试答某老教授提出的关于结构设计的思考题

1、 关于塑性内力重分布和塑性极限状态的区别？

塑性内力重分布是结构构件由线弹性进入弹塑性的一个过程，在这个过程中由于构件刚度退化等原因将发生内力重分布；而塑性极限状态则是达到所定义的“极限状态”时结构构件表现出的塑性性质。如果说前者是一个过程的话，那后者就是这个过程中的一个时刻。

2、以钢筋混凝土为例说明结构设计的安全度？

“安全度”这个概念是容许应力法遗留下来的，现在多是“基于概率理论的极限状态设计方法”，相对应的说法应该是“可靠度”。可靠度反映的是一种结构失效概率的度量，在可靠度理论中，将设计有关的变量看成随机变量（或随机过程），采用概率理论得到结构构件功能函数的可靠度指标。在实际设计中，可靠度指标转化为分项系数表示。这里顺便提一下，应该来说，建筑结构设计阶段的安全储备是很大的。

3、双筋梁截面钢筋混凝土简支梁的最大配筋率的限制条件怎么考虑？

如果是单筋矩形截面梁，最大配筋率就是超筋破坏和适筋破坏的界限配筋率，当钢筋屈服时，混凝土刚好达到极限压应变，根据这个条件和平截面假定，就可以得到最大配筋率。但现在这个问题的难点就在于双筋截面，受拉区钢筋屈服，受压区混凝土压碎，此时受压区钢筋的应变可以采用混凝土设计原理的近似公式计算；双筋截面的最大配筋率（是否只是指受拉区最大配筋率？还是全截面配筋率？）可以通过上述条件计算得到，但肯定与单筋截面有所不同。

4、平截假定应用于正截面承载能力计算， 试验表明：裂缝截面不满足平截面假定 但平衡方程确实建立在平截面假定的基础下，两者之间的矛盾如何考虑? 受弯构件承载力计算中， 只利用了平衡条件 如果放弃了平截面假定 那还有现在的计算体系吗？

这个问题我记得《混凝土设计原理》教科书上有说明，平截面假定对于钢筋混凝土结构确实是很难精确满足的，特别是混凝土开裂后；但从构件一段长度所有截面的平均结果来看，平截面假定还是有一定精度的。第二个问题，我不太赞同，虽然受弯构件的承载力平衡方程表面上没有利用上平截面假定，但实际上平截面假定已经体现在混凝土“等效矩形受压区”的两个系数alfa和beta中了，这两个系数是怎么来的？有兴趣的朋友可以考究一下。

平截面假定是工程上利用最多的假定之一，它的作用相当于弹性力学中的几何方程，平衡方程+几何方程+本构方程，是弹性力学的三大方程。

5、描述混凝土设计方法和钢结构设计方法的差异？

混凝土结构多采用结构弹性分析+构件塑性设计（E-P法），详见混凝土规范结构设计分析一章。钢结构的分析设计方法则多样化，主要有弹性分析+弹性设计（E-E法）、弹性分析+塑性设计（E-P法）、塑性分析+塑性设计（P-PE法）、塑性分析+弹性设计（P-E法），四种方法。我国钢结构规范采用的方法是介于E-E法和E-P法之间的一种方法。有兴趣可以看看浙大童根树教授的一篇钢结构设计方法的ppt。

6 、按照极限平衡法的概念，斜截面上说明受拉纵向钢筋和受扭箍筋在抵抗扭矩中发挥的作用？

在钢筋混凝土受扭构件中，极限平衡法（也称斜弯理论或扭曲破坏面极限平衡理论）是分析弯剪扭构件扭曲截面承载力的重要方法之一。其核心思想是：构件破坏时，沿空间扭曲破坏面建立力的平衡条件，从而推导承载力公式。

7、有腹筋梁的抗剪设计中是否要考虑尺寸效应？

混凝土设计规范7.5.5条，似乎看不出尺寸效应的情况。这里的尺寸效应指？

8、放进混凝土的抗剪的箍筋与斜裂缝有一定的夹角， 同样，水平方向沿着截面高度方向配筋 则这个纵向钢筋也和裂缝斜截面相交 但是抗剪公式中没有计入这部分钢筋的抗剪，这个如何考虑？

抗剪筋从理论上讲，与混凝土主拉应力线垂直最佳。但主拉应力线是变化而复杂的，且为了方便施工，抗剪箍筋一般沿垂直构件轴线方向配置，利用其在主拉应力反向的抗力分量来抵抗剪力。之所以不考虑纵筋抗剪，我想这一方面是由于纵筋主要用来抗弯，对于抗剪将其作为安全储备考虑；另一方面是否与材料力学中学的受弯构件剪力在截面中部大，两端小的分布特点有关？

