1.6 DESIGN CODES AND SPECIFICATIONS
The design of concrete structures such as those of Figsa1.1 to 1.12 is generally done within the framework of codes giving specific requirements for materials, structural analysis, member proportioning, etc. The International Building Code (Ref.1.2) is an example of a consensus code governing structural design and is often adopted by local municipalities. The responsibility of preparing material-specific portions of the codes rests with various professional groups, trade associations, and technical institutes. In contrast with many other industrialized nations, the United States does not have an official, government-sanctioned, national code.
The American Concrete Institute (ACI) has long been a leader in such efforts. As one part of its activity, the American Concrete Institute has published the widely recognized Building Code Requirements for Structural Concrete (Ref.1.10), which serves as a guide in the design and construction of reinforced concrete buildings. The ACI Code has no official status in itself. However, it is generally regarded as an authoritative statement of current good practice in the field of reinforced concrete. As a result, it has been incorporated into the International Building Code and similar codes, which in turn are adopted by law into municipal and regional building codes that do have legal status. Its provisions thereby attain, in effect, legal standing. Most reinforced concrete buildings and related construction in the United States are designed in accordance with the current ACI Code. It has also served as a model document for many other countries. A second ACI publication, Commentary on Building Code Requirements for Structural Concrete (Ref.1.11), provides background material and rationale for the Code provisions. The American Concrete Institute also publishes important journals and standards, as well as recommendations for the analysis and design of special types of concrete structures such as the tanks of Fig.1.11.
Most highway bridges in the United States are designed according to the requirements of the AASHTO bridge specifications (Ref.1.3) which not only contain the provisions relating to loads and load distributions mentioned earlier, but also include detailed provisions for the design and construction of concrete bridges. Many of the provisions follow ACI Code provisions closely, although a number of significant differences will be found.
The design of railway bridges is done according to the specifications of the AREMA Manual of Railway Engineering (Ref.1.4). It, too, is patterned after the ACI Code in most respects, but it contains much additional material pertaining to railway structures of all type.
No code or design specification can be construed as a substitute for sound engineering judgment in the design of concrete structures. In structural practice, special circumstances are frequently encountered where code provisions can serve only as a guide, and the engineer must rely upon a firm understanding of the basic principles of structural mechanics applied to reinforced or prestressed concrete, and an intimate knowledge of the nature of the materials.
1.7SAFETY PROVISIONS OF THE ACI CODE
The safety provisions of the ACI Code are given in the form of Eqs.(1.3b) and (1.3c) using strength reduction factors and load factors.These factors are based to some extent on statistical information but to a larger degree on experience,engineering judgment, and compromise.In words,the design strength phi;Sn,of a structure or member must be at least equal to the required strength U calculated from the factored loads,i.e.,
Design strengthge;required strength
or
phi;Snge;U (1.4）
The nominal strength Sn is computed(usually somewhat conservatively)by accepted methods.The required strength U is calculated by applying appropriate load factors to the respective service loads:dead load D,live load L,wind load W,earthquake load E,earth pressure H,fluid pressure F,impact allowance I,and environmental effects T that may include settlement,creep,shrinkage,and temperature change.Loads are defined in a general sense,to include either loads or the related internal effects such as moments,shears,and thrusts.Thus,in specific terms for a member subjected,say,to moment,shear,and axial load:
phi;Mnge;Mu (1.5a)
phi;Vnge;Vu (1.5b）
phi;Pnge;Pu (1.5c）
where the subscripts n denote the nominal strengths in flexure,shear,and axial load,respectively,and the subscripts u denote the factored load moment,shear,and axial load.In computing the factored load effects on the right,load factors may be applied either to the service loads themselves or to the internal load effects calculated from the service loads.
