鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性分析

李泉江

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司　廣西　南寧市　530011）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性分析

李泉江

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司廣西南寧市530011）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為當(dāng)今建筑領(lǐng)域廣泛使用的材料，在實(shí)現(xiàn)建筑技術(shù)性能和功能的過程中發(fā)揮著越來越重要的作用，然而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性決定了建筑結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命，因此有必要研究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高其可靠性。本文首先研究了鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)，然后詳細(xì)探討了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)和可靠指標(biāo)，最后結(jié)合工程案例給予了分析。

鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；可靠性分析

1　引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)過特殊加工、灌注和處理的建筑材料，在各個工序中難免會因外部因素和內(nèi)部原因的干擾而導(dǎo)致出現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性下降，并會影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全與功能，甚至?xí)斐山ㄖ飮?yán)重的事故。在這個問題上，我們不應(yīng)該從更換建筑材料的角度去解決問題，而應(yīng)該從鋼筋混凝土出現(xiàn)裂縫的原因入手，通過對材料、技術(shù)、工藝等核心要素的控制來預(yù)防鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，進(jìn)而確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與質(zhì)量。

2　鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)

梁的截面高度是由撓度與配筋控制其下限值，由裂縫允許值控制上限值。設(shè)計(jì)中很多人取較大的梁截面以保證撓度滿足要求。但大截面低配筋率梁對抗裂并不利，經(jīng)過適當(dāng)配筋調(diào)整，裂縫寬度能勉強(qiáng)地滿足要求，其計(jì)算裂縫寬度很小，然而這種梁出現(xiàn)裂縫的可能性較大。

（1）鋼筋混凝土梁在框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，不必增加配筋量，只需按計(jì)算配夠負(fù)筋既可。由于地震作用等水平力作用，常使得鋼筋混凝土梁端的負(fù)彎矩遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土梁跨中的正彎矩。設(shè)計(jì)中為了框架鋼筋混凝土梁負(fù)筋的減少，需將鋼筋混凝土梁負(fù)彎矩乘以一個0.85調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行調(diào)幅，使鋼筋混凝土梁端負(fù)彎距減少，如果在框架計(jì)算時作負(fù)彎距調(diào)幅，而配筋時又將負(fù)筋放大，并相應(yīng)增加跨中正彎距，可使鋼筋混凝土梁配筋均勻。

（2）鋼筋混凝土梁側(cè)的縱向鋼筋設(shè)計(jì)應(yīng)該注意這些問題：梁側(cè)的縱向鋼筋包括梁側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋和抗扭縱筋。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)中，常會遇到鋼筋混凝土梁側(cè)抗扭縱筋很大，由于電算設(shè)計(jì)時的抗扭縱筋面積較大，在下面的計(jì)算中應(yīng)做合理的調(diào)整。規(guī)范規(guī)定梁腹板高大于45cm時，梁的兩個側(cè)面應(yīng)沿高度合理配置縱向構(gòu)造鋼筋，每側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋的間距不宜大于20cm，每側(cè)截面面積不應(yīng)小于腹板截面的0.1%，鋼筋混凝土梁側(cè)縱向鋼筋的直徑一般為14～16mm；目前電算程序在結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算時尚未考慮現(xiàn)澆樓板對鋼筋混凝土梁扭轉(zhuǎn)影響，必須需要人為地給程序一個梁扭矩折減系數(shù)，合理選擇鋼筋混凝土梁扭矩折減系數(shù)是必要的。對跨度較大的鋼筋混凝土次梁支承于主梁上時，鋼筋混凝土次梁的支承端會對主梁產(chǎn)生較大的扭矩，在電算程序中鋼筋混凝土次梁的端支座為絞接造成的，調(diào)整后計(jì)算出來的鋼筋混凝土梁的抗扭縱筋面積會很大，必須保證箍筋的配筋率滿足規(guī)范的規(guī)定。

（3）強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)理念主要是針對抗震設(shè)防而出現(xiàn)的，鋼筋混凝土柱的破壞能導(dǎo)致整個建筑物倒塌，而在某些區(qū)域中，可能會發(fā)生鋼筋混凝土梁的破壞。在設(shè)計(jì)時，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼筋混凝土柱軸壓比，筆者認(rèn)為軸壓比不宜過大，我們對柱斷面及配筋設(shè)置時應(yīng)分部位處理，應(yīng)該全柱通長加密箍筋，且配箍率滿足規(guī)范要求，矩形截面柱對稱配筋。同時建議適當(dāng)加強(qiáng)角柱、邊柱的配筋，所有鋼筋混凝土柱建議縱筋均不宜小于20mm。而對梁配筋則建議應(yīng)配足梁中部筋，避免柱比梁先屈服，使鋼筋混凝土梁端能先形成塑性鉸。由于柱端受彎承載力比梁端的實(shí)際受彎承載力大，從而在地震作用下促進(jìn)梁鉸機(jī)制的形成。

3　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概率設(shè)計(jì)和和可靠指標(biāo)

影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的不定因素很多，在設(shè)計(jì)、使用運(yùn)作、施工中都會存在這些不定因素，從而使結(jié)構(gòu)在可靠性、適用性、安全性方面同樣具有不確定性，即使按正常的方法設(shè)計(jì)建造和使用結(jié)構(gòu)，仍不能保證結(jié)構(gòu)抗力R大于作用效應(yīng)S，從而不能保證結(jié)構(gòu)是絕對安全的。但是從概率論的觀點(diǎn)來看，當(dāng)這種可能性達(dá)到極小時，就可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)是可靠的。

