鋼筋混凝土結構設計可靠性分析

李泉江

（華藍設計（集團）有限公司　廣西　南寧市　530011）

鋼筋混凝土結構設計可靠性分析

李泉江

（華藍設計（集團）有限公司廣西南寧市530011）

鋼筋混凝土結構已經成為當今建筑領域廣泛使用的材料，在實現建筑技術性能和功能的過程中發揮著越來越重要的作用，然而鋼筋混凝土結構的可靠性決定了建筑結構的安全性和使用壽命，因此有必要研究其結構設計，提高其可靠性。本文首先研究了鋼筋混凝土梁的設計，然后詳細探討了鋼筋混凝土結構概率設計和可靠指標，最后結合工程案例給予了分析。

鋼筋混凝土；結構設計；可靠性分析

1　引言

鋼筋混凝土結構是一種經過特殊加工、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部原因的干擾而導致出現鋼筋混凝土結構的裂縫，造成鋼筋混凝土結構的可靠性下降，并會影響鋼筋混凝土結構的安全與功能，甚至會造成建筑物嚴重的事故。在這個問題上，我們不應該從更換建筑材料的角度去解決問題，而應該從鋼筋混凝土出現裂縫的原因入手，通過對材料、技術、工藝等核心要素的控制來預防鋼筋混凝土結構裂縫，進而確保鋼筋混凝土結構的強度與質量。

2　鋼筋混凝土梁的設計

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。設計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，經過適當配筋調整，裂縫寬度能勉強地滿足要求，其計算裂縫寬度很小，然而這種梁出現裂縫的可能性較大。

（1）鋼筋混凝土梁在框架鋼筋混凝土結構的計算中，不必增加配筋量，只需按計算配夠負筋既可。由于地震作用等水平力作用，常使得鋼筋混凝土梁端的負彎矩遠大于鋼筋混凝土梁跨中的正彎矩。設計中為了框架鋼筋混凝土梁負筋的減少，需將鋼筋混凝土梁負彎矩乘以一個0.85調幅系數進行調幅，使鋼筋混凝土梁端負彎距減少，如果在框架計算時作負彎距調幅，而配筋時又將負筋放大，并相應增加跨中正彎距，可使鋼筋混凝土梁配筋均勻。

（2）鋼筋混凝土梁側的縱向鋼筋設計應該注意這些問題：梁側的縱向鋼筋包括梁側縱向構造鋼筋和抗扭縱筋。在鋼筋混凝土結構的實際設計中，常會遇到鋼筋混凝土梁側抗扭縱筋很大，由于電算設計時的抗扭縱筋面積較大，在下面的計算中應做合理的調整。規范規定梁腹板高大于45cm時，梁的兩個側面應沿高度合理配置縱向構造鋼筋，每側縱向構造鋼筋的間距不宜大于20cm，每側截面面積不應小于腹板截面的0.1%，鋼筋混凝土梁側縱向鋼筋的直徑一般為14～16mm；目前電算程序在結構構件計算時尚未考慮現澆樓板對鋼筋混凝土梁扭轉影響，必須需要人為地給程序一個梁扭矩折減系數，合理選擇鋼筋混凝土梁扭矩折減系數是必要的。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，調整后計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范的規定。

（3）強柱弱梁的設計理念主要是針對抗震設防而出現的，鋼筋混凝土柱的破壞能導致整個建筑物倒塌，而在某些區域中，可能會發生鋼筋混凝土梁的破壞。在設計時，應嚴格控制鋼筋混凝土柱軸壓比，筆者認為軸壓比不宜過大，我們對柱斷面及配筋設置時應分部位處理，應該全柱通長加密箍筋，且配箍率滿足規范要求，矩形截面柱對稱配筋。同時建議適當加強角柱、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際受彎承載力大，從而在地震作用下促進梁鉸機制的形成。

3　鋼筋混凝土結構概率設計和和可靠指標

影響鋼筋混凝土結構的不定因素很多，在設計、使用運作、施工中都會存在這些不定因素，從而使結構在可靠性、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計建造和使用結構，仍不能保證結構抗力R大于作用效應S，從而不能保證結構是絕對安全的。但是從概率論的觀點來看，當這種可能性達到極小時，就可以認為結構是可靠的。

3.1結構的實效概率和可靠概率

從概率學的角度來講，需要計算出S>R時的失效概率ρf。

在實際計算中，采用了把隨機變量S、R等只看成兩個統計數字特征值，即標準差σ及平均值μ，然而若采用數學方法求解失效概率ρf將會很復雜難懂，并且在計算時采用了線性化手段，不考慮二次以上的統計特征值。

如果影響結構可靠度的隨機變量S和R是相互獨立的，并且沒有其他影響因素，并且隨機變量S和R若服從正態分布時，可取Z=R-S=g（R，S）作為結構的功能函數。

隨著條件的不同，功能函數具有如圖1所示的三種可能，因此可用結構的功能函數來判別結構當前所處的工作狀態。

圖1　鋼筋混凝土結構狀態圖

（1）當Z<0時，（R

（2）當Z>0時，（R>S），結構處于可靠狀態；

（3）當Z=0時，（R=S），結構處于極限狀態。

要使鋼筋混凝土結構安全可靠，需要滿足的必要條件是：Z≥0。

3.2結構的目標指標和可靠指標

考慮到計算和使用不便，雖然采用失效概率來衡量鋼筋混凝土結構的可靠性，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β=μzσz來代替ρf度量結構的可靠性。其中σz為結構功能函數的標準差；μz為結構功能函數的平均值。

β與ρf之間存在一定反比關系，如表1所示。

表1　β與ρf關系對應表

在進行水工混凝土結構設計時，由于需要考慮水工建筑物對重要性的不同要求，應根據水工建筑物的級別，采用不同安全級別的水工建筑物結構。查表得知，應采用3級的水工建筑物結構安全級別。

當采用可靠指標βT來設計鋼筋混凝土結構時，應滿足β≥βT，其中，βT為目標可靠指標（允許的可靠指標）。當采用失效概率設計時，應滿足：ρf≤[ρf]，其中，[ρf]為允許的失敗概率。當按照承載能力極限狀態（持久狀況）設計時，可采用如表2所示的目標可靠指標βT。

表2　承載能力極限狀態設計時結構構件目標可靠指標βT

4　工程實例分析

已知一辦公樓屋面采用自重為2.0kN/m2的預制板，板寬b= 1.2m，計算跨度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際情況來確定屋面板的彎矩設計值：

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算可變載荷，其可變載荷標準值為：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；

預制板自重2.0kN/m；

厚板底抹灰17×0.02=0.34kN/m2，合計3.57kN/m2。

因此，作用在板上的永久載荷標準值為：gk=3.57×1.2=4.28kN/m。

4.3屋面板跨中彎矩

持久設計狀態γ=1.0；

Ⅱ級安全級別γ0=1.0；

板的計算跨度l0=3.0m；

板跨中截面彎矩設計值M=7.11kN/m。

5　結語

鋼筋混凝土結構設計是復雜的過程，任何參數錯誤的選擇均有可能使整個設計結果存在不安全因素，導致整個設計出現錯誤，甚至造成嚴重的工程事故。本文針對鋼筋混凝土結構設計的常見問題進行深入地分析和探討，我們應追求突破，不斷創新，為建造出更好的工程項目而一直努力。

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

[2]《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）.中國建筑工業出版社，2010.

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

TU201.1

A

1673-0038（2015）23-0044-02

2015-5-12

李泉江（1983-），男，碩士，主要從事結構設計工作。