The load factors specified in the ACI Code,to be applied to calculated dead loads and those live and environmental loads specified in the appropriate codes or standards,are summarized in Table 1.2.These are consistent with the concepts introduced in Section 1.4 and with SE/ASCE 7,Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures(Ref.1.1),and allows design of composite structures using combinations of structural steel and reinforced concrete.For individual loads,lower factors are used for loads known with greater certainty,e.g,dead load,compared with loads of greater variability,e.g,live loads.Further,for load combinations such as dead plus live loads plus wind forces,reductions are applied to one load or the other that reflect the improbability that an excessively large live load coincides with an unusually high windstorm.The factors also reflect,in a general way,uncertainties with which internal load effects are calculated from external loads in systems as complex as highly indeterminate,inelastic reinforce
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1.6设计规范
像图1.1到1.12那样的混凝土结构设计通常是在对材料，结构分析，构件配比等提出具体要求的规范框架内完成的。国际建筑规范（参考文献1.2）是管理结构设计的协商一致规范的一个例子，并且经常被当地市政当局采用。准备材料具体部分的责任由各专业团体、行业协会和技术研究所负责。与许多其他工业化国家相比，美国没有官方的，政府批准的国家法规。
美国混凝土协会（ACI）长期以来一直是这种努力的领导者。作为其活动的一部分，美国混凝土协会发布了广泛认可的《结构混凝土建筑规范要求》(参考文献1.10)，作为钢筋混凝土建筑设计和施工的指南。虽然美国混凝土协会规范本身没有官方地位。 然而，在钢筋混凝土领域，它通常被认为是当前良好实践的权威表述。因此，它已被纳入《国际建筑规范》和类似的法典中，这反过来又被法律采纳为具有法律地位的市政和区域建筑法规。因此，其规定实际上拥有法定地位。美国大多数钢筋混凝土建筑和相关建筑都是按照现行的美国混凝土协会规范设计的。它还作为许多其他国家的示范文件。第二份美国混凝土协会出版物《结构混凝土建筑规范要求的评注》(参考文献1.11）为规范条款提供了背景材料和基本原理。美国混凝土学会还出版重要的期刊和标准，以及分析和设计特殊类型的混凝土结构的建议，例如图1.11的蓄水池以及特殊类型混凝土结构的设计。
