混凝土结构设计理论的变迁

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1、混凝土结构设计理论的变迁混凝土结构最早出现于19世纪中期，距今有160多年的历史，相比于传统的砖石结构、木结构等来说，其发展历史并不长，但是其发展速度却很迅速。混凝土结构（包括素混凝土、普通钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土结构）是我国工程建设中应用最普遍的一种结构形式。随着混凝土结构的产生和发展，其设计理论和方法也经历了从无到有，从经验到科学理论和规范的质的变化[1]。结构设计方法的发展，在可靠性分析方面经历了从定量的、经验的到概率的几个发展阶段。在建筑结构设计的初期，人们主要着眼于整个结构的实际承载能力，而未能建立起材料的精

2、确应力应变关系和截面强度等系统概念。设计主要是依靠纯经验的生物比拟，或者是对结构整体进行直接的荷载实验。到了1900年，已形成了比较完整的弹性理论系统，并为大家所接受，也就是形成了一种科学理论范式。在此范式下，形成了基于弹性理论的建筑结构设计理论，即容许应力设计理论。这是建筑结构设计理论发展的第一次飞跃。进入20世纪以后，由于对结构构件破坏性能研究的不断深入，并考虑结构材料的塑性性能，1932年苏联的罗列依托提出了按破损阶段方法设计结构的极限强度理论，即破损阶段理论。这是建筑结构设计理论发展的第二次飞跃。70年代以来，国际

3、上在工程结构设计方法方面，开始采用基于可靠度的概率极限状态设计方法。这是建筑结构设计理论发展的第三次飞跃，也是现行的结构设计理论[2]。工程结构设计理论和方法经过长期的发展,形成了以概率论为基础的极限状态设计方法。我国的设计规范就是基于此理论和方法制定的，目的是保证建筑结构安全可靠、经济合理。然而，受科学技术发展水平的限制以及实际工程结构中存在的多种不确定性因素，上述目的的实现较为复杂。在理论及应用上，目前的结构可靠度设计方法都与工程要求有较大的差距[3]。考虑不同功能要求的结构体系的可靠度理论和方法还在探索中，取得的研究

4、成果目前尚难直接应用于工程设计。故为保证结构的安全可靠，不仅要研究结构材料的力学性能、结构上的各项作用特性、结构的内力分析方法及结构的破坏机理，还应研究结构设计质量对建筑结构安全性能的影响，以及结构设计对结构安全性能的贡献。这对于全面了解我国建筑结构的可靠度水平，真实反映目前建筑结构的安全性能，全面考虑结构生命周期中的设计、施工、使用阶段，选择合理的结构体系、结构布置，保证结构具有明确的传力路径等有着极为重要的意义[4]。1.容许应力设计理论这种方法要求在规定的标准荷载作用下，按弹性理论计算得到的构件截面任一点的应力应不大

5、于规定的容许应力，而容许应力是由材料强度除以安全系数求的的，安全系数则依据工程经验和主观判断来确定。表达式为：式中：—结构材料性能，其值由实验确定；—安全系数。该法的主要优点是应用简便，各种结构用该法设计，一般认为可以满足使用要求。只要保持使用荷载下的低应力，结构的变形和裂缝宽度等很少会达到临界值。容许应力理论是假定材料是匀质的、连续的弹性材料，完全符合虎克定律。但是在结构的可靠度原则方面存在着许多的问题：①没有对使用阶段给出明确的定义，也就是使用阶段荷载的取值原则规定得不明确；②把影响结构可靠的种种因素统统归结在反映材料

6、性质的容许应力上，显然是不合理的；③的取值也无科学依据，纯属经验的，历史上曾多次提高过材料的容许应力；④按容许应力法设计的构件是否安全可靠，无法用实验来验证。2.破损阶段理论容许应力理论存在的重大缺陷使不少研究者转向极限强度理论的探索，并奠定了按构件破坏时的应力状态进行设计的极限强度理论基础。该法不研究构件在使用时的状况，而直接研究构件最终破坏时的承载能力。例如对于一矩形单筋梁，按此法设计时，要求作用在截面上的弯矩不大于极限弯矩除以某一安全系数，其表达式为：，安全系数是用来考虑影响结构安全的所有因素的。该理论的优点主要有：

7、①它能反映出材料的塑性性质，结束了长期以来假定混凝土为弹性体的局面；②该理论采用了一个安全系数，使得构件有了总的安全度的概念；③它以承载能力值为依据，其计算值是否正确可由实验检验。但是破损阶段理论还存在一些重大的缺陷，主要包括：①按破损阶段计算，构件的强度虽然得到了保证，但是却无法了解构件在正常使用时能否满足正常使用要求；②K的取值仍然需要经验确定，并无严格的科学依据；③采用笼统的单一安全系数，无法就不同荷载、不同材料对构件安全的影响加以区别对待，不能正确地对待结构安全度；④荷载的取值也仍然是经验的；⑤采用的材料强度是平均

8、值，它不能正确反映材料强度的变异程度，显然也是不够合理的。3.概率极限状态理论由于破损阶段理论还有诸多的缺点，进一步发展的极限状态理论应运而生。20世纪60年代产生了概率极限状态理论。本理论明确地规定了结构极限状态的概念，并规定了结构设计的承载能力、变形、裂缝出现和开展三种极限状态，比较全面地考虑了结构