建筑結構設計可靠度的影響因素與比較分析

靳曰森 楊 蕾

（青島國立設計有限公司，山東 青島 266071）

20世紀50年代，我國便開展了大規模的基礎建筑建設，但其建設標準相對較低，在建筑物的鑒定與評估工作中使用的檢測技術較為落后，且多為治標不治本的臨時措施。隨著城市化的不斷發展，大量的建筑物出現在人們的生活中。為了有效控制坍塌事故的發生，保障人們生命安全與財產安全[1-2]。在此次分析中，將針對建筑物結構設計可靠性進行分析，結構可靠性指建筑物結構在規定時間以及規定條件下完成預定功能的能力。在此次分析中所設定的規定條件指建筑結構的設計使用年限以及正常施工正常使用維護下建筑的使用壽命，預設功能包含了建筑的安全性、適用性以及建筑結構的耐久性。通過對上述部分展開分析，提升建筑物的使用壽命。因此，需要設定相應的方案針對建筑結構設計可靠性的影響因素進行分析，并比較多種因素的比重，以此確定主要影響因素，設定針對性解決措施。

1 建筑結構設計可靠度概述

任何的建筑物都會存在相應的質量問題，為保證建筑結構的質量，必須規定質量指標，即性能指標。通過文獻研究可知，建筑結構設計的性能指標可分為三種，即建筑居住的安全性、建筑結構的適用性以及建筑結構的耐久性[3-4]。

建筑結構安全性指建筑結構在正常施工與正常使用的情況下，歷經突發安全事故時與安全事故發生后的建筑結構穩定性。建筑結構的適用性可理解為該建筑物結構在正常使用條件下，滿足各類預設要求的能力。通常情況下，在相應的研究中會設定對應的性能指標體現其具體數值內容，例如人們受到建筑物的影響情況以及建筑結構的損壞情況等。如果該建筑不符合人們規定的要求，將其稱為結構不具備相應的適用性。建筑物結構耐久性指該建筑結構在正常維護的條件下，材料性能隨時間變化出現的退化情況。

建筑結構具有相應的安全性、適用性以及耐久性，可以認定存在一定的可靠性。將上述三種性能合并稱為建筑結構設計可靠性，為了便于理解，將其整合為定義的形式。

在規定的時間內與預設條件下，可以實現建筑結構預定的功能，將這種情況稱為建筑結構設計可靠性。為了對其進行系統的量化分析，結合可靠度理論，對內容進行優化。在規定的時間與條件內建筑結構可實現其功能的概率，稱為建筑結構設計可靠度[5]。通過上述理論分析結果，作為此次分析的基礎內容并實現對建筑結構設計可靠度影響因素的細致分析。

2 建筑結構設計可靠度的影響因素分析

隨著建筑結構可靠性研究的不斷發展，建筑結構可靠性理論提出了考慮其他不確定因素的可靠度分析方法。在此次分析中，將使用隨機性與模糊性相結合的模糊可靠性分析方法，對目前建筑可靠性設計的影響因素進行分析。由于此次分析的問題較為復雜，在某些方面得不到統一要求，將建筑可靠性從復雜動態定性定量的研究方向轉化為簡單靜止定量的理論研究分析過程，通過上述分析過程得到了相應的建筑結構設計可靠度影響因素分析結果。

2.1 荷載統計參數

有研究發現，荷載統計參數是影響建筑結構設計可靠性的重要原因之一。在建筑結構設計可靠性理論中，建筑物的使用年限通常指按照一定規定設計完成的結構或結構插件，不需要進行大量修理，即可完成預定使用期限目標的時限[6-7]。通過研究可知，影響此期限長短的主要原因可分為荷載與耐久性兩個方面。因此，在建筑設計過程中，需要設定一定的荷載標準值，取得結構安全與經濟的最佳平衡。

根據文獻分析結果可知[8]，風荷載是影響建筑結構主要的荷載之一。對于建筑結構設計可靠性而言，風荷載是其主要的控制荷載，并主要影響建筑物的形變情況。在正常的情況下，建筑物的迎風柱與背風柱之間的距離均不能超過一定的極限值，以此滿足適用性要求。一般情況下，風荷載的數值可以通過規范給出的公式計算得到。對建筑物結構造成影響的荷載為雪荷載，考慮到房屋外層壓力面積分布影響以及設計基準期最大荷載概率分布等元素，可將雪荷載的重現期分為1年、3年、5年、10年等。

