第一章 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1、第一章 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原則第一節(jié) 鋼筋混凝土簡述 鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種不同力學(xué)性能的材料組成的建筑材料。 混凝土為人造石料，其抗拉強度僅為抗壓強度的18118，如將素混凝土用于構(gòu)件（如圖1），從材料力學(xué)知道，在荷載Pl作用下,梁的中和軸以上為受壓區(qū)，以下為受拉區(qū),隨著荷載的增大,梁下邊緣混凝土的拉應(yīng)力將率先達到極限抗拉強度, 此時梁上邊緣混凝土的壓應(yīng)力還遠小于其極限抗壓強度，下邊緣混凝土一旦受拉開裂即導(dǎo)致梁的整體破壞，具有突然性，屬于脆性破壞，故素混凝土梁的承載能力通常很小。混凝土由于其抗拉強度很小，一般不能用于可能承受較大拉應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，只能用于不受拉或受拉力很小的基礎(chǔ)、墊層等非

2、承重結(jié)構(gòu)。 若在混凝土梁的受拉區(qū)適當(dāng)位置加入適量鋼筋，情況就與素混凝土梁有很大的不同。當(dāng)梁的受拉區(qū)混凝土開裂后,由于鋼筋表面和混凝土之間的粘結(jié)力,兩種材料還可以共同受力，受拉區(qū)鋼筋可以代替開裂退出工作后的混凝土承擔(dān)拉力, 梁的受壓區(qū)混凝土仍然承受壓力,故受拉區(qū)混凝土開裂后的梁還可以繼續(xù)承擔(dān)更大的荷載, 直至受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土達到抗壓極限強度而破壞。這樣鋼筋和混凝土兩種材料的強度優(yōu)勢都得到充分發(fā)揮,因此鋼筋混凝土梁的承載能力可以為素混凝土梁的幾倍乃至幾十倍；此外,配筋適度的鋼筋混凝土梁破壞前均具有明顯預(yù)兆（即明顯的裂縫和撓度）和延性,屬于塑性破壞,不同于素混凝土梁的一旦開裂即突然破壞，有

3、預(yù)兆的破壞對于結(jié)構(gòu)而言是一件好事。 圖11 素混凝土梁和鋼筋混凝土梁 鋼筋和混凝土能夠共同工作的三要素如下：1， 鋼筋表面和混凝土之間具有良好的粘結(jié)力，使得鋼筋和混凝土能夠共同變形，梁在受拉區(qū)混凝土開裂后仍然具有梁的受力特性。 2， 鋼筋和混凝土具有近似相等的溫度線膨脹系數(shù)（鋼筋為1.210-5,混凝土為1.010-51.510-5）,使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不致因當(dāng)溫度變化產(chǎn)生明顯的溫度應(yīng)力。3， 混凝土包裹鋼筋，可以保護鋼筋免遭銹蝕。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：1， 耐火性好。鋼結(jié)構(gòu)在高溫下會變軟，木結(jié)構(gòu)在高溫下會燃燒，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于混凝土保護了鋼筋，因此其耐火性比鋼結(jié)構(gòu)要好，混凝土自身也

4、不會燃燒。設(shè)若紐約世貿(mào)大廈不是鋼結(jié)構(gòu)而是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即使受到巨大沖擊和大量汽油燃燒，大廈可能延遲其坍塌時間，“911”事件所造成的傷亡和損失就會小些。2， 耐久性好。鋼筋的銹蝕因為混凝土的保護而大大減弱,有研究者對經(jīng)歷數(shù)十年的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行研究,發(fā)現(xiàn)鑿掉混凝土后,鋼筋幾乎沒有銹斑,當(dāng)然,也有因混凝土質(zhì)量較差或環(huán)境條件惡劣而導(dǎo)致鋼筋銹蝕較為嚴(yán)重的實例,總體而言,鋼筋混凝土的耐久性已經(jīng)得到全世界工程界的公認。3， 可塑性好。與鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土可以通過現(xiàn)場澆注，形成人們所需的任何形狀，也可以像鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)那樣先在工場中進行預(yù)制，在現(xiàn)場進行拼接和安裝。4， 易于就地取

