工程结构是各种工程的建筑物、构筑物和设施中,以建筑材料制成的各种承重构件相互连接成一定形式的组合体。除满足工程所要求的功能和性能外,还必须在使用期内安全、适用、耐久地承受外加的或内部形成的各种作用。
1. 结构的功能
土木工程结构的功能必须要保证工程的安全性、适用性和耐久性。
土木工程的结构必须保证在正常施工和正常使用时遇到可能出现的各种作用而不发生破坏,如遇偶然事件发生时,保持必要的整体稳定性,不至于因局部损坏而产生连续破坏在施工过程中,不仅要考虑建筑物的设计荷载,而且要考虑各种施工荷载。
工程结构的适用性要求结构在正常使用时能满足正常的使用要求,具有良好的工作性能。比如梁的变形不能太大、墙板的裂缝不能过宽,否则会出现渗水并影响美观等。土木工程的目的是供人们的生活使用,因此,其结构必须要保证耐久性,保证结构在正常使用和维护条件下,在规定的使用期(设计基准期)内,能够满足安全和使用功能要求。即材料的老化、腐蚀等不能超过规定的限制,否则将影响结构的安全和正常使用。
2. 结构的极限状态
工程结构的极限状态是判别结构是否能够满足其功能要求的标准,是指结构或结构的一部分处于失效边缘的一种状态。当结构未达到这种状态时,结构能满足功能要求;当结构超过这一状态时,结构不能满足其功能要求,此特殊状态称为极限状态。
(1) 承载能力极限状态
承载能力极限状态是判别结构是否满足安全性功能要求的标准,它是指结构或结构构件达到最大的承载能力或不适于继续加载的变形。如整体结构或结构的一部分作为钢体失去平衡;结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏),或因过度的变形而不适于继续加载;由于某些构件或截面破坏使结构转变为机动体系;结构或构件丧失稳定等。
(2) 正常使用极限状态正常使用极限状态是判别结构是否满足正常使用和耐久性功能要求的标准,它是结构或构件达到正常使用或耐久性的某些规定限值。如达到影响正常使用或规范要求规定的变形限值,产生影响正常使用或耐久性的局部破坏(包括裂缝),超过正常用允许的震动,影响正常使用或耐久性的其他特定状态等。
3.结构的可靠度
结构的可靠度是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率,保证在规定的设计使用年限内工程质量的安全。从可靠度理论的角度考虑,荷载(作用)在结构上的引起结构的安全程度取决于效应S和抗力月的相对大小:
当R>S时,抗力大于效应,结构安全;
当R<S时,抗力小于效应,结构失效;
当R=S时,抗力等于效应,结构处于极限状态。
从可靠度理论的角度看,结构的安全取决于失效概率P真,亦即抗力小于效应的概率值Pf(R<S).失效概率是控制结构安全程度的定量指标,安全度大的结构失效的概率小,而失效概率加大时,结构的安全度降低。安全的概念是相对的,所谓“安全”只是失效概率Pf相对较小而已。失效概率不可能为零,故不存在绝对安全的结构。只要通过设计把失效概率控制在某一个能够接受的限值以下就可以。