1.4 SERVICEABILITY, STRENGTH, AND S TRUCTURAL S AFETY
To serve its purpose, a structure must be safe against collapse and serviceable in use. Serviceability requires that deflections be adequately small; that cracks, if any, be kept to tolerable limits; that vibrations be minimized; etc. Safety requires that the strength of the structure be adequate for all loads that may foreseeably act on it. If the strength of a structure, built as designed, could be predicted accurately, and if the loads and their internal effects ( moments, shears, axial forces) were known accurately, safety could be ensured by providing a carrying capacity just barely in excess of the known loads. However, there are a number of sources of uncertainty in the analysis, design, and construction of reinforced concrete structures. These sources of uncertainty, which require a definite margin of safety, may be listed as follows:
1. Actual loads may differ from those assumed.
2. Actual loads may be distributed in a manner different from that assumed.
3. The assumptions and simplifications inherent in any analysis may result in calculated load effects—moments, shears, etc. —different from those that, in fact, act in the structure.
4. The actual structural behavior may differ from that assumed, owing to imperfect knowledge.
5. Actual member dimensions may differ from those specified.
6. Reinforcement may not be in its proper position.
7. Actual material strength may be different from that specified. In addition, in the establishment of a safety specification, consideration must be given to the consequences of failure. In some cases, a failure would merely be an inconvenience. In other cases, loss of life and significant loss of property may be involved. A further consideration should be the nature of the failure, should it occur. A gradual failure with ample warning permitting remedial measures is preferable to a sudden, unexpected collapse. It is evident that the selection of an appropriate margin of safety is not a simple matter. However, progress has been made toward rational safety provisions in design codes ( Refs. 1. 6 to 1. 9) .
a. Variability of Loads
Since the maximum load that will occur during the life of a structure is uncertain, it can be considered a random variable. In spite of this uncertainty, the engineer must provide an adequate structure. A probability model for the maximum load can be devised by means of a probability density function for loads, as represented by the frequency curve of Fig. 1. 14a. The exact form of this distribution curve, for any particular type of loading such as office loads, can be determined only on the basis of statistical data obtained from large-scale load surveys. A number of such surveys have been completed. For types of loads for which such data are scarce, fairly reliable information can be obtained from experience, observation, and judgment. In such a frequency curve ( Fig. 1. 14a) , the area under the curve between two abscissas, such as loads Q 1 and Q 2 , represents the probability of occurrence of loads Q of magnitude Q 1 lt; Q lt;Q 2 . A specified service load Q d for design is selected conservatively in the upper region of Q in the distribution curve, as shown. The probability of occurrence of loads larger than Q d is then given by the shaded area to the right of Q d . It is seen that this specified service load is considerably larger than the mean load Q acting on the structure. This mean load is much more typical of average load conditions than the design load Q d .
b. Strength
The strength of a structure depends on the strength of the materials from which it is made. For this purpose, minimum material strengths are specified in standardized ways. Actual material strengths cannot be known precisely and therefore also constitute random variables ( see Section 2. 6) . Structural strength depends, furthermore, on the care with which a structure is built, which in turn reflects the quality of supervision and inspection. Member sizes may differ from specified dimensions,reinforcement may be out of position, poorly placed concrete may show voids, etc.
DESIGN BASIS
The single most important characteristic of any structural member is its actual strength, which must be large enough to resist, with some margin to spare, all foreseeable loads that may act on it during the life of the structure, without failure or other distress. It is logical, therefore, to proportion members, i. e. , to select concrete dimensions and reinforcement, so that member strengths are adequate to resist forces resulting from certain hypothetical overload stages, significantly above loads expected actually to occur in service. This design concept is known as strength design.