美国的大多数公路桥梁都是根据美国国家公路与运输协会标准中的桥梁规范（参考文献1.3）的要求设计的，它不仅包含前面提到的荷载和荷载分布的规定，还包括混凝土桥梁的设计和施工的详细规定。许多条款严格遵循与美国混凝土学会的规定，尽管会发现一些显著的差异。
铁路桥梁的设计根据美国铁路建设与维护协会的铁路工程手册（参考文献1.4）的规定进行。虽然它也在大多数方面模仿了美国混凝土学会规范，但是它包含了与所有类型的铁路结构有关的附加材料。
在混凝土结构设计中，没有任何准则或设计规范可以被解释为可靠的工程判断的替代品。在结构实践中，经常遇到特殊情况，其中规范条款只能作为指导，工程师必须依靠对结构力学应用于钢筋混凝土或预应力混凝土的基本原理的扎实理解，以及对材料性质的深入了解。
1.7美国混凝土学会规范的安全规定
美国混凝土学会规范的安全规定以公式（1.3b）和（1.3c）的形式给出，使用强度降低因素和载荷因素。这些因素在某种程度上取决于统计信息，但在更大程度上取决于经验、工程判断和折中方法。换言之，结构或构件的设计强度phi;Sn必须是至少等于从设计极限荷载中计算出的所需强度U，即，
设计强度ge;所需强度
或
phi;Snge;U （1.4）
用公认的方法计算出名义强度Sn(通常比较保守)。所需强度U是通过对各自的使用负荷施加适当的负荷系数来计算的:恒载D,活载L,风荷载W,地震荷载E,土压力H,流体压力F,冲击容限I和环境影响T，可能包括沉降、蠕变、收缩和温度变化。一般意义上定义载荷包括载荷或相关的内部效应，例如力矩，剪力和冲力。因此，在特定的条件下，对一个成员来说，例如，力矩、剪切力和轴向载荷:
phi;Mnge;Mu (1.5a)
phi;Vnge;Vu (1.5b）
phi;Pnge;Pu (1.5c）
下标n分别表示挠曲、剪力和轴向荷载的名义强度，下标u表示设计极限载荷力矩，剪切力和轴向载荷。在计算正确的设计极限荷载影响时，负载因素可以应用于使用荷载本身，也可以应用于从使用负载计算出的内部载荷效应。表1.2总结了美国混凝土学会规范中规定的载荷系数，适用于在适当的规范或标准中规定的计算的恒载、活载荷和环境载荷。这与第1.4节和美国土木工程师学会相关期刊7“建筑物和其他结构的最小设计荷载”（参考1.1）中介绍的概念一致，并允许使用结构钢和钢筋混凝土组合来设计复合结构。对于单个载荷而言，与较大可变载荷（例如活载）相比，确定性的载荷例如恒载有较低影响因数。此外，对于载荷组合而言，例如恒载，活载和风荷载组合，此外，对于荷载组合，如恒载、活载和风荷载组合的情况，减少适用于一个负荷或另一个反映一个过大的活负荷与异常高的风暴相重合的不可能性。这些因素也以一般方式反映了内部荷载效应的不确定性，这些不确定因素是由系统的外部载荷计算出来的，就像高度不确定的非弹性钢筋混凝土结构一样复杂，此外还包括变截面构件（由于拉应力开裂， 不连续加固等）。最后，载荷因数也区分为两种情况，特别是当除了重力之外还存在水平力时，即所有载荷的作用是同时相加的情况，这与各种载荷作用相互抵消的情况截然不同。例如，在挡土墙中，土压力会产生倾覆力矩，而重力会产生与其抵消的稳定力矩。
在表1.2中的所有情况下，控制方程是给出最大设计极限荷载效应U的方程。根据知识状态，即可计算各种强度的精度，美国混凝土学会规范中的强度折减因子phi;被赋予了不同的值。因此，弯曲的值比剪切或轴承的值要大。另外，phi;值反映了可能的重要性，对于结构的形成，特定的构件以及可能实现的质量控制。由于这两个原因，对柱使用的值比对梁使用的值低。表1.3给出了在美国混凝土学会规范中指定的phi;值。
强度折减系数（表1.3）和荷载系数（表12）联合应用的目的是使产生的强度不足的概率约为1/100的和产生过载的概率约为1/1000。这样就使得结构失效的概率只有1/ 100000。
