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2.1 极限状态设计法的基本概念

2.1.1 结构上的作用、作用效应及结构抗力

(1)结构上的作用、作用效应

凡是能在结构构件上引起内力、变形的因素都称为作用,作用分为直接作用和间接作用。直接作用产生的内力和变形与结构特性无关。间接作用引起的结构构件内力和变形不仅与外界因素有关,还与结构特性有关。荷载是直接作用,温度、收缩、基础不均匀沉降以及地震、爆炸等属于间接作用。

作用在结构构件中产生的内力(如弯矩、剪力、轴力、扭矩等)、变形、裂缝等称为作用效应,用S表示。作用和作用效应之间通常按某种关系相联系。

按作用时间考虑,结构上的作用可分为以下3类:

①永久作用。在结构使用期间内,其作用大小、作用点的位置与方向不随时间变化,或其变化对结构的影响可以忽略不计,如结构的自重、土压力等。永久作用又称为恒荷载。

②可变作用。在结构使用期间内,其值的大小及位置会随时间变化,其变化对结构的影响不可忽略,如楼面活荷载、道路桥梁上行驶的汽车、风荷载和雪荷载等。可变作用又称为活荷载。

③偶然作用。在结构使用期间内不一定出现,一旦出现,其量值较大且持续时间很短,对结构有较大影响,如地震、爆炸和撞击等。这种作用一般为间接作用,且具有偶然作用的性质。

(2)结构抗力

结构抵抗外部作用或承受作用效应的能力称为结构抗力,用R表示,如构件的承载能力、刚度、抗裂度等。结构的抗力取决于结构构件的几何参数(截面尺寸等)、材料性能(强度、变形模量等)等多种因素。

结构上的作用与效应是随机变量,结构的抗力也是随机变量。结构在使用期间内可能同时受到几种作用,结构的作用效应一般是几种作用效应的组合。

结构上的作用(特别是可变作用)与时间有关,结构抗力也随时间变化。为确定可变作用取值而选用的时间参数称为设计基准期。我国的《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 5068—2018)规定房屋建筑结构、港口工程设计基准期为50年。

2.1.2 结构的功能要求和结构可靠度

任何建筑结构都是为了完成所要求的某些功能而设计的,建筑结构应满足以下功能要求:

(1)安全性

在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用(包括荷载及外加变形或约束变形);在偶然事件(如强烈地震、爆炸、冲击力等)发生时及发生后,仍能保持必需的整体稳定性(即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌)。

(2)适用性

结构在正常使用时具有良好的工作性能,如不发生过大的变形或过宽的裂缝等。

(3)耐久性

在正常维护的条件下,结构应在预定的设计使用年限内满足各项功能的要求,即应具有足够的耐久性,如混凝土不发生严重的脱落、剥离;钢筋不发生严重的锈蚀,以免影响结构安全或正常使用。

结构的安全性、适用性和耐久性统称为结构的可靠性,即结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力,称为结构的可靠性;结构的可靠度是结构可靠性的概率度量,即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。

不同的结构,重要性不同,在使用期间达不到预定功能所产生的后果也不同。因此,应根据结构破坏可能产生后果的严重性程度对结构的重要性分级,进而确定不同的可靠度水准。如表2.1所示为结构重要性程度分级表。

表2.1 结构重要性分级表

2.1.3 结构的设计使用年限

结构的设计使用年限是指结构或结构构件在设计规定的条件下,不需要进行大修即可按其预定目的使用的持续时间。设计使用年限不同于结构的实际寿命,当结构的实际使用年限超过设计使用年限,结构仍可继续使用或经过大修后继续使用。

如表2.2所示为我国《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)规定的设计使用年限。从表可知,不同结构的设计使用年限可以不同。结构的设计使用年限不同,其经济指标也不同。结构的设计使用年限越长,其工程投资越大。

表2.2 设计使用年限分类

2.1.4 结构功能的极限状态

《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)对极限状态的定义:“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,此特定状态就称为该功能的极限状态。”能完成预定的各项功能时,结构处于有效状态;否则,处于失效状态。有效状态和失效状态的分界称为极限状态。

极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态和耐久性极限状态。

(1)承载能力极限状态

结构或结构构件达到最大承载能力、出现疲劳破坏或达到不适于继续承载的变形状态,称为承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后,结构或结构构件就不能满足安全性的要求,因此,任何结构或结构构件都必须进行承载能力极限状态设计。

(2)正常使用极限状态

结构或结构构件达到正常使用功能的某项规定限值的状态称为正常使用极限状态。结构设计要控制结构或结构构件的变形及裂缝,满足建筑使用功能的要求。超过正常使用极限状态后,结构或结构构件就不能保证适用性的功能要求。

(3)耐久性极限状态

结构或构件在环境影响下出现的劣化达到耐久性能的某项规定限值或标志的状态称为耐久性极限状态。结构设计要控制结构构件的裂缝及材料性能劣化,以满足建筑耐久性的要求。超过耐久性极限状态后,结构或构件就不能保证耐久性的功能要求。 uQx3rZJ3V8uu8dmHDSrCQRu9PFLUD2mvqpk2qKsxO5slcqU2ROcdjUMjzqTHbPXO

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