5、材。鋼筋混凝土所需的大宗材料如砂石，一般都可以在近距離內(nèi)獲得，可以節(jié)約運費，降低成本。5， 剛度大。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剛度較之鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)大，變形相對較小，適用于對變形要求較高的結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，鋼筋混凝土也有自身的缺點，在具有較大剛度的同時，其自重也較大，抗裂性也較差，一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在工作中都是帶裂縫工作（請注意，用增加鋼筋或加大截面尺寸來提高抗裂度都是不經(jīng)濟的），如裂縫寬度超過規(guī)范要求就可能對結(jié)構(gòu)的耐久性帶來負面影響；另外，在現(xiàn)場澆注鋼筋混凝土?xí)r，其質(zhì)量易受外部條件的影響，混凝土強度的離散性較大，質(zhì)量控制難度較大。鋼筋混凝土之所以在20世紀(jì)成為建筑界不可或缺的建筑材料，就在于它充分發(fā)揮了混

6、凝土和鋼筋的力學(xué)和物理性能的優(yōu)勢，正因為在混凝土中加了鋼筋，才使混凝土從單純的受壓材料材料中解放出來，成為世界建筑結(jié)構(gòu)材料中主流。第二節(jié) 鋼筋與混凝土的粘結(jié)鋼筋與混凝土之間的的粘結(jié)力是確保鋼筋與混凝土能夠共同工作的最重要的基本條件之一，倘若鋼筋在混凝土中是可以任意滑移的，則鋼筋不能與混凝土共同受力，結(jié)構(gòu)的破壞無異于素混凝土，因此，在設(shè)計和施工中都應(yīng)確保鋼筋與混凝土之間有足夠的粘結(jié)力。粘結(jié)力的實質(zhì)是：結(jié)構(gòu)受力后，鋼筋和混凝土的變形并不完全一致，存在變形差，變形差將在鋼筋與混凝土結(jié)合面產(chǎn)生剪應(yīng)力，這種剪應(yīng)力就是粘結(jié)應(yīng)力（也稱粘結(jié)強度），粘結(jié)應(yīng)力之總和即稱為粘結(jié)力。1.2.1 粘結(jié)的作用通過按照規(guī)定

7、要求把鋼筋從混凝土中拔出的試驗，可以了解粘結(jié)力沿鋼筋表面的分布情況和粘結(jié)力的大小。圖12 為鋼筋埋在混凝土中的試件，采用專門試驗裝置，可以鉗住鋼筋伸出端，施加拉力把鋼筋從混凝土內(nèi)拔出。一般認為當(dāng)鋼筋被拔出混凝土端面1mm或混凝土被剪壞時即為粘結(jié)破壞。在試件端部以外，拔力F由鋼筋承擔(dān)，在鋼筋埋入部分的末端，剪應(yīng)力為零。若鋼筋橫斷面為As，則鋼筋應(yīng)力為s0F/As,相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)閟0s0Es, Es為鋼筋彈性模量。試件端面混凝土的應(yīng)力h00，應(yīng)變h00。由鋼筋和混凝土的應(yīng)變差產(chǎn)生的結(jié)合面剪應(yīng)力為，拔力F和在鋼筋被拔出前是一對平衡力。試驗證明，剪應(yīng)力是非均勻分布的，其分布規(guī)律與鋼筋的表面情況和拔力大小

8、有關(guān)，鋼筋起端和末端的剪應(yīng)力均為零。而鋼筋應(yīng)力則在起端處較大，末端處為零。設(shè)鋼筋埋入長度為l ,由鋼筋微段的受力平衡可得： 圖12 光圓鋼筋的拔出試驗 （11）式（11）表明了粘結(jié)應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力的關(guān)系：當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力為零時，鋼筋應(yīng)力增量也為零，也就是說，只有存在粘結(jié)應(yīng)力時混凝土中的鋼筋才能受力。拔出試驗證明，粘結(jié)應(yīng)力沿鋼筋長度方向呈曲線分布，在鋼筋埋入混凝土的起點和末端處為零。光面鋼筋和變形鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力分布有明顯的不同。 在設(shè)計和施工中，為了簡便，常常用平均粘結(jié)應(yīng)力替代實際粘結(jié)應(yīng)力，如產(chǎn)生粘結(jié)破壞時的拔出力為F，則平均粘結(jié)應(yīng)力為： (1-2)式中：F 拔出力； d 鋼筋直徑； 鋼筋埋置長度。受壓

