第3章 混凝土结构设计的基本原则.docx

第3章混凝土结构设计的基本原则3.1混凝土结构设计理论的发展最早的钢筋混凝土结构设计理论是采用以弹性理论为基础的容许应力计算法 这种方法要求在规定的标准荷载作用下，按弹性理论计算的应力不大于规定的容许 应力容许应力系由材料强度除以安全系数求得，安全系数则根据经验和主观判断 来确定由于钢筋混凝土并不是一种弹性材料，而是有着明显的塑性性能，因此， 这种以弹性理论为基础的计算方法不能如实地反映构件截面的应力状态20世纪30 年代出现了考虑钢筋混凝土塑性性能的破坏阶段计算方法这种方法以考虑了材料 塑性性能的结构构件承载力为基础，要求按材料平均强度计算的承载力必须大于计 算的最大荷载产生的内力计算的最大荷载是由规定的标准荷载乘以单一的安全系 数而得出的，安全系数仍是根据经验和主观判断来确定在20世纪50年代提出了 极限状态计算法极限状态计算法是破坏阶段计算法的发展，它规定了结构的极限 状态，并把单一安全系数改为三个分项系数，即荷载系数、材料系数和工作条件系 数，故又称为“三系数法”三系数法把不同的材料和不同的荷载用不同的系数区别 开来，使不同的构件具有比较一致的可靠度，部分荷载系数和材料系数是根据统计 资料用概率的方法确定的。

我国1966年颁布的《钢筋混凝土结构设计规范》BJG 21 —66即采用这一方法，1974年颁布的《钢筋混凝土结构设计规范》TJ10 —74亦是采 用极限状态计算法，但在承载力计算中采用了半经验、半统计的单一安全系数在总结我国的试验研究、工程实践经验和学习国外科技成果的基础上，我国于 2001年颁布的修订本《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068 —2001采用了以概 率论为基础的极限状态设计法，使我国的建筑结构设计基本原则更趋合理目前， 国际上将概率方法按精确程度不同分为三个水准：半概率法、近似概率法、全概率 法1) 水准I ——半概率法对影响结构可靠度的某些参数，如荷载值和材料强 度值等，用数理统计进行分析，并与工程经验相结合，引入某些经验系数该法对 结构的可靠度还不能做出定量的估计我国的《钢筋混凝土结构设计规范》(TJ10 — 74)基本上属于此法2) 水准II——近似概率法将结构抗力和荷载效应作为随机变量，按给定的 概率分布估算失效概率或可靠指标，在分析中采用平均值和标准差两个统计参数， 且对设计表达式进行线性化处理，也称为“一次二阶矩法”，它实质上是一种实用的 近似概率计算法。

为了便于应用，在具体计算时采用分项系数表达的极限状态设计 表达式，各分项系数根据可靠度分析确定我国《混凝土结构设计规范》（GB 50010 —2002 ）米用的就是近似概率法3）水准II——全概率法，是完全基于概率论的设计法3.2极限状态3.2.1结构上的作用及结构抗力结构上的作用是指能使结构产生内力、应力、位移、应变、裂缝等效应的各种 原因的总称，分直接作用和间接作用两种荷载是直接作用，混凝土的收缩、温度 变化、基础的差异沉降、地震等引起结构外加变形或约束的原因称为间接作用间 接作用不仅与外界因素有关，还与结构本身的特性有关例如，地震对结构物的作 用，不仅与地震加速度有关，还与结构自身的动力特性有关按作用时间的长短和性质，荷载可分为三类：1） 永久荷载 在结构设计使用期间，其值不随时间而变化，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例如，结构的自重、 土压力、预应力等，永久荷载又称为恒荷载2） 可变荷载在结构设计使用期内其值随时间而变化，其变化与平均值相比不 可忽略的荷载例如，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，可变荷载又称为活荷载。

3） 偶然荷载在结构设计使用期内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时 间很短的荷载例如，爆炸力、撞击力等《建筑结构荷载规范》（GBJ 50009 —2001）规定，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 其代表值作用效应是指作用引起的结构或结构构件的内力、变形和裂缝等，当为直接作 用（即荷载）时，其效应也称为荷载效应，通常用S表示结构抗力是指结构或结 构构件承受作用效应的能力，如结构构件的承载力、刚度和抗裂度等，用R表示 它主要与结构构件的材料性能（强度、变形模量）、几何参数（构件尺寸等）和计算 模式的精确性（抗力计算所采用的基本假设和计算公式不够精确）等有关结构的极限状态可以用极限状态函数来表达承载能力极限状态函数可表示为Z = R — S （3 — 1）根据概率统计理论，设S、R都是随机变量，贝W=R—S也是随机变量根据S、R 的取值不同，Z值可能出现三种情况，当Z=R—S >0时，结构处于可靠状态；当Z=R —S= 0时，结构达到极限状态；当Z= R — S< 0时，结构处于失效（破坏）状态。

