钢筋混凝土结构的基本设计原则.docx

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钢筋混凝土结构的基本设计原则

第2章钢筋混凝土结构的基本设计原则

2.1结构的功能及其极限状态

2.1.1结构的预定功能

进行建筑物或构筑物的结构设计时，所要满足的基本要求是使结构能够在规定的期限内发挥出预期的各项功能，并且达到经济合理的目的。

工程结构的预定功能要求应包括以下几项：

（1）在正常施工和正常使用时，能承受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，不致产生明显的变形和裂缝；

（3）在规定使用时间内，只要正常维修即能保证其正常的使用功能；

（4）即使在极偶然的灾害作用下，其局部可能破坏，但不致引起整体倒塌。

上述要求的

（1）、（4）两项，属于结构的安全性；第

（2）项属于结构的适用性；第（3）项是结构的耐久性要求。

结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性，也就是结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的能力。

“规定的条件”是指正常设计、正常施工和正常使用，不考虑人为过失的影响。

“规定的时间”是指“设计使用年限”，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限，结构或结构构件在此期限内不需进行大修就能够完成其预定的使用功能。

我国对各类建筑结构的设计使用年限规定，如表2-1所示。

表2-1建筑结构设计使用年限分类

类别

结构类型

设计使用年限（年）

1

临时性结构

5

2

易于替换的结构构件

25

3

普通房屋和构筑物

50

4

纪念性建筑和特别重要建筑

100

2.1.2结构的极限状态

整个结构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。

也就是说，结构的极限状态是指整个结构或其一部分能够满足设计规定功能的特定状态；当超过此特定状态时，结构即不能满足这些功能要求。

因此，极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。

前面已经讲到，结构设计应满足四个方面的功能要求，而这四种情况是通过对下列四种极限状态的设计控制来实现的：

（1）承载能力极限状态；

（2）正常使用极限状态；

（3）耐久性极限状态；（4）连续倒塌极限状态。

上述四种极限状态中，连续倒塌极限状态很难用计算加以控制，一般采用概念设计的方法定性地加以考虑，例如增加超静定次数和多余约束、对关键的重要受力部位增加安全储备等。

至于耐久性设计，目前只能采用定性的方法，通过控制材料质量、限定使用环境等方式加以考虑。

而承载能力极限状态设计计算和正常使用极限状态验算，则分别规定了明确的标志和限值，这也是结构设计的核心内容。

（一）承载能力极限状态

承载能力极限状态是指相应于结构或结构构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适合继续承载的变形的情形。

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：

（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；

（2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载；

（3）结构转变为机动体系；

（4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；

（5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。

承载能力极限状态主要考虑有关结构安全性的功能，出现超过此种极限状态的概率必须很低。

因此，任何承载的结构或者构件都需要按承载能力极限状态进行设计。

（二）正常使用极限状态

正常使用极限状态是指对应于结构或结构构件的变形、裂缝或耐久性能达到某项规定的限值，使其无法正常使用的情形。

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：

（1）影响正常使用或外观的变形；

（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；

（3）影响正常使用的振动；

（4）影响正常使用的其他特定状态。

正常使用极限状态主要考虑有关结构适用性的功能，对生命财产的危害相对较小，出现的概率允许稍高一些。

但是，过大的变形和裂缝不仅影响结构的正常使用和耐久性能，也会让使用者产生心里上的不安全感，所以也应予以重视。

通常来说，结构或结构构件设计时，先按承载能力极限状态进行承载力设计计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。

2.2结构极限状态的设计方法

2.2.1结构上的作用、作用效应与结构抗力

凡是能够使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝的因素都称为结构上的作用，可分为两种：

直接作用和间接作用。

直接作用习惯上称为荷载，是以力的形式作用于结构上，如施加在结构上的集中力或分布力；间接作用是以变形的形式作用于结构上，如因温度变化、混凝土收缩徐变、地基不均匀沉降、地震等因素引起结构外加变形或约束变形。

按随时间的变异，结构上的作用可分为三种：

永久作用、可变作用和偶然作用。

永久作用是指在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用；可变作用是指在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用；偶然作用是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。

直接作用或间接作用作用在结构上，会使结构产生内力和变形（如弯矩、剪力、压力、拉力、扭矩、裂缝等），称为作用效应。

当作用为直接作用（即荷载）时，其效应也称为荷载效应，通常用S表示。

整个结构或结构构件抵抗作用效应的能力（如承载力、刚度等）称为结构抗力，通常用R表示。

混凝土结构构件的截面尺寸、混凝土强度等级以及钢筋品种、配筋数量及方式等确定以后，构件截面就会具有一定的抗力。

结构上的作用、作用效应与结构抗力均不是确定值，而是随机变量。

因此，进行结构设计时，为确定可变作用以及与时间有关的材料性能的取值而选择一个时间参数，称为设计基准期。

我国的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068－2001）规定的设计基准期为50年。

2.2.2荷载和材料强度的确定

要想求得结构或结构构件的作用效应和结构抗力，必须先确定结构上的作用大小以及结构所用材料的强度大小。

结构上的作用确定以后，根据结构力学、理论力学以及有关结构设计规定，可计算出结构上的作用效应。

结构抗力可按一定的计算模式确定，这也是本书后面几章着重介绍的内容，但必须先确定好钢筋和混凝土这两种主要材料的强度值。

本小节主要讨论直接作用（即荷载）如何取值？

材料强度如何确定？

（一）荷载标准值

结构上的荷载可分为三类：

永久荷载、可变荷载和偶然荷载。

永久荷载，也称为恒荷载，其大小、方向、作用点不随时间改变，例如结构自重（材料自身重量产生的荷载）。

结构自重可根据构件体积和材料容重计算确定。

需要注意的是，结构尺寸和构件规格虽然在设计图纸中明确下来了，但由于构件尺寸在施工制作过程中可能出现允许误差，以及材料组成或施工工艺对材料容重产生影响，使得构件的实际自重计算值可能偏高，也可能偏低，是在一定范围内波动，而不是一个定值。