9、區(qū)的鋼筋，由于其受壓時長度變短，直徑變粗，混凝土對鋼筋的握裹力增大，故受壓時粘結(jié)應(yīng)力略高于受拉時的粘結(jié)應(yīng)力。為了使鋼筋在達到抗拉或抗壓設(shè)計強度之前不出現(xiàn)粘結(jié)破壞，我們從式(12)可得： （13）當(dāng)FfsAs時，鋼筋所需的埋置深度m稱為鋼筋錨固長度，即： (1-4)式中：鋼筋錨固長度； 鋼筋設(shè)計強度； 在實際設(shè)計和施工中，沒有必要對每根鋼筋的錨固長度進行計算，為簡便計，規(guī)范根據(jù)試驗成果及分析規(guī)定了鋼筋在不同情況下所需的錨固長度，設(shè)計和施工中可以查用規(guī)范關(guān)于錨固長度的表格，只要符合了規(guī)范的要求，在正常使用條件下一般都不會出現(xiàn)粘結(jié)破壞。1.2.2 粘結(jié)機理及設(shè)計中應(yīng)注意的問題光圓鋼筋與變形鋼筋的粘結(jié)

10、機理是不同的.光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用由三部分組成:(1)混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的化學(xué)膠著力;(2)鋼筋與混凝土接觸面上的摩擦力;(3)鋼筋表面與水泥膠產(chǎn)生的機械咬合作用。以上三種力中，摩擦和咬合是粘結(jié)力的主要部分，化學(xué)粘結(jié)力的作用較小。 光面鋼筋拔出試驗的破壞形態(tài)較為簡單，其破壞面就是鋼筋與混凝土的結(jié)合面，結(jié)合面的粘結(jié)作用由于拔力加大而產(chǎn)生剪切破壞，鋼筋相對混凝土產(chǎn)生滑動。變形鋼筋表面在軋制過程中形成肋紋，除了膠著力和摩擦力外，肋紋與混凝土的機械咬合作用較之光圓鋼筋強得多，是變形鋼筋粘結(jié)力的關(guān)鍵部分（圖14）。 圖14 變形鋼筋橫肋處的擠壓力和內(nèi)部裂縫變形鋼筋受力時，其突出的肋紋對混凝

11、土的斜向擠壓形成了滑移阻力，斜向擠壓力沿鋼筋軸向的分力使變形鋼筋表面橫肋之間混凝土受到彎曲和剪力，引起斜裂縫，斜向擠壓力的徑向分力使周圍混凝土受到環(huán)向拉力，引起徑向裂縫。試驗證明，如果混凝土保護層厚度不足或鋼筋凈間距過小，在沒有環(huán)向箍筋的情況下，徑向裂縫可能延伸到混凝土表面，形成與縱向鋼筋同向的裂縫，進而導(dǎo)致粘結(jié)破壞（圖1-5，圖1-6）。粘結(jié)破壞是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的一種形式，設(shè)計中主要通過保證足夠的鋼筋錨固長度和足夠的保護層厚度及足夠的鋼筋凈距或配置適當(dāng)?shù)墓拷顏矸乐惯@種破壞，規(guī)范對以上各項要求都通過構(gòu)造要求來滿足，因此要求工程師對規(guī)范要有足夠的了解。變形鋼筋的試驗粘結(jié)強度為2.56.0MP

12、a,光面鋼筋為1.53.5MPa。對于光圓鋼筋，常常要在端部做成彎鉤來確保不出現(xiàn)粘結(jié)破壞。影響粘結(jié)強度的主要因素可以概括為下述幾點：1. 鋼筋表面情況：鋼筋表面愈粗糙，粘結(jié)強度愈高。2. 混凝土強度：混凝土粘結(jié)強度隨混凝土強度提高而提高。3. 混凝土保護層厚度：足夠的保護層厚度是粘結(jié)強度能夠達到發(fā)揮的重要因素。4. 鋼筋的凈距：充足的鋼筋凈距也是確保粘結(jié)強度的重要因素。5. 箍筋：箍筋對混凝土形成橫向約束，阻止縱向裂縫開展，改變粘結(jié)破壞形態(tài)，延緩粘結(jié)破壞的發(fā)生。6. 鋼筋在構(gòu)件中的位置：混凝土澆筑時的骨料下沉和泌水現(xiàn)象將對粘結(jié)強度產(chǎn)生影響，豎向鋼筋的粘結(jié)強度大于水平鋼筋的粘結(jié)強度，同樣水平布置

