钢筋混凝土结构设计可靠性分析

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摘要：钢筋混凝土结构设计的安全问题越来越受到重视。结构设计在可靠度的分析对于保证结构施工安全具有重要的意义，本文结合钢筋混凝土结构设计的特点，对结构设计的可靠性分析方法及施工期结构的可靠性控制进行了阐述，并提出保证设计结构可靠性的一些建议。

关键词：钢筋混凝土、结构设计、可靠性

中图分类号：TU528.571文献标识码： A 文章编号：

一、前言

钢筋混凝土的结构设计最重要的任务是能有效的保证安全问题在结构作用受力后，研究广义荷载效应组合对结构设计的影响，从多方面考虑可能使钢筋混凝土结构破坏的因素和原因，从结构设计的角度上满足使用的要求，使其具有很好的可靠性、足够的耐久性和和一定的强度。所以，在建筑工程结构设计的时候必须充分考虑到结构功能极限的状态，即是承载极限与正常使用的极限，同时也要考虑结构上荷载作用效应和结构抗力等不利变异对结构的影响。

二、结构设计的基本要求

结构设计的主要目的是能够保证结构经济合理和安全使用。具体要求有以下几点：

1、安全性。在正常使用和正常施工的时候要求结构能够承受可能出现的各种作用。在出现预期可能出现的作用时，要求主体结构仍然可以保持稳定。例如：地震作用、撞击和温度变化等偶然事件，在这些事情发生时仍然可以保持稳定性。

2、适用性。要求结构在正常状态下能够有良好的工作性能。比如在不发生变形而影响正常使用，不能够出现比较宽的裂缝和大的变形。裂缝的宽度不允许超过特定的值。

3、耐久性。要求结构在正常的状态下要足够耐久。设计的结构必须要满足结构的使用时间。

安全性、耐久性和适用性，这些都可以称之为结构的可靠性，也是对结构功能的最基本要求。在设计结构时，要学会如何正确处理结构可靠性和经济性之间的矛盾，使设计的结构既安全舒适又经济实惠。

三、结构功能的极限状态

结构功能的极限状态是当结构的某一部分超过某一特定状态时不能满足设计结构时规定的某一功能的要求时候，这个特定状态就称之为这个功能的极限状态。这种极限状态分为两类。

1、承载能力极限状态，当结构出现以下几种状态之一的时候我们即认为结构的承载能力超过了极限状态。

(1)结构变为机动体系,刚体失去平衡。

(2)结构或结构的一部分丧失稳定。

(3)结构构件因材料强度不足(包括疲劳破坏)而发生破坏。

(4)结构发生倾覆、滑移而不稳定。

(5)结构或构件因出现大的塑性变形而不宜继续承载。

承载能力极限状态跟结构的安全是连在一起的。结构的安全与否关系到人们的生命财产安全，所以，一定要确保设计的结构有非常高的可靠度。

2、正常使用极限状态。正常使用的极限状态，当结构出现影响正常使用或者是耐久性超过规定的值，出现下面几种情况之一时我们就认为结构超过了正常使用的极限状态：

(1)出现裂缝过宽,影响耐久性,影响正常使用。

(2)出现振动过大,影响正常使用。

(3)出现变形、挠度过大,影响正常使用和外观。

正常使用极限状态考虑的主要是结构的使用性和耐久性，虽然不会一般不会对生命和财产安全造成威胁，但也要引起足够的重视，因为较大的裂缝与变形不仅影响结构的正常使用和耐久性，也会给人心理上造成恐慌。在设计结构的时候，首先要对承受能力极限状态进行精确的计算，然后在根据使用的要求对变形、抗裂度、裂缝宽度进行计算。

四、结构的作用效应S

结构上的作用按作用形式的不同,可分为两类:

1、以力的形式直接作用在结构上的荷载称之为直接作用，例如：结构本身的重量，荷载人群的重量等，通常我们称之为结构上的荷载。

2、使结构变形间接作用在结构上的荷载我们称之为间接作用。例如：温度的变化和地震等。

结构上的荷载按其时间的变异又可分为3类:

(1)永久荷载G：是指承受的量值不会因为时间的变化而不同。例如结构和设备本身的装量，土的压力等等。在结构上也称之为恒荷载。

(2)可变荷载Q：是指承受的量值因为时间的变化而不同，而且不可以忽略，例如人群的荷载和风的荷载等，在结构上也称之为活荷载。

(3)偶然荷载A：是指承受的量值不一定会出现，一旦出现量值会很大，而且持续时间很短。例如地震和洪水等。偶然作用出现的概率极小，所以代表值可以根据以往的经验或者分析按有关设计的规范来确定。

作用在结构上的各种荷载会使结构出现变形及裂缝等，这些作用在结构上产生的结果称之为作用效应，用S表示。S根据结构上的作用通过结构计算求得，在设计结构时，要对结构上的作用和作用效应可能出现的不利变异提前做出预算和应对方法。

五、结构的抗力R

结构抗力是指构件或结构承受外界作用效应的能力,通常用R表示,如强度、抗裂度、刚度等。影响结构抗力的因素都是随机的，如结构的几何参数设置、计算的方式、施工的质量和材料的性能等因素的变化都可能直接影响着结构的抗力。因此,通常在对混凝土结构进行设计时，绝不能忽略结构抗力的影响因素所带来的不利变异。

六、结构可靠指标和概率设计

在前期的设计、后期的施工和使用中都存在各种不定因素影响着结构的耐久性、适用性及安全性，使结构在各种性能上具有不定性。操作不慎将难以保证击缶的安全性，即使是使用正常的方法设计和使用。也就是说存在着作用效力S大于结构抗力R的可能性。但是,假如这种可能性很小时，即极限思维中小到人们可以接受的程度，这种结构我们就可以认定为是可选的。上述即为概率论的观点,也可称这种方法为概率设计法。

1、结构的失效概率和可靠概率

如果从概率学的观点来讲，应法语出R小于S时的失效概率Qf，即：

Qf=P(P

失效概率Qf的求解，如果采用数学方法会变得十分麻烦。因此,在实际中我们通常采用把S和R这两个随机变量当作为固定变量，看成是两个统计数字的特征值,即标准差R和平均值L,采用了线性化手段，而不再对二次矩以上的统计特征值进行考虑 。

Z=R-S=g(R,S)

上式中功能函数Z的适用范围为：影响结构可靠度的随机变量只有R和S,二者服从正态分布且相互独立。

功能函数Z主要有3种状态，随着条件的不同，结构的工作状态也会有所不同。如图所示：

(1) 当Z>0时,(R>S),结构处于可靠状态;

(2) 当Z

(3) 当Z=0时, R=S),结构处于极限状态。

从公式中我们可以看到，如果想要使结构安全更加可靠,就要保证Z≥0。

由于作用的效应S和结构的抗力R都是随机变量,所以结构的功能函数(Z=R-S)同样也是一个随机变量,且都服从正态分布,因此结构的功能函数Z的平均值和标准差分别为:

结构功能函数Z的概率分布曲线, 图中阴影面积表示结构失效概率,纵坐标轴线以右分布曲线与坐标轴围成的面积表示结构的可靠概率。故结构失效概率和可靠概率为：

结构可靠度的具体定义为结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定的功能概率,即结构处于可靠状态概率。可靠概率,用表示。不能完成预定功能的概率,称为失败概率。两者互补, 所以:

需要说明的是,两者均可度量结构的可靠性,但工程界习惯于采用结构的失败概率。

七、结语

综上所述，虽然绝对安全是不可能达到的，但是控制在一定的概率水平上还是可以接受的。另外，还应该从技术和管理多方面来提高结构的可靠性。一方面避免一些人为错误的发生，比如水泥质量不过关，钢筋捆扎不牢等。另一方面采用先进的施工技术和合理的施工设计来降低安全隐患，所以在设计结构时对以后可靠度的分析是保证安全的一个重要环节。

参考文献:

[1] 梁敏成：《混凝土结构设计及施工中的注意事项》，《中国新技术新产品》，2009年07期

[2] 马远荣 唐小弟：《混凝土结构设计原理中的相关问题探讨》，《中南林业科技大学学报》， 2009年01期

[3] 马志红：《浅谈钢筋混凝土结构设计》，《黑龙江科技信息》，2009年23期

[4] 佟超博 郝强：《对钢筋混凝土结构设计中常见问题的分析》，《黑龙江科技信息》，2010 年10期