庆贺刘锡良教授执教５０周年

（三）极限状态法（ｈａｄ

ａｎｄ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ

Ｆａｃｔｏｒ

Ｄｅｓｉｇｎ．ＬＲＦＤ）

为了克服上述缺陷，采用抗力和荷载分项系数代替原来单一安全系数的极限状态设计法成为现行世界

各国的主要设计方法。由于荷载的作用，结构在使用周期内有可能达到各种限极状态。这些极限状态可分

为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态。结构的安全性对应结构的承载能力极限状态，包括构件断

裂、失稳、过大的塑性变形等所导致的结构破坏。极限状态设计就是要求保证结构在使用期内不进入各种极

限状态。

ＬＲＦＤ设计公式的格式为：

≯‘Ｒ。≥∑ｒｉＳ。；

（３）

其中Ｒ。和ｓ。分别为结构构件抗力和荷载效应的标准值，＋和Ｔｉ分别代表抗力分项系数和荷载分项系数，它

们是通过概率分析和可靠度校核得到的，同经验性的安全系数相比在概念上有本质的区别。在极限状态设

计法中，可进行二阶分析，考虑几何非线性的影响，从而克服容许应力法与塑性设计法的缺陷②。在结构的

可靠性方面，由于采用不同的荷载分项系数和极限状态方程，极限状态设计从根本上克服了上述缺陷③，使

结构构件具有比较一致的可靠度水平。

三、现行建筑钢结构设计方法的缺陷

极限状态设计法是结构从经验设计向概率设计的一次变革。但现行的建筑钢结构安全性设计方法仍有

待进一步完善。目前世界各国关于建筑钢结构安全性设计（以ＬＲＦＤ为代表）的一般步骤为：①按线弹性方

法计算各种设计荷载和荷载组合（包含荷载分项系数和荷载组合系数）作用下结构各构件的内力，即结构分

析；②将结构分析所得的内力用于验算构件的各种极限状态方程（包含抗力分项系数），即构件设计。若构件

满足各种规定的极限状态方程，则认为结构设计符合规范要求。这种设计方法实质上是基于构件承载力极

限状态的结构设计，存在如下缺陷。

现行设计方法的缺陷之一为：结构内力计算模式与构件承载力计算模式不一致。分析结构内力时，假定

结构处于线弹性工作状态，即采用一阶弹性分析，不考虑几何非线性和材料非线性的影响；在确定构件承载

力时，却考虑几何非线性和材料非线性的影响。一般情况下，结构构件达到极限承载力时已处于非线性弹塑

性状态，其内力会重新分配。因此，按弹性状态计算的结构各构件的内力并不是该构件达到极限承载力时的

实际内力。

现行设计方法的缺陷之二为：结构整体失稳的计算模式与实际失稳状态不一致。现行结构失稳的计算

模式基于“结构同一层柱同时按相同模式对称或反对称失稳”的假定，对结构整体稳定采用在结构柱的极限

承载力验算中考虑计算长度的方法近似保证。这一计算模式与一般情况下“钢框架个别或少数构件首先达

到弹塑性失稳”的实际形态不一致。也就是说，计算长度的概念并不能真实有效地反应结构与构件之间的相

互关系。

现行设汁方法的缺陷之三为：不同的结构整体承载力极限状态可靠度水平不一致。结构作为整体承受

各种荷载作用是建筑结构最重要的基本功能，但现行设计理论由于以结构构件为设计对象，只能保证结构构

件极限承载状态的名义可靠度水平，而不能保证结构整体承载极限状态的可靠度水平。因为结构的整体承

载极限状态不仅与各构件的极限承载力有关，还与结构各构件间的相关性、抗力与荷载间的相关性、结构的

赘余度、结构型式以及结构的受载状态等诸多因素有关。

现行建筑钢结构设计方法的缺陷造成了结构设计的不合理。不合理之一为：按现行方法设计的结构整

体极限承载力不确定，且在大多数情况下设计值小于结构的实际整体极限承载力。文献…在沿用现有的抗

力和荷载分项系数的情况下，用两种不同的设计方法系统地研究了１６个平面钢框架的设计，发现按现行方

法（美国规范ＬＲＦＤ弹性方法）设计的钢框架实际极限承载力要比按结构整体非弹性方法设计大１％到５８％

（平均大２０％），而用钢量则大１．５％到１９％（平均大１２．４％）。男一文献”ｏ针对一２２层的空间钢框架结构作

了类似的比较，发现在三种典型荷载组合下按现行方法设计的钢框架实际极限承载力要比按按结构整体非

弹性方法设计分别大１４．６％、７ ７％和６．７％，结构用钢量要大１３．４％。与此相近的结果也可在对支撑钢框

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Ｉ业建筑２００１年增币