13、的鋼筋，上層鋼筋的粘結(jié)強度高于下層鋼筋的粘結(jié)強度。1.2.3 鋼筋的連接在施工中，當(dāng)鋼筋長度不夠時，允許采用一定方式進行連接。鋼筋的連接主要有三種類型：焊接、綁扎和機械連接。焊接是被廣泛采用的鋼筋連接形式,焊接接頭又分為對接接頭和普通焊接接頭。對接接頭的優(yōu)點是接頭所占空間最小，打磨掉毛刺后幾乎不影響鋼筋凈距，也是最節(jié)約材料的一種接頭，其缺點是當(dāng)采用人工操作時，對工人的技術(shù)熟練程度要求很高，稍有不慎，就可能在端頭之間形成“夾沙”，導(dǎo)致接頭的強度很低，遠遠達不到強度要求,因而要求焊接工人必須要有合格上崗證,并按規(guī)定要求隨時對接頭進行抽驗。普通焊接是采用一定規(guī)格的電焊條和一定長度、一定直徑的連接鋼筋

14、，采用電弧焊將連接鋼筋和兩段受力鋼筋連接在一起,這種方法的優(yōu)點是連接質(zhì)量相對可靠,但要耗費價格昂貴的焊條和連接鋼筋,且影響鋼筋的凈距,施工中必須注意焊條和鋼種的匹配,這種連接一般在無法采用閃光焊時采用。綁扎連接是將兩段受力鋼筋相互搭接一定長度,用細鋼絲將搭接部分綁扎在一起,利用鋼筋搭接長度段與混凝土的粘接力來傳力,這種接頭所需的鋼材較多,一般只在無法采用焊接時才被采用。機械連接是采用特制的機械裝置（如螺桿套筒）將受力鋼筋連接在一起，一般是采用鋼制的連接套筒，這種方法的特點是接頭可靠，但成本較高。另外，為保證質(zhì)量和安全，規(guī)范對結(jié)構(gòu)構(gòu)件中鋼筋接頭所占的百分比及位置均作了嚴(yán)格的規(guī)定，類似的構(gòu)造規(guī)定在

15、規(guī)范中有許多條款, 04規(guī)范的第9部分詳盡地闡述了相關(guān)的構(gòu)造要求，在施工中應(yīng)該予以特別注意。作為工程師，熟悉規(guī)范規(guī)定是一項基本要求，在實際工作中勤查規(guī)范，按規(guī)范規(guī)定設(shè)計與施工，是防止出現(xiàn)事故的關(guān)鍵?？傊?，鋼筋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中確保結(jié)構(gòu)和構(gòu)件安全的關(guān)鍵材料，設(shè)計和施工都應(yīng)該高度重視。但要耗費靠的驗時必須要有上崗證 第三節(jié) 極限狀態(tài)法設(shè)計方法 所謂結(jié)構(gòu)設(shè)計，就是根據(jù)業(yè)主提出的作用標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)要求，選定結(jié)構(gòu)形式，進行結(jié)構(gòu)受力計算和分析，并通過文字和結(jié)構(gòu)工程圖來表達設(shè)計者意圖的過程。結(jié)構(gòu)的設(shè)計者要提供的重要成果是結(jié)構(gòu)總圖和構(gòu)件圖，構(gòu)件圖應(yīng)包括構(gòu)件的形狀、尺寸和構(gòu)件間的連接；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件圖，還應(yīng)包

16、括鋼筋數(shù)量、鋼筋在構(gòu)件中的布置、預(yù)埋件尺寸和位置以及文字說明等內(nèi)容。設(shè)計分析計算過程的相關(guān)資料和圖紙均需要長期妥善保存，以備今后需要時查用，工程質(zhì)量事故的分析中，計算和圖紙資料是最重要的資料。所謂結(jié)構(gòu)施工，就是“按圖施工”，確定和實施結(jié)構(gòu)施工方案，通過施工過程將圖紙變?yōu)楝F(xiàn)實。施工的質(zhì)量是確保結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設(shè)計者意圖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，施工質(zhì)量與施工隊伍的技術(shù)水平關(guān)系極大，同時也與設(shè)計者的設(shè)計水平密切相關(guān)，因此，設(shè)計者對結(jié)構(gòu)的施工過程和水平應(yīng)該具備一定的知識。目前我國使用的公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（JTG D622004）（以下簡稱04年規(guī)范）是與國際基本接軌的“極限狀態(tài)法”。這種方法首先根據(jù)

