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1.1 使用可靠度，强度，和结构安全性
为完成这一目的，一个建筑必须能具有安全抵抗倒塌的能力，以及在使用上具有可靠性。可靠度要求偏差（挠度）是足够小的；任何破裂必须保持在可接受的范围内；振动是最小化的等等。安全性要求结构的强度必须足以抵抗所有可预见的荷载。如果一个按设计来施工的建筑，受力情况可以被精确地预测到，且载荷和内在影响（瞬间力、剪力、轴力）可被精确知道，那么安全性可以通过提供稍高于已知荷载的承载能力来确保。然而，在受力分析、设计、钢筋混凝土结构施工中，有大量不确定的因素，这些需要一定安全余量的不确定因素，将在下文一一列举出。
- 真实荷载可能与假设荷载不同。
- 真实荷载的分布情况与假设的不同。
- 在任何分析中，本身的假设和简化，可能会导致计算的荷载——瞬间力、剪力等——与结构的真实情况不同。
- 由于现有知识并不完整，真实的结构行为情况可能与假设的不同。
- 真实的构件尺寸可能与给出的尺寸不同。
- 钢筋可能未安放在适合的位置。
- 真实的材料强度可能与给定的不同。
另外，在安全规范的制定过程中，必须考虑到因出现问题而带来的后果。一些情况下，一个小问题仅仅会造成一点不便，但在其他情况下，这个问题可能会涉及到生命和重要财产的损失，并且需要进一步考虑未来会发生的问题，考虑到那些逐渐形成的且有着充分预警和补救措施的问题，这样人们能更好的对付那些突发的、未意识到的坍塌。
很显然，选择一个合适的安全规范并不是一件简单的事，然而设计时，人们在做出合理安全储备的方面，已有了一定的进步。（参见第1.6节到第1.9节）
荷载的可变性
在建筑的使用过程中，最大荷载出现的时间是不确定的，它能被视为一个随机变量，虽有着这一不确定性，工程师必须设计一个足够抵抗这一最大荷载的结构，通过载荷的概率密度分布函数，可设计出适用于这一最大荷载的可行模型，就像在图表1.14a频率曲线中呈现的那样。这一频率曲线的具体形式，包括那些例如办公室荷载的特殊荷载情况的形式，都能在这些从大量载荷调查中获得的统计数据的基础上决定，而大量的这些荷载调查工作都已经完成，对于那些数据缺乏的荷载形式，可以通过经验、观察和判断来获得相当可靠的信息。
在这样的频率曲线中（图1.14a），位于两个横坐标之间曲线下方的区域，如荷载和，代表了载荷Q发生的可能性大小是，用作设计的给定工作荷载保守地选择在分布曲线上Q的上方部分，如图所示。大于的荷载出现的可能性大小是图中右边的阴影部分，可以看出，这个给定的工作荷载是远大于作用在结构上的平均荷载Q的，这意味着平均荷载比设计荷载更具代表性。
强度
建筑的强度取决于制作时材料的强度，因为这一原因，最小材料强度通过标准的方法详细给出。真实的材料强度不能精确地得知，所以它构成了一些随机变量（参见2.6节）。此外，结构强度还与结构施工时的保护有关，这也反过来反映出监督和检查的质量。其他因素还有：构件尺寸可能和给定的尺寸不同，钢筋可能偏离本身的位置，少放置的混凝土可能没有效果等等。
图1.14 （a）荷载频率曲线
（b）强度，S（c）安全系数，M
整个建筑的强度，或者如公路、天桥这类重复结构的强度，在图1.14b的概率密度分布函数中，可视为随机变量。在负载情况下，我们不能得知这个确定函数的形状，但可以通过已知数据粗略地估计，例如一些真实测量过的材料、构件的强度以及相似的数据信息。有关这一类型荷载的重要信息，已经或正在被研究发展及使用。
结构安全性
一个给定的结构有一个安全系数M，若
（1.1）
换句话说，若建筑的强度大于作用在建筑上的荷载，由于S和Q都是随机变量，这个安全系数也是一个随机变量，对于M的概率函数在图1.14a中呈现。问题发生在当的时候，因此，这些问题出现的可能性在图中以阴影区域的方式呈现。
即使S和Q精确的概率密度分布函数形式是未知的，M的函数也同样未知，但可以通过合理的方法来达到保证结构安全的目的。一种方法是要求平均安全系数M是一个给定的标准差大于零的数字beta;，它可以证明满足这一要求