For reinforced concrete structures at loads close to and at failure, one or both of the materials, concrete and steel, are invariably in their nonlinear inelastic range. That is, concrete in a structural member reaches its maximum strength and subsequent fracture at stresses and strains far beyond the initial elastic range in which stresses and strains are fairly proportional. Similarly, steel close to and at failure of the member is usually stressed beyond its elastic domain into and even beyond the yield region. Consequently, the nominal strength of a member must be calculated on the basis of this inelastic behavior of the materials. A member designed by the strength method must also perform in a satisfactory way under normal service loading. For example, beam deflections must be limited to acceptable values, and the number and width of flexural cracks at service loads must be controlled. Serviceability limit conditions are an important part of the total design, although attention is focused initially on strength. Historically, members were proportioned so that stresses in the steel and concrete resulting from normal service l
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1.4适用性，强度和S TRUCTURAL S AFETY
为了达到其目的，结构必须是安全的，不会崩塌并且使用起来很安全。适用性要求充分小挠度；如果有裂缝，应保持容忍的限度可维护性要求偏差是足够小裂缝，振动最小化等。安全性要求结构的强度能偶负担起上面可预见的的所有荷载。如果一个结构按设计的所建造的，那么这个结构的强度能够准确的预测，如果荷载和结构内部的力（力矩，剪切，轴向力）能准确的知道。结构的安全性能够通过提供超过已知荷载的承载力来保证。但是，在分析、设计和混凝土的结构中有许多不确定的因素。这些不确定的因素需要一个明确的界限，列于下
-
实际负荷可能不同于假设。
2.实际负荷可以分布在从该假定不同的方式进行。
3.假设和简化固有的任何分析，可能会导致计算的荷载效应矩，剪力等不同的那些实际作用在结构上的。
4.由于不完善的知识,实际结构荷载可能不同于假定。
5.实际结构尺寸可能不同于规定的。
6.钢筋不在适当的位置。
实际材料强度可能与指定不同。另外，在建立了安全规范的情况下，必须考虑到失败的后果。在某些情况下，失败会仅仅是一个不便。在其他情况下，可能参与生命和显著损失的财产损失。进一步考虑的应该是故障出现的原因，它的出现给我们充分的警告，允许采取补救措施的逐渐破坏比突然破坏、预想不到的破坏要好。显而易见的是，对适当的安全余量的选择不是一件简单的事。然而，人民在设计规范合理的安全规定上取得了较大的进展。（参考文献1.6 到1.9）
载荷变异
因为结构的寿命期间的最大负荷是不确定的，它可以被认为是随机变量。尽管这种不确定性，工程师必须提供适当的结构。其概率模型的最大负荷可通过概率密度函数作为负载装置来设计，如由图1的频率曲线来表示 1. 14A。该分布曲线的确切形式，对任何特定类型的负载，例如办公室的负载，可以仅在从大规模负荷调查获得的统计数据的基础上确定的。许多这样的调查已经完成。对于该种类型的负载则该等数据稀少，相当可靠的信息可以从经验观察和判断来获得。在这样的频率曲线（图1 14a的），两个横坐标之间的曲线下如负载Q 1及Q 2中的区域，代表出现的大小，Q 1 lt;Q lt;Q 2负荷Q的概率。 A中规定的服务负载Q D为设计选择保守Q中的上部区域中的
A中规定的服务负载Q D为设计选择保守Q中的分布曲线的上部区域，如图所示。发生载荷比Q D较大的概率，然后由阴影区域Q D的右侧给出。可以看出，该特定服务的负载显着地大于作用于结构上的平均载荷Q。这意味着负载更典型的平均负载条件下比设计负荷Q D。
结构的强度取决于从其所制成的材料的强度。因为这个原因，最小的材料强度由标准化方式指定。实际材料的长处无法精确地知道，因此，还构成了随机变量（见2.6）。此外结构强度依赖于护理与结构建成，这反过来又反映了监督检查的质量。构件尺寸可能不同于指定尺寸，配筋可能会不在原来的位置，放置不当的会出现空隙等。
任何结构构件的一个最重要的特点是它的实际强度，其必须足够大以抵抗，并且有一些余量以备用，所有可预见的负载可能结构的寿命期间作用于它，没有毁坏或其他文体。这是合乎逻辑的，因此，选择具体的构件尺寸和加固他，使构件的长处都足以抵御来自某些假设超载阶段产生的力。这种设计概念被称为强度设计。
对于混凝土和钢材组成的钢筋混凝土结构，是不可避免地在其非线性无弹性范围使用。也就是说，混凝土在结构构件达到其最大强度并随后断裂，其应力和应变大大超出了最初的弹性范围，其中应力和应变是相当比例。同样，钢接近，并在结构的破坏通常强调超过其弹性域到甚至超越了过大的范围。因此，一个给构件的的强度标准值必须在计算的材料的非弹性行为的基础上。由强度方法设计的构件还必须在正常承载力范围内使用。例如，梁的挠度必须限制到可接受的值，并在提供服务的负载的数量和宽度挠曲裂纹必须加以控制。使用极限条件是总设计的重要组成部分，但注意力最初集中于强度。从历史上看，构件应该符合适当的比例。这样在钢筋水泥的正常使用产生的荷载应力均在规定范围内。这些限制，称为容许应力，只有部分的材料的失效应力。构件比例这样的服务加载的基础上，规定结构的负荷得到适当的压缩混凝土强度和钢筋屈服应力小部分下许用应力提供了依据。我们现在参照此基础上进行设计的业务负载的设计。容许应力，在实践中，分别设定在大约二分之一的混凝土抗压强度和钢的二分之一的屈服应力。因为在现实结构和可靠性的差异，在过去的几十年强度设计方法已取代旧的负载的设计方法。然而，旧的方法仍然是偶尔使用，并为设计基础和一些旧的结构提供参考。纵观这段文字，强度设计提出几乎全了.
