二章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理

1、第二章 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理以往，我國(guó)公路工程結(jié)構(gòu)曾采用過(guò)多種計(jì)算方法，不論它們屬于彈性理論還是非彈性 理論，都是把影響結(jié)構(gòu)可靠性的各種參數(shù)視為確定的量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)一般依據(jù)經(jīng) 驗(yàn)或主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。這些方法統(tǒng)稱為“定值設(shè)計(jì)法”。然而，影響結(jié)構(gòu)可靠性的諸 如荷載、材料性能、結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等因素，無(wú)一不是隨機(jī)變化的不確定的量。 1999 年頒布 的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) GB/T50283-1999( 以下簡(jiǎn)稱公路統(tǒng)一標(biāo) 準(zhǔn) GB/T50283-1999 引入了結(jié)構(gòu)可靠度理論，把影響結(jié)構(gòu)可靠性的各種因素均視為隨機(jī) 變量，以大量調(diào)查實(shí)測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)

2、的方法，尋求各隨機(jī)變量的 統(tǒng)計(jì)規(guī)律，確定結(jié)構(gòu)的失效概率 (或可靠度 來(lái)度量結(jié)構(gòu)的可靠性。這種方法稱為“可靠度 設(shè)計(jì)法”，用于結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)也可稱為“概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”。我國(guó)公路工程結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)由長(zhǎng)期沿用的，不甚合理的“定值設(shè)計(jì)法”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案怕蕵O限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”，即在 度量結(jié)構(gòu)可靠性上由經(jīng)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)變?yōu)?運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué) 的方法，這無(wú)疑是設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)理論 的一大進(jìn)步，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更符合客觀實(shí)際情況。 2-1 結(jié)構(gòu)的可靠性 與極限狀態(tài)概念一、結(jié)構(gòu)的功能要求和結(jié)構(gòu)的可靠性1、結(jié)構(gòu)功能要求所有建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)必須符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的要求。建筑結(jié)構(gòu)的 功能要求主要有下列三方面：(1 安全性結(jié)構(gòu)

3、的安全性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期限內(nèi)，能承受在正常施工和正常使用過(guò)程中可 能出現(xiàn)的各種作用。其中包括荷載的作用、變形的作用、溫度的作用等；在偶然事件(如地震、爆炸等 發(fā)生及發(fā)生后，允許有局部嚴(yán)重破壞，但不引起倒塌。(2 適用性 結(jié)構(gòu)的適用性是指結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)，能滿足預(yù)定的使用要求，如構(gòu)件的變形不能太 大，裂縫寬度不能太大等。(3 耐久性 結(jié)構(gòu)的耐久性是指結(jié)構(gòu)在正常維護(hù)下，材料性能雖然隨時(shí)間變化，但結(jié)構(gòu)仍能滿足設(shè) 計(jì)的預(yù)定的功能要求。例如，在使用期限內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕必須在一定的限度內(nèi)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能達(dá)到上述三方面的要求，就認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是可靠的。 結(jié)構(gòu)的可靠性就是指結(jié) 構(gòu)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)，在正常設(shè)計(jì)、正常施

4、工和正常使用條件下，能達(dá)到安全、適用和耐久等三方面的功能要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是要科學(xué)解決結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性這對(duì)矛盾，力求以最經(jīng)濟(jì)的途徑，使建造的結(jié)構(gòu)以適當(dāng)?shù)目煽慷葷M足各項(xiàng)預(yù)定的功能要求。2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期結(jié)構(gòu)的可靠性是有時(shí)間限制的，并不是無(wú)限期的。由于荷載過(guò)大或材料性能的改變， 以及幾何尺寸和構(gòu)造的變化，任何一個(gè)結(jié)構(gòu)使用一定年限后就將逐步破壞。因此，在結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)影響結(jié)構(gòu)使用期限的各種因素給出時(shí)間限度，即所謂設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期在過(guò)去的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中沒(méi)有明確的規(guī)定，只是在橋孔計(jì)算中涉及到這個(gè) 問(wèn)題，例如設(shè)計(jì)洪水頻率按“50年一遇”或“ 100年一遇”考慮。采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，必須

5、明確規(guī)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。參考國(guó)內(nèi)、外的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，公路統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) GB/T50283-1999規(guī)定，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為 100年。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)分析作用（或荷載 和材料等因素變化的時(shí)間依據(jù)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足功能需要或保證結(jié)構(gòu)可靠性的時(shí)間限度，但是它不等于結(jié)構(gòu)實(shí)際的使用壽命。當(dāng)結(jié) 構(gòu)實(shí)際使用年限超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期后，并不意味著結(jié)構(gòu)已喪失使用功能而報(bào)廢，在絕大多數(shù) 情況下還可以維持使用，只是結(jié)構(gòu)的可靠度比設(shè)計(jì)值逐漸減小。3、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)不同類(lèi)型建筑物的結(jié)構(gòu)功能要求和可靠性程度，應(yīng)按不同的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)考 慮。根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞時(shí)對(duì)人的危害、造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響的嚴(yán)重程度，將結(jié)構(gòu)安全等

6、級(jí)劃為如下三個(gè)等級(jí)：凡是破壞后果很?chē)?yán)重的重要建筑物，定為一級(jí)；凡是破壞后果嚴(yán)重的一般建筑，定為二級(jí)；凡是破壞后果不嚴(yán)重的次要建筑物，定為三級(jí)；公路統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50283-1999規(guī)定：特大橋、重要大橋的安全等級(jí)為一級(jí)；大橋、中橋、重要小橋的安全等級(jí)為二級(jí)； 小橋、涵洞的安全等級(jí)為三級(jí)。公路橋涵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級(jí)宜與整體結(jié)構(gòu)相同；當(dāng)必要時(shí)也可以作部分調(diào)整，但調(diào) 整后的級(jí)差一般不得超過(guò)一級(jí)。二、結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的可靠性是由結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性 決定的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性是采用功能極限狀態(tài)作為判別條件。所謂功能極限狀態(tài)，是指整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分或全部超過(guò)某一特

