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湘潭大学论文题目：《结构设计方法》综述—以混凝土结构设计方法为例学号：201431131939姓名：常小磊学院：土木工程与力学学院专业：建筑与土木工程任课教师：刘忠导师签名：成绩：日期：2015年9月10日《结构设计方法》综述——以混凝土结构设计方法为例常小磊1（湘潭大学土木工程与力学学院建筑与土木工程系，湖南湘潭，411105）摘要：通过介绍混凝土结构设计方法在国际上以及我国的发展历程以及发展现状，系统性的总结了混凝土结构设计理论和方法以及结构设计方法的基本概念、基本理论和基本方法。重点介绍了我国《混凝土结构设计规范》的发展历程及特点、分析并比较了国内、国外在混凝土结构设计方法的差异和特点以及混凝土结构设计方法的未来发展研究方向，总结了现如今我国在混凝土结构设计上存在的问题，并结合广州天河城东塔楼工程实例，详细讨论了结构设计方法在混凝土结构构件设计过程中的具体应用。关键词：混凝土；结构设计；构件；规范；应用中图分类号：TU318.1文献标识码：A引言：混凝土结构是在19世纪中期开始得到应用的，由于当时水泥和混凝土的质量都很差，同时设计计算理论尚未建立，所以发展比较缓慢。直到19世纪末以后，随着生产的发展，以及试验工作的开展、计算理论的研究、材料及施工技术的改进，这一技术才得到了较快的发展。目前已成为现代工程建设中应用最广泛的建筑结构之一。在工程应用方面，混凝土结构最初仅在最简单的结构物如拱、板等中使用。随着水泥和钢材工业的发展。混凝土和钢材的质量不断改进、强度逐步提高。例如在美国20世纪60年代使用的混凝土抗压强度平均为28N/mm2，20世纪70年代提高到42N/mm2，一些特殊需要的结构混凝土抗压强度可达80—100N/mm2，而实验室做出的抗压强度最高已达266N/mm2。美国在20世纪70年代钢材平均屈服强度已达420N/mm2。预应力钢筋所用强度则更高。这些均为进一步扩大钢筋混凝土的应用范围创造了条件，特别是自20世纪70年代以来，很多国家巳把高强度钢筋和高强度混凝土用于大跨、重型、高层结构中，在减轻自重、节约钢材上取得了良好的效果。在19世纪末20世纪初，我国也开始有了钢筋混凝土建筑物，如上海市的外滩、广州市的沙面等，但工程规模很小，建筑数量也很少。改革开放后，混凝土高层建筑在我国也有了较大的发展。随着高层建筑的发展，高层建筑结构分析方法和试验研究工作，在我国得到了极为迅速的发展，许多方面已达到或接近于国际先进水平。本文通过工程实例介绍《结构设计方法》在实际中的应用、结构设计林论和方法的发展过程以及我国《混凝土结构设计规范》的发展历程及特点，为广大设计人员、研究人员的工作和研发提供技术上的参考和意见，促进我国混凝土结构设计的发展。1基本内容钢筋混凝土结构是指用配有钢筋增强的混凝土制成的结构。承重的主要构件是用钢筋混凝土建造的。包括薄壳结构、大模板现浇结构及使用滑模、升板等建造的钢筋混凝土结构的建筑物。用钢筋和混凝土制成的一种结构。钢筋承受拉力，混凝土承受压力。具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。钢筋混凝土结构在土木工程中的应用范围极广，各种工程结构都可采用钢筋混凝土建造。在原子能工程、海洋工程和机械制造业的一些特殊场合，如反应堆压力容器、海洋平台、巨型运油船、大吨位水压机机架等，均得到十分有效的应用，解决了钢结构所难于解决的技术问题。目前已是我国应用范围较广的一种建筑结构模式，而一栋钢筋混凝土建筑的优劣关键看混凝土结构设计方法的应用是否得当，所以对混凝土结构设计方法的研究显得尤为重要。结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠和和经济合理之间的均衡的设计建筑结构的一种理论方法。结构设计的基本理论基础是三大力学：理论力学、结构力学和材料力学，工具应用学科基础是高数。