强度设计方法的历史背景(Strength Design Method)

1 引言

目前我们进行混凝土结构设计方法是基于强度设计方法(Strength Design Method), 或者说基于极限状态方法. 过去的文章直接或间接地讨论了这种设计方法. 这个笔记简要回顾了强度设计方法的历史背景及其优点。

2 历史背景(Historical Background)

2.1 工作应力设计法(WSD)

从1900年代初到1960年代初，美国几乎所有的钢筋混凝土设计都采用了工作应力设计法(WSD, Working Stress Design)。WSD的设计概念基于弹性理论，假设沿混凝土深度压缩部分的应力是线性分布的。估算作用在结构上的实际荷载或工作荷载，而构件的配比是基于混凝土和钢的一定的允许应力。允许应力是混凝土抗压强度（fcʼ）和屈服强度（fy）的比值。然而，在中等荷载之后，当应力水平只有混凝土抗压强度的一半左右时，混凝土部分的应力分布不是线性的。

2.2 强度设计法(USD)

由于在现实性和可靠性上的差异，1956年，作为附录，ACI 318-56规范引入了一种更合理的方法，首次纳入了极限强度设计法(USD, Utimate Strength Design)，尽管其他几个国家的混凝土规范几十年来一直基于这种考虑。在这种方法中，构件的设计是针对非线性应力分布的，并且要探索全部强度水平。1963年，ACI 318-63规范赋予极限强度设计法与WSD法同等的地位,使这两种方法都处于规范的主体中。1977年的规范将极限强度设计法作为主要方法，只简单地提到了WSD法。从1977年到2002年，每期规范都允许设计人员使用WSD法，并对其应用作出了一定的规定。但从2002年开始，ACI 318-02不允许使用WSD法, 名称改为强度设计方法，成为了强制的设计方法。ACI 318-11 提供最新的设计规定。

强度设计方法基于假设破坏条件下结构构件的极限强度，无论是由于混凝土的破碎还是由于钢筋的屈服。虽然钢筋在屈服后有附加强度(由于应变硬化)，但在钢筋混凝土构件的分析或设计中不考虑钢筋的这种附加强度。在强度设计方法中，实际荷载或工作荷载乘以荷载系数，得到极限设计荷载。荷载系数代表了设计中所要求的高比例安全系数。ACI规范强调这种设计方法。强度设计方法要求在设计任何钢筋混凝土构件时满足强度和可维修性要求。一般来说，钢筋混凝土构件的比例，首先必须满足承载力要求,其次必须满足变形和开裂的要求。

强度设计方法基于以下两个基本条件：

1. 静态平衡(Static equilibrium)。作用在截面上的压应力和拉应力处于平衡状态, 这个条件在每一个截面上必须满足。

2. 应变兼容(Compatibility of strains)。钢筋的应变等于在该应力水平下混凝土中的应变。这个条件意味着混凝土和钢筋之间有一个完美的粘合，两种材料共同作用，以抵抗外部载荷的影响.

3 强度设计方法的优点

(1) 考虑了钢筋混凝应力-应变的非线性，更好地估算其承载能力。

(2) 采用强度设计法时，整个钢筋混凝土结构设计采用了较为一致的理论，而采用WSD方法时，梁采用变换面积法，柱采用强度设计法。

(3) 在强度设计方法中，对不同类型的荷载采用不同的安全系数，更符合实际。

(4) 钢筋和混凝土的强度高于WSD使用的钢筋和混凝土的强度，从而使设计更加经济。

(5) 强度设计法允许更灵活的设计, 设计者可以使用较大的截面较少的钢筋，或者使用较小的截面较高的配筋。

同样的方法在钢结构和木结构中被称为荷载阻力系数设计法 (LRFD, Load Resistance Factor Design)。在岩土工程设计中, LRFD也正逐渐在实践中得到了应用.