7、定狀態(tài)，就不能滿足某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。根據(jù)前述的結(jié)構(gòu)功能要求，建筑結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類(lèi)。1、承載能力極限狀態(tài)所謂承載能力極限狀態(tài)，是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形或變位的狀態(tài)。它是結(jié)構(gòu) 安全性功能極限狀態(tài)。 當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過(guò)了承載能力極限狀態(tài)：（1結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡；（2結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因超過(guò)材料強(qiáng)度而破壞，或因過(guò)度的塑性變形而不能繼續(xù) 承載；（3結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；（4結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定。超過(guò)結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)將導(dǎo)致人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因此任何結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)

8、構(gòu)件均 需避免出現(xiàn)這種狀態(tài)。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制出現(xiàn)承載能力極限狀態(tài)的概率，使其處于很 低的水平。2、正常使用極限狀態(tài)所謂正常使用極限狀態(tài)是指對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)限值的狀 態(tài)，它是結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性功能極限狀態(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(shí)， 應(yīng)認(rèn)為超過(guò)了正常使用極限狀態(tài)：（1影響正常使用或外觀的變形；（2影響正常使用或耐久性的局部損壞（例如，鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫寬度超過(guò)某個(gè)限值；（3影響正常使用的振動(dòng)；（4影響正常使用的其他特定狀態(tài)。各種結(jié)構(gòu)或構(gòu)件都有不同程度的結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)要求。當(dāng)結(jié)構(gòu)超過(guò)正常使用極 限狀態(tài)時(shí)，雖然它已不能滿足適用性和耐久性功能要求，但結(jié)

9、構(gòu)并沒(méi)有破壞，不會(huì)導(dǎo)致人 身傷亡。因此，出現(xiàn)正常使用極限狀態(tài)的概率允許大于承載能力極限狀態(tài)出現(xiàn)的概率。 2-2概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)基本原理（一 作用（或荷載 效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力1、作用（或荷載 效應(yīng)的隨機(jī)性長(zhǎng)期以來(lái)，把所有引起結(jié)構(gòu)反應(yīng)的原因習(xí)慣地統(tǒng)稱為“荷載”，這種叫法并不科學(xué)和 確切。弓I起結(jié)構(gòu)反應(yīng)的原因有兩種截然不同的性質(zhì)：一種是施加于結(jié)構(gòu)上的外力，如車(chē) 輛、人群、結(jié)構(gòu)自重，它們是直接作用于結(jié)構(gòu)上的，可用“荷載”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)概話；另一 類(lèi)不是以外力形式作用于結(jié)構(gòu)，它們產(chǎn)生的效應(yīng)常與結(jié)構(gòu)本身特性，結(jié)構(gòu)所處環(huán)境有關(guān)， 如地震，基礎(chǔ)不均勻沉降，混凝土收縮和徐變、溫度變化等，這些都是間接作用于結(jié)構(gòu) 的。因此

10、，國(guó)際上普遍地把所有引起結(jié)構(gòu)反應(yīng)的原因統(tǒng)稱為“作用”，而“荷載”僅限于 表達(dá)施加于結(jié)構(gòu)上的直接作用。作用（或荷載 效應(yīng)是指作用（或荷載 引起的內(nèi)力（例如，彎矩、剪力、軸力、扭矩 等。對(duì)彈性材料構(gòu)件，作用（或荷載 效應(yīng)與作用（或荷載 呈線性關(guān)系。S = CQ（2.2-1式中：S作用（或荷載 效應(yīng)；Q作用（或荷載 ；C 作用（或荷載 效應(yīng)系數(shù)。由于作用（或荷載 效應(yīng)與作用（或荷載 呈線性關(guān)系，因此可用作用（或荷載 特性來(lái)描述作用（或荷載 效應(yīng)特性。作用（或荷載 的基本特性是隨機(jī)性，這種隨機(jī)性表現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一是作用（或荷載的取值具有隨機(jī)性，其二是作用 （或荷載 隨時(shí)間的變化。按作用（或荷載 隨時(shí)

11、間的變化 情況可分為永久作用、可變作用和偶然作用三類(lèi)：永久作用 在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)量值不隨時(shí)間變化，或其變化值與平均值比較可忽略不計(jì)。 但是永久作用（或荷載 的取值具有隨機(jī)性，例如構(gòu)件自重，由于材料容重的變化和構(gòu)件尺 寸的偏差可能與計(jì)算值不符，是隨機(jī)變量?？勺冏饔?在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)量值隨時(shí)間變化，且變化值與平均值比較不可忽略。例如， 作用于橋梁上的車(chē)輛荷載和人群荷載的作用位置和數(shù)值大小都是變化的，其隨機(jī)性是很明 顯的。偶然作用 在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)出現(xiàn)的概率很小，一旦出現(xiàn)其值很大，且持續(xù)時(shí)間很短，例 如罕遇地震，車(chē)輛或船舶撞擊力等。2、結(jié)構(gòu)抗力的隨機(jī)性結(jié)構(gòu)抗力的大小，主要取決于結(jié)構(gòu)所用材料強(qiáng)度和構(gòu)件的幾何

12、尺寸。 材料強(qiáng)度是隨機(jī)變量。無(wú)論是鋼筋或是混凝土的強(qiáng)度都是有變異的。來(lái)自不同鋼廠的 同一種類(lèi)的鋼筋，其實(shí)際強(qiáng)度并不完全相同，即使是同一鋼廠，甚至同一爐的鋼筋強(qiáng)度抽 樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是有差異的。同一設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，由于材料稱量不準(zhǔn)，施工條件和 技術(shù)水平的影響，其實(shí)際強(qiáng)度的變化幅度就更為顯著。構(gòu)件幾何尺寸也是隨機(jī)變量。由于制造工藝和操作技術(shù)等因素，構(gòu)件的實(shí)際尺寸與設(shè) 計(jì)尺寸不可能完全一致?；谝陨细鞣N影響因素的隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)抗力亦具有隨機(jī)性。（二 結(jié)構(gòu)的可靠概率與失效概率由于作用效率與結(jié)構(gòu)抗力都具有隨機(jī)性，其統(tǒng)計(jì)值都可以用概率分布曲線來(lái)表示，并 用概率來(lái)描述結(jié)構(gòu)的可靠和失效。作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力都可