可变荷载，也称为活荷载，其大小、方向、作用点随时间改变而变化，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。

相对于恒荷载，可变荷载不是定值更容易理解，例如房屋楼面活荷载是由家具、设备、人员的重量产生的，而家具、设备的布置数量和方式是各异的，人员的流动更是随时在变化。

偶然荷载，在结构使用期间可能不出现，一旦出现，其作用时间短、效应大，例如爆炸力、撞击力等。

荷载的大小不是一个确定值，但是结构设计时必须确定其大小，以形成设计依据。

我国对建筑结构的各种荷载进行了大量的调查、实测和研究工作，对所取得的资料采用概率统计方法处理后，取得了这些荷载的概率分布和统计参数。

根据统计结果，国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）确定了相应荷载的标准值：

（1）恒荷载标准值可按结构构件的尺寸和荷载规范规定的材料容重计算确定。

（2）不同类型建筑的楼面和屋面活荷载的标准值，可查荷载规范得到。

（3）风荷载标准值是由建筑物所在地的基本风压乘以风压高度变化系数、风载体型系数和风振系数确定，可按荷载规范确定。

（4）雪荷载标准值是由建筑物所在地的基本雪压乘以屋面积雪分布系数确定，荷载规范给出了全国各城市的50年一遇雪压值，屋面积雪分布系数可根据不同类别的屋面形式予以确定。

（二）材料强度标准值

如上节所述，结构抗力也是随机变量。

造成结构抗力随机性质的主要原因是材料强度的离散性，或者叫做变异性，是指材质、生产工艺、加载方式、尺寸大小等因素引起的材料强度的不确定性。

例如，同一炉钢轧成的钢筋或同一次搅拌制作的混凝土试件，按照统一方法在同一试验机上进行强度测定，所测得的强度是不完全相同的。

统计资料表明，钢筋与混凝土强度的概率分布均基本符合正态分布。

例如，同一次搅拌的混凝土，制成若干个立方体标准尺寸试件，按标准试验方法测得的抗压强度各不相同，但其强度概率分布基本上符合正态分布。

材料强度具有变异性，不是一个定值，但结构设计时同样必须确定其大小，并作为设计依据。

所以，在符合规定的质量控制要求的前提下，根据材料强度概率分布的某一分位值将材料强度标准值确定下来。

根据国际建筑材料标准组织（RELIM）的统一规定，各国均取材料强度具有95％保证率的分位值作为材料的强度标准值，并由此确定材料的强度等级。

我国也不例外。

例如，HRB400级钢筋表示该种钢筋的屈服强度不小于400MPa的概率超过95％，亦即其屈服强度不足400MPa的可能性不会大于5％。

根据概率分布的统计运算，具有95％保证率的材料强度标准值实际上是材料强度的平均值减去1.645倍标准差得到的强度值。

由此可见，材料强度标准值是材料强度概率分布中具有一定保证率的偏低的材料强度值。

材料强度取值偏低了，对结构来说是偏于安全，结构的可靠性得以提高。

前一章已经提到，混凝土强度等级是按立方体抗压强度标准值确定。

经试验研究和分析，可确定混凝土的轴心抗压强度标准值和轴心抗拉强度标准值，分别用

和

表示。

不同强度等级混凝土的轴心抗压强度标准值和轴心抗拉强度标准值可查附表得到。

热轧钢筋的强度标准值系根据其屈服强度确定，用

表示，不同品种钢筋的强度标准值可查附表得到。

2.2.3结构的可靠性、失效概率和可靠指标

（一）结构的可靠性

如前所述，结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。

结构可靠度就是指结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的概率。

所以说，结构可靠度实际上是结构可靠性的概率度量。

从可靠度理论的角度考虑，结构的安全程度取决于荷载（作用）在结构中引起的效应（S）以及结构自身所具有抗力（R）的关系。

而荷载效应（S）和结构抗力（R）均非固定数值，而为服从一定分布规律的随机变量，如图2-1所示。

图2-1荷载效应、结构抗力的概率密度曲线

当R>S时，抗力大于效应，结构安全（可靠）；

当R

当R=S时，抗力等于效应，结构处于极限状态。

注意：

结构失效并不一定意味着倒塌、断裂等恶性后果，凡结构未能达到应有使用功能（过大的变形、较宽的裂缝、局部破损、使用年限不足等）的状态，均可视为结构失效。

从图2-1可以看出，大多数情况下，结构抗力值R大于荷载效应值S，但是在两条分布曲线的重叠面积范围内仍有可能出现R小于S的情形。

例如，在R与S曲线的交点u处，我们用Ru表示结构抗力，用Su表示荷载效应，此时Ru=Su，结构处于极限状态，但是荷载效应和结构抗力均为随机变量，荷载效应S大于Su的概率为图中以竖条线表示的阴影部分面积，结构抗力R小于Ru的概率为图中以横条线表示的阴影部分面积，所以总有一定的概率会出现R小于S的情形。

（二）失效概率和可靠指标

从可靠度理论的角度看，结构的安全取决于失效概率亦即抗力小于效应的概率值

，失效概率是控制结构安全程度的定量指标，安全度大的结构失效概率小，而失效概率加大时，结构的安全度降低。

从图2-1可以看出，两条曲线重叠的面积越大，荷载效应大于结构抗力的概率就越大，结构失效的概率就越大，结构就越不可靠。

而两条曲线