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基础设计概论
3.1 介绍
在总结了钢筋混凝土结构（第1章）和对基本材料特性的理解（第2章）之后，现在是时候了解设计过程的实际细节。 本章介绍钢筋混凝土设计中与性能标准相关的基本概念。
3.1.1 设计注意事项
结构设计的目的是设计一个结构，使其在其预期的使用寿命期间具有足够的安全性（在强度，稳定性和结构完整性方面），足够的可用性（在刚度，耐用性等方面）和经济。
安全意味着不仅在正常的预期负荷（使用负荷）下，而且在异常但可能的超负荷下（如由于地震或极端风力），结构（部分或全部）崩溃的可能性是可接受的低。 由于各种可能性，如超过承载能力，倾覆，滑动，弯曲，疲劳断裂等，可能会发生塌陷。安全性的另一个相关方面是结构完整性（见第15.1.3节）。 这里的目标是最小化渐进式崩溃的可能性。
可维修性意味着在服务负载下结构具有令人满意的性能，并且由于过度的挠曲，开裂，振动等而不会使用户感到不适。在可用性范围内的其他考虑因素是耐久性，不可渗透性，隔音和隔热等。充分满足“安全”要求不一定满足“可维护性”要求。 例如，薄钢筋混凝土板可以安全地防止倒塌（通过合适的加固）; 但如果太薄，则可能导致过度的挠曲，裂缝宽度和渗透性（渗漏），并且暴露的钢易腐蚀（从而影响耐久性）。
提高安全设计的裕度可以提高安全性和适用性; 但这会增加结构的成本。 在考虑整体经济时，应考虑增加安全边际成本的增加与可能因任何损害造成的潜在损失权衡。
3.1.2 设计哲学
多年来，各种设计理念在钢筋混凝土设计方面在世界不同地区演变而来。 “设计哲学”建立在几个基本前提（假设）上，并反映了思维方式。
最早的编码设计理念是工作压力设计方法（WSM）。 近百年的历史，这种基于线性弹性理论的传统设计方法，在一些国家（包括印度）仍然存在，尽管它现在被现代极限状态设计理念所忽略。 在对守则（IS 456）的最近（2000年）修订中，有关WSM设计程序的规定已从守则的正文中划分为附录（附录B）“，以便更加强调极限状态设计“（如#39;前言#39;所述）。
历史上，遵循WSM的设计过程是设计的最终负载方法（ULM），该方法在20世纪50年代开发。 基于钢筋混凝土在极限荷载下的（极限）强度，它逐渐发展并逐渐获得认可。 该方法作为WSM的替代品在1956年的ACI代码和1957年的英国代码中以及1964年的印度代码（IS 456）中被引入。
多年来开发设计的概率性概念dagger; 并获得了专业
从20世纪60年代中期开始推动。 该理念基于这样的理论，即设计中的各种不确定性可以在概率论的数学框架中更加合理地处理。 设计中涉及的风险是根据失败概率量化的。 这种概率方法被称为基于可靠性的方法。 然而，这个理论在专业实践中很少被接受，主要是因为这个理论似乎是复杂和棘手的（数学和数字）。
为了获得代码的接受度，概率性的“基于可靠性”的方法不得不简化并且减少到涉及多个（部分）安全因素（而不是失败概率）的确定性格式。 欧洲混凝土委员会（CEB）和国际预应力联合会（FIP）是最早引入极限状态法（LSM）的设计理念，这是基于可靠性的概念[参考文献]。 3.2]。 根据CEB-FIP的建议，LSM在英国法典CP 110（1973）[现在BS 8110（1997）]和印度法典IS 456（1978）中引入。 在美国，LSM在ACI 318-71（现在的ACI 318-95）中采用略有不同的形式（强度设计和可服务性设计）。
因此，在过去的几十年中，设计理念已经有了进步
- 从传统的“工作压力法”，到“极限载荷法”，再到现代的“极限状态法”。
3.2 工作应力法（WSM）
这是传统的设计方法，不仅对钢筋混凝土，而且对结构钢和木材设计。 WSM的概念基础很简单。 该方法基本上假设结构材料以线性弹性方式运行，并且通过适当地限制由结构上的预期“工作负载”（工作负载）引起的材料中的应力，可以确保足够的安全性。 由于规定的允许（#39;允许#39;）应力远低于材料强度（即在应力 - 应变曲线的初始阶段），线弹性行为的假设被认为是合理的。 材料强度与允许应力的比值通常被称为安全系数。
运用“材料强度”的方法，如简单弯曲理论，分析所加载荷下的应力。 为了将这种方法应用于复合材料（如钢筋混凝土），假设应变相容性（由于粘结），由此认为钢筋中的应变等于与其粘合的相邻混凝土中的应变。 此外，由于假定混凝土和钢中的应力与其各自的应变成线性关系，因此钢中的应力与邻接混凝土中的应力由恒定因子（称为模数比）线性相关，定义为钢的弹性模量与混凝土弹性模量之比。
