刍议建筑结构设计可靠度的影响因素与对比

摘 要 ：随着我国科学技术和经济建设的发展,结构设计的可靠度理论和安全与经济平衡的可靠度水平面临着新的发展。在概述了结构设计的可靠度基础, 根据多年工作经验据阐明了综合考虑可靠度影响因素的水平,是比较和调整我国结构设计可靠度的最佳途径；分析了结构设计可靠度的影响因素;在构件目标可靠指标和可变荷载水平两个方面,初步比较了我国建筑结构设计可靠度水平与美国等国水平的差异。

关键词 :建筑结构 ;设计；水平； 影响因素;

中图分类号：TU318 文献标识码：A

1 前 言

在建筑的建设中，结构设计是其中非常重要的组成部分，对建筑物的建设、养护等产生重要的影响。希望能够引起人们对这一问题的进一步关注，能够对实践起到指导作用。而结构可靠度理论自本世纪40年代开始研究,已逐步形成了一门新的学科。由于结构可用靠度理论合理地考虑了荷载和抗力的随机性,以及在概率的水平上平衡了安全和经济的关系,这门学科在全世界范围内逐渐成为了各国工程结构设计的理论和方法,并在此基础上制定了相应的标准和设计规范。本文将分析结构设计可靠度的影响因素,与发达国家比较了我国结构设计可靠度的水平,为可靠度设计规范修订和调整作一些初步探索。

2 结构设计的可靠度基础

建筑结构必须满足正常施工、正常使用和正常维护下的安全性、适用性和耐久性等各项功能要求。这些功能要求就是结构的设计准则,通常用极限状态来表示。极限状态是结构功能是否满足要求的”分界线”。构件的极限状态可以用荷载与抗力的临界平衡来描述;结构整体的极限状态通常用构件极限状态的组合或结构失效模式的临界状态来描述。结构的可靠度分析与设计理论,主要是基于人们对结构的荷载(或作用)和构件的抗力(或影响抗力的因素)的随机性认识而产生和发展的。可靠度理论更加真实、客观地反映了结构的功能特性,因而使结构设计扎根于坚实的理论基础,更加科学,更加符合客观实际。

2.1 结构的构件可靠度设计

基于荷载和抗力随机性的统计分析和模型化,构件的功能函数通常是随机变量的函数,可以表示为

其中Xi(i=1, 2,,,n)是荷载、抗力或它们的影响因素等随机变量。

功能函数可以方便地刻画构件的安全准则、极限状态和失效准则,它们分别相应于Z>0、Z=0和Z0和Z

结构的可靠度设计就是要在规定的条件下,合理地确定结构形式、构件材料和尺寸,使所有的结构构件可

当功能函数Z是线性的且各随机变量Xi(i=1, 2,,,m)是正态随机变量时,相应于功能函数Z的构件可靠度ps与如下可靠指标B有一一对应的关系。B表示为

对于非线函数、非正态随机变量的情况,总可以通过验算点法(或称JC法)将其与B对应起来。于是,结构的可靠度设计转化为用可靠指标表示的如下设计表达式:

式中Bi和[B]分别是构件的实际可靠指标和目标可靠指标。

目前各国工程结构设计规范都是基于上述构件可靠度设计理论编制的。

2.2 结构的体系可靠度设计

结构设计不仅要满足构件的可靠度要求,更应该满足结构整体(或称体系)的可靠度要求,这是结构设计发展的必然趋势。

结构体系的可靠度分析是以结构的失效模式为基础的,结构的失效模式由若干构件的失效组成,即

因此,形成结构失效模式的失效构件形成一个并联子系统。结构体系的失效概率可以表示为

同时满足结构构件和整体可靠度要求的设计表达式可表示为

式中pss=1-psf,是结构的体系可靠度; [pss]是相应的目标可靠度。

结构的体系可靠度分析面临两个大的困难:其一是结构的失效模式多,搜索困难;其二是各失效模式相关,给可靠度计算带来困难。目前,结构体系可靠度分析还没有普遍认可的、简便实用的方法。

3 结构设计可靠度的影响因素

对于只有两个基本变量)))荷载效应S和抗力R的构件功能函数:

其中R和S是互不相关的正态随机变量,则构件的可靠

指标为

式中L和R是相应下标量的均值和标准差。随机变量R和S的概率密度函数及其关系如图1所示。

3.1 目标可靠指标

在给定的抗力R和荷载效应S(由于R和S是随机变量,实际是给定R和S的概率密度或可均值与标准差)下,参考图1,直观地说,目标可靠指标[B]实际上是规定抗力和荷载效应的概率密度pR和pS搭接的面积。[B]是结构安全水平的综合指标,是影响结构设计可靠度水平最直接的指标。我国5建筑结构设计统一标准6(GBJ68-84)和其它大多数国家的结构设计标准,目标可靠指标[B]都是在给定抗力和荷载的概率分布条件下校准原规范安全系数来确定的。

