基本要求：

1. 了解结构设计的基本功能要求和设计目的。

2. 熟悉极限状态的定义及分类概念。

3. 掌握概率极限状态设计方法。

4. 熟练掌握荷载、材料强度与分项系数的取值。

学习重点：

1. 结构的功能要求和设计目的。

2. 极限状态的定义及分类。

3. 结构上的作用、作用效应、结构抗力,以及结构的可靠度、失效概率和可靠指标。

4. 材料设计参数的代表值。

5. 荷载的分类、荷载的代表值、荷载分项系数、荷载设计值的概念及其确定方法。

6. 按承载能力极限状态和按正常使用极限状态进行混凝土结构设计计算的方法。

学习内容：

• 2.1 结构的功能要求、极限状态和安全级别

• 2.2 结构上的作用、作用效应和结构抗力

• 2.3 概率极限状态设计法

• 2.4 极限状态计算的实用设计表达式

• 钢筋混凝士结构设计计算原则

2.1 结构的功能要求、极限状态和安全级别

1．何谓结构的可靠性？结构的功能包括哪三个方面？

答：结构的可靠性是指结构在规定的时间（设计基准期）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用和正常维护）下，完成安全性、适用性和耐久性等预定功能的能力。

结构的功能包括以下三个方面：

（1）安全性。要求结构在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种直接作用和间接作用，并要求在偶然事件(校核洪水位、地震等)发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体承载力及稳定性。

（2）适用性。要求结构在正常使用荷载作用下具有良好的工作性能，如不发生影响正常使用的过大变形和振幅；不发生过宽的裂缝等。

（3）耐久性。要求结构在正常维护下具有足够的耐久性能。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀等），结构的承载力、刚度和裂缝控制性能不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性。

结构的设计基准期是指：设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。各类工程结构的设计使用年限是不统一的，重要性不同的建筑物使用年限应不同。就总体而言，一般建筑结构的设计使用年限可为50年,桥梁应比房屋的设计使用年限长，水工大坝的设计使用年限更长。

2．何谓结构的极限状态？极限状态分为哪两大类？

答：结构的极限状态：是指整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。

极限状态分为：承载能力极限状态和正常使用极限状态两大类。

3．何谓承载能力极限状态？当结构或构件出现何种状态时，就认为超过了承载能力极限状态。

答：承载能力极限状态：这种极限状态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。

当结构或构件出现下列状态之一时，就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失去刚体平衡（如发生滑移或倾覆等）；

（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载；

（3）结构变为机动体系；

（4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）。

4．何谓正常使用极限状态？当结构或构件出现何种状态时，就认为超过了正常使用极限状态。

答：正常使用极限状态：这种极限状态对应于结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值。

当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态。

（1）产生过大的变形，影响正常使用或外观；

（2）产生不良的局部破坏（如过宽的裂缝），对结构外形、耐久性及抗渗能力有影响，或者产生人们心理上不能接受的感觉；

（3）产生过大的振动，影响正常使用；

（4）产生影响正常使用的其它特定状态。

2.2 结构上的作用、作用效应和结构抗力

1．什么叫结构抗力、作用、作用效应？

答：结构抗力：是指整个结构或构件承受内力和变形的能力(如构件的承载能力、抗裂度和刚度等)，用“R”来表示。

作用：施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称为结构上的作用。

在工程结构中，荷载是常见的作用，结构上的荷载按其随时间的变异性不同，可以分为以下三类：

（1）永久荷载（恒荷载）。在设计基准期内其值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽略不计。例如，结构自重、土重等。

（2）可变荷载（活荷载）。在设计基准期内其值不随时间变化,且其变化与平均值相比不可忽略。如吊车荷载、楼面堆放荷载及人群荷载、静水压力、风荷载等可变荷载。

（3）偶然荷载。在设计基准期内不一定出现，但它一旦出现，其量值很大且持续时间较短，如地震、爆炸、撞击等偶然荷载。

作用效应：是指在各种作用因素的作用下，于结构构件内所产生的内力和变形（如轴力、弯矩、扭矩、挠度、裂缝等），用“S”来表示。

2.3 概率极限状态设计法

1．《水工混凝土结构设计规范》是如何保证结构的可靠指标的？

　答：《水工混凝土结构设计规范》规定的按承载能力极限状态(持久状况)设计时的目标可靠指标，它是运用近似概率法对原规范设计出的七种典型的钢筋混凝土构件(轴心受压、大偏心受压、小偏心受压、受弯、受剪、轴心受拉、小偏心受拉)在五种不同材料组合及五种不同荷载组合(还考虑了每种荷载组合中的若干个不同永久荷载与可变荷载的比值)下，一一进行分析计算相应的可靠指标，进行统一调整后得出的。

