荷载、强度和结构安全

一、 荷载

作用在结构上的荷载通常分为恒载或活载。恒载在结构整个使用寿命期间的位置是固定的，其大小是不变的。通常，结构的自重是恒载是最重要部分。它可以根据结构的尺寸和材料的单位重量进行精确计算。混凝土的密度是变化的，对于轻质混凝土大约从90至120pcf(14至19KN/M3)的增加量。活载就是如人群、雪、风和车辆荷载或地震力等荷载。他们可能全部或部分地出现，或者根本不出现。这些荷载的位置是变化的。

计算恒荷载是工程师的职责，然而活何载通常由当地的地区的或国家的规范和准则所规定。标准的来源是美国国家标准学会，美国州际公路与运输工作者协会主办的刊物，对于风荷载采用美国土木工程学会风力专题委员会的建议。

规定活荷载一般包含某些容许的超载，并可以明显地或隐含地计入冲击作用。活载可以采用在楼板或桥梁标明最大荷载那牙膏的措施在某种程度上加以控制，但是也不能肯定这些荷载不会被超过。将规定荷载所谓特征荷载区别开来往往是很重要的，也就是说，后者是正常使用情况下实际起作用的荷载，它是很小的。例如在计算结构的长期挠度时，重要的是特征荷载，而不是规定荷载。计算得到的恒载和规定的活载的总和称为使用荷载，因为这是在结构使用寿命期间可预料到要作用的最大荷载。使用荷载乘以一个系数就是计算荷载，即使破坏荷载，它就是结构必须恰好能抵抗的荷载。

二、强度

结构的强度取决于建造它的材料的强度。到目前为止所知道的钢材的强度只适用于环境温度保持在70度上下的情况，大约从30度到110度。当温度超250度时，虽然应力应变曲线呈现出非线形增长，但温度达到300度到400度时钢材的性质仍没有明显改变。幸亏大多数结构从不处于超出这些数字的热度，即使处于那种温度下，高温持续时间都很短，并且只是结构的一小部分处于此温度下，一个典型的例子就是当火灾发生时所发生的一切：温度可能达到很高值，但持续时间很短，并且高温只出现在结构的局部。就象被一些比较令人震惊的与火灾有关的倒塌事件（如美国芝加哥市的MCCORMICK广场）所证明的那样，确实有例外，幸亏此类事件极少发生。1972年，在宾夕法尼亚洲市斯科兰顿市一个停车场的 汽车修理厂内所进行的原型火灾实验中所发生的一切较好的描述了火灾发生时的真实情况，损坏只发生在局部，并且大部分都容易修补，如清理掉发黑的区域并替换下损坏的面砖。尽管如此了解温度对钢材料性质影响仍然很重要，并且如果有必要的话在结构设计过程中考虑温度的影响。

钢材的初始强度和韧性于温度的关系如图所示。实际上，屈服强度、极限强度和弹性模量随着温度的升高而降低。只有当温度达到约1000度时降低的速度才加剧。由于应变硬化现象的影响在250度到600度之间，极限强度随温度的升高略呈上升的趋势。在1100到1200度时，屈服应力和极限应力值已经降低到室温下的一半，此时弹性模量E已达到初始值的60%。对结构来说E的水平更为重要，因为结构的变形与弹性模量成正比。如果承载结构长期处于升温状态下蠕变现象也会发生。

如同在生产高强度淬火和回火钢材过程中一样，钢材的回火和淬火同时发生。因淬火而使钢材冷却将产生坚硬的被称作马氏体的细粒状结构物。马氏体强度虽然很高但非常脆，而且回火使晶状体结构的形状仅在某种程度上发生改变，即延性和韧性增加了，但强度仍保持不变。

适当升温仅接着再降温会产生一定的内在或残余应力，产生的原因是降温时产生的收缩变形受到了材料和结构的限制。这种情况在焊接节点中经常出现，结构或结构的一部分在加热的整个过程中也会出现残余应力。如果结构受热不均匀而且收缩变形也不受限制，则在结构中将会产生一定的扭曲变形，此变形使结构组装困难，适当的升温并控制降温可以使此问题得到缓解。

关心高度约束节点中，残余应力和其它类型残余应力的设计人员可能采用重新设计连接的几何形状来避免残余应力的问题。文献详细论述了关于层状撕裂方面的解决方法，这些方法总体上对焊接连接的设计和制作提出了很好的建议。正如已经在位于伊利诺芝加哥市的JOHN HANCOCK中心外层框架一些梁柱交叉采用的措施一样，采用某些形式的应力释放是可能的。然而应力释放一般是一个花费较高的过程，此过程受到加热炉尺寸和所处理的结构零部件尺寸的限制。在大多数情况下人们宁愿采用其他方法减少相关问题中的残余应力。

