2017年一级建造师《建筑工程》章节精讲：建筑结构工程的安全性
来源 :考试网 2017-03-02
中2017年一级建造师《建筑工程》章节精讲：建筑结构工程的安全性
一、结构的功能要求
结构设计的主要目的是要保证所建造的结构安全适用，能够在规定的期限内满足各种预期的功能要求，并且要经济合理。具体说，结构应具有以下几项功能：
(1)安全性
在正常施工和正常使用条件下，结构应能承受可能出现的各种荷载作用和变形而不发生破坏;在偶然事件发生后，结构仍能保持必要的整体稳定性。例如，厂房结构平时受自重、吊车、风和积雪等荷载作用时，均应坚固不坏，在遇到强烈地震、爆炸等偶然事件时，允许有局部的损伤，但应保持结构的整体稳定而不发生倒塌。
(2)适用性
在正常使用时，结构具有良好的工作性能。如吊车梁变形过大会使吊车无法正常运行，水池出现裂缝便不能蓄水等，都影响正常使用，需要对变形、裂缝进行必要的控制。
(3)耐久性
在正常维护的条件下，结构应能在预计的使用年限内满足各项功能要求，也即应具有足够的耐久性。例如，不致因混凝土的老化、腐蚀或钢筋的锈蚀等而影响结构的使用寿命。
安全性、适用性和耐久性概括称为结构的可靠性。
二、两种极限状态(外力为作用、内力为效应)
为了使设计的结构既可靠又经济，必须进行两方面的研究：一方面研究各种“作用”在结构中产生的各种效应;另一方面研究结构或构件抵抗这些效应的内在的能力。这里所谓的“作用”主要是指各种荷载，如构件自重、人群重量、风压和积雪重等;此外，还有外加变形或约束变形，如温度变化、支座沉降和地震作用等。后者中有一些往往被简化为等效的荷载作用，如地震荷载等。本书主要讨论荷载以及荷载所产生的各种效应，即荷载效应。荷载效应是在荷载作用下结构或构件内产生的内力(如轴力、剪力、弯矩等)、变形(如梁的挠度、柱顶位移等)和裂缝等的总称。抵抗能力是指结构或构件抵抗上述荷载效应的能力，它与截面的大小和形状以及材料的性质和分布有关。为了说明这两方面的相互关系，现举一个中心受拉构件的例子(图1A411011-1)。
这里，荷载效应是外荷载在构件内产生的的轴向拉力S。设构件截面积为A，构件材料单位
面积的抗拉强度为f1，则构件对轴向拉力的抵抗能力为R=f1A。显然：
若S>R，则构件将破坏，即属于不可靠状态；
若S 若S=R，则构件处于即将被破坏的边缘，称为极限状态。 很明显，S>R是不可靠的，R比S超出很多是不经济的。我国的设计就是基于极限状态的设计。 推广到一般情况，如果结构或构件超过某一特定状态就不能满足上述某项规定的功能要求时，称这一状态为极限状态。极限状态通常可分为如下两类：承载力极限状态与正常使用极限状态。(承限：强度极限值外——安全性 正限：强度极限值内——适用性) 承载能力极限状态是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，它包括结构构件或连接因强度超过而破坏，结构或其一部分作为刚体而失去平衡(如倾覆、滑移);以及在反复荷载下构件或连接发生疲劳破坏等。这一极限状态关系到结构全部或部分的破坏或倒塌，会导致人员的伤亡或严重的经济损失，所以对所有结构和构件都必须按承载力极限状态进行计算，施工时应严格保证施工质量，以满足结构的安全性。 正常使用的极限状态说明参见1A411012的内容 三、杆件的受力形式 结构杆件的基本受力形式按其变形特点可归纳为以下五种：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转，见图1A411011-2。 实际结构中的构件往往是几种受力形式的组合，如梁承受弯曲与剪力;柱子受到压力与弯矩等。 四、材料强度的基本概念 结构杆件所用材料在规定的荷载作用下，材料发生破坏时的应力称为强度，要求不破坏的要求，称为强度要求。根据外力作用方式不同，材料有抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。对有屈服点的钢材还有屈服强度和极限强度的区别。(达到屈服强度：变形 达到极限强度：破坏) 在相同条件下，材料的强度高，则结构杆件的承载力也高。 五、杆件稳定的基本概念 在工程结构中，受压杆件如果比较细长，受力达到一定的数值(这时一般未达到强度破坏)时，杆件突然发生弯曲，以致引起整个结构的破坏，这种现象称为失稳。因此，受压杆件要有稳定的要求。 图1A411011-3为一个细长的压杆，承受轴向压力P，当压力P增加到Pij时，压杆的直线平衡状态失去了稳定。Pij具有临界的性质，因此称为临界力。两端铰接的压杆，临界力(理解为抵抗能力)的计算公式为：Pij=π2EI/l2。 临界力Pij的大小与下列因素有关： (1)压杆的材料：钢柱的Pij比木柱大，因为钢柱的弹性模量E大; (2)压杆的截面形状与大小：截面大不易失稳，因为惯性矩I大; (3)压杆的长度l，长度大，Pij小，易失稳; (4)压杆的支承情况：两端固定的与两端铰接的比，前者Pij大。 不同支座情况的临界力的计算公式为：Pij=π2EI/l02，l0称压杆的计算长度。 当柱的两端固定时，l0=0.5l;一端固定一端铰支时，l0=0.7l;两端铰支时，l0=l;一端固定一端自由时，l0=2l。(固固05、固铰07、铰铰1、固自2) 临界应力等于临界力除以压杆的横截面面积A。临界应力σij是指临界力作用下压杆仍处于直线状态时的应力： σij= I/A的单位是长度的平方，i= 是一个与截面形状尺寸有关的长度，称作截面的回转半隹或惯性半径。矩形截面的i=h/ ，圆形截面的i=d/4。 从上式推出：σij=π2E/(l0/i)2=π2E/λ2 这里λ=l0/i，称作长细比。i由截面形状和尺寸来确定。所以，长细比λ是影响临界力的综合因素。 当构件长细比过大时，常常会发生失稳破坏，我们在计算这类柱子的承载能力时，引入一个<1的系数φ来反映其降低的程度。φ值可根据长细比λ算出来，也可查表得出来。
=(π2E/l02)•(I/A) 
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