建筑结构-第二章　钢筋混凝土结构的设计原则

第一节建筑结构的功能要求、安全

一、建筑结构的功能要求结构设计的目的是用最经济的方法设计出安全可靠的结构，既要保证结构的经济要求，又要保证结构的功能要求。工程结构的预定功能要求应包括以下几项：（１）安全性。要求结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用，以及在偶然荷载发生时和发生后，其局部可能破坏，但仍能保持必需的整体稳定性。（２）适用性。要求结构在正常使用时能保证其具有良好的工作性能，不出现过大的变形（如挠度、侧移）和过宽的裂缝。（３）耐久性。要求结构在正常使用及维护下具有足够的耐久性能，不发生钢筋锈蚀和混凝土风化等现象。下一页返回第一节建筑结构的功能要求、安全

结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。结构的可靠性反映了结构在规定的时间内、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、正常使用和正常维护。“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加固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做了规定，见表２．１。上一页下一页返回第一节建筑结构的功能要求、安全

二、建筑结构的安全等级学校和临时仓库若发生破坏，两者所产生的生命财产损失相差迥异，所以建筑物的用途不同，其重要程度也不同。因此在进行结构设计时，根据结构破坏可能产生后果的严重性，采用不同的安全等级，见表２．２。建筑物中各类结构构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相同。对其中部分结构构件的安全等级可进行调整，但不得低于三级。上一页下一页返回第一节建筑结构的功能要求、安全三、建筑结构的极限状态结构设计时需首先明确结构丧失其完成预定功能能力的标志。当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态而不能满足设计规定的某一功能要求时，则此特定状态称为该功能的极限状态。因此，极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。根据结构不同的功能要求，极限状态可分为以下两类。上一页下一页返回第一节建筑结构的功能要求、安全１.承载能力极限状态承载能力极限状态对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，不能满足预定的安全性要求。当结构或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，如挡土墙发生整体滑移，雨篷的倾覆等。（２）结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载，如钢筋混凝土梁受压区混凝土达到抗压强度，钢结构吊车梁在吊车荷载数百万次的重复作用下钢材发生疲劳破坏而导致整个吊车梁破坏失效。上一页下一页返回第一节建筑结构的功能要求、安全（３）结构转变为机动体系，如超静定结构中某些截面屈服形成足够多的塑性铰，而导致整个结构成为几何可变体系。（４）结构或结构构件丧失稳定（如细长杆压屈等）。（５）地基丧失承载能力而破坏。承载能力极限状态是关于安全性功能要求的，应严格控制超过此种极限状态的可能性，否则一旦失效，后果严重。其计算应包括下列内容：（１）结构构件应进行承载力（包括失稳）计算。（２）直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算。（３）有抗震设防要求时，应进行抗震承载力计算。（４）必要时应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算。上一页下一页返回第一节建筑结构的功能要求、安全（５）对于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起严重后果的重要结构，宜进行防连续倒塌设计。本书主要介绍第（１）点和第（３）点内容，其他内容可参考相关书籍和规范。２.正常使用极限状态正常使用极限状态是指结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态，超过该极限状态，结构就不满足预定的适用性和耐久性要求。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：上一页下一页返回第一节建筑结构的功能要求、安全（１）影响正常使用或外观的变形，如梁产生了过大的挠度。（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。相对于承载能力极限状态，正常使用极限状态主要考虑有关结构适用性的功能，对生命财产的危害较小，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；但过大的变形和裂缝不仅影响结构的正常使用和耐久性能，也会使使用者产生心理上的不安全感，所以需要重视。其计算内容如下：上一页下一页返回第一节建筑结构的功能要求、安全（１）对需要控制变形的构件，应进行变形验算。