然而，线性弹性行为的主要假设和工作载荷下应力可以保持在“允许应力”范围内的默认假设并不现实。 造成这种情况的因素很多 - 例如蠕变和收缩的长期影响，应力集中的影响以及其他次要影响。 所有这些影响导致计算的应力在局部显着增加和重新分布dagger;。 此外，WSM不能提供对设计背后的实际安全因素的现实衡量。 WSM也不能区分同时作用的不同类型的载荷，但有不同程度的不确定性。 这有时会导致非常不合理的设计，特别是当两种不同的载荷（例如静载荷和风载荷）具有抵消作用时。 3.4。
尽管如此，为了防止这些以及其他针对WSM的缺点，可以说，根据WSM设计的大多数结构在多年以来一直表现令人满意。 该设计通常会导致相对较大的结构构件截面（与ULM和LSM相比），从而在通常的工作载荷下产生更好的可维修性能（更少的挠曲，裂缝宽度等）。 该方法的基本简单性也是值得注意的 - 概念和应用。
还可以注意到，虽然WSM已被一般RC结构（IS 456）的设计代码中的极限状态方法（LSM）所取代，但它仍然继续
dagger;例如，在钢筋混凝土柱受到持续使用荷载的情况下，发现随着时间的推移应力重新分布的程度不仅会超过钢筋的“允许”应力，而且压力甚至可能达到屈服应力 - 从而扰乱基于恒定模数比的WSM的假设和计算[参考文献]。 3.3]。
（IRC 21），水箱（IS 3370）和烟囱（IS 4998）等某些特殊结构在印度被接受的设计方法。
3.3 ULTIMATE LOAD METHOD（ULM）
随着WSM在钢筋混凝土设计中缺点的不断增长，以及随着对钢筋混凝土在极限荷载作用下的行为的认识不断提高，极限荷载设计方法（ULM）在20世纪50年代发展并成为WSM的替代方案。 这种方法有时也被称为载荷因子法或极限强度法。
该方法分析了结构即将坍塌状态下的应力状态，并利用了混凝土和钢筋的非线性应力 - 应变曲线。 这种方法完全避免了“模块化比率”的概念及其相关问题。 设计中的安全措施是通过适当选择负载系数引入的，定义为极限负载（设计负载）与工作负载的比率。 极限载荷法可以使不同类型的载荷在复合载荷条件下分配不同的载荷系数，从而克服了WSM的相关缺点。
这种方法通常会导致更细长的部分，并且通常更经济的梁和柱的设计（与WSM相比），特别是当使用高强度钢筋和混凝土时。
然而，在极限载荷下令人满意的#39;强度#39;性能并不能保证在正常使用载荷下具有令人满意的#39;适用性#39;性能。 由于使用高强度钢筋和混凝土而造成的细长部分，设计有时会在使用荷载下导致过度的挠度和裂缝宽度。
此外，只有在对结构进行适当的非线性极限分析时，才能在设计截面时使用非线性应力 - 应变行为。 不幸的是，由于难以预测钢筋混凝土中“塑料铰链”的行为，通常不在钢筋混凝土结构上进行这种结构分析（除了板坯的屈服线理论外）。 通常情况下，极限荷载下的应力分布分布为荷载因子（s）放大的荷载分布; 换句话说，分析仍然基于线性弹性理论。 这显然是错误的，因为重要的非弹性行为和重新分配的应力结果发生，因为载荷从服务载荷增加到极限载荷。
3.4 概率分析与设计
3.4.1 设计中的不确定性
设计中提供了安全裕度，以防止发生故障（崩溃或无法使用）的风险。 在传统的设计方法中，这些安全裕度主要根据工程判断进行分配（根据WSM中的#39;允许应力#39;和ULM中的#39;加载因子#39;）。 通常发现根据这些传统方法设计的结构总体上没有失效。 但是，设计中提供安全边际的科学基础已经存在
一再被质疑。 由于过去几十年来在各个工程领域的不懈努力，基于可靠性设计的科学发展的目标是为“适当的安全”问题提供合理的解决方案。
设计计算中受不同程度不确定性和随机性影响的主要变量是载荷[ 3.1，例如]，材料特性[图。 3.2，例如]和尺寸。 此外，在结构分析和设计理论中使用了理想化和简化假设。 还有其他几个影响预测强度和适用性的变量，通常无法预料的因素 - 如施工方法，工艺和质量控制，结构的预期使用寿命，未来可能的使用变化，装载频率等。
3.4.2 可靠性分析和设计
从上一节的讨论可以看出，通过对目标失效概率或目标可靠性的可接受风险进行量化，可以获得“适当安全”问题的合理和量化的解决方案。 [#39;可靠性#39;表示为失败概率的补充，即等于（1Pf）。]
评估失败概率Pf（或可靠性）
