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(jīng)成為當今建筑領域廣泛使用的材料，在實現(xiàn)建筑技術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(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)部原因的干擾而導致出現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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(jīng)過適當配筋調(diào)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(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(diào)幅系數(shù)進行調(diào)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(diào)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(diào)整。規(guī)范規(guī)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(xiàn)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(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）強柱弱梁的設計理念主要是針對抗震設防而出現(xiàn)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(qū)域中，可能會發(fā)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(guī)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(tǒng)計數(shù)字特征值，即標準差σ及平均值μ，然而若采用數(shù)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(tǒng)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(tài)分布時，可取Z=R-S=g（R，S）作為結構的功能函數(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，因此可用結構的功能函數(shù)來判別結構當前所處的工作狀態(tài)。

圖1　鋼筋混凝土結構狀態(tài)圖

（1）當Z<0時，（R

（2）當Z>0時，（R>S），結構處于可靠狀態(tài)；

（3）當Z=0時，（R=S），結構處于極限狀態(tài)。

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(shù)的標準差；μz為結構功能函數(shù)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(jù)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(tài)（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(tài)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(tài)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(shù)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(xiàn)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(chuàng)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(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要點[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（02）：64.

TU201.1

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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。