任务一　结构的功能要求和极限状态

目　　标：（1）掌握结构的功能要求。

（2）掌握结构的极限状态。

提交成果：结构的功能要求和极限状态课程报告。

一、结构的功能要求

结构设计的目的是在现有的技术基础上，在保证结构安全的前提下，用最经济的手段，使得所设计的结构能够满足如下三个方面的功能要求。

（1）安全性。要求结构在正常施工和正常使用时，应能承受可能出现的各种作用，以及在偶然事件发生时和发生后，仍能保证必需的整体承载力和稳定性。

（2）适用性。要求结构在正常使用时具有良好的工作性能，不出现过大的变形和过宽的裂缝等。

（3）耐久性。要求结构在正常维护下具有足够的耐久性。不发生钢筋锈蚀和混凝土风化等影响结构使用寿命的现象。

上述功能要求概括起来称为结构的可靠性，结构的可靠性是指结构在规定的时间（设计基准期）内，在规定的条件（正常设计、正常施工、正常使用和正常维护）下，完成预定功能的能力。

结构的设计基准期是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。各类工程的设计使用年限不统一，重要性不同的建筑物使用年限也不同。总体而言，一般建筑结构的设计使用年限为50年，桥梁比房屋的设计使用年限长，水工大坝的设计使用年限更长。

结构的可靠性和结构的经济性常常是相互矛盾的。比如在相同荷载作用下，要提高混凝土结构的可靠性，一般可以采用加大截面尺寸、增加钢筋用量或提高材料强度等措施，但是这将使建筑物的造价提高，导致经济效益下降。

科学的设计方法就是在结构的可靠性与经济性之间选择一种最佳方案，使设计的结构既可靠又经济。

二、结构极限状态

结构的极限状态是指整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为以下两大类。

1.承载能力极限状态

当结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形状态时，称该结构或构件达到承载能力极限状态。

当结构或构件出现下列状态之一时，就认为超过了承载能力极限状态。

（1）整个结构或结构的一部分失去平衡。

（2）结构或构件超过强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载。

（3）结构或构件丧失稳定。

（4）整个结构变几何可变体系。

承载能力极限状态是对于安全性功能要求的，所以满足承载能力极限状态的要求，是结构设计的首要任务，因为这关系到结构能否安全的问题，一旦失效，后果严重，所以应具有较高的可靠度水平。

所有结构构件均应进行承载力计算，必要时尚应进行结构的抗倾、抗滑、抗浮验算；对需要抗震设防的结构，尚应进行结构的抗震承载力计算。

2.正常使用极限状态

当结构或构件达到影响正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态时，称该结构或构件达到正常使用极限状态。

当结构或构件出现下列状态之一时，就认为超过了正常使用极限状态。

（1）变形过大，影响结构的外观或正常使用。

（2）对结构的外形、耐久性、抗渗性有影响的局部破坏。

（3）使人们心理上产生不安全的局部破坏，如过宽的裂缝。

（4）使运行人员、设备等有过大的振动，影响正常使用的变形。

（5）产生影响正常使用的其他特定状态。

正常使用极限状态是关于适用性和耐久性功能要求的，当结构或构件达到正常使用极限状态时，虽然会影响结构的使用性、耐久性或使人们的心里感觉无法承受，但一般不会造成生命财产的重大损失。所以正常使用极限状态设计的可靠度水平允许比承载能力极限状态的可靠度水平适当降低。

规范规定，对使用上需控制变形值的结构构件，应进行变形验算；对使用上要求进行裂缝控制的结构构件，应进行抗裂或裂缝宽度的验算。

结构设计的一般程序是先按承载力极限状态设计结构构件，然后再按正常使用极限状态进行验算。

三、结构所处的环境类别

结构构件的正常使用和耐久性要求与结构所处的环境条件有关，将水工建筑物的环境条件分为五个类別，见表2-1。

一类环境条件最好，五类环境最差，不同的环境条件类别，要求不同的耐久性措施，环境条件越恶劣，正常使用极限状态验算的要求越严格。