17、結(jié)構(gòu)的安全適用等要求規(guī)定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，要求設(shè)計者采取各種措施防止結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)達到任何極限狀態(tài)。與老規(guī)范（JTJ02385）（以下簡稱85年規(guī)范）不同的是，04年規(guī)范將85年規(guī)范的“經(jīng)驗極限狀態(tài)法”發(fā)展為“概率極限狀態(tài)法”，“經(jīng)驗極限狀態(tài)法”的安全系數(shù)是憑經(jīng)驗人為確定的，而“概率極限狀態(tài)法”是以公路橋梁可靠度研究為基礎(chǔ)，把影響結(jié)構(gòu)可靠性的各種主要因素視為隨機性變量，從荷載和結(jié)構(gòu)抗力（包括材料性能、幾何參數(shù)和計算模式的不確定性）兩個方面進行了大量的調(diào)查、實測、試驗及分析，運用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法確定我國可以承受的結(jié)構(gòu)失效概率，從而求得設(shè)計所需要的各相關(guān)參數(shù)，基本上避免了人為地、經(jīng)驗地確定相關(guān)系數(shù)的

18、做法，這在設(shè)計理論和觀念上是一個很大的進步。1.3.1 極限狀態(tài)設(shè)計法的基本概念1， 結(jié)構(gòu)的功能性要求1） 應(yīng)能承受在正常施工和正常使用期間可能出現(xiàn)的各種作用；2） 在正常使用條件下具有良好的工作性能，不產(chǎn)生過大的變形或局部損壞。3） 在正常使用和正常維護的條件下具有足夠的耐久性，在規(guī)定期間內(nèi)混凝土不出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)壽命的侵蝕和碳化，鋼筋不因裂縫過寬而銹蝕。4） 在預(yù)計的偶然事件發(fā)生時或發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，不發(fā)生全局性垮塌。上述功能要求中，1），4）為安全性功能，是結(jié)構(gòu)最重要和最基本的功能；2）為適用性功能；3）為耐久性功能。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)設(shè)計的

19、目的，是要使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下、規(guī)定的期間內(nèi)具有足夠的可靠性，完成全部上述功能。這里，規(guī)定的條件主要是指荷載的種類和級別、結(jié)構(gòu)工作的條件和環(huán)境條件，規(guī)定的期間，按照04規(guī)范的規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期為100年。1.3.2 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)國際上通常將結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為三類：1.承載能力極限狀態(tài)。這種極限狀態(tài)是指對應(yīng)于結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形或變位的狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：（） 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如滑動、傾覆等）；（） 結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接處因超過材料強度而破壞（含疲勞破壞），或因過度 的塑性變

20、形而不能繼續(xù)承載；（） 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成機動體系（如結(jié)構(gòu)中的梁可沿一個方向任意滑動或轉(zhuǎn)動）；（） 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如柱的壓曲失穩(wěn)）；2.正常使用極限狀態(tài)。這種極限狀態(tài)是指對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或者耐久性的某項限值的狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：（） 影響正常使用或外觀的變形（如撓度過大）；（） 影響正常使用或耐久性的局部損壞（如過寬的裂縫寬度）；（） 影響正常使用的振動（如風(fēng)載下結(jié)構(gòu)振動過大）；（） 影響正常使用的其它特定狀態(tài)（如混凝土嚴(yán)重浸蝕、鋼筋嚴(yán)重銹蝕等）。3 破壞安全極限狀態(tài)。這種極限狀態(tài)是指偶然事件造成局部損壞后，其余部分不至于發(fā)

21、生連續(xù)倒塌的狀態(tài)。偶然事件是指超過正常設(shè)計所考慮的自然災(zāi)害程度，還有人為的爆炸、車輛撞擊等。 上述前兩種極限狀態(tài)已在我國4規(guī)范中采用，第三種極限狀態(tài)仍然處于研究之中。1.3.3 結(jié)構(gòu)的失效概率與可靠指標(biāo)所有結(jié)構(gòu)或構(gòu)件都存在兩個對立面：作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力。 結(jié)構(gòu)承受的作用分為直接作用和間接作用。直接作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的永久荷載和可變荷載，如結(jié)構(gòu)自重、汽車、人群等荷載。間接作用是指引起結(jié)構(gòu)外加變形和約束變形的其他作用，如地基沉降、混凝土收縮徐變及溫度變化等。作用效應(yīng)是指直接作用或間接作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。結(jié)構(gòu)抗力是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力。作用效應(yīng) 和結(jié)構(gòu)抗力 都是隨機變量,若以g

