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1 设计方法
1.1 工作应力设计和极限强度设计程序的发展
早期的几项钢筋混凝土构件研究都是基于极限强度理论，例如1897年Thullie的弯曲理论和1899年Ritter的抛物线应力分布理论。然而，大约在1900年，Coignet和Tedesco的直线（弹性）理论被普遍接受，这主要是因为弹性理论是其他材料的常规设计方法，也时因为人们认为应力的直线分布导致了数学上的简化。此外，试验表明，使用弹性理论和精心选择的许用工作应力值可使结构在工作荷载下表现出令人满意的性能，并具有足够的防倒塌安全裕度。因此，弹性理论多年来一直是钢筋混凝土设计的基础。
近年来，作为设计基础的极限强度理论受到了新的关注。经过半个多世纪的实践经验和室内试验，对结构混凝土性能的认识大大提高，弹性理论（工作应力）设计方法的不足也日益明显。这导致了工作应力设计方法的周期性调整，但越来越明显的是，设计方法应以混凝土和钢的实际非弹性特性为基础。因此，在1956年美国混凝土协会（ACI）和1957年英国的建筑规范：钢筋混凝土中，极限强度设计成为工作应力设计的替代方案。这两种设计方法总结如下。
工作应力设计(弹性理论)
结构构件截面按直线应力-应变关系设计，保证在使用荷载作用下，钢筋和混凝土中的应力不超过许用工作应力。许用应力作为材料极限强度或屈服强度的固定比例；例如，对于弯曲时的压缩，可以假定混凝土的圆柱体强度为0.45。在假定结构为线弹性的情况下，对超静定结构的弯矩和内力进行了计算。
极限强度设计
结构构件的截面在设计时考虑了非弹性应变以达到极限(最大)强度(即最大强度时的混凝土，通常是钢材屈服)，此时对结构施加的极限荷载等于每个使用荷载乘以其各自的荷载系数之和。实际使用的典型载荷系数为1.4(恒载)和1.7(活载)。假定结构在极限荷载下的线弹性行为，计算了在极限荷载下作用于超静定结构的弯矩和力。或者，计算弯矩和力时考虑到由于在高荷载作用下构件中的作用和变形之间存在非线性关系而可能发生的作用的重新分配。
出现极限强度设计趋势的部分原因如下：
1.钢筋混凝土截面在高荷载下表现为非弹性，因此弹性理论不能可靠地预测构件的极限强度，因为没有考虑非弹性应变。因此，对于按工作应力法设计的结构，精确的荷载系数(极限荷载/使用荷载)是未知的，并且因结构而异。
2.极限强度设计允许更合理地选择荷载系数。例如，低负荷系数可用于已知更精确的负荷(如恒载)，而较高的负荷因数可用于较少确定的负荷(如活载)。
3. 混凝土的应力-应变曲线是非线性的，且随时间的变化而变化。例如，混凝土在恒定持续应力下的徐变应变可能是初始弹性应变的数倍。因此，在工作应力设计中采用的模数比(钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比)是一个粗略的近似。徐变应变会引起钢筋混凝土截面中大量的应力重新分布，这意味着在服役荷载下实际存在的应力往往与设计应力关系不大。例如，柱中的受压钢筋在持续使用荷载作用时可能会达到屈服强度，尽管使用通常推荐的模数比值进行工作应力分析时，这种情况并不明显。极限强度设计不需要了解模块率。
4.极限强度设计利用了由非弹性应变所允许的更有效的应力分布所产生的强度储备，有时它表明工作应力方法是非常保守的。例如，双筋梁中的受压钢筋通常在极限荷载下达到屈服强度，但弹性理论可能表明这种钢筋中存在流动应力。
5.极限强度设计可以更有效地利用高强度钢筋，并且可以在不使用受压钢筋的情况下使用较小的梁高度。
6.极限强度设计允许设计者在后弹性范围内评估结构的延性。这是他在重力荷载设计和地震或爆炸荷载设计中考虑弯矩可能重新分布的一个重要方面。
1.2 强度和适用性设计
最近，人们认识到，钢筋混凝土的设计方法在理想情况下应结合极限强度和工作应力设计的最佳特点。这是可取的，因为如果仅按极限强度要求进行比例分配，则存在这样一种危险，即尽管荷载系数足够大，但使用时的开裂和变形可能过大。如果钢的应力很高或钢筋分布不均匀，裂纹可能会过大。如果采用在极限强度设计中可能出现的浅截面，并且应力较高，则变形可能是至关重要的。因此，为了确保设计令人满意，必须对使用荷载下的裂缝宽度和挠度进行检查，以确定它们是否在结构功能要求所规定的合理限值之内。这种检查需要使用弹性理论。