除了表1.3中给出的值，美国混凝土学会规范的附录B--增强和预应力混凝土弯曲和压缩构件的替代规定》中允许使用以前版本中的荷载系数和强度折减系数。美国混凝土学会规范附录B的载荷系数和强度折减系数与该附录的详细要求一起进行校准。因此，它们不能与“规范”主体部分的规定互换。
1.8对钢筋混凝土行为的基本假设
结构工程师的主要任务是结构的设计。设计是确定一个特定结构的一般形状和所有特定的尺寸，这样它就能执行它的预设的功能，并且在它整个的使用生命周期中能够安全地承受外界对其施加的作用的影响。这些影响主要是其受到的荷载和其他力量，以及其他有害因素，如温度波动，地基沉降和腐蚀性影响。结构力学是设计过程中的主要工具之一。正如这里所理解的那样，科学知识的主体允许人们准确地预测一个给定形状和尺寸的结构是如何在已知的力或其他机械影响作用下工作。具有实际意义的主要内容是：（1）结构的强度，即给定分布的载荷的大小，这将导致结构失效;（2）变形，如变形的挠度和程度即在使用条件下加载时结构将会发生破裂。
钢筋混凝土力学的基础命题如下：
- 构件任何截面处的内力，如弯矩，剪力和法向应力以及剪应力均与该截面处的外部载荷的作用相平衡。这个命题不是一个假设，而是一个事实，因为任何主体或其他任何部分只有在作用于其上的所有力平衡时才能静止。
- 嵌入式钢筋(单位延伸或压缩)的应变与周围混凝土的应变相同。用不同的方式表达，假设在交界面上混凝土和钢之间存在完美的结合，那么这两种材料之间不会发生滑移。因此，一个变形，另一个也会跟着变形。使用现代变形钢筋（参见2.14节），除了自然表面附着力之外，还提供了高度的机械联锁，所以这个假设非常接近正确假设。
- 在加载前，平面上的横截面仍然是平面的。准确的测量结果表明，当钢筋混凝土构件的加载接近失效时，这种假设不是绝对准确的。然而，偏差通常很小，并且基于这种假设的理论结果可以很好地检验大量的测试信息。
- 鉴于混凝土的抗拉强度和其抗压强度相比只产生很小的作用（见第2.9节），因此处于受拉状态的构件的那部分混凝土通常会开裂。虽然这些裂缝在设计良好的构件中通常非常狭窄以致难以看见（它们通常被称为发丝裂缝），但这些裂缝显然使得混凝土不能再抵抗拉应力。相应地，假定混凝土不能抵抗任何拉应力。这种假设显然是对实际情况的简化，因为事实上，混凝土在开裂之前，以及裂缝之间的混凝土，确实能抵抗小幅度的张力。后来在讨论钢筋混凝土梁对剪力的抵抗力时，显而易见的是，在某些条件下，这种特定的假设被忽略，并且优点是混凝土可以形成适度的抗拉强度。
- 该理论基于两种组成材料的实际应力 - 应变关系和强度特性（参见第2.8节和第2.14节）或一些合理的等效简化。事实上，非弹性行为在现代理论中得到反映，即混凝土被认为对张力无效，并且考虑到这两种材料的共同作用会导致分析方法比那些对由单一的基本弹性材料制成的构件来说是适用的分析方法来得更复杂，而且更具挑战性。
这五种假设允许人们在一些简单的情况下只通过计算来预测钢筋混凝土构件的性能。实际上，混凝土和钢铁这两种不同且复杂的材料的共同作用是如此复杂，以至于它还没有用于纯粹的分析处理。因此，在使用这些假设的同时，设计和分析方法很大程度上是基于广泛和持续的实验研究的结果。随着其他测试依据的出现，它们逐渐被修改和改进。
1.9构件受轴向荷载的作用
钢筋混凝土在从零到加载极限的全部载荷范围内表现出的行为的许多基本原理，都可以用承受简单的轴向压缩或张力的构件来清楚地说明。这里阐述的基本概念将在后面的章节中对梁，板，偏心受载柱以及受到受到更复杂荷载状况的其他构件进行分析和设计。
- 轴向压缩
在主要承受轴向压缩荷载或仅承受轴向压缩荷载的构件（如建筑柱）中，使混凝土承受大部分荷载是很经济的。尽管如此，还是有一些钢筋因为各种各样的理由被使用。一方面，很少的构件是真正的轴向加载的；钢筋对于抵抗可能存在的任何弯曲是必不可少的。另一方面，如果总载荷的一部分由具有更高强度的钢筋来承载，那么部件的横截面尺寸可以减少，更重要的是，使得增强量越大。