当结构上的火被扑灭而且消防水管里的水喷到被加热的钢材上时，将产生局部淬火效应。除了很小面积受到影响外，结构的其他部分根本不受淬火影响。尽管对结构的影响很小，但即使房主不做任何处理的话，业应对这些有问题的点进行热处理，当然，如果构件变形非常大，则需要将这些构建更换，材料本身却未因为火灾而遭受无可挽救的破坏。

三 、结构安全

安全要求结构的强度足以抵抗可以预料的，作用在结构上的全部荷载。如果强度能够精确地预先计算并且荷载也同样确切的话，则所提供的强度、只要稍微超过荷载的要求就能保证安全。可是存在着许多的因素会导致在荷载的估算以及分析设计和施工等方面的不确定性。这些不确定因素就要求具有安全储备。

近些年来，工程师们已经开始认识到结构安全问题实质上就是概率统计问题，因此许多现行规范的安全规定都反映了这一观点。

荷载和强度分别加以考虑。将大于1的荷载系数乘以计算的恒载和估定或规定的使用活载可以得到构件在开始破坏时恰好能承受的计算荷载。对于不同的荷载类型，荷载系数是不相同的，它取决于各种不同荷载和不同荷载可能同时出现的不确定程度。

结构可靠性与结构工程中不确定性因素的合理处理有关，也与评价土木工程机构和其他结构的安全性和实用性的方法有关。结构可靠性理论是在最近十年中发展起来的一门学科，他已经从学术研究的课题发展成为在实际中广泛应用的，比较可行的一套方法。

大多数土木工程领域中都存在着不确定性因素，如不将他们模型化并加以考虑，就不可能有合理的设计决策。但是，由于大多数现行规范都是只考虑确定性因素的，所以很多结构工程师都不考虑上述问题，至少在设计简单的结构时是这样的。这是一个不希望看到的状况。大多数的荷载和结构的其他设计参数几乎都不是确定性因素，它们都应该被看作是随机变量或随机过程，即使在设计的计算中最后是按确定性的量处理的。像荷载组合分析这一类问题，如果不依赖于概率推理，甚至连公式也列不出来。

直到最近，依然存在着用确定性的思想支配结构工程的倾向，其特征是在设计的计算中利用规定的最低材料性能、规定的荷载强度和特定的步骤来计算应力和挠度。由于结构工程设计已编辑成规范，而且缺乏结构实际性能反馈，这无疑在很大程度上加强了这种确定方法的应用。例如，实际的应力几乎是不知道的，挠度很难观测和监视，而且大多数结构不会损坏，实际的强度储备一般是不知道的。反之，在水里系统领域中，例如管路网络，堤坝和溢洪道等的实际性能大多数是知道的，因为他们在使用中的性能比较容易观测和确定。

大多数的结构是按照实用的规范进行设计的，这些规范在很多国家有着法律地位，这意味着遵守规范就意味着自动遵守建筑法令的有关条令。结构规范经常有标准的确定格式，并对各种结构的设计、施工和工程质量应当具有的最低标准作了描述。可以认为，大多数规范是发展的，考虑到新型结构的出现，对结构性能的进一步了解，制造的允许偏差或质量控制方法的变化，对荷载的进一步了解等，每隔3~10年就要对规范做一些修改或做出重大的修订。

由于缺乏有关结构的实际性能资料，加之使用安全系数比较高的规范，从而使得一些工程师及某些公众仍然坚持认为绝对安全是能达到的。绝对安全当然是不可能得到的，这样的目标也是不符合需求的，因为绝对安全只有调动无限多的资源才能达到。

但是，现在普遍认为，必须容许不令人满意的结构性能所造成的某种风险。因此，结构设计的主要目的是，在可接受的概率水平上，保证每一结构在规定的设计使用期间内能够满足预期的用途。然而，大多数结构具有多种性能要求，这些要求通常有一组适应性和主要的极限状态来表示，他们大多数不是独立的，因此这个问题比仅仅是一种可能性的情况要复杂的多。

所有的结构工程师都要了解结构可靠性理论，并把它应用到设计和施工中去，无论是通过规范间接应用它，还是对具有严重破坏后果的特殊结构直接应用它两者都要达到即经济又具有适当安全度的目的。目前，这门学科正良好的得到充分发展，它已经被列为土木和结构工程师在大学和研究生阶段正式的学习内容。许多年来，一些大学已经开设了结构安全度课程。