結構設計的基本規(guī)定
一、結構的功能要求
結構在規(guī)定的設計基準期內(nèi)和規(guī)定的條件下必須具有安全性、適用性和耐久性等三方面的功能。
二、結構極限狀態(tài)的定義和分類
1.定義
整個結構或結構的一部分，超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，則此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。
2.分類
結構的極限狀態(tài)分為兩類，即：
(l)承載能力極限狀態(tài)：結構或結構構件達到最大承載力、或出現(xiàn)疲勞破壞、或不能繼續(xù)承載變形的狀態(tài)。
(2)正常使用極限狀態(tài)：結構或結構構件達到正常使用或耐久性功能的某項規(guī)定的限值。
三、結構可靠度的基本概念
1.結構的功能函數(shù)：Z=R-S
式中S——外部作用在結構上產(chǎn)生的效應(內(nèi)力和變形);
R——結構能承受內(nèi)力和變形的能力。
2.極限狀態(tài)方程：Z=R-S=0，(表示結構處于極限狀態(tài))
當Z=R-S>0時，則表示結構處于可靠狀態(tài);
當Z=R-S<0時，則表示結構處于失效狀態(tài)。
3.結構可靠度概念
S和R均不是定值，而是隨機變量，所以對上述狀態(tài)要科學的衡量，只能用概率的方法。只要Z=R-S≥0的概率(即可靠概率或稱可靠度)大到人們足以放心，就可認為設計的結構是安全可靠的。
4.幾個重要的概念：
(1)作用效應S的不確定性主要是由下列因素引起的：
1)荷載(或作用)本身的變異性;
2)內(nèi)力計算假定與結構實際受力情況間的差異。
(2)結構抗力R的不確定性主要是由下列因素引起的：
l)材料性能的不確定性;
2)結構構件幾何參數(shù)的不確定性;
3)結構構件抗力R的計算模式的不確定性。
(3)結構的可靠性：結構在規(guī)定時間內(nèi)、規(guī)定條件下能完成預定功能的能力。
(4)結構的可靠度：結構在規(guī)定時間內(nèi)、規(guī)定條件下能完成預定功能的概率(或稱可靠概率Pa：)。
(5)失效概率Pf：結構功能在規(guī)定時間內(nèi)、規(guī)定條件下不能完成預定功能的概率(Pf)。（Ps+Pf=1）
(6)可靠指標β：結構功能函數(shù)Z的平均值與其標準差的比值(它與Pf，有一一對應的函數(shù)關系)。
(7)目標可靠指標[β]：作為結構設計依據(jù)的可靠指標稱為目標可靠指標[β]，亦稱設計可靠指標。
現(xiàn)行《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010-2002)是采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法，以可靠指標度量結構構件的可靠度，采用分項系數(shù)的設計表達式進行設計的。
鋼筋混凝土結構特點和材料的力學性能
一、鋼筋混凝土結構特點
鋼筋混凝土結構是由鋼筋和混凝土兩種性能不相同的材料組成的。混凝土具有較高的抗壓強度，但抗拉強度卻很低(僅為其抗壓強度的1/8～1/16);而鋼筋則具有較高的抗拉強度和抗壓強度，我們把這兩種材料組合在一起，將鋼筋主要用于受拉，而混凝土主要用于受壓，發(fā)揮材料各自的特長，成為目前應用最為廣泛的鋼筋混凝土結構。
1.鋼筋與混凝土能很好地結合在一起共同工作的主要原因是：
(1)鋼筋與混凝土之間存在著良好的粘結。
(2)鋼筋與混凝土兩者的溫度線膨脹系數(shù)很接近。(鋼筋約為1.2×10-5，混凝土約在1.0×10-5～1.5×10-5之間)
(3)鋼筋受到混凝土的保護而不易生銹，具有很好的耐久性。
2.鋼筋混凝土結構的主要優(yōu)點是：
(l)合理發(fā)揮了鋼筋和混凝土兩種材料的力學特性，成為承載能力較高的結構。
(2)鋼筋混凝土結構具有很好的耐火性、整體性、可模性。
(3)鋼筋混凝土結構中，混凝土對鋼筋有很好的防護性，與鋼結構相比可省去很大的經(jīng)常性維修費用。
(4)便于就地取材，造價降低。
3.鋼筋混凝土的主要缺點為：
(1)自重較大;
(2)抗裂性能較差;
(3)隔熱和隔聲的性能不夠理想。
上述主要缺點，正隨著材料和結構的不斷發(fā)展，在不斷地得到改進(如輕骨料混凝土，高強混凝土和預應力混凝土的發(fā)展)。
二、混凝土強度
強度分為標準值和設計值。將強度標準值除以材料分項系數(shù)即為強度的設計值。
1.立方體抗壓強度標準值(記為fcu,k)
