同济大学土木工程第十一章混凝土结构的设计方法和理念

同济⼤学⼟⽊⼯程第⼗⼀章混凝⼟结构的设计⽅法和理念
第⼗⼀章
混凝⼟结构的设计⽅法和理念
⼀、计算理论
⼆、结构的鲁棒性
三、建筑结构设计理论的发展
四、结构极限状态的基本概念
五、结构可靠度的基本概念
六、近似概率法在设计规范中的应⽤
七、传统设计理念的启⽰
z钢筋混凝⼟结构的有限元分析⽅法
钢筋混凝⼟有限元法中，针对钢筋与混凝⼟两种材料组合特点、裂缝形成和扩展的特点，需要研究的主要问题有：①混凝⼟的破坏准则；②混凝⼟的本构关系；③钢筋与混凝⼟之间的粘结关系；④钢筋的本构关系；⑤裂缝处理；⑥对于长期荷载，还要考虑材料的时效，主要是混凝⼟的徐变、收缩和温度特性。

钢筋混凝⼟结构的有限元分析与⼀般固体⼒学有限元分析相⽐，其特点是：①材料的本构关系；②有限元的离散化。

考虑这些特点的钢筋混凝⼟结构的有限元模型有：①分离式模型；②组合式模型；③整体式模型；④有限区模型。

z钢筋混凝⼟结构的极限分析
对于板、壳、连续梁、框架结构的极限承载⼒，采⽤极限分析法直接求解，是⼀个发展⽅向，并已有较多成果，但需保证结构的正常使⽤（限制裂缝和变形）和薄壁结构与细长压杆的稳定性，以及防⽌脆性的剪切破坏和钢筋锚固失效。

z混凝⼟断裂⼒学
在计算理论中，另⼀个值得注意的发展⽅向是混凝⼟断裂⼒学在⽔⼯⼤坝中的应⽤。

z混凝⼟的收缩与徐变
混凝⼟收缩与徐变的研究⼀直是混凝⼟计算理论中的⼀个重要⽅⾯，对⽔⼯混凝⼟及预应⼒混凝⼟的计算理论影响甚⼤。

我国⽔利⽔电科学研究院多年来进⾏了系统的研究，出版了专著《混凝⼟的收缩》和《混凝⼟的徐变》，对影响混凝⼟收缩和徐变的因素，结合我国⼯程实际情况，提出了估算收缩的⽅法，介绍了六种徐变计算理论。

z⼯程结构可靠度
⼯程结构包括混凝⼟结构，在设计、施⼯、使⽤过程中，事物具有种种影响结构安全性、适⽤性和耐久性的不确定性，这些不确定性⼤致可分为：
①事物的随机性：荷载、材料等随机性
②事物的模糊性：如“正常使⽤”与“不正常使⽤”，耐久性“好”、“良好”、“不好”之间⽆明确界限
③信息的不安全性：部分信息已知的系统成为灰⾊系统，在⼯程结构设计中由于对情况认知不完全，或对决策者不能提供完备
的信息，就会遇到灰⾊系统问题。

z钢筋混凝⼟基本构件计算理论
钢筋混凝⼟构件在复杂受⼒和重复或反复荷载作⽤下的计算理论是相当复杂的。

美籍华⼈学者徐增全教授提出的将⼒的平衡、变形协调条件和混凝⼟的软化应⼒—应变关系加以组合⽽形成的统⼀桁架理论（软化桁架理论），可能成为解决剪⼒传递强度、深梁、剪⼒墙、框架墙板、受剪、受扭构件计算的⼀个有效途径。

美国学者Kotsovos提出了应⼒路径的概念，即结构承担的荷载总是通过内部的拉⼒和压⼒传到⽀座上去的，如在这⼀途径上配置合适的钢筋，拉⼒区可以直接配置受拉钢筋，压⼒区可以配置压筋或约束混凝⼟的钢筋，就可以提⾼或改善结构的强度。

这⼀⽅法具有相当的直观性，其有效性也部分为实验所证实，是值得进⼀步研究的⼀种新理论。

z结构性能设计
“性能”包括三个⽅⾯：
①使⽤性。

结构在承受所考虑的作⽤效应时，具有合适的使⽤能⼒。

②可修性。

结构在承受所考虑的作⽤效应时，具有在技术上或经济上适于修复所出现的损伤的能⼒。

③安全性。

结构在承受所有可能的作⽤效应时，具有保证使⽤者⽆伤亡的能⼒。

⼯程结构的鲁棒性
⽬前我国⼟⽊⼯程结构教育和各种⼯程结构设计规范的主要内容，对结构安全性的计算都是着落于结构构件
这显然没有能够使得结构⼯程师更多的考虑整体结构的安全性。