1.6设计规范和技术参数
混凝土结构的设计，例如与图 1. 1到1. 12通常规范给出为材料、结构分析，构件配比等特殊要求的框架内进行的。国际建筑规范（参考文献1。2）是一个共识规范管理结构设计的示例并且往往是被当地市政府采用。编制规范的特定材料部分的责任在于各专业团体，行业协会，技术机构。与许多其他工业化国家相反，美国没有一个正式的，政府批准的国家规范。美国混凝土协会（ACI）一直是这种努力的领导者。作为其活动的一部分，美国混凝土学会出版结构混凝土建筑结构规范（参考文献1.10），其在设计的和建造钢筋混凝土建筑物上具有导向作用。 ACI规范本身没有任何官方地位。但是，它被普遍认为是当前钢筋混凝土领域的一个权威。这样一来，它已被纳入国际建筑规范和类似的规范，而这又被市政和地区建筑规范那些有合法地位的规范的所采纳。实际上，这些规定从而获得法律地位。美国大多数的钢筋混凝土建筑物和相关的结构的设计符合当前ACI规范。它也成为了许多其他国家的样板规范。第二ACI的出版物，评论结构混凝土建筑规范要求（参考文献1 11），提供了背景材料和理论基础守则规定。美国混凝土协会还出版重要刊物和标准，并且为特殊类型的混凝土结构的分析和设计提供了一些建议。例如图 1. 11。
在美国大多数的公路桥梁是根据AASHTO桥梁规范的要求进行设计（参考文献1. 3）它不仅包含与前面提到的载荷和载荷分布的规定，也包括对混凝土桥梁的设计和施工的详细规定。其中许多规定与ACI规范规定紧密，但是也会有一些显著地差异。铁路桥梁的设计是根据铁路工程（参考文献1.4）的AREMA手册的规范进行。在许多方面，它也被ACI所规范，但它包含许多其他材料类型的铁路结构。在混凝土结构设计中没有任何规范或设计规范可以被合理的工程判断替代。在实际的结构中，特殊情况是经常遇到的，其中的规范的规定只能作为指导，工程师必须将对结构力学基本原理的深入理解和对材料性质的深入了解应用到钢筋或预应力混凝土中去。
ACI的ccedil;ODE 1.7安全措施
ACI规范的安全规定中给出了方程的形式。 （1 .3B）和（1.3C）使用强度折减系数和负载因素。这些因素以统计信息为基础，但经验，工程判断，和折中在一定程度上也会有影响。一句话说来，结构或部件的设计强度S n必须是至少等于所要求的强度ucirc;
设计强度大于所需的强度
或
S n大于U（1.4）
混凝土结构第1章6 1设计
标称强度S n的计算（通常有些保守）有公认的方法。该
所需强度U的计算通过运用适当的荷载到各自的结构上：
恒载D，活载L，风荷载W，地震荷载E，土压力H，流体压力I，和环境的影响T，其中可能包括结算，蠕变，收缩和
的温度变化。载荷在一般意义上定义的，包括任何载荷或相关内部的影响，如力矩，剪力，和推力。因此也就是说，受到力矩，剪切，和轴向载荷的构件：
M n大于M ( 1. 5a)
V n 大于V ( 1. 5b)
P n 大于P ( 1. 5c)
其中，下标n表示强度在弯曲，剪切和轴向载荷的标准值，分别
下标uuml;表示分解力矩，剪切和轴向载荷。在计算右边的负荷因素的影响，实际荷载可应用于无论对结构本身的负载或
从结构的负载计算出的内部负载的效果。
表1.2分解因荷载组合来确定所需的强度uuml;在ACI规范
基本 U = 1.2D 1. 6 L
静水 U 1 . 4( D F)
雪、雨、温度 U = 1 . 2( D F T) 1. 6 ( L H) 0.5( L r or S or R)
风 U = 1 . 2D 1. 6 ( L r or S or R) ( 1. 0 L or 0. 8W)
U = 0 . 9D 1. 6 W 1 . 6H
地震 U = 1 . 2D 1. 0 E 1 . 0L 0 . 2S
U = 0 . 9D 1. 0 E 1 . 6H
U = 1 . 2D 1. 0 E 1 . 0L 0 . 2S
U = 0 . 9D 1. 0 E 1 . 6H
D =静荷载;
E =地震; F =流体; H =体重或压力从土壤中; L =活荷载; L R =屋顶活荷载; R =雨; S =雪; T = cumu-
温度，蠕变，收缩和差异沉降影响; W =风。
B中的ACI规范包括了荷载组合F或H负载。 1. 2D 1.6L反映了一个事实
