结构设计原理-第二章钢筋混凝土结构的基本计算原则教学内容

第

一

节

极

限

状

态

的

基

本

概

念

一、结构上的作用

二、结构的抗力及其不定因素

三、结构的功能要求

四、结构的极限状态

五、结构安全等级

一、结构上的作用

（一）作用及作用效应（effect of action）

结构在施工和使用期间，将受到其自身和外加的各种因素作用，这些作用在结构中产生不同的效应——内力和变形。这些引起结构的内力和变形的一切原因统称为结构上的作用。

作用在结构上产生的内力（弯矩、剪力、扭矩、压力和拉力等）和变形（挠度、扭转、转角、弯曲、拉伸、压缩、裂缝等）称为作用效应。由第一类作用，即荷载引起的效应，称为荷载效应。

（二）作用的分类

1.按时间的变异性和出现的可能性分类，结构上的作用可以分为三类：

(1)永久作用（permanent action）

永久作用在结构上的作用值，在设计基准期（design reference period）内不随时间变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计。

(2)可变作用（variable action）

在设计基准期内作用值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略。

(3)偶然作用（accidental action）

偶然作用在设计基准期内出现的概率很小。一旦出现，其持续时间很短，但其量值很大，如罕遇地震、车辆或船舶撞击力。

2.按照空间位置的变异性分类

（1）固定作用

在结构空间位置上具有固定位置的作用，但其量值是随机的，如恒荷载(dead load)、固定的设备等。

（2）自由作用

在结构空间一定范围内可以改变位置的作用，如车辆荷载、人群荷载等。

3.按照结构的反应分类

（1）静态作用

在结构上不产生加速度或产生加速度可忽略不计的作用，如结构自重。

（2）动态作用

在结构上产生不可忽略加速度的作用，如汽车荷载、地震等。

(三)作用代表值（representative value of an action）

1.作用的标准值（characteristic value of an action）

如图所示。

对永久作用，由于其变异性不大，标准值是以其平均值，即0.5分位值确定，可以按照结构设计尺寸和材料确定，或按照结构构件的平均重力密度确定。

对于可变作用，桥涵结构的可变作用的标准值可从《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2003）中查得，对某些特殊情况下的作用，也可以通过调查统计按照同类工程经验取值。

2.作用的准永久值（quasi-permanent value of an action）

如图

作用的准永久值一般是依据作用出现的累计持续时间〔考虑到出现的频率程度和每次出现持续时间〕而定。

3.作用的频遇值（frequent value of an action）

《公桥规》规定，可变作用的频遇值为可变作用标准值乘以频遇值系数，频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.7，人群荷载=1.0，风荷载=0.75，温度梯度=0.8，其他作用=1.0。

4.作用代表值的选用：

永久作用应采用标准值作为代表值。

可变作用应根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值或准永久值作为其代表值。承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构强度时应采用标准值为可变作用的代表值。正常使用极限状态按短期效应组合设计时，应采用频遇值为可变作用的代表值；按长期效应（准永久）组合设计时，应采用准永久值为可变作用的代表值。

偶然作用取其标准值为代表值。

5.作用设计值（design value of anaction）

作用设计值是作用标准值乘以作用分项系数后的值。永久作用分项系数如表2-1。

表2-1永久作用分项系数表

二、结构的抗力及其不定因素

抗力是结构构件抵抗作用效应的能力，即承载能力和抗变形能力。承载能力包括受弯、受压、受剪、受扭承载力等各种抵抗外力的能力；抗变形能力包括抗裂能力、刚度等。

引起抗力不定性的主要因素有：

（1）材料性能的不定性。

（2）几何参数（geometrical parameter）的不定性。

（3）计算模式的不定性。

三、结构的功能要求

结构的功能是由其使用要求决定的，具体有如下四个方面：

（1）结构应能承受在正常施工和正常使用期间可能出现的各种荷载、外加变形、约束变形等的作用。

（2）结构在正常使用条件下具有良好的工作性能。

（3）结构在正常使用和正常维护的条件下，在规定的时间内，具有足够的耐久性。

（4）在偶然荷载（如地震、强风）作用下或偶然事件（如爆炸）发生时和发生后，结构仍能保持整体稳定性，不发生倒塌。

结构可靠度(degree of reliability)的定义：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。

四、结构的极限状态(limit state)

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。

1、承载能力极限状态(ultimate limit state)

这种极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。当结构或构件出现下列状态之一时，即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（如滑动、倾覆等）；

(2)结构构件或连接处因超过材料强度而破坏或因过度的塑性变形而不能继续承载（包括疲劳破坏）；

(3)结构转变成机动体系；

(4)结构或结构构件丧失稳定（如柱的压屈失稳等）；

2.正常使用极限状态(service ability limit state)

这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项限定值的状态。当结构或结构构件出现下列状态