概述結構設計規范可靠度設計方法

楊建興 龐學椿

摘要：結構規范的可靠度可以理解為結構或是構建在允許的時間范圍內，在條件范圍內完成預先指定目標的成功率。而結構可靠度屬于從數學角度出發，對這一成功率在不同條件影響下完成結果的定量表達。雖然是定量表達，但是與其它定量表達理論不同的是，結構可靠度定量表達的只是概率，并非固定的數量值，因此依舊存在波動性和不確定性。基于結構可靠度值的不確定性，當代概率論被引進到結構可靠度理論基礎之中，并發揮了關鍵性的作用。

關鍵詞：建筑結構；可靠度；設計；研究

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A

隨著我國基礎建設的加快，建筑行業蓬勃發展，由此帶來的行業內部發展良莠不齊的現象，需要用完善的專業評價體系去約束和保障工程質量，我國目前對結構可靠度的應用已經初具規模，其應用領域涉及設備的檢驗、耐久性分析、結構抵抗災害性氣象能力、建筑行業相關規程的制定以及設備缺陷診斷等，幾乎涵蓋了與建筑相關的所有領域。在現階段，對建筑結構設計可靠度理論的深入研究具有重要意義。

一、建筑結構設計可靠度理論

建筑結構是由鋼、木、磚石、混凝土及鋼筋混凝土等建造的各種建筑物和構筑物。建筑物的安全性能關系著經濟、社會發展，更關系著人身安全。特別是一些具有時代文化特征的重要建筑物，其安全性能更顯得尤為重要。在土木工程領域，結構可靠度的分析計算受到荷載作用、環境作用、材料內部作用以及可能出現的超重荷載等諸多因素影響制約，無法科學地協調結構安全、適用經濟等各項指標之間的矛盾，使它們達到合理的平衡。故建筑結構可靠度的研究顯得尤為重要。近年來，可靠度理論日漸完善，計算方法也多種多樣。選擇合理的計算方法（中心點法、驗算點法、Monte Carlo Method），也能使建筑結構可靠度的計算或者設計更精確。當前結構的可靠度分析與設計理論，主要是基于構件可靠度設計和體系可靠度設計理論。

1、構件可靠度設計理論

以荷載和抵抗力的隨機統計和數據建模進行分析，構件可靠度設計理論的函數為一組隨機變量的統計函數，表達式為：

Z=g(X1,X2,X3,???Xn) （1）

其中Xi (i=1,2,3,…,n）是荷載、抵抗力或與之相關的其它隨機變量。功能函數能夠直觀的表達出構件的安全范圍、極限位置和失效范圍，這三種狀態分別對應Z > 0,Z = 0,Z < 0三種狀態。Z > 0和Z < 0所在范圍內的統計概率就是構件相應于函數Z描述的功能的可靠度和失效概率。

構件可靠度設計就是在規定的時間、規定的條件范圍內，合理運用不同的結構、材料和其它因素，調整整體的結構，使得構件的可靠度能夠滿足預期目標。

當功能函數Z是線性的且各隨機變量Xi (i=1,2,3,…,n）是正態隨機變量時，相應于功能函數Z的構件可靠度PS與可靠指標β有一一對應的關系，則β可以表示為

Β=mZ/σi （2）

對于非線性功能函數 、非正態隨機變量的情況，總可以通過驗算點法（或稱JC法）將其與β對應起來。于是，結構的可靠度設計轉化為用可靠指標表示的設計表達式βi≥ [β](i=1,2,…m)，式中βi和[β]分別是構件的實際可靠指標和目標可靠指標。

2、體系可靠度設計理論

結構設計既要著眼于單獨構件的可靠度，也要考慮工程整體的穩定性以及可靠度，針對工程整體的可靠度設計就成為體系可靠度設計，當前越來越多的大型工程開始重視體系可靠度的設計。結構體系的可靠度分析是以結構的失效模式為基礎的，結構的失效模式由若干構件的實效組成。因此，形成結構失效模式的失效構件形成一個并聯子系統。結構體系的失效概率可以表示為Psf同時滿足結構構件和整體可靠度要求的設計表達式可表示為Psi > [Ps ](i =1, 2,???,m) ，并且Pss>[Pss ] ,式中Pss=1-Psf，是結構的體系可靠度；[Pss]是相應的目標可靠度。結構的體系可靠度分析面臨兩個大的困難：一是結構的實效模式過多，想要詳盡的羅列太多困難，二是各結構之間存在相互影響，在計算過程中難以進行定量的關聯分析。當前建筑行業對結構體系可靠度設計理論還不夠認可，因此在行業內并沒有嚴格的規范要求進行工程結構體系可靠度設計，但在國際上已經開始有一部分工程設計開始添加體系可靠度設計內容。