1964年，欧洲混凝土委员会提出了制定国际钢筋混凝土规范的建议，该文件引入了极限状态设计的概念，提出了参照几种极限状态进行结构设计的建议。最重要的极限状态是：极限荷载时的强度、使用荷载时的挠度和使用荷载时的裂缝宽度。这种做法正在许多国家得到接受。因此，极限强度理论正在成为配筋的主要方法，而弹性理论仅用于确保使用性能。还值得注意的是，极限强度理论多年来一直被苏联和其他一些欧洲国家用于配比型材。使用极限强度设计的趋势很可能会继续下去，很明显，欧洲混凝土委员会的做法和工作应力法在钢筋混凝土建筑规范中消失的时间可能不会太长。
1956年和1963年美国混凝土学会的建筑规范允许使用工作应力或极限强度设计。1971年ACI规范强调基于强度的设计和适用性检查。然而，1971年的规范也允许另一种设计方法，即使用工作应力方法来设计梁的弯曲，并使用分解后的极限强度方程来设计所有其他作用的构件。很明显，这种替代方法的保留只是为了保持传统的设计方法，未来的ACI规范可能会完全忽略这一替代过程。还值得注意的是，1971年ACI规范中的术语发生了变化。“极限”这个词很少出现。例如， “极限强度”写成'强度'。
在本书中，采用了1971年ACI规范的强度和适用性方法，因为它被认为是强调钢筋混凝土的真实行为，是更符合逻辑的设计方法。在可能的情况下，对ACI规范的背景条款进行了概述。在必要时，根据已有的新的研究证据对守则的规定进行了补充，并与其他守则作了一些比较。
1.3 ACI强度和适用性设计
1.3.1强度规定
1971年的ACI规范将结构安全的强度规定分为两部分，即荷载系数和容量减少系数。
载荷系数
载荷系数的目的是确保足够的安全性，以防止超出设计中指定的载荷的服务负载增加，因此极不可能发生故障。载荷系数还有助于确保工作负荷时的变形不会过大。用于恒载、活荷载、侧向土压力和流体压力以及风和地震荷载的荷载系数在大小上不同。对于不同类型的荷载，荷载系数是不同的，因为例如，结构的自重不太可能超过规定的活荷载。结构的极限荷载应至少等于每个使用荷载乘以其各自的荷载系数之和。1971年ACI规范建议，为抵抗恒载D和活载L而提供的所需强度U至少等于
在设计中考虑风荷载W时，所提供的所需强度U也应至少等于
应检查L的全值或零的情况，以及
当由D和W产生的结果具有相反的符号时。如果包括地震荷载E，则Eqs 1.2和1.3也应遵守，以1.1E取代W。其他类型载荷的强度要求载于规范中。
规定的载荷系数不随失效后果的严重程度而变化。例如，人们可能期望用于医院建筑的荷载系数高于用于工业建筑的荷载系数，但是，假定规定的工作荷载包括故障严重性的影响。然而，规定的荷载系数应视为最小值。如果故障的后果特别严重，或者无法对工作负载进行合理估计，则可以适当增加一些。 容量折减系数
提供了容量折减系数phi;，以考虑计算中的近似值以及材料强度、工艺和尺寸的变化。其中每一个都可能在容许范围内，但结合起来，它们可能导致容量不足。可以说，截面的基本强度方程给出了理想强度，前提是该方程在科学上是正确的，材料的强度与规定值相同，尺寸如图纸所示。设计计算中使用的截面的可靠或可靠强度被视为理想强度乘以phi;，其中容量折减系数phi;的值取决于变量的重要性。1971年ACI规范建议的值为：
挠曲，有或无轴向拉力，轴向拉力 phi;=0.90
轴压，压弯：
螺旋状 phi;=0.75
其他 phi;=0.70
（对于轴压趋近于零的小截面，phi;可以线性地增加到0.9）
剪切和扭转 phi;=0.85
其他值参照规范所给
在规定容量折减系数时考虑的其他变量包括成员失效对整个结构造成的后果的严重性，以及失效模式所涉及的预兆。梁具有最高的phi;值，因为它们被设计为随着拉伸钢筋的屈服而以塑性方式破坏。这种破坏的预兆通常是由相当大的裂缝和大变形引起的，而且由于钢强度的变化小于混凝土强度的变化，因此可以准确地预测抗弯强度。柱具有最低的phi;值，因为当混凝土强度是关键因素时，柱可能以脆性方式破坏。此外，柱的破坏可能意味着整个结构的倒塌，而且柱的修复是很难进行的。螺旋加固柱比约束柱具有更强的延性，因此它们被分配了更高的phi;值。剪力和扭转的phi;值是中间的，因为混凝土对强度的贡献比受压构件的贡献要小，而且预测强度的理论也不如挠曲的理论精确。