13、以用內(nèi)力表示，因此可以將其分布曲線并列于同一坐標(biāo)內(nèi)進(jìn) 行分析?，F(xiàn)以橫坐標(biāo)表示作用效應(yīng)（S和結(jié)構(gòu)抗力（R，縱坐標(biāo)表示出現(xiàn)的概率密度f(wàn)（見(jiàn)圖2.2-1。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：S R （2.2-2 將公式2.2-2反映在圖2.2-1上，結(jié)構(gòu)抗力概率分布曲線應(yīng)位于作用效應(yīng)概率分布曲線 的右側(cè)。這樣才能使絕大多數(shù)情況下的作用效應(yīng)小于結(jié)構(gòu)抗力（S R。但是，這兩個(gè)概率分布曲線不可避免地要有一小部分重合。在重合的區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)作用效應(yīng)大于結(jié)構(gòu)抗 力，即S R。例如，在重合區(qū)的 a點(diǎn)，結(jié)構(gòu)抗力Ra，在a點(diǎn)右邊陰影線范圍內(nèi)的作用效應(yīng) 值S都比Ra大，這就意味著在陰影線范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)是不安全的，或者說(shuō)結(jié)構(gòu)可能失效。如果 在

14、作用效應(yīng)不變的情況下，增加構(gòu)件截面尺寸、提高配筋率或提高材料強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)抗力 提高，結(jié)構(gòu)抗力概率分布曲線向右移，與作用效應(yīng)分布曲線的距離拉開(kāi)，使兩個(gè)概率分布 曲線的重合區(qū)減小，即出現(xiàn) SR的概率減小。但是，要完全消除重合區(qū)是不可能的。即失 效的可能性要完全消除是不可能的，只能減小到最低限度。圖2.2-1作用效應(yīng)(S、結(jié)構(gòu)抗力(R概率分布曲線示意圖圖2.2-2多余抗力概率分布圖為了便于說(shuō)明問(wèn)題，我們可將公式(2.2-2改寫(xiě)為下列形式：Z=R S(2.2-3式中Z為結(jié)構(gòu)抗力與作用效應(yīng)之差，即結(jié)構(gòu)抗力抵消作用效應(yīng)后的多余抗力。若假定 R與S為正態(tài)分布的隨機(jī)變量，則Z值也必然是一個(gè)正態(tài)分布的隨機(jī)變量。

15、將結(jié)構(gòu)抗力與作用效應(yīng)兩條概率分布曲線合成后示于圖2.2-2，橫坐標(biāo)表示多余抗力Z,縱坐標(biāo)為多余抗力的概率密度f(wàn)(Z。當(dāng)Z0，意味著結(jié)構(gòu)抗力大于作用效應(yīng)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；當(dāng)Z = 0,意味著結(jié)構(gòu)抗力等于作用效應(yīng)，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；當(dāng)Z V 0，意味著結(jié)構(gòu)抗力小于作用效應(yīng)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)?？煽繝顟B(tài)和失效狀態(tài)的大小用概率表示，前者稱為可靠概率，后者稱為失效概率。在 圖2.2-2中，縱坐標(biāo)右邊概率分布曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積即為可靠概率，縱坐標(biāo)左邊概 率分布曲線與橫坐標(biāo)所包圍的陰影面積即為失效概率。其數(shù)值由概率分布曲線f(Z積分求得，即卩可靠概率(2.2-4失效概率|(2.2-5可靠概率與失效概率

16、之和為Ps+Pf=100%(三 可靠度與可靠指標(biāo)1、結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)可靠性是結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的總稱，用結(jié)構(gòu)可靠度來(lái)表示。結(jié)構(gòu)可靠 度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的概率。結(jié)構(gòu)的可靠度可用可靠概率Ps表示，亦可用失效概率Pf表示。但習(xí)慣上都采用失效概率Pf表示，因?yàn)槭Ц怕示哂忻鞔_的物理意義，能較好地反映問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，但是計(jì)算失效 概率比較復(fù)雜，因此國(guó)內(nèi)外都采用可靠指標(biāo)3代替失效概率Pf來(lái)度量結(jié)構(gòu)可靠度。2、可靠指標(biāo)的概念前已指出失效概率等于圖2.2-2原點(diǎn)左邊的陰影面積，其大小隨概率分布曲線位置而變。概率分布曲線的位置與平均值卩z有關(guān)，平均值 卩z與原點(diǎn)的距離越大，則

17、陰影面積越小，即失效概率越小(圖2.2-3(a ;反之，平均值 卩z與原點(diǎn)的距離越小，則陰影面積越大，即失效概率越大圖2.2-3(b 。因此，平均值 卩z的大小在一定程度上可反映失效概率的大小。但是、只用平均值卩z 一個(gè)指標(biāo)不能反映曲線離散程度(或標(biāo)準(zhǔn)差；二的影響。對(duì)于平均值相同的兩個(gè)隨機(jī)變量，由于離散程度(或標(biāo)準(zhǔn)差G的不同，失效概率亦不相同，離散程度越大，即標(biāo)準(zhǔn)差Cz越大，則陰影面積越大(圖2.2-3(a中的虛線 ，即失效概率就越大。(a(b圖2.2-3可靠指標(biāo)與失效概率關(guān)系圖因此，用平均值 卩z和標(biāo)準(zhǔn)差5的比值3來(lái)反映失效概率 Pf, 3稱為可靠指標(biāo)。(2.2-6式中：3結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)；卩z