22、()表達結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)且令 Zg(R,S)=RS （16）當(dāng) Z0， 結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)； Z0， 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)； Z0， 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。 因此，極限狀態(tài)方程的表達式為 ZRS0 （17） 可以用圖17 表示上述狀態(tài)的關(guān)系。 圖17 圖17表明，極限狀態(tài)為RStg45o1。 根據(jù)統(tǒng)計資料，可以假定R、S為正態(tài)分布，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為、和、，根據(jù)統(tǒng)計知識和分布的性質(zhì)，R和S的差Z也是服從正態(tài)分布的隨機變量，其平均值,標(biāo)準(zhǔn)差。Z的概率密度函數(shù)是（Z）exp （18）其分布如圖18所示。由統(tǒng)計學(xué)知識可知，結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)是Z的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差的比值，即 （19） 結(jié)構(gòu)的失效概率Pf exp （

23、110） 圖18令（標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布特征）,t,則有dzdt，z-，t-和，代入式（19）可得exp （111）式中的（ ）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)表達方式。式（111）說明，失效概率Pf和可靠指標(biāo)具有對應(yīng)關(guān)系，下表列出了部分對應(yīng)關(guān)系。 可靠指標(biāo)與失效概率Pf的對應(yīng)關(guān)系 表11 1 2.0 3.0 4.0 5.0 Pf1.5910-1 2.2810-2 1.3510-3 3.1710-52.910-7由上表可知，可靠指標(biāo)愈大，失效指標(biāo)愈小。我國04規(guī)范是在已經(jīng)采用了上述概率統(tǒng)計方法的基礎(chǔ)上確定的，這比85規(guī)范靠經(jīng)驗來確定安全系數(shù)要科學(xué)和合理得多。1.3.4 我國04年規(guī)范的計算原則我國04年規(guī)范采用的是

24、與國際接軌的概率極限狀態(tài)設(shè)計法，設(shè)計應(yīng)滿足持久承載能力和持久正常使用極限狀態(tài)，對于預(yù)應(yīng)力混凝土，除了滿足以上兩種極限狀態(tài)之外，還應(yīng)滿足持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計算。1持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算原則公路橋涵的持久狀況設(shè)計應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)的要求，對構(gòu)件進行承載力及穩(wěn)定計算，必要時尚應(yīng)進行結(jié)構(gòu)的傾覆和滑移驗算（如擋土墻，橋臺橋塔等）。在進行承載能力極限狀態(tài)計算時，作用或荷載的效應(yīng)應(yīng)采用其組合設(shè)計值（其中汽車荷載應(yīng)計入沖擊系數(shù)）；結(jié)構(gòu)材料性能采用其強度設(shè)計值。按照公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GBT 502831999）的規(guī)定，公路橋涵進行持久狀況承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)將其劃分為三個設(shè)

25、計安全等級： 公路橋涵安全等級 表12 安 全 等 級 橋 涵 類 型 一級 特大橋、重要大橋 二級 大橋、中橋、重要小橋 三級 小橋、涵洞 注：本表所列的特大、大、中橋等系按公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTG D602004）表1.0.11中的單孔跨徑確定，對多跨不等跨橋梁，以其中最大跨度為準(zhǔn)；本表冠以“重要”的大橋和小橋，系指高速公路和一級公路上、國防公路上以及城市附近交通繁忙公路上的橋梁。 公路橋梁結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo) 表13 結(jié)構(gòu)安全等級構(gòu)件破壞類型一級 二級三級 延性破壞 4.7 4.2 3.7 脆性破壞 5.2 4.7 4.2 注：1.延性破壞指結(jié)構(gòu)破壞前有明顯變形或其它預(yù)兆；脆性破壞指結(jié)

