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十 钢筋混凝土结构设计方法和安全度
10.1 钢筋混凝土结构设计的原则和安全度的基本概念
1 概述
建筑物的基本质量要求包括:一是使用期限和施工期限内的安全性。安全性是指使用和施工期限内结构物满足使用和施工要求时的概率,达到可接受的概率,以及在偶然事件发生时及发生后保持必需的整体稳定性;二是使用期限内的适用性。在正常使用时应具有良好的工作性能,以及在正常维护下具有规定的耐久性能。如何用经济的方法实现上述基本要求,是建筑结构设计要解决的本质问题。结构设计的目的就是科学解决结构物的安全与经济这对矛盾。所以,随着结构分析的日益精确,必然使结构安全的概念及设计方法更科学,这个问题受到各国工程界的重视。目前,结构的设计方法各国多趋于采用极限状态设计方法,对极限状态的概念和分类,以及应用概率论的可靠度理论来研究解决结构到达各种极限状态安全度的问题,进行了大量的工作。
结构设计总需要一定的安全储备。什么是结构安全度?下一个确切的定义很不容易。过去结构安全度多用定量的概念以安全系数表达,使用荷载和计算材料的抗力也都用定值,但事实上这种定量的安全系数并不能从定量上来度量结构的可靠程度。如钢筋混凝土抗压和抗剪安全系数均为1.55,实际不能说明两者具有相同的安全度。这是由于结构在使用期限内荷载大小是随机变动的;荷载作用在结构上的效应,每幢建筑之间是有差异的,而且是随时间而变化的;结构的强度也由于材料强度,几何特征、施工质量和计算公式不定性的影响,每个结构物都是不同的。因此,到达极限状态可能性大小,显然不是一个确定值,而是形成某种规律分布。
结构的可靠度是指结构在正常条件下,在一定的时间范围内完成规定的结构功能的能力。结构可靠性是关于结构安全性、适用性和耐久性的概称。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述,即结构在规定时间内、在规定条件下,完成预定功能的概率,可靠度愈高失效的可能性愈小。因此,用失效概率的概念表达结构安全度是比较科学。失效概率,即结构在一定使用年限内失去效用或达到某种不适用的极限状态概率。采用失效概率较用破坏概率更全面一些,因为有多种失效方式,如破坏、过大的变形、耐久性不足等,而破坏只不过是其最严重的一种形式。结构的安全度(或称可靠度)就是结构在一定的年限内,在预定条件下,完成规定功能的概率,或其失效概率达到可接受的概率范围内。
2 钢筋混凝土结构设计方法和安全度的演变
早期的结构承载能力设计方法全凭经验以直接的荷载试验来确定。16世纪末意大利人Galieo制做了世界第一个粗糙的结构试验机,进行结构设计。自十九世纪末以来,由于弹性力学、材料试验科学的发展,基于弹性理论的允许应力设计方法发展起来,Navier,Poncelet提出了允许应力的概念。二十世纪初钢筋混凝土结构广泛应用后,沿袭了弹性允许应力的设计方法,其表达式为:
≤ (10-1)
—材料的设计应力;
—材料的极限强度;
—安全系数;
[]—材料的允许应力值。
到二十世纪四十年代,开始出现了破损阶段的设计方法,以材料平均强度为基础、以经验为主的承载能力安全系数。也称为最大荷载设计方法。考虑了混凝土的弹塑性性能,并以钢筋混凝土结构截面的极限承载能力为基础。这种设计方法较按材料弹性的允许应力设计方法前进了一步,表达式为:
≤ (10-2)
——标准荷载作用的内力;
——材料的平均强度;
——截面特征;
——安全系数。
不论是允许应力设计方法还是最大荷载设计方法,表达形式和设计方法虽不同,但均属“定值法”,其基本参数如材料强度和荷载均采用定值,并用定值的安全系数来确定结构的安全储备。随着荷载和材料变异性能的研究,认识到结构使用期限内荷载的效应以及结构的承载能力都非定值。二十世纪五十年代美国A.M.Freudenthal、苏联H.C.CTpeЛcЦKHH等在结构安全度上提出应用概率的理论,即所谓古典安全度理论,但实际应用有很大的困难。
同时,五十年代也提出了极限状态设计方法。苏联在1956年的钢筋混凝土结构设计规范中采用了极限状态设计方法,即所谓“三系数”法,其表达式为:
≤ (10-3)
——超载系数;
——标准荷载产生的内力;
——工作条件系数;
——材料的匀质系数;
——材料的标准强度;
——截面特征值。
三系数法对材料和荷载的取值,在理论上采用数理统计的方法,将影响结构安全度的因素均反映在荷载和材料的取值上,特别是在材料取值上以平均强度减去三倍标准差为最小强度。但实际采用时,不少荷载取值还是根据经验,因此是一种半概率、半经验的极限状态设计方法,一定程度上反映了荷载
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