二、建筑結構設計可靠度影響因素

對于只有兩個基本變量——荷載效應S和抗力R的構件功能函數：

Z = R ?S (3)

其中R和S是互不相關的正態隨機變量。則構件的可靠指標為：

(4)

式中u和σ是相應下標量的均值和標準差。

1、目標的可靠指標

由上圖可以看出，在抗力和荷載效應一定的情況下，目標可靠指標實際上就是規定抗力和荷載效應的概率密度Pr和Ps重疊的部分。[β]是結構安全水平的綜合指標，是影響結構設計可靠度水平最直接的指標。我國《建筑結構設計統一標準》（GBJ68-84）和其它大多數國家的結構設計標準中，目標可靠指標 [β]都是在給定抗力和荷載的概率分布條件下校準原規范安全系數來確定的。

目標可靠指標相同時，兩個結構荷載設定的大小不同,結構設計可靠度水平會截然不同。在荷載水平的影響中,可變荷載占主導地位。可變荷載大致可以分為兩類。其一是樓面活荷載；其二是自然環境荷載 ,包括諸如颶風、暴雨、地震受自然規律支配發生的荷載或作用，樓面活荷載的水平,主要是設計基準期內荷載平均值的大小；自然環境荷載的水平，主要與基準期長短有關，因為自然荷載按照當年最大值進行統計，基準期越長，荷載水平越高；可變荷載概率分布參數確定的準確程度，也將影響結構設計的可靠度。例如假定在圖1中的實線是相應于目標可靠指標[β]的設計荷載效應，虛線是實際的荷載效應 ,顯然 ,我們設計的結構并不真正具備設定的目標可靠指標[β]。

2、最不利荷載效應組合

《建筑結構設計統一標準》（GBJ68-84）規定了我國構件目標可靠指標的確定因素為：三種基本荷載效應組合和14中基本構件校準。結構設計過程中，通常先計算結構的最不利荷載效應組合，然后返算結構的實際可靠度。可變荷載水平的影響因素類似。在校準構件目標可靠指標時 ,“恒載+活載+風載”與“恒載+活載+雪載+風載 ”兩種不同荷載效應組合下（可變荷載基準期相同）具有相同的目標可靠指標 ,其實 ,兩者的可靠度水平是不同的。

3、抵抗力的衰減

構件的抵抗力并非一成不變，在使用過程中，構件收到環境侵蝕、自身老化和其它破壞的影響，抵抗力不斷衰減，在無特殊外力破壞的條件下，衰減與時間的關系為：，也就是說抵抗力的均值和標準差是時間的函數,即如果能準確把握抵抗力分布參數隨時間變化的規律 ,則結構設計應采用期望結構使用年限Tu的構件剩余抗力的分布參數uR（Tu）和σR（Tu）。目前 ,這一工作國內外都在研究中,從發展的趨勢看 ,構件的抗力衰減將會在結構設計或規范中予以考慮。

三、建筑結構設計可靠度的國內外對比

從國際角度來看，美洲范圍內進行的結構可靠性理論研究以美國為主，也是國際上最早進行該研究的國家，美國隊結構可靠性理論研究的標志性事件為提出鋼結構規范中荷載和抗力系數設計(LRFD)方法。亞太地區則以我國為主，其次是日本和澳大利亞，三國都具有大規模基礎建設的經歷，因此對結構可靠性理論的重視要高于本地區的其他國家。

四、結束語

建筑結構設計可靠度理論逐漸發展成熟，應用范圍也越來越廣。但是隨著各種復雜建筑的增多，其應用方法依然需要更深入的進行研究和探索。實際設計中不可抗拒的外力太多，非正常因素太多，理論與實際依然存在不符，所計算的各種數據與現實的相似度還不能夠完全滿足各類工程需要。要想利用建筑結構設計可靠度理論提高建筑工程質量，探索之路任重而道遠。

參考文獻：

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