18、多余抗力的平均值； :二z多余抗力的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖2.2-3可以看出，3值越大，失效概率越?。?值越小，失效概率越大。因此， 可靠指標(biāo)3值能直接說(shuō)明可靠度的大小。3、失效概率與可靠指標(biāo)的關(guān)系將公式(2.2-3改寫(xiě)為函數(shù)形式：Z=g(R、S (2.2-7 g( 稱為極限狀態(tài)函數(shù)。當(dāng)R=S時(shí)Z=g(R、S=R S=0 (2.2-8 公式(2.2-8稱為極限狀態(tài)方程。當(dāng)R、S是正態(tài)分布的相互獨(dú)立的隨機(jī)變量時(shí)，則隨機(jī)變量差Z也是正態(tài)分布的隨機(jī)變量。按照隨機(jī)變量的代數(shù)運(yùn)算規(guī)則，隨機(jī)變量差的平均值等于隨機(jī)變量平均值之差。即(2.2-9式中：卩R結(jié)構(gòu)抗力平均值； 卩s作用效應(yīng)平均值。隨機(jī)變量差的標(biāo)準(zhǔn)差的平方，

19、等于隨機(jī)變量標(biāo)準(zhǔn)差的平方之和。即(2.2-10式中：:：R結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)差；:：.s作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差。將公式(2.2-9和(2.2-10代入公式(2.2-6，則求得可靠指標(biāo)表達(dá)式為(2.2-11若f(Z為正態(tài)分布，其概率密度分布函數(shù)表達(dá)式為將其代入公式(2.2-5，求得失效概率為將f(Z轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，令代入上式，轉(zhuǎn)化為(2.2-12由上式可見(jiàn)，失效概率Pf為可靠指標(biāo)3的函數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的函數(shù)表，按照上式即可求得可靠指標(biāo) 3與失效概率Pf的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表2.2-1。失率概率與可靠指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表 2.2-131.01.52.02.53.03.54.04.5Pf158.7 :W66.81

20、 和22.75 106.21 101.35 X00.232 X00.317 100.034 X033333344由表2.2-1可以看出，隨著可靠指標(biāo)的提咼，失效概率迅速減少。用可靠指標(biāo)B代替失效概率Pf來(lái)度量結(jié)構(gòu)的可靠度，概念清楚，計(jì)算簡(jiǎn)單，已被國(guó)內(nèi)外普遍采用。4、設(shè)計(jì)可靠指標(biāo)（即目標(biāo)可靠指標(biāo)前已指出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足公式（2.2-2即SW R的要求。若將其轉(zhuǎn)換為以失效概率或可靠指標(biāo)來(lái)度量，公式（2.2-2可改寫(xiě)為下列形式：PfW Pf（2.2-133（2.2-14式中： Pf允許失效概率；3設(shè)計(jì)可靠指標(biāo)，又稱目標(biāo)可靠指標(biāo)。當(dāng)結(jié)構(gòu)抗力和作用效應(yīng)概率分布模型和有關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)已知的情況下，可靠指標(biāo)3直

21、接由公式（2.2-11確定，與其相應(yīng)的失效概率Pf可由公式（2.2-12計(jì)算。:3 為設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的作為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件時(shí)所應(yīng)達(dá)到的可靠指標(biāo)，稱為設(shè)計(jì)可 靠指標(biāo)，它是根據(jù)設(shè)計(jì)所要求達(dá)到的結(jié)構(gòu)可靠度而選定的，所以又稱為目標(biāo)可靠指標(biāo)。目標(biāo)可靠指標(biāo)，理論上應(yīng)根據(jù)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性，破壞性質(zhì)（延性、脆性 及失效后果等因素，并結(jié)合國(guó)家技術(shù)政策以優(yōu)化方法分析確定。但是，限于目前統(tǒng)計(jì)資料還不夠 完備，并考慮到規(guī)范的現(xiàn)實(shí)繼承性，一般采用“校準(zhǔn)法”并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)加以確定。所謂“校準(zhǔn)法”就是根據(jù)各種基本變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率分布類(lèi)型，運(yùn)用可靠度的計(jì)算方法， 揭示以往規(guī)范隱含的可靠度，以此作為確定目標(biāo)可靠指標(biāo)的主要

22、依據(jù)。這種方法在總體上 承認(rèn)了以往規(guī)范的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和可靠度水平，同時(shí)也考慮了淵源于客觀實(shí)際的調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析 資料，是比較現(xiàn)實(shí)和穩(wěn)妥的。公路統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) GB/T50283-1999根據(jù)對(duì)公路鋼筋混凝土及混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范 JTJ023-85 ）進(jìn)行的“校準(zhǔn)”，并參照工業(yè)與民用建筑工程和鐵路橋梁的有關(guān)規(guī)定，給出 的公路橋梁結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)列于表2.2-2。公路橋梁結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)表2.2-2結(jié)構(gòu)方構(gòu)件破壞類(lèi)丁安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)延性破壞4.74.23.7脆性破壞5.24.74.2注：1.表中延性破壞系指結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明顯變形或其他預(yù)兆的破壞；脆性破壞系結(jié)構(gòu)構(gòu)件無(wú)明顯變形或其他預(yù)兆的破壞;2.當(dāng)有充分依據(jù)

23、時(shí)，各種材料橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)值，可對(duì)本表的規(guī)定值作幅度不 超過(guò)土 0.25的調(diào)整。目標(biāo)可靠指標(biāo)選定后，與其相對(duì)應(yīng)的允許失效概率Pf可由公式（2.2-12計(jì)算確定。然后便可按公式（2.2-13或（2.2-14進(jìn)行失效概率或可靠指標(biāo)的驗(yàn)算，或進(jìn)一步建立包括作用或荷載)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力基本變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)、目標(biāo)可靠指標(biāo)的極限狀態(tài)方程，進(jìn)行結(jié) 構(gòu)的承載能力計(jì)算。應(yīng)該指出，目前由于作用 或荷載)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力基本變量的統(tǒng)計(jì)資料還很不充分， 概率模式和統(tǒng)計(jì)參數(shù)還很不完善，直接采用可靠指標(biāo)3進(jìn)行具體設(shè)計(jì)是有困難的。為了實(shí)際工作的需要，必須在可靠指標(biāo)計(jì)算公式的基礎(chǔ)建立近似的實(shí)用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