2．什么是荷载的标准值和设计值，现行《水工混凝土结构设计规范》中是如何取值的？

　答：荷载标准值是指结构构件在使用期间正常情况下可能出现的最大荷载值，由于荷载本身具有随机性，因而最大荷载也是随机变量。

　荷载标准值乘以相应的荷载分项系数后即为荷载设计。

　永久荷载分项系数γG和可变荷载分项系数γQ的取值规定：

　1）荷载分项系数一般按《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077—1997)取用。但应注意，在使用《水工混凝土结构设计规范》进行结构构件计算时，还应按该规范的规定，对某些可控制其不超出规定限值的可变荷载，若荷载规范所规定的分项系数γQ小于1.10时，则应取为1.10；对其它可变荷载，若所规定的分项系数γQ小于1.20时，则应取为1.20v。这主要考虑按《水工混凝土结构设计规范》设计的结构构件的材料用量与过去规范的用量相比，不致有过多的减少，以及保证必要的设计延续性。

　2）对于《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077—1997)未予规定的荷载(如车辆荷载、屋面荷载等)，其分项系数可按附录3表3取用。一般是γG=1.05，γQ=1.2。

　3）当永久荷载的效应对结构有利时，γG应取为0.95。

3．什么是材料的强度标准值和强度设计值，现行《水工混凝土结构设计规范》中是如何取值的？

　答：材料强度标准值是指使用期间正常情况下可能出现的最小值。材料强度的标准值以材料强度概率分布的某一分位值来确定，即可由下式计算：




fk= μf–ασf=μf(1–αδf)




　式中 μf ——材料强度的统计平均值；

　σf——材料强度的统计标准差；

　δf——材料强度的变异系数；

　α——材料强度的保证率系数。

　按照国际标准化组织(ISO)的规定，材料强度的标准值由材料强度概率分布的0.05分位值来确定，即材料的实际强度小于强度标准值的可能性只有5％，也就是强度标准值具有95％的保证率，对应的保证率系数α=1.645。

　材料强度标准值除以相应的材料强度分项系数后，即为材料强度设计值。从而，混凝土和钢筋的强度设计值可分别表示为




fc= fck/γc，fy=fyk/γs




　材料强度分项系数γc、γs取值：

　（1）对混凝土，取强度分项系数γc=1.35。

　（2）对热轧Ⅰ级钢筋，取强度分项系数γs=1.15；热轧I、II、III级钢筋，γs=1.10。

2.4 极限状态计算的实用设计表达式

1．实用设计表达式的思路？式中五种系数的作用？

答：《水工混凝土结构设计规范》在可靠度分析的基础上，给出了采用基本变量标准值和多个分项系数表示的实用设计表达式。在设计表达式中隐含了结构对失效概率的要求，设计出来的构件已经具有某一可靠概率的保证。

《水工混凝土结构设计规范》在设计表达式中采用了五个分项系数，用这五个系数构成并保证了结构的可靠度。

结构重要性系数γ0：考虑建筑物的重要性不同，其结构构件的安全级别就不同，要求目标可靠指标也不同。

设计状况系数ψ：结构在施工、运行、检修不同时期可能出现不同的结构体系、荷载及环境条件，失效后果也不同，所以，其可靠度水准要求也就不同。

荷载分项系数（永久荷载分项系数γG和可变荷载分项系数γQ）：荷载分项系数主要是用来考虑荷载超过标准值的可能性。

材料强度分项系数（混凝土强度分项系数γc及钢筋强度分项系数γs）：考虑由于材料的离散性及不可避免的施工误差等因素可能造成材料的实际强度低于其强度标准值不利影响。

结构系数γd：考虑在承载能力极限状态设计中，荷载效应计算模式的不定性u、几何尺寸的不定性和结构构件抗力计算模式的不定性，以及未能由荷载分项系数和材料强度分项系数反映的其它各种变异因素。




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