（1.2）
是一个适用于平均强度、小于一的安全分项系数，是一个适用于平均载荷、大于一的安全分项系数。这两个安全分项系数的大小取决于应用的量的方差，S或Q，以及取决于beta;的取值、建筑的可靠性指标。作为一个基本参考，安全指标beta;在3三到四之间，相当于失效概率约为1/100000（参考1.8节）。beta;的取值是通过校准和和那些已经确定的设计来建立的。
在实际中，就像提到的那样，引入关于规范规定的荷载安全分项系数更为方便，该荷载明显超过平均值，而不是取方程（1.2）中的平均荷载；相似地，对于强度的安全分项系数，是在保守计算应用的名义强度，而不是方程（1.2）中那个的平均强度。这些条款中重新定义的的安全要求是
（1.3a）
在这里，是一个用在名义强度上的强度降低系数，gamma;是一个应用在计算或者规范规定的设计荷载的载荷系数。此外，需认识到恒荷载D和活荷载L之间的不同，而针对不同类型的荷载引入不同的荷载系数的这一方法，是简单而可行的。综上所述，方程可以表示为
（1.3b）
在这里，是一个用于计算恒荷载D、比一大一点的载荷系数，是应用于在规范规定的活荷载L中、一个更大的载荷系数。当有其他荷载，例如存在风荷载W时，这些荷载都应该被考虑进去，同时出现最大的恒荷载、活荷载以及风或其他荷载的这一极小概率事件，可以通过引入一个小于一的因子alpha;来涵盖，即
（1.3c）
现有的美国设计规范都遵循式（1.3b）和式（1.3c）。
1.5 设计基础
对于任何结构构件来说，唯一且最重要的特性就是：它的真实强度必须足够大且有一定余量，来抵挡可预见的将在建筑使用期间出现的所有荷载，并且结构不出现问题或其他危险。因此，构件需满足合适的比例分配，这是合乎逻辑的，即选择混凝土的规格尺寸和钢筋，使构件强度能足够抵抗由假设的过载使用情况下的力，这些力大大高于建筑使用过程中实际发生的荷载，这一设计理念被称为强度理论设计。
对于钢筋混凝土结构，受力接近或达到破坏状态时，一种或者两种材料、混凝土、钢筋，将持续在非线弹性范围内。这表明，结构构件中的混凝土将达到最大强度，随后在某应力和应变处的断裂，此时的应力与应变远远超出二者成比例的线弹性范围。相似地，受力接近或达到失效状态的钢筋，通常受到超出其弹性范围的应力，甚至超出屈服区域。随后，构件的名义强度的计算必须建立在材料的这一非线弹性行为上。
用强度理论设计构件，必须使其在正常使用荷载下有着较好的工作表现。举个例子，梁的挠度必须限定在一个可接受的合适值，在梁受力的情况下，必须控制其挠度和弯曲裂缝的宽度。尽管最初设计时，设计人员仅仅把重心放在强度上，但拥有让结构使用可靠的一些限制条件，在整体设计中是非常重要的一部分。
从过去的观点来说，构件是成比例的，所以由正常工作荷载产生的钢筋与混凝土上的受力，是在规范允许范围内的。如容许应力等的这些限值，仅仅是材料失效应力的一小部分。由于构件在某一工作荷载基础上，按一定要求布置，受力需低于规定使用的荷载容许应力，该容许应力将作为保障安全的极限，且是混凝土抗压强度和钢筋屈服强度的一部分，现在我们偏向于将这一理念作为设计安全使用荷载的基础。实际上，容许应力常限定在混凝土抗压强度和钢筋屈服强度的二分之一。
由于现实和理论之间的差异，在过去的几十年中，强度设计理论已经取代了原来的使用荷载设计理论。然而，原来的理论偶尔依旧可以使用，而且它们也是一些旧建筑的理论设计基础。在这一节中，强度设计理论的内容基本全部呈现给了读者。
1.6 设计规范与准则
如图1.1到图1.12中混凝土结构，都在规范给定的材料、结构分析、构件布置比例等方面的要求下进行设计。国际建筑规范（参考1.2节）是用来统一指导建筑结构设计的，且被各地的政府采用，部分材料相关的规范由各专业成员小组、行业贸易协会和技术研究机构负责。和许多其他的工业化国家不同，美国没有正式的、政府认可的国家标准。