24、。 2-3承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則一、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式可根據(jù)可靠指標(biāo)計(jì)算公式(2.2-11演變求得：將 1代入上式，并引入變異系數(shù)，則得:(2.3-1當(dāng)作用效應(yīng)僅為永久作用效應(yīng) Sg和一種可變作用效應(yīng) Sq組合時(shí):(2.3-2(2.3-3式中：Cg、Cq 永久作用、可變作用效應(yīng)系數(shù);Gk、Qk 永久作用、可變作用的標(biāo)準(zhǔn)值;.=J 總的作用效應(yīng)、永久作用效應(yīng)、可變作用效應(yīng)的平均值；一 =I 總的作用效應(yīng)、永久作用效應(yīng)、可變作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。設(shè)結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)值為1(2.3-4永久作用標(biāo)準(zhǔn)值為(2.3-5可變作用標(biāo)準(zhǔn)值為式中：S R、S G、3 Q結(jié)構(gòu)抗力、永久作用、可變作用的

25、變異系數(shù)；(2.3-6:-R : G : Q結(jié)構(gòu)抗力、永久作用、可變作用的特征值。將公式（2.3-2（2.3-3和（2.3-4代入公式（2.3-1，然后再將公式 （2.3-5和（2.3-6代入, 整理后則得，在永久作用和一種可變作用作用下的設(shè)計(jì)表達(dá)式(2.3-7式中：一永久作用分項(xiàng)系數(shù)，三1可變作用分項(xiàng)系數(shù)a與材料有關(guān)的分項(xiàng)系數(shù)3(2.3-8公式（2.3-7左邊為作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值(2.3-11式中：Sgk永久作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，Sgk=CgGk；Sqk可變作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，Sqk=CqQk。公式（2.3-7右邊，為結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為(2.3-12式中：fck、fs混凝土、鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

26、；fed、fsd混凝土、鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ld 混凝土、鋼筋材料分項(xiàng)系數(shù)；R( 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力函數(shù)；設(shè)計(jì)幾何參數(shù)。這樣，公式(2.3-8即可改寫(xiě)為下列簡(jiǎn)單形式，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)要求，以不等式表達(dá)Sd R(2.3-13對(duì)于不同安全等級(jí)的結(jié)構(gòu)，具有不同的可靠度要求，為此，引入結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)E則上式可改寫(xiě)為(2.3-14從形式上看，上面給出的概率極限狀態(tài)表達(dá)式(2.3-14與過(guò)去采用的多系數(shù)極限狀態(tài)表達(dá)式基本一致，但實(shí)質(zhì)上是有很大差別的。公式(2.3-14中各項(xiàng)分項(xiàng)系數(shù)、的確定與作用 或荷載)、材料強(qiáng)度等基本變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與可靠指標(biāo)有關(guān)，是通過(guò)選定的目標(biāo)可靠指標(biāo)3 換算出來(lái)的。換句話說(shuō)，公式(2.3-14中

27、各項(xiàng)分項(xiàng)系數(shù)中隱含了目標(biāo)可靠指標(biāo)】3】，滿足了結(jié)構(gòu)可靠度的要求。這一點(diǎn)在概念上不能與過(guò)去定值設(shè)計(jì)法中 的安全系數(shù)混淆。二、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)由表2.2-2給出的目標(biāo)可靠指標(biāo)可以看出，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)不同，結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)不 同，由于不同安全等級(jí)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)不便于在作用效應(yīng)或結(jié)構(gòu)抗力中體現(xiàn)出來(lái)，因 此采用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，將作用效應(yīng)擴(kuò)大或縮小某個(gè)倍數(shù)，使結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)目煽恐窯B/T50283-1999規(guī)定，公路橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重要標(biāo)。根據(jù)可靠度分析，公路統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)性系數(shù) 按表2.3-1采用。公路橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)|表2.3-1安全等級(jí)橋梁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)目一級(jí)特大橋，重要大橋1.1二級(jí)大橋、中

28、橋、重要小橋1.0三級(jí)小橋、涵洞0.9三、作用（或荷載 的標(biāo)準(zhǔn)值、分項(xiàng)系數(shù)和作用（或荷載 組合1、作用（或荷載 的標(biāo)準(zhǔn)值由于作用（或荷載 具有隨機(jī)性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須給予一個(gè)具體的量值。從理論上講，可以由設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期作用（或荷載 概率分布函數(shù)某一分位值作為作用（或荷載 的標(biāo)準(zhǔn)值，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO建議：作用（或荷載 標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具有 95%的保證率，相當(dāng)于上分位值取=1.645，即按下式計(jì)算(2.3-4式中：Qk 作用（或荷載 標(biāo)準(zhǔn)值； 卩q作用（或荷載 平均值； CQ S Q作用（或荷載 標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)。對(duì)于各種不同性質(zhì)作用（或荷載 的標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)作用（或荷載 的統(tǒng)計(jì)資料，用

29、概率統(tǒng)計(jì)方法求得其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)，再按公式（2.3-4確定標(biāo)準(zhǔn)值。但是由于以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法在我國(guó)初次應(yīng)用，目前還只能對(duì)一小部分作 用（或荷載 在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)概率分布作出估計(jì)，大部分作用（或荷載 只能以原有規(guī)范規(guī)定為基礎(chǔ)確定。設(shè)計(jì)公路橋涵結(jié)構(gòu)時(shí)有關(guān)作用（或荷載 及其組合按公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTGD60以下簡(jiǎn)稱 通用規(guī)范JTG D60 ）采用。構(gòu)件自重及恒載的標(biāo)準(zhǔn)值按構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸乘以材料標(biāo)準(zhǔn)容重計(jì)算。作用分項(xiàng)系數(shù)、，嚴(yán)格講應(yīng)根據(jù)作用（或荷載 基本變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和目標(biāo)可靠指標(biāo)按公式（2.3-8、（2.3-9確定。公路統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB/T50283-1999根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算