大多数建筑都没有F或者H存在，以及1 4D很少设计。
在ACI规范规定的负载的因素，要应用到计算恒荷载和活荷载和
在适当的规范或标准规定的环境负荷，总结在表1.2。
这些都是与第一节4和SEI / ASCE 7相一致。
设计荷载为建筑物及其他构筑物（参考文献1 1），并允许使用钢结构和钢筋混凝土的组合复合材料结构设计。对于各个负载，已知荷载永很少的荷载来获得更大的准确性，例如恒荷载与可变性较大的活荷载。此外，对于荷载组合，恒荷载加活荷载加风荷载，会减少其中一个或几个的荷载。很大的活荷载与不寻常的雪载同时发生的可能性不大。在某种程度上，他也反映内部负载效应和外部负载计算系统一样复杂高度不定，无弹性的钢筋混凝土结构由可变截面构件组成（因为张力开裂，不连续的加强等）。最后，负荷因素也分成这两种情况，特别是当水平力是目前除了重力，即其中所有的同时负载的影响是叠加的，但其中各种荷载效应抵消彼此不同。例如，在一个挡土墙土体压力产生的倾覆力矩，以及重力产生一个反作用稳定的时刻。在表1.2所有情况下，控制方程是一个给人最大的保理负载效应U的强度折减系数在ACI规范给出不同的值取决于知识的状态，即各种强度的精度可以计算出来。因此，对于弯曲的值比对剪切力或轴压更高。此外，为了结构长久的存在，值反映了特定构件和质量控制的重要性。由于这两个原因，与柱相比，梁的值更低。表1给出了3在ACI规范中指定的值。强度折减系数（见表1.3）和负载系数（表1 2）联合申请的目的是近似概率在千分之一过载到1/100。这导致结构失效的概率在1 / 100,000。
表1.3在ACI规范中强度折减系数
强度条件强度折减系数
张力控断面0.90
压缩控断面
会员有螺旋筋0.70
其它加固构件0.65
剪力和扭力0.75
轴承混凝土0.65
后张法预应力锚固区0.85
除了在表1.3给出的值，ACI规范附录B“替代性规定钢筋混凝土和预应力混凝土受弯和受压构件，”允许使用负载因素和强度降低的因素，从以前的版本ACI规范的。负荷因素及ACI规范附录B的强度折减系数校准与该附录的具体要求结合。因此，它们可能不被互换使用代码的主体的规定。
1.8基本假设 - 钢筋
具体表现
结构工程师的主要任务是结构的设计。设计是街道一般形状和特定结构的所有具体的尺寸，这样它会执行对创建它的功能和将安全地承受将在其整个使用寿命作用于它的影响的确定。这些影响是主要的载荷和其它力，以及其它有害因素，如温度波动，沉降的和腐蚀性的影响。结构力学是在设计的过程的主要工具之一。作为这里的理解，它是科学知识，允许人们预测给定形状和尺寸的结构已知力受到其他机械影响作用时表现的良好程度的载体。实际利益的主要行为载体是
结构（1）的强度，即给定分配的负载的该大小，这将导致结构失效，及（2）的变形，如变形和开裂的程度，该结构将发生使用条件下加载。在其上的钢筋混凝土的力学所基于的基本主张如下：
1.内力，例如弯曲力矩，剪切力，和正常的剪切应力，在一构件的任何部分都与外部载荷在该部分的影响平衡。这个命题是不是一个假设，而是一个事实，因为当作用在其上的所有的力处于平衡状态任何身体或其任意部分可以是在休息。
2.该周围的混凝土应变在嵌入钢筋（单元扩展或压缩）是一样的。表达方式不同，它假定混凝土和钢之间在界面上存在完美粘合，使得没有滑移可以在两种材料之间发生。因此，一个变形了另一个也会变。随着现代变形钢筋（见第2 14），机械联锁的高度是天然表面粘附提供的，因此这个假设是非常接近正确。
3.精确的测量表明，当钢筋混凝土构件负载接近破坏，这个假设并非绝对准确。然而，该偏差通常是轻微的，并且理论基于这个假设的结果与广泛的测试信息检查。
4.鉴于这一事实，即混凝土的抗拉强度仅为其抗压强度的一小部分（参见第2.9），在一个部件，它是在张力通常裂化的那部分的混凝土。虽然这些裂缝，在精心设计的构件，一般都不能太窄，而难以可见（它们被称为细小裂纹），他们显然呈现开裂混凝土无力抵抗拉应力。相应地，假定混凝土不能够
抵制任何的压力等等。这种假设是明显的实际情况的简化，因为，事实上，不开裂，以及位于裂缝之间的混凝土之前
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