美国混凝土协会（ACI）在这些方面一直以来都是领导者。作为它其中之一的职责，美国混凝土协会已经发布了大量已被认同的关于结构混凝土的的建筑规范要求（参考第1.10节），这些都将作为钢筋混凝土结构设计和建设过程中的指导。ACI规范本身是没有官方地位的，然而在钢筋混凝土领域，它被普遍视为现代优秀建筑实践的官方说明代表。结果是，它现在已经被国际建筑规范和一些相似的规范合并，相应地，一些省市和地区有着法律地位的建筑规范也包含了它，从而它被法律所接受，ACI规范实际上达到了法律地位。美国大部分的钢筋混凝土建筑和相关建筑的设计，都与现在的ACI规范相一致。在许多其他国家，它也是作为参考的范本。ACI第二次发行的是混凝土结构建筑规范要求的说明（参见第1.11节），它提供了这些规范条款的背景材料和基本原理，美国混凝土协会也发行了一些重要的日志和标准，还有一些做分析，或设计如图1.11所示的水槽这种特殊混凝土结构时的建议。
在美国，大多数的公路桥梁按照AASHTO桥梁规范的要求来设计（参见第1.3节），这一规范不仅涉及了之前提到的荷载和荷载分配情况，还包含了详细的用于设计和建设混凝土桥梁的规范。虽然现在已经发现了有许多地方与ACI规范不同，但是其中的许多部分都是紧紧参考ACI规范来制定的。
铁路轨道是根据AMEMA铁路工程手册来设计的（参见第1.4节），它在很多方面也是模仿ACI规范的，但它包含了更多和各种类型的铁路轨道建设有关的额外材料。
1.7 ACI规范中的安全规定
ACI规范中的安全规定由方程（1.3b）和（1.3c）给出，它使用了强度降低系数和载荷系数，这些系数在某种程度上根据统计数据得出，但是很大程度上根据的是工程经验、工程判断、和做一些妥协让步。换句话说，一个建筑或构件的设计强度，必须至少和通过设计荷载计算出的强度要求U一致，即
设计强度ge;要求强度
或
（1.4）
这个名义强度是通过被大家接受的理论计算出的（通常有些保守）。要求强度U是通过对不同的工作荷载，施加合适的载荷系数：恒荷载D、活荷载L、风荷载W、地震荷载E、土压力H、流体压力F、容许冲击I、以及环境效应T，T包括沉降、蠕变、收缩、温度改变。载荷定义为一般意义上的载荷，或相关的内部效应，例如力矩、剪切力和冲切力，因此，对于一个构件而言，用专业术语来说，它将受到力矩、剪切力和轴向力作用：
（1.5a）
（1.5b）
（1.5c）
这里的下标n表示在弯曲、剪切、轴向荷载作用下的名义强度，下标u表示在设计荷载作用下的力矩、剪力、轴向力。在正确计算设计荷载的时候，载荷系数可能会应用在工作荷载本身，或者是工作荷载计算的相关内部效应上。
表1.2 ACI规范中的用于确定所需强度U的设计荷载组合
工况 设计荷载或荷载效应U
基本的
活荷载和流体荷载
雪、雨 温度荷载
和风荷载
地震荷载
以上列举出的各字母代表的荷载，或相关的内部力矩或力，如下列所示：D=恒荷载；E=地震荷载；F=流体荷载；H=土自重或土压力；L=活荷载；=屋面活荷载；R=雨水荷载；S=雪荷载；T=累计的温度应变、蠕变、收缩、不均匀沉降；W=风荷载。
在ACI规范中，荷载组合时包括了F或H荷载。在的基本荷载工况下，反映了大部分的建筑都没有受到F和H荷载，1.4D不足以作为设计时的情况。
在ACI规范中规定的载荷系数，在合适的规范和标准下，被用来计算恒荷载和那些活荷载或环境引起的荷载，它们被总结在表1.2中，这些和第1.4节、SEI/ASCE7、房屋以及其他建筑的最小设计荷载（参见第1.1节）、允许设计采用结构钢筋和钢筋混凝土的复合结构的这些观点相一致。对于单独作用的荷载，较低的系数用在那些更具确定性的载荷上，如恒荷载，而不是那些具有可变性的载荷上，如活荷载。更进一步的说，对于多种荷载同时作用，如同时存在恒荷载、活荷载、风荷载，减小的系数会用在一种荷载上，或是与不常见的风暴类似的及其大的活荷载上，借此来反映出那些极小概率事件。一般来说，这些系数也反映了：通过系统外部荷载计算得到的内部荷载效应的不确定性，和那些不易确定的、非弹性的、由
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