本构件
梁、板、柱、墙、拱、杆等。
第二、主要建筑形式
（一）一般单层建筑
分为：民用单层建筑和单层工业厂房
1、民用单层建筑
民用单层建筑一般采用砖混结构，即墙体采用砖墙，屋面板采用钢筋混凝土板。多用于单层住宅、公共建筑、别墅等。
2、单层工业厂房
单层工业厂房一般采用钢筋混凝土或钢结构柱，屋盖采用钢屋架结构。按结构形式可分为排架结构和刚架结构。排架结构指柱与基础为刚接，屋架与柱顶的连接为铰接，刚架结构也称框架结构，即梁或屋架与柱的连接为刚性连接。
3、当前新出现的厂房建筑
（1）轻型钢结构建筑
柱子和梁均采用变截面H型钢，柱梁的连接节点作成刚接，因施工方便，施工周期短，跨度大，用钢量经济，在单层厂房、仓库、冷库、候机厅、体育馆中已有越来越广泛的应用。
（2）拱形彩板屋顶建筑
用拱形彩色热镀锌钢板作为屋面，自重轻，工期短，造价低，彩板之间用专用机具咬合缝，不漏水，已在很多工程中采用。
（二）大跨度建筑
大跨度结构其结构体系有很多种，如网架结构、索结构、薄壳结构、充气结构、应力膜皮结构、混凝土拱形桁架等， 常用于展览馆、体育馆、飞机机库等。 1、网架结构 网架结构为大跨度结构最常见的结构形式，因其为空间结构，故一般称为空间网架。其杆件多采用钢管或型钢，现场安装。常见的为平面桁架、四角锥体和三角形锥体组成，其节点形式可分为焊接钢板节点和焊接空心球节点两种。
2、索结构 索结构是将桥梁中的悬索“移植”到房屋建筑中，可以说是土木工程中结构形式互通互用的典型范例。 3、薄壳结构 薄壳结构常用的形状为圆顶、筒壳、折板、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。圆形圆顶结构是轴对称结构，在轴对称荷载作用下， 将只产生两种力：径向力和环向力。径向力为沿经线方向的力，因其要平衡垂直向下荷载，所以必定为压力。环向力为沿纬线方向的力。圆形屋顶在垂直荷载作用下，上部的圆顶部分将受压收缩，其直径将变小，而下部近支承部分直径将增大，即上部将产生环向压力，而下部将产生环向拉力，中间将有一截面，为环向压力向环向拉力转变的交界线，该处的环向力为0，该截面称为“过渡缝”。
4、充气结构
充气结构又称充气薄膜结构，是在玻璃丝增强塑料薄膜或尼龙布罩内部充气形成一定的形状，作为建筑空间的覆盖物。
（三）多层结构和高层结构
多层和高层结构主要应用于居民住宅、商场、办公楼、旅馆等建筑。
多层与高层建筑的界限，各国不一。我国以8层为界限，低于8层者称为多层建筑，8层及8层以上者称为高层建筑。
1、多层结构
常用的结构形式为混合结构、框架结构。
（1）混合结构
混合结构指用不同的材料建造的房屋，通常墙体采用砖砌体，屋面和楼板采用钢筋混凝土结构，故亦称砖混结构。目前，我国的混合结构最高已达到11层，局部已达到12层。以前混合结构的墙体主要采用普通粘土砖，但因普通粘土砖的制作需使用大量的粘土，对我们宝贵的土地资源是很大的消耗。因此，国家已逐渐在各地区禁止大面积使用普通粘土砖，而推广空心砌块的应用。
（2）框架结构
框架结构指由梁和柱刚性连接而成骨架的结构。框架结构的优点是强度高、自重轻、整体性和抗震性能好。因其采用梁柱承重，因此建筑布置灵活，可获得较大的使用空间，使用广泛，主要应用于多层工业厂房、仓库、商场、办公楼等建筑。
（3）多层结构施工方式
多层结构：可采用现浇，也可采用装配式或装配整体式结构。其中，现浇钢筋混凝土结构整体性好，适应各种有特殊布局的建筑；装配式和装配整体式结构采用预制构件，现场组装，其整体性较差，但便于工业化生产和机械化施工。装配式结构在前段时期比较盛行，但随着泵送混凝土的出现，使混凝土的浇筑变得方便快捷，机械化施工程度已较高，因此近年来，已逐渐趋向于采用现浇混凝土。
2、高层结构
高层结构的主要结构形式有：框架结构，框架－剪力墙结构，剪力墙结构，框支剪力墙结构，筒体结构等。
（1）框架结构
框架结构因其受力体系由梁和柱组成，用以承受竖向荷载是合理的，在承受水平荷载方面能力很差。因此仅在房屋高度不大、层数不多时采用。因当房屋层数不多时，风荷载的影响很小，竖向荷载对结构的设计起控制作用，但当层数较多时，水平荷载将起很大的影响，会造成梁、柱的截面尺寸很大，在技术经济上不如其它结构体系合理。
（2）框架－剪力墙结构
在框架－剪力墙结构中，框架与剪力墙协同受力，剪力墙承担绝大部分水平荷载，框架则以承担竖向荷载为主，这样，可以大大减少柱子的截面。 剪力墙在一定程度上限制了建筑平面布置的灵活性。这种体系一般用于办公楼、旅馆、住宅以及某些工艺用房。
（3）剪力墙结构
当房屋的层数更高时，横向水平荷载已对结构设计起控制作用，如仍采用框架－剪力墙结构，剪力墙将需布置得非常密集，这时，宜采用剪力墙结构，即全部采用纵横布置的剪力墙组成，剪力墙不仅承受水平荷载，亦用来承受垂直荷载。
剪力墙结构因剪力墙的存在，其空间分隔固定，建筑布置极不灵活，所以一般用于住宅、旅馆等建筑。
（5）筒体结构