钢筋混凝土柱的两种主要形式如图1.15所示。在方柱中，四根纵向钢筋用作主钢筋。它们是由横向小直径的钢连接固定在一起，防止在施工过程中对主筋的位移，并抵消任何通过破裂薄外表面而使压缩筋从混凝土中脱出的趋势。左边显示的是一根圆柱，由八根主筋组成。这些圆柱由一个紧密间隔的螺旋体包围，其用途与间隔较宽的连接体的用途相同，但也用于将混凝土限制在其内，从而增加其对轴向压缩的抵抗力。下面的讨论适用于捆绑的柱。
当施加轴向荷载时，在整个横截面上的压缩应变是相同的，并且鉴于混凝土和钢之间的结合，在这两种材料中是相同的（参见1.8节中的命题2和3）。为了说明这种构件在施加荷载时的作用，图1.16展示了两个典型的应力-应变曲线，一个是抗压强度fc = 4000 psi的混凝土，另一个是屈服应力为fy = 60,000 psi的钢筋。两种材料的曲线用不同的垂直应力比例尺绘制在同一图上。曲线b的形状可以通过混凝土圆柱体试验中获得。大多数结构的加载速度比圆柱体试验中的加载速度慢得多，并且这会影响曲线的形状。因此，曲线c被认为是缓慢加载下混凝土性能的特征曲线。在这些条件下，试验表明，钢筋混凝土的最大可靠抗压强度约为0.85fc，如图所示。
弹性行为 在低应力下，在fc/2附近，混凝土的表现几乎是弹性的，即应力和应变的比例是相当接近的;直线d代表了这一系列的行为的范围，对于两种加载速率都没有什么误差。对于给定的混凝土，范围延伸到大约0.0005的应变。另一方面，钢筋的弹性在接近于60 ksi时达到屈服点，或者达到更大的应变为0.002。
由于混凝土中的压缩应变在给定的任意载荷下都等于钢筋中的压缩应变，
由此得到钢应力f与混凝土应力fc之间的关系
其中n = Es / Ec，被称为模数比。
那么
或 (1.7）
该术语可以解释为虚构的混凝土截面区域，即所谓的变形区域，当受到特定的混凝土应力fc时，其结果与与由钢筋和混凝土组成的实际区段具有相同的轴向载荷P。这个变形的混凝土区域被认为是由实际的混凝土面积加上钢筋面积的n倍组成。如图1.17所示。也就是说，在图1.17b中，沿着两个面的每一个面上的三根钢筋被认为是在距离该截面轴线相同的距离处被移除和替换，并增加了总量的虚拟混凝土面积。另外，如图1.17c所示，人们可以将钢筋的面积换成混凝土，在这种情况下，必须增加其面积到总混凝土面积Ag，因此只能得到（n-1）Ast， 获得相同的总变换面积。因此，又或者，
(1.8)
如果已知荷载和横截面尺寸，则可以通过求解公式（1.7）或公式（1.8）来求出混凝土应力，钢筋应力可以由公式（1.6）计算。这些关系保持在混凝土的弹性范围内，即达到fc的约50％至60％之间。出于安全和适用性的考虑，正常情况下结构中的混凝土应力应保持在此范围内。因此，这些关系可以计算出使用荷载应力。
快速和慢速加载结果的比较展示如下。由于混凝土的蠕变，在缓慢加载或长时间持续加载的情况下，使给定的柱产生缩短的荷载比快速加载时所需要的荷载来得小。更重要的是，应力超出了混凝土的比例极限，而且施加的载荷越慢或其承受的时间越长，混凝土承受的总荷载份额越小，钢筋所占的份额也越大。在样品柱中，钢被认为在弹性范围内承载13.3％的载荷，在快速加载下0.001的应变为14.7％，而在缓慢或持续载荷下在相同应变下承载18.8％。
强度 结构设计师的主要把握的结构性质之一是强度，即结构或构件将承载的最大载荷。关于应力，应变和类似量的信息是主要用作确定承载能力的工具。柱的性能 （1）在达到最大载荷和随后失效之前的很大应力和应变范围内，不能使用弹性关系;（2）在快速和缓慢或持续载荷下，构件的行为不同，并且对后者的阻力比对前者的阻力小。在通常的结构中，诸如结构的重量和其中容纳的任何永久性设备的许多类型的载荷得以维持，并且其他载荷以低速应用。为此， 要计算可靠的抗
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