钢筋混凝土结构设计可靠性分析

2015-10-31李泉江

建材与装饰 2015年23期

关键词：屋面弯矩结构设计

李泉江

（华蓝设计（集团）有限公司　广西　南宁市　530011）

钢筋混凝土结构设计可靠性分析

李泉江

（华蓝设计（集团）有限公司广西南宁市530011）

钢筋混凝土结构已经成为当今建筑领域广泛使用的材料，在实现建筑技术性能和功能的过程中发挥着越来越重要的作用，然而钢筋混凝土结构的可靠性决定了建筑结构的安全性和使用寿命，因此有必要研究其结构设计，提高其可靠性。本文首先研究了钢筋混凝土梁的设计，然后详细探讨了钢筋混凝土结构概率设计和可靠指标，最后结合工程案例给予了分析。

钢筋混凝土；结构设计；可靠性分析

1　引言

钢筋混凝土结构是一种经过特殊加工、灌注和处理的建筑材料，在各个工序中难免会因外部因素和内部原因的干扰而导致出现钢筋混凝土结构的裂缝，造成钢筋混凝土结构的可靠性下降，并会影响钢筋混凝土结构的安全与功能，甚至会造成建筑物严重的事故。在这个问题上，我们不应该从更换建筑材料的角度去解决问题，而应该从钢筋混凝土出现裂缝的原因入手，通过对材料、技术、工艺等核心要素的控制来预防钢筋混凝土结构裂缝，进而确保钢筋混凝土结构的强度与质量。

2　钢筋混凝土梁的设计

梁的截面高度是由挠度与配筋控制其下限值，由裂缝允许值控制上限值。设计中很多人取较大的梁截面以保证挠度满足要求。但大截面低配筋率梁对抗裂并不利，经过适当配筋调整，裂缝宽度能勉强地满足要求，其计算裂缝宽度很小，然而这种梁出现裂缝的可能性较大。

（1）钢筋混凝土梁在框架钢筋混凝土结构的计算中，不必增加配筋量，只需按计算配够负筋既可。由于地震作用等水平力作用，常使得钢筋混凝土梁端的负弯矩远大于钢筋混凝土梁跨中的正弯矩。设计中为了框架钢筋混凝土梁负筋的减少，需将钢筋混凝土梁负弯矩乘以一个0.85调幅系数进行调幅，使钢筋混凝土梁端负弯距减少，如果在框架计算时作负弯距调幅，而配筋时又将负筋放大，并相应增加跨中正弯距，可使钢筋混凝土梁配筋均匀。

（2）钢筋混凝土梁侧的纵向钢筋设计应该注意这些问题：梁侧的纵向钢筋包括梁侧纵向构造钢筋和抗扭纵筋。在钢筋混凝土结构的实际设计中，常会遇到钢筋混凝土梁侧抗扭纵筋很大，由于电算设计时的抗扭纵筋面积较大，在下面的计算中应做合理的调整。规范规定梁腹板高大于45cm时，梁的两个侧面应沿高度合理配置纵向构造钢筋，每侧纵向构造钢筋的间距不宜大于20cm，每侧截面面积不应小于腹板截面的0.1%，钢筋混凝土梁侧纵向钢筋的直径一般为14～16mm；目前电算程序在结构构件计算时尚未考虑现浇楼板对钢筋混凝土梁扭转影响，必须需要人为地给程序一个梁扭矩折减系数，合理选择钢筋混凝土梁扭矩折减系数是必要的。对跨度较大的钢筋混凝土次梁支承于主梁上时，钢筋混凝土次梁的支承端会对主梁产生较大的扭矩，在电算程序中钢筋混凝土次梁的端支座为绞接造成的，调整后计算出来的钢筋混凝土梁的抗扭纵筋面积会很大，必须保证箍筋的配筋率满足规范的规定。

（3）强柱弱梁的设计理念主要是针对抗震设防而出现的，钢筋混凝土柱的破坏能导致整个建筑物倒塌，而在某些区域中，可能会发生钢筋混凝土梁的破坏。在设计时，应严格控制钢筋混凝土柱轴压比，笔者认为轴压比不宜过大，我们对柱断面及配筋设置时应分部位处理，应该全柱通长加密箍筋，且配箍率满足规范要求，矩形截面柱对称配筋。同时建议适当加强角柱、边柱的配筋，所有钢筋混凝土柱建议纵筋均不宜小于20mm。而对梁配筋则建议应配足梁中部筋，避免柱比梁先屈服，使钢筋混凝土梁端能先形成塑性铰。由于柱端受弯承载力比梁端的实际受弯承载力大，从而在地震作用下促进梁铰机制的形成。

