(一)结构的功能要求
结构设计的目的是在现有技术的基础上,用最经济的手段,使所设计的结构在设计使用年限内满足以下3个方面的功能要求。
(1)安全性。安全性是指结构在预定的使用期限内应能承受在正常施工和正常使用条件下可能出现的各种作用(如各种荷载、外加变形、约束变形等),以及在偶然条件(如强烈地震、校核洪水位等)发生时和发生后,结构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。适用性是指结构在正常使用条件下,具有良好的工作性能,不发生影响正常使用的过大变形和振幅,不产生让使用者感到不安的过宽的裂缝等。
(3)耐久性。耐久性是指结构在正常维护条件下,能够正常使用到规定的使用年限,而不出现钢筋严重锈蚀、混凝土严重碳化的现象。
安全性、适用性、耐久性构成了结构的可靠性,也称为结构的基本功能要求。结构的可靠性和结构的经济性一般是相互矛盾的。比如,在相同荷载作用下,增大截面尺寸、增加受力钢筋数量、提高材料强度等,均可提高结构的可靠性,但这也同时增加了结构的造价。所以,科学合理的设计是在结构的可靠性和经济性之间寻求最佳方案,使结构达到必要的可靠性,又具有合理的经济指标。
(二)结构的极限状态
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,此特定状态称为该功能的极限状态。结构是否超过极限状态是判断其是否满足功能要求的标准。水工钢筋混凝土结构构件的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两大类。
1.承载能力极限状态
承载能力极限状态是指结构达到最大承载能力,或达到不适于继续承载的变形的极限状态。当结构或其构件出现下列状态之一时,即认为超过了承载能力极限状态。
(1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移或漂浮等)。
(2)结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏),或因过大的塑性变形而不适于继续承受荷载作用。
(3)整个结构或结构的一部分转变为机动体系。(www.xing528.com)
(4)结构或构件丧失稳定(如柱压屈等)。
结构一旦超过承载能力极限状态,就会发生破坏,造成人身伤亡和重大经济损失。因此,承载能力极限状态应具有较高的可靠度水平。《水工混凝土结构设计规范》要求所有结构和构件都必须按承载能力极限状态进行计算,必要时还应进行结构的抗倾、抗滑和抗浮验算。对需要抗震设防的结构,尚应进行结构的抗震承载力验算或采取抗震构造设防措施。
2.正常使用极限状态
正常使用极限状态是指结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值的极限状态。当结构或其构件出现下列状态之一时,即认为超过了正常使用极限状态。
(1)影响正常使用或外观的变形。
(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝超过允许限值)。
(3)影响正常使用的振动。
(4)影响正常使用的其他特定状态。
当结构或构件超出正常使用极限状态时,虽然会影响结构的使用性、耐久性,或影响人们的心理感受,但后果一般没有超过承载能力极限状态严重,所以正常使用极限状态设计的可靠度水平允许比承载能力极限状态的可靠度水平适当降低。
《水工混凝土结构设计规范》规定,对使用上需要控制变形值的结构构件,应进行变形验算;对使用上要求不出现裂缝的结构构件,应进行混凝土的抗裂验算;对使用上需要控制裂缝宽度的结构构件,应进行裂缝宽度验算。地震等偶然荷载作用时,可不进行变形、抗裂、裂缝宽度等正常使用极限状态验算。
结构设计时,通常先按承载能力极限状态设计结构构件,然后按正常使用极限状态进行验算。
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