结构被称为可靠性分析，而设计满足目标可靠性的结构称为可靠性设计[参考文献1]。 3.6。
然而，实际上，可靠性分析和设计涉及相当多的困难。 首先，当涉及大量负荷和阻力“基本变量”时，问题变得复杂，通常情况如此。 积分[Eq。 3.1]变得多维并且相当难以解决（即使采用复杂的技术，例如#39;降低方差#39;的模拟）。 其次，很难获得关于多个变量的联合概率分布的统计数据。 第三，“目标可靠性”很难界定，因为与失败相关的损失受到经济，社会和道德因素的影响，而这些因素很难量化。 第四，现在认识到#39;人为错误#39;是导致失败的主要因素，这很难用概率表示[参考文献1]。 3.1]。
3.4.3 可靠性方法的级别
存在许多级别的可靠性分析。 这些由使用的概率信息的程度来区分。 3.1]。
一个全面的概率分析（3.4.3节讨论的类型）通常被描述为一个III级可靠性方法。 它非常先进，在数学上很难，并且通常用于研究层面。 在实践中显然不适合一般用途。
通过将基本变量的概率信息限制为它们的“二次矩统计”（即均值和方差），可以简化问题。 这种方法被称为二级可靠性方法。 它用可靠性指数来评估结构设计的潜在风险（代替“可靠性指数”的概率）
失败#39;Pf
用于III级方法）。 但是，即使这样的“简化方法”也是如此
不适合设计公司的日常使用，因为它需要应用优化技术来确定。
对于代码使用，该方法必须尽可能简单 - 使用确定性而不是概率性数据。 这种方法被称为I级可靠性方法。 极限状态设计的“多重安全系数”格式属于此类别。 即使传统的设计方法（WSM，ULM）也属于这一类
利用确定性的安全措施，如“允许压力”和“负荷因素”。
3.5 极限状态法（LSM）
极限状态设计方法（LSM）的哲学代表了传统设计哲学的一个明确的进步。 与仅基于服务负荷条件的计算的WSM不同，与仅基于极限负荷条件计算的ULM不同，LSM通过考虑工作负荷的极限负荷和可用性的安全性，旨在为设计问题提供全面合理的解决方案。
通过考虑所有可能的“极限状态”（下一节中定义），LSM理念使用多重安全系数格式，该格式试图在极限载荷下提供足够的安全性，并在服务载荷下提供足够的可用性。 各种多重安全系数的选择应该有一个良好的概率基础，包括单独考虑不同类型的故障，材料类型和负载类型。 从这个意义上说，LSM不仅仅是WSM和ULM的扩展。 它代表了一种新的“范式” - 一种现代哲学。
3.5.1 限制国家
极限状态是即将发生故障的状态，超过此状态，结构在安全性或可用性方面不再令人满意地执行其预期的功能; 即它崩溃或变得无法使用。
有两种限制状态：
1. 极限状态（或“极限状态”），涉及强度，倾覆，滑动，屈曲，疲劳断裂等。
2. 适用性极限状态，用于处理由过度的挠曲，裂缝宽度，振动，泄漏等引起的占用和/或故障的不适，以及耐久性的损失等。
3.5.2 多种安全系数格式
极限状态设计的目标是确保达到任何极限状态的概率是可接受的低。 这可以通过为每个极限状态指定适当的多重安全系数（I级可靠性）来实现。 当然，为了有意义，安全系数的指定值应该在“目标可靠性”中产生（或多或少）。 显然，这需要代码制定机构进行适当的可靠性研究。
大多数国家的法规在20世纪70年代在极限状态设计中引入了多重安全因素 - 主要基于经验，传统和工程判断[参考文献]。 3.7。 随后，代码一直在进行代码校准 - 以确定不同实际情况下可靠性指数的范围（或其等效的故障概率Pf）。 3.1，3.6，3.8]。 随着每个代码修订，有意识的尝试
参考文献
1.Madsen，HO，Krenk，S.和Lind，NC，结构安全方法，Prentice-Hall Inc.，Englewood Cliffs，NJ，1986。
2.CEB-FIP，“国际建筑设计和混凝土结构施工”，1970年巴黎巴黎欧洲国际建筑师联合会。
3.Park，R.和Paulay，T.，Reinforced Concrete Structures，John Wiley＆Sons，Inc.，New York，1975。
4.Rao，PS和Menon，D.，RCChimneys风阻设计中的安全考虑因素，工程师学报（印度） - 土木工程，Vol。 76，Part 4，pp242-248。
5.Cornell，CA，AProbability-BasedStructuralCode，JournalACI，卷。 66
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