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2017年一級(jí)建造師《建筑工程》章節(jié)精講：建筑結(jié)構(gòu)工程的安全性

　　一、結(jié)構(gòu)的功能要求

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是要保證所建造的結(jié)構(gòu)安全適用，能夠在規(guī)定的期限內(nèi)滿足各種預(yù)期的功能要求，并且要經(jīng)濟(jì)合理。具體說(shuō)，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下幾項(xiàng)功能：

　　(1)安全性

　　在正常施工和正常使用條件下，結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受可能出現(xiàn)的各種荷載作用和變形而不發(fā)生破壞;在偶然事件發(fā)生后，結(jié)構(gòu)仍能保持必要的整體穩(wěn)定性。例如，廠房結(jié)構(gòu)平時(shí)受自重、吊車、風(fēng)和積雪等荷載作用時(shí)，均應(yīng)堅(jiān)固不壞，在遇到強(qiáng)烈地震、爆炸等偶然事件時(shí)，允許有局部的損傷，但應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定而不發(fā)生倒塌。

　　(2)適用性

　　在正常使用時(shí)，結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能。如吊車梁變形過(guò)大會(huì)使吊車無(wú)法正常運(yùn)行，水池出現(xiàn)裂縫便不能蓄水等，都影響正常使用，需要對(duì)變形、裂縫進(jìn)行必要的控制。

　　(3)耐久性

　　在正常維護(hù)的條件下，結(jié)構(gòu)應(yīng)能在預(yù)計(jì)的使用年限內(nèi)滿足各項(xiàng)功能要求，也即應(yīng)具有足夠的耐久性。例如，不致因混凝土的老化、腐蝕或鋼筋的銹蝕等而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。

　　安全性、適用性和耐久性概括稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。

　　二、兩種極限狀態(tài)(外力為作用、內(nèi)力為效應(yīng))

　　為了使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既可靠又經(jīng)濟(jì)，必須進(jìn)行兩方面的研究：一方面研究各種“作用”在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的各種效應(yīng);另一方面研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗這些效應(yīng)的內(nèi)在的能力。這里所謂的“作用”主要是指各種荷載，如構(gòu)件自重、人群重量、風(fēng)壓和積雪重等;此外，還有外加變形或約束變形，如溫度變化、支座沉降和地震作用等。后者中有一些往往被簡(jiǎn)化為等效的荷載作用，如地震荷載等。本書(shū)主要討論荷載以及荷載所產(chǎn)生的各種效應(yīng)，即荷載效應(yīng)。荷載效應(yīng)是在荷載作用下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力(如軸力、剪力、彎矩等)、變形(如梁的撓度、柱頂位移等)和裂縫等的總稱。抵抗能力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗上述荷載效應(yīng)的能力，它與截面的大小和形狀以及材料的性質(zhì)和分布有關(guān)。為了說(shuō)明這兩方面的相互關(guān)系，現(xiàn)舉一個(gè)中心受拉構(gòu)件的例子(圖1A411011-1)。

　　這里，荷載效應(yīng)是外荷載在構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的的軸向拉力S。設(shè)構(gòu)件截面積為A，構(gòu)件材料單位

　　面積的抗拉強(qiáng)度為f1，則構(gòu)件對(duì)軸向拉力的抵抗能力為R=f1A。顯然：

　　若S>R，則構(gòu)件將破壞，即屬于不可靠狀態(tài)；

　　若S

　　若S=R，則構(gòu)件處于即將被破壞的邊緣，稱為極限狀態(tài)。

　　很明顯，S>R是不可靠的，R比S超出很多是不經(jīng)濟(jì)的。我國(guó)的設(shè)計(jì)就是基于極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)。

　　推廣到一般情況，如果結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足上述某項(xiàng)規(guī)定的功能要求時(shí)，稱這一狀態(tài)為極限狀態(tài)。極限狀態(tài)通常可分為如下兩類：承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)。(承限：強(qiáng)度極限值外——安全性 正限：強(qiáng)度極限值內(nèi)——適用性)

　　承載能力極限狀態(tài)是對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形，它包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因強(qiáng)度超過(guò)而破壞，結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體而失去平衡(如傾覆、滑移);以及在反復(fù)荷載下構(gòu)件或連接發(fā)生疲勞破壞等。這一極限狀態(tài)關(guān)系到結(jié)構(gòu)全部或部分的破壞或倒塌，會(huì)導(dǎo)致人員的傷亡或嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，所以對(duì)所有結(jié)構(gòu)和構(gòu)件都必須按承載力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格保證施工質(zhì)量，以滿足結(jié)構(gòu)的安全性。

　　正常使用的極限狀態(tài)說(shuō)明參見(jiàn)1A411012的內(nèi)容

　　三、桿件的受力形式

　　結(jié)構(gòu)桿件的基本受力形式按其變形特點(diǎn)可歸納為以下五種：拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖1A411011-2。

　　實(shí)際結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件往往是幾種受力形式的組合，如梁承受彎曲與剪力;柱子受到壓力與彎矩等。

　　四、材料強(qiáng)度的基本概念

　　結(jié)構(gòu)桿件所用材料在規(guī)定的荷載作用下，材料發(fā)生破壞時(shí)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度，要求不破壞的要求，稱為強(qiáng)度要求。根據(jù)外力作用方式不同，材料有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。對(duì)有屈服點(diǎn)的鋼材還有屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的區(qū)別。(達(dá)到屈服強(qiáng)度：變形 達(dá)到極限強(qiáng)度：破壞)

　　在相同條件下，材料的強(qiáng)度高，則結(jié)構(gòu)桿件的承載力也高。

　　五、桿件穩(wěn)定的基本概念

　　在工程結(jié)構(gòu)中，受壓桿件如果比較細(xì)長(zhǎng)，受力達(dá)到一定的數(shù)值(這時(shí)一般未達(dá)到強(qiáng)度破壞)時(shí)，桿件突然發(fā)生彎曲，以致引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)。因此，受壓桿件要有穩(wěn)定的要求。

　　圖1A411011-3為一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的壓桿，承受軸向壓力P，當(dāng)壓力P增加到Pij時(shí)，壓桿的直線平衡狀態(tài)失去了穩(wěn)定。Pij具有臨界的性質(zhì)，因此稱為臨界力。兩端鉸接的壓桿，臨界力(理解為抵抗能力)的計(jì)算公式為：Pij=π2EI/l2。

　　臨界力Pij的大小與下列因素有關(guān)：

　　(1)壓桿的材料：鋼柱的Pij比木柱大，因?yàn)殇撝�的彈性模量E大;

　　(2)壓桿的截面形狀與大�。航孛娲蟛灰资Х�(wěn)，因?yàn)閼T性矩I大;

　　(3)壓桿的長(zhǎng)度l，長(zhǎng)度大，Pij小，易失穩(wěn);

　　(4)壓桿的支承情況：兩端固定的與兩端鉸接的比，前者Pij大。

　　不同支座情況的臨界力的計(jì)算公式為：Pij=π2EI/l02，l0稱壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度。

　　當(dāng)柱的兩端固定時(shí)，l0=0.5l;一端固定一端鉸支時(shí)，l0=0.7l;兩端鉸支時(shí)，l0=l;一端固定一端自由時(shí)，l0=2l。(固固05、固鉸07、鉸鉸1、固自2)