Z = R — S=0成立时，结构处于极限状态的分界限，超过这一界限，结构就不能满足设计规 定的某一功能要求3.2.2结构的功能要求（1）结构的安全等级建筑物的重要程度是根据其用途决定的例如，设计一个大型体育馆和设计一 个普通仓库，因为大型体育馆一旦发生破坏引起的生命财产损失要比普通仓库大得 多，所以对它们的安全度的要求应该不同，进行建筑结构设计时应按不同的安全等 级进行设计建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造 成经济损失、产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级建筑结构安全等级 的划分应符合表3—1的要求对人员比较集中使用频繁的影剧院、体育馆等，安全 等级宜按一级设计对特殊的建筑物，其设计安全等级可视具体情况确定还有， 建筑物中梁、柱等各类构件的安全等级一般应与整个建筑物的安全等级相同，对部 分特殊的构件可根据其重要程度作适当调整表3—1建筑结构的安全等级安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物注：1对特殊的建筑物，其安全等级应根据具体情况另行确定；2地基基础设计安全等级及按抗震要求设计时建筑结构的安全等级，尚应符合国家现 行有关规范的规定。

2）结构的设计使用年限计算结构可靠度所依据的年限称为结构的设计使用年限结构的设计使用年限， 是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期设计 使用年限按《建筑结构可靠度设计统一标准》确定，就总体而言，桥梁应比房屋的设计使用年限长，大坝的设计使用年限更长结构的设计使用年限应按表3—2采用表3—2 设计使用年限分类类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑物注意，结构的设计使用年限虽与其使用寿命有联系，但不等同超过设计使用年限的结构并不是不能使用，而是指它的可靠度降低了3）建筑结构的功能根据我国《建筑结构可靠度设计统一标准》，结构在规定的设计使用年限内应满 足下列功能要求：（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；（3） 在正常维护下有足够的耐久性能；（4） 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性上述⑴、（4）两项属于结构的安全性，结构应能承受正常施工和正常使用时可 能出现的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发生后保持必需 的整体稳定性，不致发生倒塌。

纽约世界贸易中心双塔大厦遭恐怖分子飞机撞击， 产生爆炸、燃烧而最终导致整体倒塌，是一个非常典型的事例2）关系到结构的适 用性，如不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂 缝等3）为结构的耐久性，如结构在正常维护条件下在设计规定的年限内混凝土不 发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等安全性、适用性和耐久性总称为 结构的可靠性3.2.3结构功能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指定的某一功能要 求，这个特定状态称为该功能的极限状态，例如，构件即将开裂、倾覆、滑移、压 屈、失稳等也就是，能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态，反之，则处 于失效状态，有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，是结构开始失效的标志极限状态可分为二类1） 承载能力极限状态结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形，称为承载能力极 限状态当结构或构件由于材料强度不够而破坏，或因疲劳而破坏，或产生过度的 变形而不能继续承载，结构或结构构件丧失稳定如压屈等；结构转变为机动体系时， 结构或构件就超过了承载能力极限状态超过承载能力极限状态后，结构或构件就 不能满足安全性的要求。

2） 正常使用极限状态结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限度的状态称为正常使用 极限状态例如，当结构或结构构件出现影响正常使用或外观的变形、过宽裂缝、 局部损坏和振动时，可认为结构或构件超过了正常使用极限状态超过了正常使用 极限状态，结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求结构或构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行 验算3.3结构可靠度、可靠指标和目标可靠指标结构的安全性、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而结构的可靠度则是结构在规定的 时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，即结构可靠度是结构可靠性的概 率度量规定时间是指结构的设计使用年限，所有的统计分析均以该时间区间为准 所谓的规定条件，是指正常设计、正常施工、正常使用和维护的条件，不包括人为 过失的影响，人为过失应通过其他措施予以避免结构的可靠度用可靠概率久描述的可靠概率ps = 1 -pf，pf为失效概率这里， 用荷载效应与结构抗力之间的关系来说明失效概率pf的计算方法设构件的荷载效应 S、抗力R，都是服从正态分布的随机变量且二者为线性关系。

S、R的平均值分别为M s、 «R,标准差分别为气、气，荷载效应为S和抗力为R的概率密度曲线如图3 — 1所示按 照结构设计的要求，显然外应该大于化从图中的概率密度曲线可以看到，在多数情 况下构件的抗力R大于荷载效应S但是，由于离散性，在S、R的概率密度曲线的重 叠区（阴影部分），仍有可能出现构件的抗力R小于荷载效应S的情况重叠区的大小 与《s、Rr以及（J R、气有关Rr比《s大的越多（《R远离《s），或者气和气越小（曲线高而窄）， 都会使重叠的范围减少所以，重叠区的大小反映了抗力R和荷载效应S之间的概率 关系，即结构的失效概率重叠的范围越小，结构的失效概率越低从结构安全的 角度可知，提高结构构件的抗力（例如提高承载能力），减小抗力R和荷载效应S的离 散程度（例如减小不定因素的影响），可以提高结构构件的可靠程度所以，加大平均 值之差《R — «s，减小标准差jR和气可以使失效概率越低图3 —1 R，S的概率密度分布曲线同前，令Z=R—S,功能函数Z也应该是服从正态分布的随机变量图3—2表示Z的概率密度分布曲线结构的失效概率pf可直接通过Z <0的概率来表达:Pf = P(Z

但Pf的计算比较复杂，因而国际标准和我国标准目前都采用可靠指标B来度量结构的 可靠性。