30、，并參照其他有關(guān)規(guī)范，取永久作用分項(xiàng)系數(shù)也=1.2 ;可變作用分項(xiàng)系數(shù) U =1.4。3、作用（或荷載 效應(yīng)組合結(jié)構(gòu)上幾種作用（或荷載 分別產(chǎn)生的效應(yīng)的隨機(jī)疊加稱為作用（或荷載 效應(yīng)組合。在作用（或荷載 效應(yīng)組合中，由于幾個(gè)獨(dú)立可變作用（或荷載 效應(yīng)最不利同時(shí)出現(xiàn)的概率較小，引入作用（或荷載 效應(yīng)組合系數(shù)，對(duì)作用（或荷載 效應(yīng)予以折減。通用規(guī)范 JTG D60規(guī)定，承載能力極限狀態(tài)計(jì)算采用的作用（或荷載 效應(yīng)基本組合為(2.3-5對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)最基本作用 載效應(yīng)。（或荷載 效應(yīng)組合是永久作用效應(yīng)+汽車(chē)荷載效應(yīng)+人群荷耳=1.2，汽車(chē)荷載分項(xiàng)(2.3-6當(dāng)永久作用效應(yīng)與可變效應(yīng)異號(hào)時(shí)，永久作用分

31、項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取0.9，代入公式（2.3-5，得(2.3-7當(dāng)永久作用效應(yīng)與可變作用效應(yīng)同號(hào)時(shí)，取永久作用分項(xiàng)系數(shù)系數(shù) 曰=1.4，人群荷載分項(xiàng)系數(shù)=1.4，組合系數(shù)2 =0.76。將其代入公式（2.3.5，則得:式中：Sd作用（或何載 效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值;Sgk 永久作用（恒載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；Sqik 汽車(chē)荷載（包括沖擊系數(shù)影響 效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;SQ2k 人群荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。四、材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，分項(xiàng)系數(shù)和設(shè)計(jì)值1、材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值由于鋼筋和混凝土的強(qiáng)度都是隨機(jī)變量，而且一般呈正態(tài)分布，因此材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 應(yīng)按概率統(tǒng)計(jì)確定。（1混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值橋規(guī)JTG D62規(guī)定，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取其概率分布的0.05分位值

32、確定，其保證率為95%。相應(yīng)的計(jì)算公式見(jiàn)（1.1-1。（2鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為了保證鋼材的質(zhì)量，我國(guó)冶金工業(yè)部門(mén)規(guī)定了一個(gè)檢驗(yàn)用的廢品限值。根據(jù)全國(guó)主 要鋼廠生產(chǎn)的鋼材試樣的統(tǒng)計(jì)，廢品限值約相當(dāng)于鋼材屈服強(qiáng)度的平均值減去二倍均方 差，其保證率為 97.73%。為了與冶金部頒布的鋼材檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)一致，橋規(guī)JTG D62規(guī)定，受拉熱軋鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取等于屈服強(qiáng)度的廢品限值。無(wú)明顯屈服臺(tái)階的鋼絞線、碳 素鋼絲強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取等于極限強(qiáng)度的限值。2、材料分項(xiàng)系數(shù)（1混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)JTG D62給混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)可通過(guò)對(duì)軸心受壓構(gòu)件作可靠度分析確定。橋規(guī)出的混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)=1.45,是采用“校準(zhǔn)法”，按新

33、老規(guī)范軸心受壓構(gòu)件承載能力相等的原則換算而得的。(2鋼筋材料分項(xiàng)系數(shù)51鋼筋材料分項(xiàng)系數(shù)可通過(guò)軸心受拉構(gòu)件作可靠度分析確定。由于實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料不足，各類(lèi)鋼筋的材料分項(xiàng)系數(shù)還不可能全部由可靠度分析確定。橋規(guī)JTG D62給出的鋼筋材料分項(xiàng)系數(shù)，是采用“校準(zhǔn)法”，按新老規(guī)范軸心受拉構(gòu)件承載力相等的原則換算后，并結(jié)合工程實(shí)踐確定。對(duì)各類(lèi)熱軋鋼筋，取耳=1.2 ;對(duì)無(wú)明顯屈服臺(tái)階的鋼絞線，碳素鋼絲取耳=1.5。3、材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值由材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項(xiàng)系數(shù)而得：混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值7孑| (2.3-8鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、:|(2.3-9式中：fed、fsd混凝土、鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

34、；fck、fs混凝土、鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；、耳一混凝土、鋼筋材料分項(xiàng)系數(shù)?；炷痢摻顝?qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值見(jiàn)附表1和2。通過(guò)上述分析，最后給出鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)計(jì)算的基本表達(dá)式為:(2.3-10對(duì)于常用的汽車(chē)荷載加人群荷載組合情況，可簡(jiǎn)化為(2.3-11 2-4正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則從理論上鋼筋混凝土構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)一般包括裂縫和變形兩種極限狀態(tài)情況。講，正常使用極限狀態(tài)亦應(yīng)按概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)。但是，目前這方面研究還很不夠，還不可能完全做到按目標(biāo)可靠指標(biāo)的要求，進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)計(jì)算，只是在作用（或荷載效應(yīng)組合上考慮了這方面的影響。裂縫和變形的計(jì)算基本上沿用了過(guò)去的方法，裂縫

