2.2 结构的功能要求、荷载效应与结构抗力

2.2.1 结构的功能要求

工程结构设计的基本目的是，使结构在预定的使用期限内能满足设计所预定的各项功能要求，做到安全可靠和经济合理。

工程结构的功能要求主要包括三个方面：

（1）安全性。安全性是指结构在正常施工和正常使用时能承受可能出现的施加在结构上的各种“作用”（荷载），以及在设计规定的偶然事件（如校核洪水位、地震等）发生时，结构仍能保持必要的整体稳定，即要求结构仅产生局部损坏而不致发生整体倒塌。

（2）适用性。适用性是指结构在正常使用时具有良好的工作性能，如不发生影响正常使用的过大变形和振幅，不发生过宽的裂缝等。

（3）耐久性。耐久性是指结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即要求结构在规定的环境条件下，在预定的设计使用年限内，材料性能的劣化（如混凝土的风化、脱落、腐蚀、渗水，钢筋的锈蚀等）不会导致结构正常使用的失效。

上述三方面的功能要求统称为结构的可靠性。

要得到符合要求的可靠性，就要妥善处理好结构中对立的两个方面的关系。这两个方面就是施加在结构上的作用（荷载）所引起的“荷载效应”和由构件截面尺寸、配筋数量及材料强度构成的“结构抗力”。

2.2.2 作用（荷载）与荷载效应

“作用”是指直接施加在结构上的力（如自重、楼面活荷载、风载、水压力等）和引起结构外加变形、约束变形的其他原因（如温度变形、基础沉降、地震等）的总称。前者称为“直接作用”，通常也称为荷载；后者则称为“间接作用”。但从工程习惯和叙述简便起见，本教材今后的章节中，将两者不作区分，一律称之为荷载。

荷载在结构构件内所引起的内力、变形和裂缝等反应，统称为“荷载效应”，常用符号S表示。荷载与荷载效应在线弹性结构中一般可近似按线性关系考虑。

荷载可作如下分类：

1.随时间的变异分类

（1）永久荷载。永久荷载是指在设计基准期^[1]内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载，也称为恒载，常用符号G、g表示。如结构的自重、土压力、围岩压力、预应力等。

（2）可变荷载。可变荷载是指在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的荷载，也称为活载，常用符号Q、q表示。如安装荷载、楼面活载、水压力、浪压力、风荷载、雪荷载、吊车轮压、温度作用等。

其中，G、Q表示集中荷载，g、q表示分布荷载。

（3）偶然荷载。偶然荷载是指在设计基准期内不一定出现，但一旦出现其量值很大且持续时间很短的荷载，常用符号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载。

2.随空间位置的变异分类

（1）固定荷载。固定荷载是指在结构上具有固定位置的荷载，如结构自重、固定设备重等。

（2）移动荷载。移动荷载是指在结构空间位置的一定范围内可任意移动的荷载。如吊车荷载、汽车轮压、楼面人群荷载等，设计时应考虑它的最不利的分布。

3.按结构的反应特点分类

（1）静态荷载。静态荷载是指不会使结构产生加速度，或产生的加速度可以忽略不计的荷载。如自重、楼面人群荷载等。

（2）动态荷载。动态荷载是指使结构产生不可忽略的加速度的荷载。如地震、机械设备振动等。动态荷载所引起的荷载效应不仅与荷载有关，还与结构自身的动力特征有关。设计时应考虑它的动力效应。

结构上的荷载都是不确定的随机变量，甚至是与时间有关的随机过程，因此，宜用概率统计理论加以描述。

荷载效应除了与荷载数值的大小、荷载分布的位置，结构的尺寸及结构的支承约束条件等有关外，还与荷载效应的计算模式有关。而这些因素都具有不确定性，因此荷载效应也是一个随机变量或随机过程。

2.2.3 结构抗力

结构抗力是结构或结构构件承受荷载效应S的能力，指的是构件截面的承载力、构件的刚度、截面的抗裂度等。常用符号R表示。

结构抗力主要与结构构件的几何尺寸、配筋数量、材料性能以及抗力的计算模式与实际的吻合程度等有关，由于这些因素都是随机变量，因此结构抗力显然也是一个随机变量。