9 、比较钢钢混砌体偏心受压设计中的二次弯矩的计算方法？

是否指P-deta效应？

钢结构压弯构件：用计算长度系数、长细比和稳定系数等表示，详见钢规5.2.1-1条。

钢筋混凝土偏压构件：用偏心距增大系数表示。

砌体结构偏压构件：用高厚比β和轴向力的偏心距e对受压构件承载力的影响系数表示。详见砌体规范5.1.1条。

10、 偏心受压受力的力学性能和受弯构件有什么差别？能否完全按适筋梁来考虑大偏心超筋梁考虑小偏心受压？

偏心受压构件的内力除了弯矩还有不能忽略的轴力（例如柱构件、剪力墙构件）；受弯构件主要承受横向荷载，内力主要是弯矩和剪力。

偏压构件的大小偏心定义，主要还是按照受压混凝土远侧钢筋在混凝土压碎时是否屈服来定义的。由于平衡方程中多了轴力项，因此不能完全按照适筋梁和超筋梁的划分方法来考虑大、小偏压；两者的定义和平衡方程不同。

11、钢筋混凝土结构抗震设计中 强柱弱梁和强剪弱弯的设计概念在地震中 框架梁或者柱子上形成塑性铰以后 还能发剪切破坏吗？

我认为这是两种破坏方式的问题。塑性铰是针对转动能力而言，连接形成塑性铰后从理论上说还可以传递剪力的（结构力学铰接节点不传递弯矩，但可以传递剪力）。钢筋混凝土的塑性铰机制比较复杂，至于形成受弯塑性铰后，只要构件能传递剪力，还是有可能发生剪切破坏的。但好的设计要保证剪切破坏不先与弯曲破坏发生，以保证延性破坏机制来实现结构耗能。汶川地震许多建筑震害都是“强梁弱柱”，“强弯弱剪”，对我们的设计理论是一个巨大的挑战。

12、 有人认为混凝土不可能被压坏，除开纯剪以外几乎所有的破坏形态都与破坏部位的拉应力有关，怎么从实验解释？

我不理解为何说混凝土不可能压坏？对于建筑而言，足够大的竖向地震加速度就足以使得柱子发生压碎破坏，汶川地震就有类似的震害。

13、怎样理解受压混凝土应力-应变曲线下降段的物理意义？下降段对结构的性能有何影响？结构设计中是否应用下降段的性能？

我的理解，下降段应该是表征随着变形的增加，外力逐渐卸载的过程。也就是说，加载达到极限抗压强度后，试件已经不能继续承受增大的荷载，此时必须采用位移控制的方法进行卸载，才能将曲线下降段做出来。

14、描述受压混凝土泊松比随压应力的变化。

泊松比指单轴受压时，侧向应变与轴向应变的比值。对于混凝土材料而言，泊松比随压应力的增加是变化的，一般混凝土教科书上都有这个曲线，我记得大致趋势应该是随压应力增加，泊松比呈增大趋势（记不太清，可能有误）。因为，混凝土接近压碎极限状态时，侧向变形会很大（接近崩裂？）

15、描述受拉混凝土应力应变曲线的下降段。

混凝土受拉应力-应变曲线下降端的趋势应该和受压情况相近，只是混凝土的抗拉强度远小于抗压强度。混凝土原理教科书一般都有这个曲线。混凝土设计规范GB50010-2010的附录也有简化的曲线模型。

16、描述双向受力（压-压，压-拉，拉-拉）的破坏状态。

可参考混凝土理论的相关书籍。定性来看，承载力大小：压-压>压拉>拉拉

17、导出受剪（纯剪状态和单轴受压应力状态的叠加）混凝土的包络段和双向受力（主应力）混凝土强度包络线之间的关系。

这个问题不太明白。是指强度包络面吗？那么需要依据哪个强度准则。如果是材料力学的经典强度准则的话，似乎可以通过摩尔应力圆的方法求解。

18、解释结构内力计算基于弹性理论 截面设计基于塑性极限理论之间的矛盾。

这个问题在“混凝土结构”版里面置顶的帖子有详细讨论。我总得一个的理解：这种方法是现阶段工程设计的一个必然，虽然结构分析方法和构件设计方法存在上述矛盾，但这种方法得到的结构是偏于安全的。一种解释就是塑性力学的“塑性下线定理”，但我觉得一个简单的理解就是结构弹性分析得到的内力总体是偏大，用偏大的内力做塑性设计，结果是偏于安全的。这说明我们的结构设计是一种安全包络范畴的不等式设计体系，而不是绝对精确的等式设计。

来源：中华钢结构论坛。略有修改。