3.2 可变荷载水平与分布参数

在相同的目标可靠指标下,荷载设定的大小不同,结构设计可靠度水平截然不同。在荷载水平的影响中,可变荷载占主导地位。

可变荷载大致可以分为两类:其一是楼面活荷载;其二是自然环境荷载,包括诸如风载、雪载和地震作用等受自然规律支配发生的荷载或作用。楼面活荷载的水平,主要是设计基准期内荷载均值的大小;自然环境荷载的水平,主要与基准期长短有关。因为大多数自然环境荷载都是按年最大值统计确定的,基准期越长,荷载水平越高。

3.3 工程质量(含多种因素)

工程设计、施工、使用和维护的质量主要导致实际抗力与设计抗力的偏差。例如,设计抗力与实际抗力若有图1所示的偏差,则结构实际的可靠度并未达到设计的可靠度。因此,在抗力的统计分析中应尽可能包括实际可以预先考虑的、影响工程质量的各种正常的随机因素。此外,加强工程实施各个环节的质量控制,是保证结构设计可靠度、甚至提高结构实际可靠度的重要措施。

3.4抗力衰减

由于环境荷载疲劳效应导致的累积损伤、环境腐蚀和材料老化等不利因素的影响,构件的抗力将随时间衰减,具体表现在抗力的均值和标准差是时间的函数,即

如果能准确把握抗力分布参数随时间变化的规律,则结构设计应采用期望结构使用年限3u的构件剩余抗力的分布参数LR(Tu)和RR(Tu)。目前,这一工作国内外都在研究中,从发展的趋势看,构件的抗力衰减将会在结构设计或规范中予以考虑。

4 结构设计可靠度水平的初步比较

为了与设计人员熟悉的多系数极限状态设计衔接和方便设计人员应用,结构的构件可靠度设计通常表示为荷载和抗力分项系数设计表达,如我国采用的表达式为

上述荷载和抗力标准值、分项系数和组合系数,是在给定的目标可靠指标下,对于三种基本荷载效应组合、14种基本构件按误差最小的原则优化确定的协调量。换句话说,设定不同的荷载和抗力标准值,可以最优地确定不同的分项系数来达到给定的目标可靠指标。因此,以下两点应该注意:

(1)结构设计可靠度水平的比较,宜直接比较第3节的影响因素;

(2)结构设计可靠度水平的调整,宜直接调整第3节的影响因素的水平;对于个别荷载直接调整式(11)中的标准值和分项系数,将可能破坏式(11)中的各参量的优化协调性以及目标可靠指标的一致性。

4.1 目标可靠指标

根据国际标准化组织的结构可靠性总原则(ISO2394: 1998),对于不同重要性的结构,承载能力极限状态的构件目标可靠指标分别为311, 318, 413。我国统一标准(GBJ68-84)规定,延性和脆性破坏的构件分别为217, 312, 317和312, 317, 412。显然,两者比较接近,但我国最低值稍偏低一些。

4.2 可变荷载中国和美国的楼面活荷载标准值(基准期均为50年,概率分布均为极值I型)由于楼面活荷载是随机变量,荷载水平关键是均值的大小。此外,风荷载标准值中国为30年一遇、美国用50年一遇,但风荷载均值与标准值的比,中国高于美国,因此,两国风荷载均值大体相当。这一结果表明,可变荷载的标准值只是一个名义值,荷载水平主要体现在均值的大小上。

5 结论

结构设计可靠度的主要影响因素有:目标可靠度指标,可变荷载水平,工程质量,最不利荷载效应组合和抗力衰减。结构设计可靠度水平的比较和调整,宜直接调整上述影响因素的设定水平。我国统一标准规定的构件目标可靠指标在大多数情况下与美国大体相当,但抗风,特别是抗震的可靠指标要比美国低;风、雪和地震等自然环境荷载与美国大体相当,但楼面活荷载平均值要比美国低大约一半,这一点应引起特别注意。

从结构可靠度设计规范发展的角度来说,工程质量的随机影响能在规范和设计中考虑的要尽量考虑,结构可靠度理论是结构设计和规范制定的基础,在某种程度上标志着一个国家结构工程发展的水平,我国应在此领域长期投资,持久的研究,为规范的修订提供充足的成果储备。

参考文献

1国家标准.建筑结构设计统一标准(GBJ68)84),北京:中国建筑工业出版社,1984

2赵国藩,工程结构可靠性理论与应用,大连:大连理工大学出版社,1999

3陈定外译,结构可靠性总原则(ISO2394:1998),1999

4 李继华、林忠民等,建筑结构概率极限状态设计,北京:中国建筑工业出版社,1990