2.2 結構的功能要求、荷載效應與結構抗力

2.2.1 結構的功能要求

工程結構設計的基本目的是，使結構在預定的使用期限內能滿足設計所預定的各項功能要求，做到安全可靠和經濟合理。

工程結構的功能要求主要包括三個方面：

（1）安全性。安全性是指結構在正常施工和正常使用時能承受可能出現的施加在結構上的各種“作用”（荷載），以及在設計規定的偶然事件（如校核洪水位、地震等）發生時，結構仍能保持必要的整體穩定，即要求結構僅產生局部損壞而不致發生整體倒塌。

（2）適用性。適用性是指結構在正常使用時具有良好的工作性能，如不發生影響正常使用的過大變形和振幅，不發生過寬的裂縫等。

（3）耐久性。耐久性是指結構在正常維護條件下具有足夠的耐久性能，即要求結構在規定的環境條件下，在預定的設計使用年限內，材料性能的劣化（如混凝土的風化、脫落、腐蝕、滲水，鋼筋的銹蝕等）不會導致結構正常使用的失效。

上述三方面的功能要求統稱為結構的可靠性。

要得到符合要求的可靠性，就要妥善處理好結構中對立的兩個方面的關系。這兩個方面就是施加在結構上的作用（荷載）所引起的“荷載效應”和由構件截面尺寸、配筋數量及材料強度構成的“結構抗力”。

2.2.2 作用（荷載）與荷載效應

“作用”是指直接施加在結構上的力（如自重、樓面活荷載、風載、水壓力等）和引起結構外加變形、約束變形的其他原因（如溫度變形、基礎沉降、地震等）的總稱。前者稱為“直接作用”，通常也稱為荷載；后者則稱為“間接作用”。但從工程習慣和敘述簡便起見，本教材今后的章節中，將兩者不作區分，一律稱之為荷載。

荷載在結構構件內所引起的內力、變形和裂縫等反應，統稱為“荷載效應”，常用符號S表示。荷載與荷載效應在線彈性結構中一般可近似按線性關系考慮。

荷載可作如下分類：

1.隨時間的變異分類

（1）永久荷載。永久荷載是指在設計基準期^[1]內其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的荷載，也稱為恒載，常用符號G、g表示。如結構的自重、土壓力、圍巖壓力、預應力等。

（2）可變荷載。可變荷載是指在設計基準期內其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的荷載，也稱為活載，常用符號Q、q表示。如安裝荷載、樓面活載、水壓力、浪壓力、風荷載、雪荷載、吊車輪壓、溫度作用等。

其中，G、Q表示集中荷載，g、q表示分布荷載。

（3）偶然荷載。偶然荷載是指在設計基準期內不一定出現，但一旦出現其量值很大且持續時間很短的荷載，常用符號A表示。如地震、爆炸等，在水利工程中把校核洪水也列入偶然荷載。

2.隨空間位置的變異分類

（1）固定荷載。固定荷載是指在結構上具有固定位置的荷載，如結構自重、固定設備重等。

（2）移動荷載。移動荷載是指在結構空間位置的一定范圍內可任意移動的荷載。如吊車荷載、汽車輪壓、樓面人群荷載等，設計時應考慮它的最不利的分布。

3.按結構的反應特點分類

（1）靜態荷載。靜態荷載是指不會使結構產生加速度，或產生的加速度可以忽略不計的荷載。如自重、樓面人群荷載等。

（2）動態荷載。動態荷載是指使結構產生不可忽略的加速度的荷載。如地震、機械設備振動等。動態荷載所引起的荷載效應不僅與荷載有關，還與結構自身的動力特征有關。設計時應考慮它的動力效應。

結構上的荷載都是不確定的隨機變量，甚至是與時間有關的隨機過程，因此，宜用概率統計理論加以描述。

荷載效應除了與荷載數值的大小、荷載分布的位置，結構的尺寸及結構的支承約束條件等有關外，還與荷載效應的計算模式有關。而這些因素都具有不確定性，因此荷載效應也是一個隨機變量或隨機過程。

2.2.3 結構抗力

結構抗力是結構或結構構件承受荷載效應S的能力，指的是構件截面的承載力、構件的剛度、截面的抗裂度等。常用符號R表示。

結構抗力主要與結構構件的幾何尺寸、配筋數量、材料性能以及抗力的計算模式與實際的吻合程度等有關，由于這些因素都是隨機變量，因此結構抗力顯然也是一個隨機變量。