3　钢筋混凝土结构概率设计和和可靠指标

影响钢筋混凝土结构的不定因素很多，在设计、使用运作、施工中都会存在这些不定因素，从而使结构在可靠性、适用性、安全性方面同样具有不确定性，即使按正常的方法设计建造和使用结构，仍不能保证结构抗力R大于作用效应S，从而不能保证结构是绝对安全的。但是从概率论的观点来看，当这种可能性达到极小时，就可以认为结构是可靠的。

3.1结构的实效概率和可靠概率

从概率学的角度来讲，需要计算出S>R时的失效概率ρf。

在实际计算中，采用了把随机变量S、R等只看成两个统计数字特征值，即标准差σ及平均值μ，然而若采用数学方法求解失效概率ρf将会很复杂难懂，并且在计算时采用了线性化手段，不考虑二次以上的统计特征值。

如果影响结构可靠度的随机变量S和R是相互独立的，并且没有其他影响因素，并且随机变量S和R若服从正态分布时，可取Z=R-S=g（R，S）作为结构的功能函数。

随着条件的不同，功能函数具有如图1所示的三种可能，因此可用结构的功能函数来判别结构当前所处的工作状态。

图1　钢筋混凝土结构状态图

（1）当Z<0时，（R

（2）当Z>0时，（R>S），结构处于可靠状态；

（3）当Z=0时，（R=S），结构处于极限状态。

要使钢筋混凝土结构安全可靠，需要满足的必要条件是：Z≥0。

3.2结构的目标指标和可靠指标

考虑到计算和使用不便，虽然采用失效概率来衡量钢筋混凝土结构的可靠性，有一定的工程意义，但是，由于有较多的因素影响ρf，所以可引入可靠指标β=μzσz来代替ρf度量结构的可靠性。其中σz为结构功能函数的标准差；μz为结构功能函数的平均值。

β与ρf之间存在一定反比关系，如表1所示。

表1　β与ρf关系对应表

在进行水工混凝土结构设计时，由于需要考虑水工建筑物对重要性的不同要求，应根据水工建筑物的级别，采用不同安全级别的水工建筑物结构。查表得知，应采用3级的水工建筑物结构安全级别。

当采用可靠指标βT来设计钢筋混凝土结构时，应满足β≥βT，其中，βT为目标可靠指标（允许的可靠指标）。当采用失效概率设计时，应满足：ρf≤[ρf]，其中，[ρf]为允许的失败概率。当按照承载能力极限状态（持久状况）设计时，可采用如表2所示的目标可靠指标βT。

表2　承载能力极限状态设计时结构构件目标可靠指标βT

4　工程实例分析

已知一办公楼屋面采用自重为2.0kN/m2的预制板，板宽b= 1.2m，计算跨度l=3.0m，屋面防水层采用二毡三油，屋面用平层为20mm厚的水泥砂浆，20mm厚的板底抹灰，保温层为80mm厚加气混凝土，屋面雪荷载为0.4kN/m2，活荷载为0.7kN/m2，安全级别为Ⅱ级，下面将通过以下工程实际情况来确定屋面板的弯矩设计值：

4.1可变载荷

因屋面雪载荷和活载荷不能同时存在，且雪荷载小于活荷载，故取屋面活荷载来计算可变载荷，其可变载荷标准值为：qk= 0.7×1.2=0.85kN/m。

4.2永久载荷

220mm厚水泥砂浆20×0.02=0.4kN/m2；

二毡三油0.35kN/m280mm厚的加气混凝土6×0.08=0.48kN/m220mm；

预制板自重2.0kN/m；

厚板底抹灰17×0.02=0.34kN/m2，合计3.57kN/m2。

因此，作用在板上的永久载荷标准值为：gk=3.57×1.2=4.28kN/m。

4.3屋面板跨中弯矩

持久设计状态γ=1.0；

Ⅱ级安全级别γ0=1.0；

板的计算跨度l0=3.0m；