（２）对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算。（３）对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算。（４）对舒适度有要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。结构设计首先要满足承载能力的要求，以保证结构安全使用；然后按正常使用极限状态进行校核，以保证结构的适用性及耐久性。上一页返回第二节结构极限状态设计方法一、结构的可靠度和影响结构可靠性的因素１.结构的可靠度在外部荷载、材料强度、使用时间等众多因素的影响下，结构的可靠性具有一定的随机性。当结构构件完成其预定功能的概率达到一定程度，或者不能完成其预定功能的概率小到某一公认的、大家可以接受的程度，就可以认为结构是安全可靠的。结构在规定时间内、规定条件下，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度。结构的可靠度用来定量描述结构的可靠性。结构不能完成其预定功能的概率称为失效概率。下一页返回第二节结构极限状态设计方法２.影响结构可靠性的因素由于结构使用过程中众多因素的随机性，因此钢筋混凝土结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，设计时考虑的影响结构可靠性主要因素有两个，即作用效应与结构抗力。结构上的作用可分为直接作用和间接作用两种。直接作用是以力的形式作用于结构上，又称为荷载，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、地基不均匀沉降等因素引起结构约束变形。按作用时间的长短和性质，结构上的荷载可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载三种。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法（１）永久荷载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，如结构自重、土压力、预应力等。（２）可变荷载是指在设计基准期内量值随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用，如风荷载、雪荷载、屋面活荷载等。（３）偶然荷载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，如爆炸力、撞击力等。结构上的作用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。当作用为荷载时，其效应也称为荷载效应，用S表示。荷载的大小不是一个确定值，任何荷载都具有不同性质的变异性。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法但是结构设计时必须确定其大小，以形成设计依据。我们把这样一个规定的量值称为荷载代表值。荷载可根据不同的设计要求，规定不同的代表值，以使之更能确切地反映它在设计中的特点。常见的荷载代表值有四种，即标准值、组合值、频遇值和准永久值。结构构件抵抗各种作用的承载力，以及对变形、裂缝等的抵抗能力，称为结构抗力，用R表示，如受弯承载力、受剪承载力、容许挠度、容许裂缝宽度等。影响结构抗力的主要因素有结构构件的几何尺寸、所采用材料的性能（如强度、弹性模量等）。结构抗力也不是一个确定值，如混凝土强度在结构使用过程中会因为徐变等原因发生变化，在设计过程中，也需确定其代表值，例如上一章中介绍的钢筋与混凝土的标准值。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法结构设计的过程之一就是针对作用下的结构，运用力学和相关结构设计规范的规定，计算出作用效应，并以此确定结构构件的材料和几何尺寸等影响结构抗力的因素，保证结构的功能要求和经济要求。３.设计基准期结构上的作用、作用效应与结构抗力均为随机变量，在结构设计中，是运用数理统计、试验以及经验的方法来进行确定，所以在进行结构设计时，为确定可变作用以及与时间有关材料性能的取值而选择一个时间参数，称为设计基准期。我国的设计基准期为５０年。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法二、荷载和材料强度的确定１.荷载和材料强度的标准值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。荷载的标准值便是结构设计采用的荷载的基本代表值，是指在结构的使用期间可能出现的最大荷载值，其他代表值都可在标准值的基础上乘以相应的系数得到。现行国家标准《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９－２０１２）（以下简称“荷载规范”）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设计尺寸和荷载规范规定的材料与构件单位体积的自重计算确定。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法（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。