35、寬度和變形限值也是參照過(guò)去的工程經(jīng)驗(yàn)確定的。一、正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)的作用（或荷載 效應(yīng)組合公路橋涵結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)要求，選用以下一種 或兩種效應(yīng)組合：（1短期效應(yīng)組合短期效應(yīng)組合系指永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用頻遇值效應(yīng)相組合?？勺冏饔妙l遇 值可根據(jù)作用在足夠長(zhǎng)的觀測(cè)期內(nèi)達(dá)到或超過(guò)該值的總持續(xù)時(shí)間與觀測(cè)期的較小比值確 定，該比值可取 0.05；或按超過(guò)該值的平均跨越率確定。（2長(zhǎng)期效應(yīng)組合長(zhǎng)期效應(yīng)組合系指永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用準(zhǔn)永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)相結(jié)合?？?變作用準(zhǔn)永久值可根據(jù)作用在足夠長(zhǎng)的觀測(cè)期內(nèi)達(dá)到或超過(guò)該值的總持續(xù)時(shí)間與觀測(cè)期的 某一比值確定，該

36、比值可取不大于 0.5 ;或按超過(guò)該值的平均跨越率確定。作用（或荷載 的短期效應(yīng)和長(zhǎng)期效應(yīng)組合情況，按通用規(guī)范JTG D60采用:短期效應(yīng)組合(2.4-1長(zhǎng)期效應(yīng)組合(2.4-2式中：Ss作用（或荷載 短期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值； Sl作用（或荷載 長(zhǎng)期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值； sGK永久作用（或荷載 標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)；SQ1K車(chē)輛荷載（不計(jì)沖擊力 標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng); SQ2K人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。二、裂縫控制為了保證結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂性和裂縫寬度應(yīng)有所限制。 公路橋梁鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制分為兩種情況：（1不允許出現(xiàn)裂縫的全預(yù)應(yīng)力混凝土和部分應(yīng)力混凝土A類(lèi)構(gòu)件。其抗裂度采用在作用 或荷

37、載）短期效應(yīng)組合作用下的截面混凝土拉應(yīng)力控制。（2鋼筋混凝土及允許開(kāi)裂的部分預(yù)應(yīng)力混凝土B類(lèi)構(gòu)件，其裂縫寬度應(yīng)小于規(guī)范規(guī)定的某一限值（一般為0.10.2mm。裂縫寬度按作用（或荷載 短期效應(yīng)組合計(jì)算，并考慮 作用（或荷載 長(zhǎng)期效應(yīng)組合的影響。三、變形控制（或?yàn)榱藵M足結(jié)構(gòu)的適用性，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)有所限制。鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件 的變形，可按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算，但在剛度取值時(shí)應(yīng)考慮裂縫開(kāi)展的影響。變形按作用 荷載 短期效應(yīng)組合計(jì)算，并考慮作用 （或荷載 長(zhǎng)期效應(yīng)組合的影響。橋涵結(jié)構(gòu)構(gòu)件在正常使用情況下的允許撓度值，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用要求和工程經(jīng) 驗(yàn)確定。 2-5混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)一、混凝

38、土結(jié)構(gòu)的耐久性混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指結(jié)構(gòu)對(duì)氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其他破壞過(guò)程 的抵抗能力。由于混凝土的缺陷 例如裂隙、孔道，汽泡，孔穴等），環(huán)境中的水及侵蝕性介質(zhì)就可能滲入混凝土內(nèi)部，產(chǎn)生碳化，凍融，銹蝕作用而影響結(jié)構(gòu)的受力性能。并且結(jié) 構(gòu)在使用年限內(nèi)還會(huì)受到各種機(jī)械物理?yè)p傷 腐損，撞擊等）及沖刷、溶蝕、生物侵蝕的作用?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題表現(xiàn)為：混凝土損傷 裂縫、破碎、酥裂、磨損、溶蝕等）；鋼筋的銹蝕，脆化、疲勞、應(yīng)力腐蝕；以及鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固作用的削弱等三個(gè) 方面。從短期效果而言，這些問(wèn)題影響結(jié)構(gòu)的外觀和使用功能；從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，則為降低結(jié)構(gòu) 安全度，成為發(fā)生事故的隱患，影

39、響結(jié)構(gòu)的使用壽命。二、影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素1 影響混凝土耐久性的因素2而呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜而保護(hù)鋼筋免遭酸性介質(zhì)的侵蝕，起到了“鈍化”保護(hù)作用。但大氣中存在的酸性介質(zhì)及水通過(guò)各 種孔道、裂隙而滲入混凝土，可以中和這種堿性。例如，工業(yè)污染造成的酸雨，或者大氣 中的二氧化碳C02）與水 出0）形成碳酸H2CO3）,盡管其酸性很弱，也能中和氫氧化 鈣，而生成碳酸鈣CaC03）,這一過(guò)程稱為“碳化”。混凝土碳化的速度十分緩慢，并且與混凝土的質(zhì)量、環(huán)境條件等因素有關(guān)。碳化的速 度與許多因素有關(guān)，但最主要的是時(shí)間與暴露在大氣中的結(jié)構(gòu)表面碳化時(shí)間t式中的碳化系數(shù) a與混凝土強(qiáng)度等級(jí)，水灰比

40、、施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)所處環(huán)境、表面狀 態(tài)，氣候環(huán)境等因素有關(guān)。以北京地區(qū)為例，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，室外環(huán)境下混凝土的碳化深度可按下列經(jīng)驗(yàn)公 式確定：式中： F 混凝土的強(qiáng)度等級(jí) Mpa）;t時(shí)間 年）。2 ）化學(xué)侵蝕水可以滲入混凝土內(nèi)部，當(dāng)其中溶入有害化學(xué)物質(zhì)時(shí)，即對(duì)混凝土的耐久性造成影 響。酸性物質(zhì)對(duì)水泥水化物的侵蝕作用最大，酸性侵蝕的混凝土呈黃色，水泥剝落，骨料 外露。工業(yè)污染、酸雨、酸性土壤及地下水均可能構(gòu)成對(duì)混凝土的酸性腐蝕。此外，濃堿溶液滲入后結(jié)晶使混凝土脹裂和剝落；硫酸鹽溶液滲入后與水泥發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)，體積膨脹也會(huì)造成混凝土破壞。3）堿骨料反應(yīng)堿骨料反應(yīng)是指混凝土中的水泥在水化過(guò)程中釋放

