概述结构设计规范可靠度设计方法

杨建兴 庞学椿

摘要：结构规范的可靠度可以理解为结构或是构建在允许的时间范围内，在条件范围内完成预先指定目标的成功率。而结构可靠度属于从数学角度出发，对这一成功率在不同条件影响下完成结果的定量表达。虽然是定量表达，但是与其它定量表达理论不同的是，结构可靠度定量表达的只是概率，并非固定的数量值，因此依旧存在波动性和不确定性。基于结构可靠度值的不确定性，当代概率论被引进到结构可靠度理论基础之中，并发挥了关键性的作用。

关键词：建筑结构；可靠度；设计；研究

中图分类号：TU2 文献标识码：A

随着我国基础建设的加快，建筑行业蓬勃发展，由此带来的行业内部发展良莠不齐的现象，需要用完善的专业评价体系去约束和保障工程质量，我国目前对结构可靠度的应用已经初具规模，其应用领域涉及设备的检验、耐久性分析、结构抵抗灾害性气象能力、建筑行业相关规程的制定以及设备缺陷诊断等，几乎涵盖了与建筑相关的所有领域。在现阶段，对建筑结构设计可靠度理论的深入研究具有重要意义。

一、建筑结构设计可靠度理论

建筑结构是由钢、木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等建造的各种建筑物和构筑物。建筑物的安全性能关系着经济、社会发展，更关系着人身安全。特别是一些具有时代文化特征的重要建筑物，其安全性能更显得尤为重要。在土木工程领域，结构可靠度的分析计算受到荷载作用、环境作用、材料内部作用以及可能出现的超重荷载等诸多因素影响制约，无法科学地协调结构安全、适用经济等各项指标之间的矛盾，使它们达到合理的平衡。故建筑结构可靠度的研究显得尤为重要。近年来，可靠度理论日渐完善，计算方法也多种多样。选择合理的计算方法（中心点法、验算点法、Monte Carlo Method），也能使建筑结构可靠度的计算或者设计更精确。当前结构的可靠度分析与设计理论，主要是基于构件可靠度设计和体系可靠度设计理论。

1、构件可靠度设计理论

以荷载和抵抗力的随机统计和数据建模进行分析，构件可靠度设计理论的函数为一组随机变量的统计函数，表达式为：

Z=g(X1,X2,X3,⋅⋅⋅Xn) （1）

其中Xi (i=1,2,3,…,n）是荷载、抵抗力或与之相关的其它随机变量。功能函数能够直观的表达出构件的安全范围、极限位置和失效范围，这三种状态分别对应Z > 0,Z = 0,Z < 0三种状态。Z > 0和Z < 0所在范围内的统计概率就是构件相应于函数Z描述的功能的可靠度和失效概率。

构件可靠度设计就是在规定的时间、规定的条件范围内，合理运用不同的结构、材料和其它因素，调整整体的结构，使得构件的可靠度能够满足预期目标。

当功能函数Z是线性的且各随机变量Xi (i=1,2,3,…,n）是正态随机变量时，相应于功能函数Z的构件可靠度PS与可靠指标β有一一对应的关系，则β可以表示为

Β=mZ/σi （2）

对于非线性功能函数 、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β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设计表达式βi≥ [β](i=1,2,…m)，式中βi和[β]分别是构件的实际可靠指标和目标可靠指标。

2、体系可靠度设计理论

结构设计既要着眼于单独构件的可靠度，也要考虑工程整体的稳定性以及可靠度，针对工程整体的可靠度设计就成为体系可靠度设计，当前越来越多的大型工程开始重视体系可靠度的设计。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实效组成。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Psf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Psi > [Ps ](i =1, 2,⋅⋅⋅,m) ，并且Pss>[Pss ] ,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：一是结构的实效模式过多，想要详尽的罗列太多困难，二是各结构之间存在相互影响，在计算过程中难以进行定量的关联分析。当前建筑行业对结构体系可靠度设计理论还不够认可，因此在行业内并没有严格的规范要求进行工程结构体系可靠度设计，但在国际上已经开始有一部分工程设计开始添加体系可靠度设计内容。

二、建筑结构设计可靠度影响因素

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：

Z = R −S (3)

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：

(4)

式中u和σ是相应下标量的均值和标准差。

1、目标的可靠指标

由上图可以看出，在抗力和荷载效应一定的情况下，目标可靠指标实际上就是规定抗力和荷载效应的概率密度Pr和Ps重叠的部分。[β]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《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）和其它大多数国家的结构设计标准中，目标可靠指标 [β]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。

目标可靠指标相同时，两个结构荷载设定的大小不同,结构设计可靠度水平会截然不同。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 ,包括诸如飓风、暴雨、地震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平均值的大小；自然环境荷载的水平，主要与基准期长短有关，因为自然荷载按照当年最大值进行统计，基准期越长，荷载水平越高；可变荷载概率分布参数确定的准确程度，也将影响结构设计的可靠度。例如假定在图1中的实线是相应于目标可靠指标[β]的设计荷载效应，虚线是实际的荷载效应 ,显然 ,我们设计的结构并不真正具备设定的目标可靠指标[β]。

2、最不利荷载效应组合

《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）规定了我国构件目标可靠指标的确定因素为：三种基本荷载效应组合和14中基本构件校准。结构设计过程中，通常先计算结构的最不利荷载效应组合，然后返算结构的实际可靠度。可变荷载水平的影响因素类似。在校准构件目标可靠指标时 ,“恒载+活载+风载”与“恒载+活载+雪载+风载 ”两种不同荷载效应组合下（可变荷载基准期相同）具有相同的目标可靠指标 ,其实 ,两者的可靠度水平是不同的。

3、抵抗力的衰减

构件的抵抗力并非一成不变，在使用过程中，构件收到环境侵蚀、自身老化和其它破坏的影响，抵抗力不断衰减，在无特殊外力破坏的条件下，衰减与时间的关系为：，也就是说抵抗力的均值和标准差是时间的函数,即如果能准确把握抵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Tu的构件剩余抗力的分布参数uR（Tu）和σR（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。

三、建筑结构设计可靠度的国内外对比

从国际角度来看，美洲范围内进行的结构可靠性理论研究以美国为主，也是国际上最早进行该研究的国家，美国队结构可靠性理论研究的标志性事件为提出钢结构规范中荷载和抗力系数设计(LRFD)方法。亚太地区则以我国为主，其次是日本和澳大利亚，三国都具有大规模基础建设的经历，因此对结构可靠性理论的重视要高于本地区的其他国家。

四、结束语

建筑结构设计可靠度理论逐渐发展成熟，应用范围也越来越广。但是随着各种复杂建筑的增多，其应用方法依然需要更深入的进行研究和探索。实际设计中不可抗拒的外力太多，非正常因素太多，理论与实际依然存在不符，所计算的各种数据与现实的相似度还不能够完全满足各类工程需要。要想利用建筑结构设计可靠度理论提高建筑工程质量，探索之路任重而道远。

参考文献：

[1] 黄学明.李国芬.结构可靠性研究综述[J]. 山西建筑. 2007, 3(2):78-79.

[2] 贡金鑫，仲伟秋,赵国藩.工程结构可靠性基本理论的发展与应用[J].建筑结构学报,2002,23(4):2-8.

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[4] 刘玉彬.工程结构可靠度理论研究综述[J].吉林建筑工程学院报 ,2002 ,19 (2):41243.