虽然结构构件的安全性与整体结构的安全性有⼀定的联系，但
结构构件的安全性≠整体结构的安全性
所有结构构件安全性相同的结构，其整体结构的安全性不⼀定相同。

⼀个结构⼯程师的设计⽔平，往往体现在他对整体结构安全性的把握。

⼯程结构的鲁棒性就是研究整体结构安全性，使结构⼯程师在保证结构构件安全性的前提下，更多的关注整体结构的安全性。

耐久性—?适⽤性—
承载能⼒极限状态
安全性—结构的
功能?Safety
Serviceability
Durability
正常使⽤极限状态
鲁棒性—?Robustness ?意外情况下的安全性结构鲁棒性的概念和意义
鲁棒性Robustness
鲁棒是Robust的⾳译，也就是健壮、坚固、耐⽤的意思。

鲁棒性（robustness）就是系统的健壮性。

它是在异常和危险情况下系统⽣存的关键。

⽐如说，计算机软件在输⼊错误、磁盘故障、⽹络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。

所谓“鲁棒性”，是指控制系统在⼀定（结构，⼤⼩）的参数摄动下，维持某些性能的特性。

根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。

以闭环系统的鲁棒性作为⽬标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。

鲁棒性，结构的整体性及结构的抗倒塌性
易损性，结构容易受到伤害或损伤的程度
鲁棒性的反意是易损性（Vulnerability）
Jitendra A等（2003）对结构易损性的解释是，局部很⼩的破坏导致很⼤的结构破坏
显然⼀个整体性好的结构，也即结构的局部破坏不影响结构的整体安全性时，结构的易损性就⼩，鲁棒性就⼤
相对于⼯程结构在正常情况下的安全性、适⽤性和耐久性的性能，⼯程结构的鲁棒性是指整体结构抵御意外事件的能⼒
事实上，结构的安全性往往是在意外事件情况下才能体现出来
意外事件是指在⼯程结构使⽤阶段可能出现，但其量值、作⽤形式和作⽤位置难以估计的⾮正常荷载和作⽤（如极罕遇地震、飞机撞击、恐怖爆炸袭击、重⼤⼈为失误等）。

对于意外事件，在⼯程结构的设计阶段通常⽆法进⾏细致全⾯和深⼊的分析，并给予充分保证。

⼯程结构在意外事件发⽣时和发⽣后，应能保持整体稳定性，不应发⽣与其原因不相称的倒塌或连续破坏，造成重⼤的⽣命和财产损失。

鲁棒性与安全性的关系
鲁棒性与安全性既有联系，⼜有区别
两者都是关⼼的⼯程结构安全问题，但鲁棒性是以避免⼯程整体结构的终极垮塌为⽬标，是
⽆法接受的安全性上限。

⽽安全性通常是以结构（构件）的最⼤承载⼒为⽬标，即按所谓的“承载⼒极限状态”来考
虑的安全性。

结构达到最⼤承载⼒（极限状态）
并不意味着结构的垮塌。

安全性是针对正常使⽤荷载和作⽤来考虑的，⽽鲁棒性是针对意外荷载和作⽤来考虑的。

S
D k D u
S S 设计⽬标状态
极限承载⼒状态极限变形能⼒状态D
K Y SU DU 鲁棒性与安全性既有联系，⼜有区别
基本承载⼒安全储备?意外事件
安全储备
安全性
z
正常荷载和作⽤z
构件破坏z
构件最⼤承载⼒z
弹性计算z 承载⼒鲁棒性与安全性的区别
鲁棒性z 意外荷载和作⽤z 结构破坏(结构体系)z 结构最⼤承载⼒z 构件连接z
弹塑性计算z 变形
鲁棒性与冗余度
与结构鲁棒性相关的另⼀个概念是结构的冗余度Redundancy
结构的冗余度，即结构的超静定次数。

但对结构鲁棒性来说，冗余度意味着具有备⽤传⼒路径，也即当意外事件造成结构中的某⼀构件或局部破坏⽽丧失其承载能⼒，其原有传⼒功能可转由结构其它未破坏部分传递，称为备⽤传⼒路径和备⽤传⼒能⼒。

冗余度⼤的结构，整体性好，备⽤传⼒路径多和备⽤传⼒能⼒⼤，其鲁棒性也⾼。