由于结构抗力也是随机变量，例如生产工艺、加载方式、尺寸大小等因素引起材料的实际强度与设计强度存在误差，因而结构设计时同样必须确定其大小，并作为设计依据。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法运用概率统计的方法，把具有９５％保证率的材料强度值称为材料的强度标准值，是指在正常情况下，可能出现的最小强度值。保证率９５％是指在大量的抽样统计中，强度值比该值低的可能性为５％。第一章已经提到，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fｃｋ和fｔｋ表示；热轧钢筋的强度标准值是根据其屈服强度确定，用fｙｋ表示。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法２.荷载和材料强度的设计值对于荷载和材料强度，设计时若直接采用标准值，因为实际工程与理论试验的差异，尚不能保证满足结构的可靠性要求。故在设计过程中，采用了增加分项系数的方法。把荷载标准值与荷载分项系数的乘积称为荷载设计值；把材料强度标准值与材料强度分项系数的比值称为材料强度设计值。普通钢筋的抗拉强度设计值fｙ和抗压强度设计值f′ｙ见表２．３；混凝土的抗压强度设计值fｃ和抗拉强度设计值fｔ见表２．４。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法三、结构的设计状况及设计规定结构设计时，对于不同的设计状况，具有不同的可靠度水平、基本变量和作用组合等。根据结构在施工和使用中的环境条件，分为下列四种设计状况：（１）持久设计状况。适用于结构使用时的正常情况。（２）短暂设计状况。适用于结构出现的临时情况，包括结构施工和维修时的情况等。（３）偶然设计状况。适用于结构出现的异常情况，包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况等。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法（４）地震设计状况。适用于结构遭受地震时的情况，在抗震设防地区必须考虑地震设计状况。针对以上四种工程结构设计状况应分别进行下列极限状态设计：（１）对四种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计。（２）对持久设计状况，还应进行正常使用极限状态设计。（３）对短暂设计状况和地震设计状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。（４）对偶然设计状况，可不进行正常使用极限状态设计。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法四、荷载效应组合结构设计时，为了保证结构的可靠性，在确定其荷载效应时，应对所有可能同时出现的诸荷载作用加以组合，求得组合后在结构中的总效应。考虑荷载出现的变化性质，包括出现的与否和不同的方向，这种组合多种多样，因此，还必须在所有可能组合中取其中最不利的一组作为该极限状态的设计依据。常见的荷载效应组合有基本组合、偶然组合、标准组合、频遇组合和准永久组合。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法五、承载能力极限状态设计表达式（１）对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合计算荷载组合的效应设计值，并应采用下列设计表达式进行设计：（２）荷载效应组合的设计值Sｄ。基本组合是指承载能力极限状态计算时针对永久作用和可变作用的组合。对于基本组合，一般结构构件的荷载效应组合设计值Sｄ应从下列组合值中取最不利值确定：１）由可变荷载效应控制的组合：上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法此处，我们把可变荷载与其对应的可变荷载组合值系数的乘积称为可变荷载组合值，其为可变荷载代表值之一。当有多种可变荷载作用在结构上时，所有可变荷载同时达到其最大值的概率极小，因此，我们除把产生最大荷载效应（此处的SＱiｋ）的荷载采用标准值作为代表值外，其他的可变荷载均采用只在相应时段内出现的最大荷载，也即小于其标准值的组合值作为代表值。２）由永久荷载效应控制的组合：上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法（３）偶然组合。偶然组合是指一种偶然作用与永久荷载及其他可变荷载相组合。偶然作用发生的概率很小，持续的时间较短，但对结构却可造成相当大的损害。鉴于这种特性，从安全与经济两个方面考虑，当按偶然组合验算结构的承载能力时，所采用的可靠指标值允许比基本组合有所降低。荷载偶然组合的效应设计值Sｄ可按下列规定采用：１）用于承载能力极限状态计算的效应设计值，按下式进行计算：上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法２）用于偶然事件发生后受损结构整体稳固性验算的效应设计值，应按下式计算：

