持久状况计算
1 引言
钢筋混凝土构件除了可能由于材料强度破坏或失稳等原因达到承载能力极限状态以外，还可能由于构件变形或混凝土裂缝过大影响了构件的适用性及耐久性(Serviceability and Durability)，而达不到结构正常使用要求。因此，钢筋混凝土构件除要求进行持久状况承载能力极限状态设计计算外，还要进行持久状况正常使用极限状态的计算和短暂状况的构件截面应力计算。这个笔记follow着课程进度[4/19/2021至4/25/2021 Week 7], 简要回顾了第二章<结构按极限状态法设计计算的方法>和第九章<钢筋混凝土受弯构件的应力、裂缝和变形计算>中涉及持久状态计算的内容, 第13章<预应力混凝土受弯构件的设计与计算>和第14章<部分预应力混凝土受弯构件>中的持久状态的计算将在以后讨论.
极限状态设计(Limit State Design)的基本概念
2 持久状况的概念
持久状况是指在结构使用过程中一定出现且持续期很长的设计状况，其持续期一般与设计使用年限为同一数量级。对公路桥涵而言，是对应于桥涵使用过程正常情况下的设计状况。这个阶段持续的时间很长，要对桥涵结构所有预定功能进行设计，必须进行结构承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计计算。按持久状况设计预应力混凝土受弯构件，应计算其使用阶段的应力，并不应超过限值。
3 持久状况承载能力极限状态
公路桥涵承载能力极限状态是对应于桥涵结构及构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。公路桥涵进行持久状况承载能力极限状态设计时，根据桥涵结构破坏所产生后果的严重程度，划分为三个安全等级, 在设计计算上，采用结构重要性系数 γ0 表达不同的安全等级。
承载能力极限状态计算时作用组合如下: (1) 对持久状况和短暂状况设计，采用作用基本组合；(2) 对偶然状况设计，采用作用偶然组合；(3) 对地震状况设计，采用作用的地震组合; (4) 基本组合是永久作用设计值与可变作用设计值的组合。
持久状况正常使用极限状态计算内容包括构件的抗裂性、裂缝宽度和构件挠度; 设计原则是正常使用极限状态下的作用效应组合设计值，应小于或等于相应的规定限值.
《公路桥规》对施工阶段验算的规定如下: 施工荷载除有特别规定外均采用标准值，当有荷载组合时不考虑作用组合系数。构件在吊装时，构件重力应乘以动力系数1.2或0.85，并可视构件具体情况适当增减。当用吊机(吊车)行驶于桥梁进行安装时，应对已安装的构件进行验算，吊机(车)应乘以1.15的荷载系数，但吊机(车)产生的效应设计值小于按持久状况承载能力极限状态计算的荷载效应设计值时，则可不必验算。
4 思考题
4.1 公路桥涵按承载力极限状态和正常使用极限状态进行结构设计，在设计中应考虑哪三种设计状况？分别需做哪种设计？
在公路桥涵的设计中应考虑以下三种设计状况: (1) 持久状况：桥涵建成后承受自重、车辆荷载等持续时间很长的状况。该状况需要作承载力极限状态和正常使用极限状态设计。(2) 短暂状况：桥涵施工过程中承受临时作用的状况。该状况主要作承载力极限状态设计，必要时才做正常使用极限状态设计。(3) 偶然状态: 在桥涵使用过程中偶然出现的状况, 该状况仅作承载力极限状态设计。
4.2 简述预应力混凝土梁的设计计算步骤.
①根据设计要求，参照已有设计的图纸与资料，选定构件的截面型式与相应尺寸；或者直接对弯矩最大截面，根据截面抗弯要求初步估算构件混凝土截面尺寸；②根据结构可能出现的荷载组合，计算控制截面最大的设计弯矩和剪力；③根据正截面抗弯要求和已初定的混凝土截面尺寸，估算预应力钢筋的数量，并进行合理的布置；④计算主梁截面几何特性；⑤进行正截面与斜截面承载力计算；⑥确定预应力钢筋的张拉控制应力，估算各项预应力损失并计算各阶段相应的有效预应力；⑦按短暂状况和持久状况进行构件的应力验算；⑧进行正截面和斜截面的抗裂验算；⑨主梁的变形计算；⑩锚端局部承压计算与锚固区设计。
4.3 对于钢筋混凝土构件，为什么《公路桥规》规定必须进行持久状况正常使用极限状态计算和短暂状况应力计算？与持久状况承载能力极限状态计算有何不同之处？
钢筋混凝土构件除了可能由于材料强度破坏或失稳等原因达到承载能力极限状态以外，还可能由于构件变形或裂缝过大影响了构件的适用性及耐久性，而达不到结构正常使用要求。因此，钢筋混凝土构件除要求进行持久状况承载能力极限状态计算外，还要进行持久状况正常使用极限状态的计算，以及短暂状况的构件应力计算。
不同之处如下:
(1) 钢筋混凝土受弯构件的承载能力极限状态是取构件破坏阶段，而使用阶段一般取梁带裂缝工作阶段；
(2) 在钢筋混凝土受弯构件的设计中，其承载能力计算决定了构件设计尺寸、材料、配筋数量及钢筋布置，以保证截面承载能力要大于最不利荷载效应 
，计算内容分为截面设计和截面复核两部分。使用阶段计算是按照构件使用条件对已设计的构件进行计算，以保证在正常使用状态下得裂缝宽度和变形小于规范规定的各项限值，这种计算称为“验算”；当构件验算不满足要求时，必须按照承载能力极限状态要求对已设计好的构件进行修正、调整，直至满足两种极限状态的设计要求。
(3) 承载能力极限状态计算时汽车荷载应计入冲击系数，作用(或荷载)效应及结构构件抗力均应采用考虑了分项系数的设计值；在多种作用(或荷载)效应情况下，应将各效应设计值进行最不利组合，并根据参与组合的作用(或荷载)效应情况，取用不同的效应组合系数。
正常使用极限状态计算时作用(或荷载)效应应取用短期效应和长期效应的一种或两种组合，并且《公路桥规》明确规定这是汽车荷载可不计冲击系数。