26、構(gòu)破壞前沒有明顯變形或其他預(yù)兆；2.當(dāng)有充分依據(jù)時，各種材料橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)，可對本表的規(guī)定制作幅度不超過0.25的調(diào)整。 路面結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo) 表14 結(jié)構(gòu)安全等級 一級 二級 三級 目標(biāo)可靠指標(biāo) 1.64 1.28 1.04注：于表中目標(biāo)可靠指標(biāo)一級、二級、三級相對應(yīng)的目標(biāo)可靠度，分別為95、90、85。 橋梁構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)計算的表達式為 （112） (113) 式中 橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，按公路橋涵的設(shè)計安全等級，分別取為1.1(一級),1.0（二級）,0.9（三級）；橋梁的抗震設(shè)計不考慮結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)； S 作用或荷載效應(yīng)的組合設(shè)計值（汽車荷載要考慮沖擊系

27、數(shù)），當(dāng)進行預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁等超靜定結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)計算時，公式（111）中的作用或荷載效應(yīng)改為，其中Sp 為預(yù)應(yīng)力（扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后）引起的次效應(yīng) ；為預(yù)應(yīng)力分項系數(shù)，當(dāng)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，取1.0;對結(jié)構(gòu)不利時，取1.2; R 構(gòu)件承載力設(shè)計值； R()構(gòu)件承載力函數(shù)； 材料強度設(shè)計值； 幾何參數(shù)設(shè)計值，當(dāng)無可靠數(shù)據(jù)時，可采用幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，及設(shè)計文件規(guī)定值。2. 持久狀況正常使用極限狀態(tài)計算公路橋涵的持久狀況設(shè)計應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)的要求,采用作用或荷載的相應(yīng)組合,對構(gòu)件的抗裂、裂縫寬度和撓度進行驗算,并使各項計算值不超過04年規(guī)范規(guī)定的限值。(1)抗裂驗算 抗裂計算是將

28、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件作為沒有開裂的彈性或彈塑性連續(xù)體來考慮的，在此基礎(chǔ)上計算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力，并與規(guī)定的限值進行比較?？沽延嬎惴譃檎孛婵沽羊炈愫托苯孛婵沽羊炈恪?抗裂驗算的基本表達式為 （114）式中， 按規(guī)定的作用效應(yīng)計算得到的構(gòu)件邊緣混凝土法向拉應(yīng)力（正截面抗裂）或主拉應(yīng)力（斜截面抗裂）； 規(guī)范規(guī)定的拉應(yīng)力限值。（2）裂縫寬度驗算 基本表達式為 （115） 式中 按規(guī)定的作用效應(yīng)計算得出的裂縫寬度； 規(guī)范規(guī)定的裂縫寬度限值。（3）撓度驗算 撓度驗算的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)和構(gòu)件剛度的計算，有了剛度之后即可按照機構(gòu)力學(xué)或材料力學(xué)的變形計算公式驗算撓度，并與規(guī)定的撓度限值加以比較，其基本表達式為 （116）式中，

29、 按照規(guī)定的作用效應(yīng)計算得出的撓度； 規(guī)范規(guī)定的撓度限值，一般用跨度的百分比來表示。3.作用效應(yīng)組合（1）作用的分類作用隨時間的變異可分為永久作用、可變作用和偶然作用。永久作用：其數(shù)值不隨時間變化或變化微小，如結(jié)構(gòu)自重、土的重力和側(cè)壓力、預(yù)加應(yīng)力、混凝土收縮及徐變影響力、水的浮力、基礎(chǔ)變位作用等；可變作用：其數(shù)值隨時間而變化,如汽車荷載、汽車制動力、人群荷載、風(fēng)荷載、溫度作用、流水壓力等；偶然作用：其作用時間短暫，且發(fā)生的幾率很小，但一旦出現(xiàn)其值很大,如地震、汽車或船舶的撞擊等。見表15。 作用分類 表15作用編號作 用 分 類 作 用 名 稱 1 永久作用 結(jié)構(gòu)重力（包括結(jié)構(gòu)附加重力） 2