（４）结构构件承载力设计值Rｄ。混凝土结构构件的承载力（抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭等承载力）各有其计算公式，但均取决于材料性能（如强度、弹性模量）和几何尺寸（如截为了保证应有的可靠度，计算公式中会包含相应的一些设计系数，有时还需要限制其计算条件。同时，为保证应有的承载力，还须采取适当的构造措施，使构件承载力得以发挥。面尺寸、配筋量）上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法六、正常使用极限状态设计表达式（１）对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并应按下列设计表达式进行设计：（２）计算Sｄ值时，需要注意的是，因正常使用极限状态和承载能力极限状态在设计中的重要性不同，采取不同的荷载效应代表值和荷载效应组合值；在荷载保持不变的情况下，因为混凝土的徐变等特性，裂缝和变形等将随时间而发展，所以在验算不同的限值时，要根据不同的要求采取不同的荷载效应代表值和荷载效应组合值，具体参照各章要求和《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）的规定。上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法１）荷载效应标准组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的场合，是荷载的短期效应，它反映的是设计基准期内的最大荷载效应组合，但相对于承载力极限状态的计算其可靠度水平有所降低（未乘以分项系数），按下式计算：２）荷载效应频遇组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害、较大变形或瞬间振动等情况，是荷载的短期效应，按下式计算：上一页下一页返回第二节结构极限状态设计方法此处，我们把可变荷载与其对应的可变荷载频遇值系数的乘积称为可变荷载频遇值；把可变荷载与其对应的准永久值系数的乘积称为可变荷载准永久值。它们都是可变荷载的代表值。荷载频遇值是根据概率统计确定的值，要求荷载在设计基准期内达到和超过该值的总持续时间为一小部分，或超越概率为一定值。而荷载的准永久值也是根据概率统计确定的值，要求荷载在设计基准期内达到和超过该值的总持续时间为设计基准期的５０％。３）荷载准永久组合主要用于当荷载的长期效应为决定性因素的情况，按下式计算：

（３）正常使用极限状态验算主要是抗裂验算、裂缝宽度验算和挠度验算，其限值犆参考各章要求。上一页返回第三节混凝土结构耐久性设计为了保证混凝土结构在环境的作用下满足设计使用年限的要求，还应对混凝土结构进行耐久性设计。耐久性设计包括以下内容：（１）确定结构所处的环境类别。（２）提出对混凝土材料的耐久性基本要求。（３）确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度。（４）不同环境条件下的耐久性技术措施。（５）提出结构使用阶段的检测与维护要求。下一页返回第三节混凝土结构耐久性设计一、混凝土结构的环境类别混凝土结构所处的环境是影响其耐久性的外因，其分类见表２．５。二、混凝土材料的耐久性基本要求混凝土材料的质量是影响结构耐久性的内因，产生影响的主要因素是混凝土的水胶比、强度等级、氯离子含量和碱含量。（１）水胶比是指每立方米混凝土用水量与所有胶凝材料用量的比值，它直接影响混凝土的渗透性、强度等性质，因而对耐久性的影响较大。（２）混凝土的强度反映了混凝土的密实度，因而影响了混凝土的耐久性。上一页下一页返回第三节混凝土结构耐久性设计（３）长期受到水作用的混凝土结构，可能引发碱集料反应，碱集料反应是指混凝土中的碱性物质与集料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。（４）混凝土的碱性可使钢筋表面钝化，免遭锈蚀；而氯离子引起钢筋脱钝和电化学腐蚀，会严重影响混凝土结构的耐久性。设计使用年限为５０年的混凝土结构，其混凝土材料应符合表２．６的规定。上一页下一页返回第三节混凝土结构耐久性设计三、钢筋的混凝土保护层厚度（１）钢筋的保护层厚度是指钢筋的边缘到混凝土表面的距离。若保护层太小，可能会导致钢筋的锈蚀，所以钢筋的混凝土保护层厚度要符合下列要求：１）构件中受力钢筋的保护层厚度不应小于钢筋的公称直径d。２）设计使用年限为５０年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度应符合表２．７的规定；设计使用年限为１００年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度不应小于表２．７中数值的１．４倍。上一页下一页返回第三节混凝土结构耐久性设计（２）当根据工程经验及具体情况采取下列措施时，可适当减小混凝土保护层的厚度：１）构件表面有可靠的防护层。２）采用工厂化生产的预制构件。３）在混凝土中掺加阻锈剂或采用阴极保护处理等防锈措施。４）当对地下室墙体采取可靠的建筑防水做法或防护措施时，与土层接触一侧钢筋的保护层厚度可适当减小，但不应小于２５ｍｍ。（３）当梁、柱、墙中纵向受力钢筋的保护层厚度大于５０ｍｍ时，宜对保护层采取有效的构造措施。当在保护层内配置防裂、防剥落的钢筋网片时，网片钢筋的保护层厚度不应小于２５ｍｍ。上一页下一页返回第三节混凝土结构耐久性设计四、耐久性技术措施对于不良环境及耐久性有特殊要求的混凝土结构构件，应有针对性地采取下列耐久性技术措施：（１）预应力混凝土结构中的预应力筋应根据具体情况采取表面防护、孔道灌浆、加大混凝土保护层厚度等措施，外露的锚固端应采取封锚和混凝土表面处理等有效措施。（２）有抗渗要求的混凝土结