第2章 钢筋混凝土结构设计计算原则

　　一、结构的功能要求

　　结构设计的目的是在现有的技术基础上，用最经济的手段，使得所设计的结构能够满足如下三个方面的功能要求：安全性、适用性和耐久性。

　　上述功能要求概括起来称为结构的可靠性，结构的可靠性是指结构在规定的时间(设计基准期)内，在规定的条件(正常设计、正常施工、正常使用和正常维护)下，完成预定功能的能力。

　　二、结构功能的极限状态

　　结构的极限状态是指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。极限状态分为以下两大类。

　　1.承载能力极限状态

　　这种极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。

　　承载能力极限状态是关于安全性功能要求的，所以满足承载能力极限状态的要求，是结构设计的首要任务，因为这关系到结构能否安全的问题，一旦失效，后果严重，所以应具有较高的可靠度水平。

　　2.正常使用极限状态

　　这种极限状态对应于结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。

　　正常使用极限状态是关于适用性和耐久性功能要求的，当结构或构件达到正常使用极限状态时，虽然会影响结构的使用性、耐久性或使人们的心理感觉无法承受，但—般不会造成生命财产的重大损失。所以正常使用极限状态设计的可靠度水平允许比承载能力极限状态的可靠度适当降低。

　　三、结构抗力

　　结构抗力是指整个结构或构件承受内力和变形的能力(如构件的承载力、抗裂度和刚度等)，用“R”来表示。

　　在实际工程中，由于施工水平造成了材料强度的离散性、构件几何特征(尺寸偏差、局部缺陷等)的不定性，抗力计算模式也存在着不定性(如并非绝对轴心受压柱而作为轴心受压柱来计算等)，因此，由这些因素决定的结构抗力亦是一个随机变量。

　　四、作用及作用效应

　　1.结构的作用

　　所谓“作用”，就是使结构产生内力和变形(应力和应变)的所有原因。

　　(1)当以力的形式作用于结构上时，称为直接作用，习惯上称为结构的荷载。例如，结构自重、楼面上的人群及物品重、风压力、雪压力、土压力等等。

　　(2)当以变形形式作用于结构上时，称为间接作用，习惯上称为结构的外加变形或约束变形，例如，地震、基础沉降、混凝土收缩、温度变形、焊接变形等。

　　作用按其随时间的变异性和出现的可能性不同，可分为三类：

　　(1)永久作用G：作用在结构上，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计者，例如结构自重、土重等荷载。

　　(2)可变作用Q：作用在结构上，其值随时间变化，而且其变化与平均值相比不可忽略不计者，如吊车荷载、楼面堆放荷载及人群荷载、静水压力、风荷载等可变荷载。

　　(3)偶然作用A：在设计基准期内不一定出现，但它一旦出现，其量值很大且持续时间较短，如地震、爆炸、撞击等偶然荷载。

　　2.作用效应

　　作用效应是指在各种作用因素的作用下，于结构构件内所产生的内力和变形(如轴力、弯矩、扭矩、挠度、裂缝等)，用“S”来表示。

　　由于结构的作用是随着时间、地点和各种条件的改变而变化的，是一个不确定变量，所以由作用所决定的作用效应S一般说来也是一个随机变量。由于它的的统计规律与荷载的统计规律是一致的，因此，一般只须研究荷载的变异情况。

　　结构的可靠性就是取决于结构抗力R和荷载效应S之间的相互关系。

　　五、概率极限状态设计法

　　1.极限状态方程

　　一般可简单的把影响结构可靠性的因素归纳为荷载效应S和结构抗力R两个相互独立的随机变量，以荷载效应S和结构抗力R两个基本随机变量来描述结构的极限状态，则极限状态函数(或称功能函数)为：

　　因R、S是随机变量，所以功能函数Z也是随机变量。

　　显然，当Z>0时，结构可靠;Z<0时，结构失效;Z=0时，结构处于极限状态。则极限状态方程为：

　　2.可靠概率ps

　　结构能够完成预定功能(R>S)的概率即为“可靠概率”ps，它用来反映结构的可靠程度，即可靠度。结构的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，其是结构可靠性的概率度量。

　　3.失效概率pf

　　结构不能完成预定功能(R

　　4.可靠指标β

　　β与pf之间存在着相应的关系，β大则pf小，β小则pf大。即β越大，结构可靠性越高，因此，β和pf一样，可作为衡量结构可靠性的一个指标，且称之为结构的“可靠指标”。

　　5. 概率极限状态设计法的基本方法

　　设计要求：β ≥ βT

　　目标可靠指标βT的大小直接影响到结构的可靠与经济问题。其取值主要应考虑：

　　(1)结构的安全级别。结构安全级别愈高，表明结构愈重要，一旦结构失效，对生命财产的危害程度以及对社会的影响就愈大，因此，可靠指标就应愈大。

　　(2)结构的破坏性质，延性破坏的构件在破坏前有明显的预兆，构件破坏性质较好。而脆性破坏的构件在破坏前无明显的预兆，一旦破坏，其承载力急剧降低甚至断裂。所以，延性破坏的构件的可靠指标可稍低于脆性破坏构件的可靠指标。

　　(3)结构设计的极限状态，承载能力极限状态是关系到结构构件是否安全的根本问题，而正常使用极限状态的验算则是在满足承载能力极限状态的前提下进行的，只影响到结构构件的正常适用性和耐久性。所以，承载能力极限状态下的可靠指标应高于正常使用极限状态下的可靠指标。