3.1結(jié)構(gòu)的實(shí)效概率和可靠概率

從概率學(xué)的角度來講，需要計(jì)算出S>R時的失效概率ρf。

在實(shí)際計(jì)算中，采用了把隨機(jī)變量S、R等只看成兩個統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征值，即標(biāo)準(zhǔn)差σ及平均值μ，然而若采用數(shù)學(xué)方法求解失效概率ρf將會很復(fù)雜難懂，并且在計(jì)算時采用了線性化手段，不考慮二次以上的統(tǒng)計(jì)特征值。

如果影響結(jié)構(gòu)可靠度的隨機(jī)變量S和R是相互獨(dú)立的，并且沒有其他影響因素，并且隨機(jī)變量S和R若服從正態(tài)分布時，可取Z=R-S=g（R，S）作為結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)。

隨著條件的不同，功能函數(shù)具有如圖1所示的三種可能，因此可用結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)來判別結(jié)構(gòu)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)。

圖1　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖

（1）當(dāng)Z<0時，（R

（2）當(dāng)Z>0時，（R>S），結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；

（3）當(dāng)Z=0時，（R=S），結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。

要使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠，需要滿足的必要條件是：Z≥0。

3.2結(jié)構(gòu)的目標(biāo)指標(biāo)和可靠指標(biāo)

考慮到計(jì)算和使用不便，雖然采用失效概率來衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性，有一定的工程意義，但是，由于有較多的因素影響ρf，所以可引入可靠指標(biāo)β=μzσz來代替ρf度量結(jié)構(gòu)的可靠性。其中σz為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；μz為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的平均值。

β與ρf之間存在一定反比關(guān)系，如表1所示。

表1　β與ρf關(guān)系對應(yīng)表

在進(jìn)行水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，由于需要考慮水工建筑物對重要性的不同要求，應(yīng)根據(jù)水工建筑物的級別，采用不同安全級別的水工建筑物結(jié)構(gòu)。查表得知，應(yīng)采用3級的水工建筑物結(jié)構(gòu)安全級別。

當(dāng)采用可靠指標(biāo)βT來設(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，應(yīng)滿足β≥βT，其中，βT為目標(biāo)可靠指標(biāo)（允許的可靠指標(biāo)）。當(dāng)采用失效概率設(shè)計(jì)時，應(yīng)滿足：ρf≤[ρf]，其中，[ρf]為允許的失敗概率。當(dāng)按照承載能力極限狀態(tài)（持久狀況）設(shè)計(jì)時，可采用如表2所示的目標(biāo)可靠指標(biāo)βT。

表2　承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時結(jié)構(gòu)構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)βT

4　工程實(shí)例分析

已知一辦公樓屋面采用自重為2.0kN/m2的預(yù)制板，板寬b= 1.2m，計(jì)算跨度l=3.0m，屋面防水層采用二氈三油，屋面用平層為20mm厚的水泥砂漿，20mm厚的板底抹灰，保溫層為80mm厚加氣混凝土，屋面雪荷載為0.4kN/m2，活荷載為0.7kN/m2，安全級別為Ⅱ級，下面將通過以下工程實(shí)際情況來確定屋面板的彎矩設(shè)計(jì)值：

4.1可變載荷

因屋面雪載荷和活載荷不能同時存在，且雪荷載小于活荷載，故取屋面活荷載來計(jì)算可變載荷，其可變載荷標(biāo)準(zhǔn)值為：qk= 0.7×1.2=0.85kN/m。

4.2永久載荷

220mm厚水泥砂漿20×0.02=0.4kN/m2；

二氈三油0.35kN/m280mm厚的加氣混凝土6×0.08=0.48kN/m220mm；

預(yù)制板自重2.0kN/m；

厚板底抹灰17×0.02=0.34kN/m2，合計(jì)3.57kN/m2。

因此，作用在板上的永久載荷標(biāo)準(zhǔn)值為：gk=3.57×1.2=4.28kN/m。

4.3屋面板跨中彎矩

持久設(shè)計(jì)狀態(tài)γ=1.0；

Ⅱ級安全級別γ0=1.0；

板的計(jì)算跨度l0=3.0m；

板跨中截面彎矩設(shè)計(jì)值M=7.11kN/m。

5　結(jié)語

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是復(fù)雜的過程，任何參數(shù)錯誤的選擇均有可能使整個設(shè)計(jì)結(jié)果存在不安全因素，導(dǎo)致整個設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯誤，甚至造成嚴(yán)重的工程事故。本文針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問題進(jìn)行深入地分析和探討，我們應(yīng)追求突破，不斷創(chuàng)新，為建造出更好的工程項(xiàng)目而一直努力。

[1]黃士錦，閆玲，劉冉.淺析水利工程中的混凝土施工技術(shù)要點(diǎn)[J].門窗，2014（01）：79.

[2]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]吳崢.淺析水利工程中的混凝土施工技術(shù)要點(diǎn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（02）：64.

TU201.1

A

1673-0038（2015）23-0044-02

2015-5-12

李泉江（1983-），男，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。