41、出的堿金屬，與含堿性骨料中的堿 活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿活性物質(zhì)。這種物質(zhì)吸水后產(chǎn)生體積膨脹，造成混凝土開(kāi) 裂。堿骨料反應(yīng)引起的混凝土開(kāi)裂一般在混凝土表面形成網(wǎng)狀裂縫，并在裂縫處滲出白色 凝膠物質(zhì)。堿料骨反應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞程度，比其他耐久性破壞發(fā)展更快，后果更為嚴(yán) 重。堿骨料反應(yīng)一旦發(fā)生，很難加以控制，一般不到兩年就會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯開(kāi)裂，所以 有時(shí)也稱堿骨料反應(yīng)是混凝土結(jié)構(gòu)的“癌癥”。4 ）凍融破壞滲入混凝土中的水在低溫下結(jié)冰膨脹，從內(nèi)部破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)多次凍融循 環(huán)后，損傷積累將使混凝土剝落酥裂，強(qiáng)度降低。5 ）溫度變化的影響混凝土?xí)崦浝淇s，同樣也會(huì)在干燥失水時(shí)收縮，而在

42、浸水后膨脹。這種作用的交替 進(jìn)行，特別是在驟然發(fā)生時(shí)，會(huì)因混凝土表層與內(nèi)部體積變化不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂縫。這些因 脹縮不均引起的損傷日積月累，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部組織破壞，最終會(huì)削弱結(jié)構(gòu)抗力。2 .鋼筋腐蝕的機(jī)理及其對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響鋼筋腐蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命的重要因素。混凝土中鋼筋腐蝕的 首要條件是混凝土的碳化和脫鈍，只有將覆蓋鋼筋表面的堿性鈍化膜破壞，加之有水分和 氧的侵入，才有可能引起鋼筋的腐蝕。鋼筋腐蝕伴有體積膨脹，使混凝土出現(xiàn)沿鋼筋的縱 向裂縫，造成鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力破壞，鋼筋截面面積減少，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力 降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨著時(shí)間的推移，腐蝕會(huì)

43、逐漸惡化，最終可 能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。鋼筋腐蝕一般可分為電化學(xué)腐蝕，化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等三種形式。 2，氫氧化鐵與水中的氧進(jìn)一步氧化形成鐵銹 3、 3H 2O）。影響電化學(xué)腐蝕的因素主要有濕度、溫度、氧氣濃度等。濕度越大，溫度越高，氧氣 濃度越大，腐蝕越嚴(yán)重。2）化學(xué)腐蝕鋼筋的化學(xué)腐蝕包括酸腐蝕，堿腐蝕和鹽腐蝕等，其中酸腐蝕是化學(xué)腐蝕的主要形 式，鋼筋與酸性溶液反應(yīng)生成金屬堿或不溶性氧化物，使鋼筋腐蝕。3）應(yīng)力腐蝕鋼筋由電化學(xué)腐蝕等原因使表面形成大小不一、分散分布的腐蝕坑。腐蝕坑相當(dāng)于一 個(gè)缺口，在鋼筋受拉過(guò)程中，將引起應(yīng)力不均勻分布，造成鋼筋早期斷裂，這種現(xiàn)象稱為 應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕對(duì)高強(qiáng)

44、預(yù)應(yīng)力鋼筋的危害很大。從上面分析的影響混凝土耐久性的因素可以看出，幾乎所有侵蝕混凝土和鋼筋的作用 都需要有水作介質(zhì)。另一方面，幾乎所有的侵蝕作用對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，都與侵蝕 作用引起混凝土膨脹，并最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂有關(guān)，而且當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后，侵蝕 速度將大大加快，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性將進(jìn)一步惡化。三、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)原則混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性取決于混凝土材料的自身特性和結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境，與結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)管理密切相關(guān)。綜合國(guó)內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，一般是從以下三個(gè)方面 解決混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性：1 ）采用高耐久性混凝土，提高混凝土自身抗破損能力；2）加強(qiáng)橋面排水和防水層設(shè)計(jì)，

45、改善橋梁的環(huán)境作用條件；3）改進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用具有防腐保護(hù)的鋼筋例如：體外預(yù)應(yīng)力筋，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，環(huán)氧涂層鋼筋等）；加強(qiáng)構(gòu)造配筋，控制裂縫發(fā)展；加大混凝土保護(hù)層厚度等。增加了耐久性的設(shè)計(jì)內(nèi)容，提出了按結(jié)構(gòu)使用環(huán)境進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)的一般概念，明確規(guī)定了不同使用環(huán)境下，結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求，對(duì)影響混凝土耐 久性的最大水灰比，最小水泥用量、最低強(qiáng)度等級(jí)，最大氯離子含量和堿含量等做出了限 值規(guī)定。應(yīng)該指出對(duì)影響混凝土自身耐久性的主要指標(biāo)加以控制，提高混凝土自身的耐久性是 解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的前提和基礎(chǔ)。滿足這些限值規(guī)定是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的基本 內(nèi)容。規(guī)范中對(duì)影響混凝土耐久性的其他問(wèn)題例如：混凝土保護(hù)層厚度，構(gòu)造鋼筋設(shè)置、防水層設(shè)計(jì)等），沒(méi)有做為耐久性設(shè)計(jì)的專門(mén)條款單獨(dú)列出，而分散在其他章節(jié)中。解決 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性還涉及施工和養(yǎng)護(hù)管理方面的問(wèn)題，應(yīng)參照有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。四、橋梁結(jié)構(gòu)使用環(huán)境條件分類(lèi)使用環(huán)境條件是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的外部因素，應(yīng)根據(jù)其對(duì)混凝土耐久性的影響 進(jìn)行分類(lèi)：橋規(guī)JTG D