钢混组合结构设计中可靠度分析综述

朱庆利

【摘要】钢—混组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，它是由钢构件受拉、混凝土构件受拉协同合作的受力构件。国内外学者对钢一混凝土组合结构的静力及动力性能展开了深入的试验与理论研究，取得了一系列的研究成果。但是，关于钢一混凝土组合梁的可靠度水准的研究尚不够深入。本文重点从钢—混组合结构的可靠度方面展开讨论。

【关键词】钢混组合结构；可靠度

一、工程结构设计理论的发展

工程结构设计的基本目的是在结构的可靠性与经济性之间选择一种最佳平衡，力求以最经济的途径使结构在预定的使用期（设计工作期）内，完成预定的各种功能。早期的结构设计采用“生物比拟法”保证可靠性主要依赖于经验。自1638年伽利略奠定现代建筑力学以来，工程结构设计方法经历了容许应力设计法——破损阶段设计法——极限状态设计法的过程[1-3]。

1.1、容许应力设计法

基本原理是使结构构件某截面的实际应力ój小于或等于设计规范所给定的容许应力[ó]即： ój ≤[ó]

其中，ój是由设计规范规定的荷载，按线性弹性理论计算出来的某截面的实际应力；[ó]是用一个由经验判断的安全系数（>1）去除某一极限状态所规定的最大应力而得到的应力值。这一方法在我国沿用了很长时间，目前仍在一些部门中应用。其优点是计算简单，但存在着明显的缺陷：1）没有考虑工程材料的非线性塑性变形性能；2）采用该方法设计结构不能充分发挥材料的潜力因为构件某一截面的最大应力达到破坏应力时构件未必就引起破坏；3）凭经验确定安全系数，缺乏严格的科学依据。

1.2、破损阶段设计法

基本原理是使结构达到破损阶段时的计算承载能力R（结构抗力）应不低于标准荷载引起的构件内力S（荷载效应）与安全系数K的乘积。即： KS≤R

这一方法考虑了材料的塑性变形性能，可以充分发挥材料的潜力，其极限荷载可直接由实验验证计算所得的结果给出了一个清晰简明的总安全度概念。缺点在于：1）安全系数的确定仍依赖经验且是一个定值.。实际上统一的单一安全系数是不能确切地度量结构的安全性的；2）因采用了极限平衡理论，对荷载作用下结构的应力分布及位移变化无法作出适当的预计。

1.3、极限状态设计法

基本原理是将结构置于各种可能的极限状态下来进行分析，并引入概率论、数理统计和可靠性理论的设计方法。极限状态设计法的发展分为两个阶段。

1.3.1 多系数极限状态设计法

多系数极限状态设计法的特点是[4-5]：1）构件的极限状态不仅包括了承载力极限状态，而且包括了挠度变形，及裂缝宽度极限状态，这已经包含了安全性和适用性的一些概念；2）对于承载力极限状态，不再采用单一的安全系数，而采用了多系数；3）对于材料强度则由统计后按一定的保证率确定。

依据这一方法前苏联及我国在50～60年代均制定了相应的规范。为了简化计算我国70

年代的规范采用了多系数分析，单系数表达的极限状态设计法[6]。多系数极限状态设计法已经具有近代可靠性理论的一些思想，其安全系数的选取从纯经验性到部分地采用了概率统计值，比容许应力法和破损阶段法有了很大进步。从本质上讲这是一种半经验半概率的方法（水准一方法），总的说来还没有脱出经验设计法或定值计算法的框架。

1.3.2 基于可靠性理论的概率极限状态设计法

这种方法是将影响结构安全性的几乎所有因素都作为随机变量，依据结构可靠性理论的分析方法来计算结构的失效概率或可靠指标，以此设计或校核结构。

70年代初期由国际结构安全度联合会（JCSS）编制并陆续发表的结构统一标准的国际体系，1973年国际标准化组织（ISO/TC98）提出的《結构安全性验证的总原则》（ISO2394）（1986年修订并更名为《结构可靠性总原则》，1998年颁布最新版）、我国于1984年颁布的《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）以及1992年颁布的《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）等，都是以近似概率法为基础，规定了工程结构可靠度设计的基本原则和方法。

二、钢管混凝土构件设计计算及可靠度分析

参考《钢管混凝土构件设计计算及可靠度分析》[6]，论文基于《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84），应用结构可靠度分析的一次二阶矩法，分别对《钢-混凝土组合结构设计规程》（DL-5085/T-1999）和《战时军港抢修早强型钢-混凝土组合结构设计规程》（GBJ-2000）中有关圆钢管混凝土和方钢管混凝土轴压、纯弯及压弯构件的承载力设计公式进行了可靠度分析。

由于计算轴压构件承载力时，稳定系数φ为λ的连续函数，在理论上，对应每个λ值都应存在计算模式不定性参数的一个平均值和变异系数，为简化计算，把连续曲线φ离散到不同的λ区段，分段求出计算模式不定性参数的平均值和变异系数，再计算各区段内的可靠度指标。纯弯构件承载力计算模式不定性参数：圆钢管混凝土平均值为1.027，变异系数为0.095；方钢管混凝土平均值为1.016，变异系数为0.042。

轴压构件承载力可靠度分析：对于圆钢管混凝土，在λ=50～100的区段，当C30混凝土和各钢种组合时，其β值较小，最小值为λ=70，Q345钢时的3.064，最大值则出现在λ=140、Q235和C50组合时的4.217；对于方钢管混凝土，其最小值为λ=30时Q345和C30组合的3.309，最大值出现在λ=90、Q235和C50组合时的4.418。另外，表5中数据也表明β随混凝土强度的提高而提高，随含钢率的提高而降低，钢材类别对β影响很小。

纯弯构件承载力可靠度分析：较小β值为C30混凝土与各钢种组合时的情况，较大β值为C50混凝土与各钢种组合时的情况，对于圆钢管混凝土，β最小值为3.486，最大值为3.815；对于方钢管混凝土，β最小值为3.843，最大值为4.217。

压弯构件承载力可靠度分析：当长细比较大（λ≥100）且相对偏心率也较大（e/r0 ≥1.0）时，其β值较小。对于圆钢管混凝土，β最小值为3.346，最大值为4.057；对于方钢管混凝土，其β最小值为3.260，最大值为4.195。计算结果表明，钢管混凝土压弯构件承载力可靠度指标基本符合统一标准要求。

三、结 语

本人从圆钢管混凝土和方钢管混凝土轴压、纯弯及压弯构件的承载力设计公式进行了可靠度分析。为自身专业知识的深入研究，特别是可靠度方面的学习研究奠定基础。

参考文献

[1]赵国藩.工程结构可靠性理论与应用[M].大连：大连理工大学出版社，1996.

[2]杨伟军，赵传智.土木工程结构可靠度理论与设计[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]Christensen B T，Baker M T.Structural reliability theory and its application [M]. Berlin： Heidelbery， New York： Springer-Verlag，1982.

[4]江见鲸.混凝土结构工程学[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[5]李清富，高健磊.工程结构可靠性原理[M].郑州：黄河水利出版社，1999.

[6]陶忠，韩林海.钢管混凝土构件舌尖计算及可靠度分析[J].哈尔滨：工业建筑，2000.