按標準方法制作養(yǎng)護的邊長為150mm的立方體試件，在28天齡期用標準試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度。
混凝土強度等級按其fcu,k值確定，即fcu,k為××N/mm2的混凝土記為C××。
素混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C15;鋼筋混凝土強度等級不應低于C20;當采用強度等級400MPa及以上鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C25;承受重復荷載的鋼筋混凝土構件，混凝土強度等級不應低于C20。
預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30，不宜低于C40。
2.軸心抗壓強度標準值(記為fcx)
按標準方法制作養(yǎng)護的截面為150mm×150mm，高度為h(h一般為150 mm的3～4倍)的棱柱體，在28天齡期用標準試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度。其設計值記為fc。
3.軸心抗拉強度標準值(記為ftk)
它是采用棱柱體試件直接軸向拉伸試驗或立方體試件的劈裂試驗來測定的。
混凝土的抗拉強度很低，遠小于其抗壓強度(一般只有其抗壓強度的1/8～1/1 6)。其設計值記為ft。
三、混凝土變形
混凝土變形有兩類，一類是受力變形;另一類為體積變形，它與受力無關，如混凝土在結硬過程中的收縮(或膨脹)等。
(一)混凝土的應力應變關系
混凝土在一次短期單軸加壓時的應力應變關系如圖4一1所示。是一曲線。所以其應力應變的比值(即σ/ε)是一個變量而不是常數(shù)，因此稱E=σ/ε混凝土的變形模量。在計算設計時常用三種方式表示，即彈性模量Ec，變形模量和切線模量。
(二)混凝土的徐變
(1)定義：混凝土在恒定荷載的長期作用下，變形隨時間而增長的現(xiàn)象稱為徐變。
(2)影響徐變應變量(簡稱徐變)的因素有以下幾方面：
1)水灰比大，水泥用量多，徐變量就大;
2)養(yǎng)護條件好，徐變量就小;
3)骨料質量及級配好，徐變量小;
4)構件體表比越大，徐變量越小;
5)構件的應力與其受荷時強度的比值(即σ/fc)越大，則徐變量越大。
(3)徐變對結構受力的影響：
1)徐變使結構的變形(包括撓度和裂縫)增大;
2)徐變使結構內(nèi)部應力重分布;
3)徐變將引起預應力混凝土結構中的預應力損失;
4)受拉徐變，會延緩混凝土收縮裂縫的出現(xiàn)，及將減少由于支座不均勻沉降產(chǎn)生的應力等。
(三)混凝土的收縮(或膨脹)
(1)定義：混凝土在空氣中結硬時體積縮小稱為收縮，在水中結硬時體積膨脹稱為膨脹;但收縮值要比膨脹值大得多。
(2)影響收縮值的因素有以下幾方面：
1)水灰比大，水泥用量多，收縮值就大;
2)養(yǎng)護條件好，使用環(huán)境的濕度較高，收縮值小;
3)骨料質量及級配好，收縮值就小;
4)構件體表比越大，收縮值越小;
5)混凝土振搗密實，收縮值就小。
(3)收縮對結構受力的影響：
1)會在鋼筋混凝土結構中，使混凝土產(chǎn)生拉應力，加速裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，甚至在未受荷前，即出現(xiàn)初始的收縮裂縫;
2)收縮將引起預應力混凝土結構中的預應力損失;
3)對跨度變化比較敏感的靜定結構(如拱結構等)將產(chǎn)生不利的內(nèi)力。
四、鋼筋
1.混凝土結構中所用的鋼筋主要可分為具有明顯屈服點及屈服臺階的鋼筋(或稱軟鋼)和無明顯屈服點及屈服臺階的鋼筋(或稱硬鋼)兩類。
2.現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010一2010)建議，縱向受力普通鋼筋宜采用HRB400級、HRB500、HRBF400、HRBF500級鋼筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400鋼筋;梁、柱縱向受力鋼筋應采用HRB400、HRB500、HRBF500鋼筋，也可采用HRB335，HRBF335鋼筋;預應力筋宜采用預應力鋼絲、鋼絞線和預應力螺紋鋼筋。規(guī)范中對除HRB500，HRBF500級鋼筋外的普通鋼筋的受拉與受壓強度設計值取相同。對預應力鋼筋其受拉強度設計值遠大于其受壓強度設計值。
3.有時對軟鋼進行冷加工，提高鋼筋的強度，以節(jié)約用鋼。鋼筋的冷加工有兩種方式：即冷拉和冷拔。