其基本原理的主要内容主要包括有：一、结构可靠度及结构设计方法：1、结构上的作用（action）和作用效应（effectofanaction）；2、结构抗力（resistance）；3、结构可靠性（reliability）及可靠度（degreeofreliability）；4、设计使用年限（designworkinglife）和设计基准期（designreferenceperiod）；5、结构安全等级（safetyclass）；6、混凝土机构设计计算的方法（calculationmethodfordesign）；二、荷载及材料强度的取值：1、荷载的统计特性（statisticalcharacteristicofaload）；2、荷载标准值（characteristicvalueofaload）；3、材料强度的变异性及统计特性（variabilityandstatisticalcharacteristicofmaterialstrength）；4、材料强度标准值（characteristicvalueofamaterialstrength）；三、概率极限状态设计法：1、结构的极限状态（limitstate）；2、结构的设计状况（designsituation）；3、结构的功能函数（performancefunction）和极限状态方程（limitstateequation）；4、结构的失效概率（probabilityoffailure）；5、结构构件的可靠指标（reliabilityindex）；6、一次二阶矩法；7、设计可靠指标[β]（reliabilityindexfordesign）；四、极限设计状态表达式：1、承载能力极限状态表达式；2、正常使用状态设计表达式。结构设计的基本方法可总结如下：根据建筑设计来确定结构体系、确定结构主要材料→结构平面布置→初步选用材料类型、强度等级等，根据经验初步确定构件的截面尺寸→结构荷载计算及各种荷载作用下结构的内力分析→荷载效应组合→构件的截面设计。此外还包括某些必要构造措施。需要依据结构专业相关规范、图集等。基础设计：1，根据工程地质勘察报告、上部结构类型及上部结构传来的荷载效应和当地的施工技术水平及材料供应情况确定基础的形式，材料强度等级，一般有浅基础（如：独立基础、条形基础等）和深基础（如：桩基）；2，基础底面积的确定及地基承载力验算；3，基础内力计算及配筋计算。4，考虑必要的构造措施。2发展历程结构设计方法理论的发展历程主要经历了以下几个阶段：1、容许应力法：最早的计算理论，沿用了弹性理论假设；2、破坏阶段法：与容许应力法的主要区别是在考虑材料塑性性能的基础上，按破坏阶段计算构件截面的承载能力；3、极限状态设计法：明确规定结构按三种极限状态进行设计，是工程结构设计理论的重大发展；4、概率极限状态设计法在极限状态设计法的基础上考虑结构的可靠概率，按发展阶段，该法可分为三个水准：水准1--半概率法→水准2--近似概率法→水准3--全概率法。3我国规范的发展而随着结构设计方法理论的发展，我国相应的混凝土结构设计规范也经历了相似的发展历程。由于上述系列规范中各种材料砌体、钢、木、混凝土等J%F7构的安全系数不统一，以及荷载、抗震等设计的协调问题，在中国建筑科学研究院结构所规范室李明顺领导卜，由邵卓民、白生翔、胡德忻、韩素芳、陈基发等人积极参与，会同国内高等院校、科研院所和设计院的许多专家，借鉴可靠度理论，引进概率极限状态设计方法获得成功。使得从材料、荷载到结构设计安全能够实现比较科学和合理的控制。同时学术界也打破了长期的封闭状态，利用改革开放的有利时机，积极学习、消化吸收西方工业发达国家的结构设计理论以及标准、规范。与此同时，混凝土结构设计规范国家标准管理组以及1981年成立的中国工程建设标准化协会(CECS吸混凝土结构专业委员会(TC5}针对设计规范编制中存在的大量存疑问题，组织国内约40个高等学校、科研院所以及设计院的约200位专家、学者，分立科研课题，先后开展了三批围绕规范修订的系统试验研究。