筒体结构是由一个或多个筒体作承重结构的高层建筑体系，适用于层数较多的高层建筑筒体在侧向风荷载的作用下，其受力类似刚性的箱型截面的悬臂梁，迎风面将受拉，而背风面将受压。
筒式结构可分为框筒体系、筒中筒体系、桁架筒体系、成束筒体系等。
①框筒体系
指内芯由剪力墙构成，周边为框架结构。
②筒中筒体系
当周边的框架柱布置较密时，可将周边框架视为外筒，而将内芯的剪力墙视为内筒，则构成筒中筒体系。
③成束筒体系
成束筒体系是由多个筒体组成的筒体结构。最典型的成束筒体系的建筑应为美国芝加哥的西尔斯塔楼（1974）。
（4）特种结构
特种结构是指具有特种用途的工程结构，包括高耸结构、海洋工程结构、管道结构和容器结构等。
第三、结构设计的基本理论
设计与结构计算的目的一般有两个：一个是满足使用要求，另一个是经济问题。
（一）满足使用要求
1.保证建筑物或构筑物在施工过程中和建成以后安全可靠，结构构件不会破坏，整个结构不会倒塌。
2.满足使用者提出的适用性要求，如建筑物的梁变形太大，虽然其没有破坏，但站在下面的人将会感觉很不安全，不敢停留，这就不能满足人的适用性要求；再比如厂房里的吊车梁，如果变形太大，吊车将会卡轨，无法使用，这是不能满足机械的适用性要求。
（二）经济问题
所谓经济问题，即是如何用最经济的方法实现上述的安全可靠性和适用性，将建筑物的建造费用降至最少。
重点：结构的安全可靠性、使用期间的适用性和经济性是对立统一的，也是我们结构设计所研究和考虑的主要问题。
（三）结构的安全可靠性
结构的安全可靠性，指建筑结构达到极限状态的概率是足够小的，或者说结构的安全保证率是足够大的。其中的极限状态，指整个建筑或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。
极限状态可分为两类：
1.承载能力极限状态
承载力极限状态是结构或构件达到了最大的承载能力（或极限强度）时的极限状态，如混凝土柱被压坏，梁发生断裂等
2.正常使用极限状态
正常使用极限状态是结构或构件达到了不能正常使用的极限状态，如梁发生了过大的变形，或裂缝太大，或在不能出现裂缝的构筑物中如水池产生裂缝等。
（四）我国目前的规范对结构设计的规定：
建筑结构必须满足下列各项功能要求：
1、能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；
2、在正常使用时具有良好的工作性能；
3、在正常维护下具有足够的耐久性能；
4、在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。
结构的设计并不是要结构100%安全，那是不经济的，而是保证结构的失效概率达到人们的心理可接受的程度。 我国现行规范采用了半概率的极限状态设计方法，即在同时考虑极限状态的发生概率和工程经验的基础上，对荷载取值、构件强度以安全系数加以保证。如《荷载规范》中的荷载值是指结构在正常使用条件下，或在一定使用期间可能出现的最大荷载，但偶然情况下，结构可能受到的荷载要超出这个最大荷载，于是规范采用“荷载安全系数”，将设计荷载增大。规范中构件的强度值是按97.73%保证率规定的，但在正常情况下，由于施工误差、材料不均匀性等方面因素的影响，所以需考虑“构件强度安全系数”。按结构的重要性，还需考虑“附加安全系数”。
（五）建筑工程的结构设计步骤
一般可分为：建筑结构类型选取、结构模型的建立、结构荷载的计算、构件内力计算和构件选择、施工图纸绘制四个阶段
1、建筑结构类型选取
对建筑工程的结构设计前，必须先清楚需选用的结构类型。结构类型如本章前几节所述，可依据建筑的要求选用合理的结构类型。因此需要结构设计人员了解各种结构体系的形式、适用范围、结构传力体系等。 2、.结构模型的建立
一般的建筑若完全按其实际结构来计算，那工作量将是惊人的，为简化计算，常需将结构进行简化，以形成利于计算的模型。这个过程即为结构模型的建立过程。
（1）整体结构的简化：如框架结构虽然是空间结构，但为简化计算，可取出其中的一榀框架，将其简化为平面框架进行计算。
（2）构件的简化：如梁和柱的截面尺寸相对于整个框架来说较小，因此可以将其简化为杆件，梁和柱的连接节点可简化为刚性连接。经过如上简化后，看似复杂的框架结构建筑即成为用结构力学完全可以对其进行受力计算分析的简单模型。
3、结构荷载计算
结构模型建立完成后，即可计算该模型上的受力。计算受力必须清楚该结构所受的荷载的种类和传力路线。
传力路线：如在框架结构中，荷载是由板传递给次梁，再由次梁传递给主梁，由主梁传递给柱，柱将荷载传递给基础，基础再传递给下面的地基。
4、构件内力计算和构件选择
绘制出计算模型和其所受力后，即可针对该模型进行内力计算。
5、施工图纸的绘制
构件的截面尺寸和配筋确定后，下一步即是将其反映至施工图纸上。如何绘制施工图纸将在画法几何和建筑制图课程中学习。 施工图纸的绘制必须规范，因施工人员是按图纸施工的，只有按规范绘制的图纸，施工人员才能识别，也才能按照图纸施工。