冷拉后鋼筋的抗拉強度提高，但其抗壓強度未變(故其不宜用作受壓鋼筋)，同時其屈服臺階縮短，伸長率減少，塑性降低，仍屬軟鋼。
冷拔后鋼筋的抗拉和抗壓強度同時提高，但其已變?yōu)橛蹭摗?/p>
4.鋼筋混凝土結構對鋼筋性能的要求：
(1)鋼筋應有較高的強度。對鋼筋強度的要求主要有兩個指標，即屈服強度和極限強度。屈服強度是設計計算時的主要依據(jù)。極限強度與屈服強度之比稱為強屈比，強屈比越大，結構的可靠性越大。
(2)鋼筋應有較好的塑性(或稱延性)性能。它主要是用鋼筋的伸長率和其冷彎性能來反映的。
(3)鋼筋應與混凝土具有良好的粘結。
(4)鋼筋還應具有可焊性。
五、鋼筋與混凝土的粘結
1.鋼筋與混凝土之間的粘結力主要是由三部分組成：
(1)化學膠著力;
(2)摩擦力;
(3)機械咬合力。
光面鋼筋與混凝土之間的粘結力主要來自摩擦力，變形鋼筋與混凝土之間的粘結力則主要來自機械咬合力，規(guī)范規(guī)定：對光面鋼筋，其作受拉筋時，末端應做180°彎鉤，彎后平直段不應小于3d;但其作受壓時可不做彎鉤。
2.影響粘結力大小的因素有以下幾方面：
(1)鋼筋的表面形狀;
(2)混凝土強度等級;
(3)澆筑混凝土時鋼筋所處的位置;
(4)保護層厚度和鋼筋間的凈距;
(5)橫向鋼筋(即箍筋)情況;
(6)側向壓力的作用。
承載能力極限狀態(tài)計算
承受荷載產(chǎn)生的彎矩和剪力的構件，稱為受彎構件(如梁、板)。它在彎矩作用下可能會發(fā)生正截面受彎破壞;同時在彎矩和剪力的共同作用下又可能會發(fā)生斜截面受剪破壞。
承受荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩和剪力的構件，稱為受壓構件(即柱)。當然它也存在著正截面受彎破壞和斜截面受剪破壞的可能。
一、正截面承截能力計算
(一)破壞形態(tài)
(1)受彎構件(梁)，因其配筋率ρ的不同，可能出現(xiàn)適筋梁破壞，超筋梁破壞和少筋梁破壞等三種。它們的破壞特征為;
1)適筋梁破壞(配筋量適中)——受拉區(qū)鋼筋先達屈服強度，然后受壓區(qū)邊緣纖維混凝土的壓應變達到其極限壓應變。εcu值而破壞。該破壞屬延性破壞。
2)超筋梁破壞(配筋量過多)——當受拉壓鋼筋還未達屈服強度，而受壓區(qū)邊緣纖維混凝土就因已達εcu值而破壞。該破壞屬脆性破壞。
3)少筋梁破壞(配筋量過少)——當梁一開裂，受拉鋼筋立即達屈服強度，梁被拉為兩部分而斷裂破壞。它的極限彎矩與開裂彎矩幾乎相等，該破壞也屬脆性破壞。
(2)偏壓構件(柱)的破壞形態(tài)有：大偏心受壓破壞和小偏心受壓破壞等兩種。它們的破壞特征為：
1)大偏心受壓破壞——遠離軸向力N一側的受拉鋼筋先達屈服強度，然后另一側截面外邊緣纖維混凝土的壓應變達εcu而破壞。(時，該側的受壓鋼筋也達受壓屈服強度)。該破壞屬延性破壞。
2)小偏心受壓破壞——靠近軸向力N一側的外邊緣纖維混凝土壓應變先達到εcu，同時這一側的受壓鋼筋也達受壓屈服強度;而遠離軸向力N一側的鋼筋，無論是受拉還是受壓，均未屈服而破壞。該破壞屬脆性破壞。
(二)計算基本假定
(1)截面應變保持平面;
(2)不考慮混凝土的抗拉強度;
(3)混凝土受壓的應力與應變關系曲線，如圖4一3所示：
式中：σc——混凝土壓應變?yōu)�。。時的混凝土壓應力;
fc——混凝土軸心抗壓強度設計值;
ε0——混凝土壓應力剛達fc時的混凝土壓應變;
εcu——正截面的混凝土極限壓應變，當處于非均勻受壓時，按式(4一1)計算，當處于軸心受壓時取為ε0。;
fcu,k——混凝土立方體抗壓強度標準值;
n——系數(shù)。
(4)縱向鋼筋的應力，取鋼筋應變與其彈性模量的乘積，且此值應不大于其相應的強度設計值�？v向受拉鋼筋的極限拉應變?nèi)?.01。
(三)受壓區(qū)混凝土的等效矩形應力圖形
正截面破壞時受壓區(qū)混凝土的應力圖形可簡化為等效的矩形，如圖4一4所示。所謂等效，即為原應力圖形的合力大小及其作用位置與矩形圖形的合力大小及其位置相同。
圖4-4中系數(shù)αl的取值如下：
當混凝土強度等級≤C50時，αl=1.0
當混凝土強度等級>C80時，αl=0.94;
當混凝土強度等級在C50與C80之間時，則按線性內(nèi)插法確定。
(四)相對界限受壓區(qū)高度ξb
所謂界限破壞是指受拉鋼筋受拉屈服與受壓區(qū)混凝土外邊緣纖維達εcu同時發(fā)生的破壞。所以其相對受壓區(qū)高度ξb是判別適筋梁和超筋梁的界限條件。
按前述計算的基本假定可得ξb的計算公式為：
對常用鋼筋可算得ξb值如下：
對HPB235級鋼筋：ξb=0.614
對HRB335級鋼筋：ξb=0.550
對HRB400級鋼筋：ξb=0.518