延续12年的这三批科研课题，概括了相关设计理论嗬载、材料、设计方法、概率统计、安全校准等)、各种受力状态涯、弯、剪、扭、局压、冲切、疲劳、预应力、抗震等)、各类基木构件}}、梁、柱、墙、节点、预制、叠合、牛腿、预埋件等)以及基木构造问题件苗固、连接、保护层、最小配筋率等)的基础性研究，涵盖了涉及混凝土结构学科的全部领域以及相关学科的部分内容。三批大规模系统的试验研究，总计试验试件将近10万个，发表论文上千篇，其中不乏在(((筑结构学报》L发表的高水平论文。这三批空前丰富的科研成果，基木奠定了我国现代混凝土结构理论的基础。在科研成果及工程实践积累的基础上，借鉴先进国际标准的有关内容，上世纪80年代自主编制的GBJlo-89((a凝土结构设计规范)))}'{具有鲜明的中国特色。规范采用基于可靠度理论的概率极限状态设计方法，适当提高了安全储备，系统建立了各种受力状态、各类基木构件的计算模式和配套构造措施，形成了较为系统、完整的设计理论。GBJ10-89规范是第一木基于自主科研确立的适合我国国情的混凝土结构设计规范，其基木改变了我国混凝土结构理论及规范封闭和落后的状态。自此以后我国的规范逐步进入正轨，发展到今天已经相当完善。4前景展望结构设计理论方法发展到现在已经成熟很多，但是还有许多问题需要我们去解决与探讨，现代结构的特点是为了满足人们对建筑功能的更高要求，这些建筑功能不仅仅是建筑高度的增加（世界最高楼的记录不断被刷新）、桥梁的跨度的增加（最大跨度距离也在不断呗刷新）、新型结构体系的增加（新体系与新材料的不断出现与应用），这些建筑功能更多的体现在“绿色”的可持续发展方面。现代结构工程必须满足社会、人和自然的协调发展。现代的高层结构、桥梁结构、空间结构并不是一味的求高、宽、大，而是更强调“功能需要”，强调“节约能源”和“与环境友好”。为此，工程师需要在总体构思上考虑美学与可持续发展理念，同时应用力学的概念和体系结构的框架，融合结构的分解与集成，将复杂的整体结构化简为简单三维整体结构、二维平面子结构乃至一维线性或非线性构件，并将这些结构构件集成为满足高耸、大跨、空间等不同功能要求的现代结构。现代结构的主要特征如下：1、高耸：由于城市用地的限制，高耸或高层建筑已成为今后的一个发展方向。在继上海环球金融中心（101层492米高）和上海金茂大厦（88层，402.5米高）建成之后，更高的上海中心正在施工之中。超高层建筑设计，除了众所周知的地震响应之外，与建筑高度成量级增加的风荷载和其侧向变形以及基底倾覆力矩都将是结构设计中的难点。2、大跨：纵横的江河大川，使我国成为大跨桥梁集中的地方。我国的大跨桥梁形式一般是斜拉桥、悬索桥和各类拱桥。如已建成的江阴长江大桥，其悬索桥主跨为1385米。上海卢浦大桥和重庆朝天门长江大桥，均为钢结构拱桥，跨度分别是540米和552米，位列目前世界上大跨度拱桥前列。随着桥梁跨度的增加，风振、地震和结构体系或构件的其他动力与稳定问题都将显得日益突出，为结构设计分析和灾难防范带来极大的困难与挑战。3、新颖：随着21世纪大规模的建设，各类面向新世纪需求的新颖结构也将层出不穷。新颖结构的特点是体态的奇特与受力的复杂，目前尚缺乏现成有效的分析计算方法和设计规程，使结构的工作性态难于预测和控制。4、可持续发展：人与自然界的协调发展是必要的，在人工自然中，人的活动正是一种不可忽视的引起与放大涨落的力量，它所引起的自然环境的改变有时远远超过自然界自己的自然因素的改变所引起的自然平衡的改变。海德格尔指出：“人不在是在者的主人，人是在者地看护者。”只有树立科学的发展观，人类才能成为在者地看护着。工程结构设计属科学技术范畴，建造人工自然，所以讨论结构设计的可持续性要先从整体上叙述科学技术与可持续性发展的辩证关系。科学技术在当今时代和人类社会的联系越来越紧密，在这种关系中突显出了显著的二重效应：一方面人类社会的发展需要科学技术来推动，科学技术给人类带来了巨大的物质财富，成为改造自然、推动社会前进的强大物质力量；另一方面，科学技术也使人对自然进行着肆无忌惮的破坏，人与自然的关系