30、預(yù)加力 3 土的重力 4 土側(cè)壓力 5 混凝土收縮徐變作用 6 水的浮力 7 基礎(chǔ)變位作用 8 可 變 作 用 汽車荷載 9 汽車沖擊力 10 汽車離心力 11 汽車引起的土側(cè)壓力 12 人群荷載13 汽車制動力14 風(fēng)荷載15 流水壓力16 冰壓力17溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用 18 制作摩阻力 19 偶 然 作 用 地震作用 20 船舶或漂流物的撞擊作用 21 汽車撞擊作用 (2)作用效應(yīng)的取值 作用效應(yīng)的數(shù)值是隨機變量,為了設(shè)計方便,規(guī)范需要在大量調(diào)研統(tǒng)計的基礎(chǔ)上規(guī)定作用效應(yīng)的值，稱為標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)作用性質(zhì)的不同，可以用作用效應(yīng)的代表值進行設(shè)計計算。作用代表值是為了不同的設(shè)計目的所采用

31、的規(guī)定值?？傊?，作用標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值都可以根據(jù)規(guī)范得到。規(guī)范規(guī)定，永久作用應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值，對結(jié)構(gòu)自重，可以按照設(shè)計尺寸與規(guī)定的材料重力密度計算確定標(biāo)準(zhǔn)值?？勺冏饔玫娜≈当容^復(fù)雜：在進行極限狀態(tài)計算時，一般應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值進行計算，在進行正常使用極限狀態(tài)計算時，應(yīng)采用頻遇值（作用在短期效應(yīng)組合值下得到的值）或準(zhǔn)永久值（按長期效應(yīng)組合得到的值）作為代表值。偶然作用的標(biāo)準(zhǔn)值是根據(jù)調(diào)查、試驗資料、結(jié)合工程經(jīng)驗確定的。(3)作用效應(yīng)的組合設(shè)計時應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的作用，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行作用效應(yīng)組合，取其最不利效應(yīng)組合進行設(shè)計； 只有在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的作用，才

32、進行其效應(yīng)的組合。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件需作不同受力方向的驗算時，則應(yīng)以不同方向的最不利的作用效應(yīng)進行組合。 當(dāng)可變作用的出現(xiàn)對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生有利影響時，該作用不應(yīng)參加組合，實際不可能同時出現(xiàn)的作用或同時參與組合概率很小的作用，按表16規(guī)定不考慮其作用效應(yīng)的組合。 可變作用不同時組合表 表16 可變作用編號 作 用 名 稱不與該作用同時參與組合的作用編號 13 汽車制動力 15，16，18 15 流水壓力 13，16 16 冰壓力 13，15 18 制作摩阻力 13施工階段作用效應(yīng)的組合，應(yīng)按計算需要及結(jié)構(gòu)所處條件而定，結(jié)構(gòu)上的施工人員和施工機具設(shè)備均應(yīng)作為臨時荷載加以考慮。組合式橋梁，當(dāng)把底梁

33、作為施工支撐時，作用效應(yīng)宜分兩個階段組合，底梁受荷為第一階段，組合梁受荷為第二階段。多個偶然作用不同時參與組合。公路橋涵結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)采用以下兩種作用效應(yīng)組合： 基本組合：永久作用的設(shè)計值效應(yīng)與可變作用設(shè)計值效應(yīng)相組合，這種組合用于結(jié)構(gòu)的常規(guī)設(shè)計，是所有公路橋涵結(jié)構(gòu)都應(yīng)該考慮的，其效應(yīng)組合表達式為： (1-17)或 (1-18)式中 Sud 承載能力極限狀態(tài)下作用基本組合的效應(yīng)組合設(shè)計值； 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，按結(jié)構(gòu)安全等級查表選用； 第i個永久作用效應(yīng)的分項系數(shù)，按下表查用： 永久作用效應(yīng)的分項系數(shù) 表17編號 作用類別 永久作用效應(yīng)分項系數(shù)對結(jié)構(gòu)的承載能力不利時對結(jié)構(gòu)的承載能力有利時 1混凝土和圬工結(jié)構(gòu)重力（包括結(jié)構(gòu)附加重力）1.21.0鋼結(jié)構(gòu)重力（包括結(jié)構(gòu)附加重力）1.1或1.22 預(yù)加力 1.21.03 土的重力1.21.04混凝土的收縮徐變作用1.01.05 土側(cè)壓力1.41.06 水的浮力1.01.07基礎(chǔ)變位作用混凝土和圬工結(jié)構(gòu)0.50.5鋼結(jié)構(gòu)1.01.0注：本表編號1中，當(dāng)鋼橋采用鋼橋面板時，永久作用效應(yīng)分項系數(shù)取1.1；當(dāng)采用混凝土橋面板時，取1.2。SGi