在设计中，极限荷载是根据可靠的强度来计算的。在理想强度的基础上，结构在恒载和活载作用下的整体安全系数为
(1.4)
在此基础上，对于所达到的截面理想强度的整体安全系数(在弯曲、轴向拉伸或不受轴向拉伸的情况下)，从L/D=0的1.56到L/D=4的1.82，较高的安全系数适当地适用于较高的活荷载条件。对于具有挠曲和轴向压缩的构件，对于L/D在0到4之间的整体安全系数在2.00到2.34之间变化，从而为更重要的建筑构件提供更大的整体安全性。
理想强度是使用混凝土和钢材的指定强度计算的，因为这些强度值通常在实际结构中超出，所以可以提供额外的强度储备。
1.3.2适用性规定
当构件按所需强度进行比例分配时，评估结构在使用荷载下的性能是一个极其重要的考虑因素。这是因为截面较小的构件和受压钢筋较少的截面可以满足强度要求，但在使用荷载作用下会导致较高的应力和变形。因此，必须验证在使用荷载下的挠度是否在可接受的范围内。对于外观和耐久性而言，裂缝的控制也是非常重要的。因此，使用荷载下的裂缝宽度不应超过规定的限值。变形和裂纹宽度的可接受限制很难规定，但1971年ACI规范对此提出了建议。
1.3.3延性规定
在强度和使用性能上可能必须增加的一个重要考虑因素是延展性。对于强度和适用性来说，一个重要的考虑因素是延展性。重要的是要确保在结构加载至失效的极端情况下，其将以延性方式工作。这意味着确保结构不会在没有明显征兆的情况下以一种脆弱的方式失效，而是能够在接近最大承载能力的情况下发生大变形。在接近最大荷载时发生的大变形给出了足够的失效预兆，通过保持承载能力，可以防止整体倒塌，挽救生命。此外，构件的延性行为使其能够在设计弯矩分布时考虑到弹性弯矩模式可能引起的重新分布。
在需要设计地震荷载的区域，延性成为一个非常重要的考虑因素。这是因为现行的地震荷载规范（例如，统一建筑规范）的理念是设计结构使其仅能弹性地抵抗相对中等的地震；在严重地震的情况下，在屈服后，依靠足够的延性，使结构不会倒塌。因此，只有当结构具有足够的延性，能够在屈服范围内承受多个荷载循环时，通过后弹性变形吸收和耗散能量，才能证明地震荷载的建议是合理的。
为确保延性性能，设计师应特别注意纵向钢筋含量、钢筋锚固和压缩混凝土的限制等细节，确保避免所有脆性破坏类型（如剪切破坏）。1971年ACI规范对导致延性截面的纵向钢含量提出了建议，并允许从弹性力矩图中重新分配弯曲力矩。此外，该规范首次包括一个附录，其中给出了抗震设计的特殊规定。
1.4构件强度的考虑
1.4.1构件强度的发展
在设计中，经常需要评估结构构件的可能强度的可能上界和下界。如果要确保结构构件在受力失效时达到所需的强度顺序，就会出现这种情况。例如，在连续框架中的梁柱节点，如果要避免柱的破坏及其可能的灾难性后果，总是希望先发展梁的强度，然后再发展柱的强度。避免所有类型的非延性破坏模式是抗震设计的一个特点。因此，了解结构构件可能的强度变化是非常重要的。
实际结构包含混凝土和钢的强度与规定值之间的变化，并且由于结构公差的原因，不可避免地会出现偏离规定尺寸的情况。同时，在强度方程的推导中也作了一定的假设。因此，很难精确地计算结构的实际强度；但可以定义构件的可能强度级别，这些级别可用于各种类型的设计计算。理想强度、可靠强度、可能强度和极限强度的级别将在以下章节中定义。
1.4.2理想强度Si
构件截面的理想强度或标称强度Si是根据预测截面破坏行为的理论以及假定的截面几何形状和指定的材料强度得到的。这本书的主要部分是关于理想强度的推导，其他强度水平可以方便地联系起来。
1.4.3可靠强度Sd
在第1.3.1节所述的强度规定中。概述了容量减少系数phi;的目的。容量折减系数允许可靠或可靠的强度Sd通过以下方式与理想强度相关联
（1.5）
其中phi;(容量折减系数)小于1。
1.4.4可能强度Sp
可能的强度Sp考虑了这样一个事实，即材料的强度通常大于指定的强度。例如，钢材的屈服强度可能比规定的强度高出20%，而混凝土的强度可能比规定的混凝土强度高出30%，或者在更高的龄期或材料受到三轴压缩时甚至更高。材料的
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资料编号：[1759]
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