鋼筋混凝土結構構件由鋼筋和混凝土兩種材料組成，其抗力統計參數不僅受到上述三方面的影響，還與構件截面尺寸、配筋率、鋼筋和混凝土的材料強度比值等因素有關，影響因素眾多。規范中給出混凝土結構構件材料性能、幾何參數及計算模式不定性的統計參數，以一種典型構件的設計參數為條件，根據抗力計算公式和統計數學中的誤差傳遞公式計算得到各類構件的抗力統計參數。參數根據《鋼筋混凝土結構設計規范》（TJ 10—74）的相關材料性能和抗力計算公式給出，本文根據現行《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）的材料性能和抗力計算公式對其進行適當調整。

除上述內容外，房屋結構的恒定荷載也是荷載統計參數主要組成部分。此荷載對于建筑結構設計穩定性影響較小，將其放置于荷載統計參數中的最后一項，并由上述三部分組成荷載統計參數。恒荷載屬于永久荷載，在環境不變的情況下，基本可保持相對恒定，其對于建筑結構設計基準期的計算結果較小，可將其認定為恒定系數[9]。

2.2 建筑材料失效情況

除外界影響因素外，建筑結構設計中所選用材料的失效情況也會對其可靠性造成一定影響。通過分析可知，在正常的使用極限情況下，結構設計中使用材料的破壞程度與結構設計結果的使用年限具有一定關聯性。結構允許的破壞程度取決于結構本身的耐久性與實用性，即取決于使用者對于建筑結構的主觀因素。

綜合在第一部分提出的外界荷載影響，在此部分中，將內部失效準則設定為兩個部分。側移或撓度失效準則，對于建筑結構設計可靠性而言，建筑物的結構失效通常由其位移所控制。在此次分析，將此兩項的失效準則用于評估建筑發生位移后的失效可靠性，通過允許位移，保證結構的適用性。在現行的結構設計規范中，將建筑物設計結果規范于風荷載標準值下，若建筑物結構水平位移不超過規定值，則建筑物的可靠性較高；反之，建筑可靠性較低。舒適性失效準則，對于建筑結構設計結果，由于此次分析中的建筑物多為可拆卸結構，使用時間相對較短，暫不將其列入考慮范圍。

在進行建筑結構設計結果的可靠性分析中，一般需要搜集大量的資料進行數據分析，對各個變量的概率分布參數進行分析。為了降低計算難度，將建筑結構的形變數據、材料性能荷載等變量在原有的基礎上進行對比。通過此對比結果，計算獲取材料敏感度，敏感度越高的材料其建筑結構設計后的可靠性越低。

3 建筑結構設計可靠度比較方法

在此次設計的方法中，將使用有限元分析法將建筑結構設計結果進行單元劃分，并將其結構極限狀態方程通過數據的形式表達出來。通過計算極限狀態中各參數的分布情況以及統計參數的比值，得到有限元結構下建筑結構設計結果的標準值與均值，利用一次二階距方程得到此結構的可靠度。

在進行有限元分析的過程中，使用隨機有限元對建筑結構進行分析，求出結構的隨機反應，并根據此反應得到相應的平均值與結構的變異系數。將此計算結果與常用的可靠性分析方法相結合，對建筑結構設計結果的失效概率進行求解。使用此種方法不僅可以求得結構可靠性的具體數據，還可以對建筑結構的外在載荷與結構材料進行分析，具有很好的計算效果。在有限元分析的過程中，需要進行大量的迭代運算，應選擇更為高級的計算軟件，作為有限元分析的載體。通過上述方法獲取建筑結構設計可靠性的具體數值，并根據此數值完成對比過程，對比結果具象化體現，可設定相應的等級劃分結果，確定建筑結構設計中的可靠度等級，以此完成建筑結構設計可靠度比較分析。

4 結語

本文主要對建筑結構設計可靠度的影響因素與比較展開分析。通過研究相關文獻得到了相應的可靠度影響因素分析結果，設定了建筑結構設計可靠度比較方法。本研究還存在不足，在有限元計算過程中未設定對應的邊界條件以及建筑結構三維模型。今后的研究中將針對上述不足展開優化，以此獲得更完善的建筑結構設計結果，提升建筑物使用年限，保證人們的生命和財產安全。