GB 50153-1992 工程结构可靠度设计统一标准.pdf

1、建标中华人民共和国国家标准工程结构可靠度设计统一标准发布实施国家技术监督局中华人民共和国建设部联合发布中华人民共和国国家标准工程结构可靠度设计统一标准主编部门 中华人民共和国原城乡建设环境保护部批准部门 中华人民共和国建设部施行日期 年 月 日关于发布国家标准 工程结构可靠度设计统一标准 的通知建标 号根据国家计委计综 号文的要求 由中国建筑科学研究院会同有关单位共同编制的 工程结构可靠度设计统一标准 已经有关部门会审 现批准 工程结构可靠度设计统一标准 为强制性国家标准 自一九九二年十月一日起施行本标准由建设部负责管理 具体解释等工作由中国建筑科学研究院负责 出版发行由建设部标准定额研究所负

2、责组织中华人民共和国建设部一九九二年四月二日编制说明本标准系根据国家计委计综 第 号文通知 由原城乡建设环境保护部主编 具体由中国建筑科学研究院会同房屋建筑 铁路 公路 港口及水利水电工程结构可靠度设计统一标准的主编单位共同编制而成为了编制本标准 在工程建设标准化主管部门的领导下 协调了本标准与 建筑结构设计统一标准 铁路工程结构设计统一标准 公路工程结构设计统一标准 港口工程结构设计统一标准 水利水电工程可靠度设计统一标准 之间的关系 本标准是其它各类工程结构设计统一标准共同遵守的准则 在编制过程中 全国有关设计 科研和高等院校等单位通力合作 总结了我国工程实践经验 借鉴了相应的国际标准 征

3、求了全国有关单位的意见 最后经专门会议审查定稿本标准包括七章和六个附录 主要内容有结构可靠度定义 极限状态设计原则 结构上的作用 材料和岩土的性能及几何参数结构分析 分项系数设计方法 质量控制要求等请各单位在执行本标准过程中 注意总结经验和积累资料 随时将发现的问题和意见寄交中国建筑科学研究院结构所 以供今后修订时参考中华人民共和国建设部一九九二年三月目录第一章 总 则第二章 极限状态设计原则第三章 结构上的作用第四章 材料和岩土的性能及几何参数第五章 结 构 分 析第六章 分项系数设计方法第七章 质量控制要求附录一 结构可靠指标计算的一次二阶矩法附录二 永久作用 可变作用和偶然作用举例附录三

4、 永久作用标准值的确定原则附录四 可变作用标准值的确定原则附录五 可变作用准永久值和频遇值的确定原则附录六 本标准用词说明附加说明第一章总则第条为统一工程结构可靠度设计的基本原则和方法 使设计符合技术先进 经济合理 安全适用 确保质量的要求 制定本标准第条本标准是制定房屋建筑 铁路 公路 港口 水利水电工程结构可靠度设计统一标准应遵守的准则 在各类工程结构的统一标准中尚应制定相应的具体规定第条本标准适用于整个结构 组成整个结构的构件以及地基基础 适用于结构的施工阶段和使用阶段第条工程结构必须满足下列功能要求一 在正常施工和正常使用时 能承受可能出现的各种作用二 在正常使用时 具有良好的工作性能

5、三 在正常维护下 具有足够的耐久性能四 在设计规定的偶然事件发生时和发生后 能保持必需的整体稳定性第条结构在规定的时间内 在规定的条件下 对完成其预定功能应具有足够的可靠度 可靠度一般可用概率度量确定结构可靠度及其有关设计参数时 应结合结构使用期选定适当的设计基准期作为结构可靠度设计所依据的时间参数第条工程结构设计宜采用分项系数表达的以概率理论为基础的极限状态设计方法第条工程结构设计时 应根据结构破坏可能产生的后果 危及人的生命 造成经济损失 产生社会影响等 的严重性 采用表 规定的安全等级工程结构的安全等级表安全等级 破坏后果一 级 很严重二级 严 重三 级 不严重注 对特殊结构 其安全等级

6、可按具体情况确定第条工程结构中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同 对其中部分结构构件的安全等级可适当提高或降低 但不得低于三级第条对不同安全等级的结构构件 应规定相应的可靠度第条工程结构应按其破坏前有无明显变形或其它预兆区别为延性破坏和脆性破坏两种破坏类型 对脆性破坏的结构 其规定的可靠度应比延性破坏的结构适当提高第条当有条件时 工程结构宜按结构体系进行可靠度设计 结构体系可靠度设计 应根据结构破坏特点选定主要破坏模式 并通过结构选型或调正构件可靠度 提高整个结构可靠度设计的合理性第条为了保证工程结构具有规定的可靠度 应对结构设计所依据的主要条件进行相应的控制 应根据结构的安全等

7、级划分相应的控制等级 对控制的具体要求 由有关的勘察 设计 施工及使用等标准专门规定第二章极限状态设计原则第条整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求 此特定状态应为该功能的极限状态对于结构的各种极限状态 均应规定明确的标志及限值第条极限状态可分为下列两类一 承载能力极限状态 这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形当结构或结构构件出现下列状态之一时 应认为超过了承载能力极限状态整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 如倾覆 滑移等结构构件或连接因材料强度被超过而破坏 包括疲劳破坏 或因过度变形而不适于继续承载结构转变为机动体系结构或

8、结构构件丧失稳定 如压屈等二 正常使用极限状态 这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值当结构或结构构件出现下列状态之一时 应认为超过了正常使用极限状态影响正常使用或外观的变形影响正常使用或耐久性能的局部损坏 包括裂缝影响正常使用的振动影响正常使用的其它特定状态第条工程结构设计时 应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响确定设计状况工程结构的设计状况可分为下列三种一 持久状况 在结构使用过程中一定出现 且持续期很长的状况 持续期一般与使用期为同一数量级二 短暂状况 在结构施工和使用过程中出现概率较大 而持续期较短的状况三 偶然状况 在结构使用过程中出现概率很小 且持

9、续期很短的状况对于不同的设计状况 可采用不同的结构体系 可靠度水准和基本变量的设计值等 分别进行可靠度验算第条对三种设计状况 工程结构均应按承载能力极限状态设计 对持久状况 尚应按正常使用极限状态设计 对短暂状况 可根据需要按正常使用极限状态设计 对偶然状况 可不按正常使用极限状态设计第条工程结构设计时 对各种设计状况 应按不同的极限状态确定相应的结构作用效应的最不利组合第条对偶然状况 结构可采用下列原则之一按承载能力极限状态进行设计一 按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施 使主要承重结构不致因出现设计规定的偶然事件而丧失承载能力二 允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏 但

10、其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的适当可靠度第条在结构可靠度分析时 应将结构上的作用 材料和岩土的性能 几何参数以及计算模型的不定性等作为基本变量可将作用效应 结构抗力等若干个基本变量构成为综合变量基本变量或综合变量应作为随机变量第条工程结构的极限状态 应采用下列极限状态方程描述式中 结构的功能函数基本变量第条工程结构按极限状态设计应符合下式要求当仅有作用效应和结构抗力两个综合变量时 工程结构按极限状态设计应符合下式要求式中 结构的作用效应结构的抗力第条结构不能完成预定功能的概率应为失效概率结构构件的可靠度宜采用可靠指标度量 结构构件失效概率与可靠指标的关系为式中 标准正态分布函数结构

11、构件失效概率的运算值结构构件的可靠指标结构构件的可靠指标应根据基本变量的概率分布类型和统计参数计算确定 见附录一第条结构构件设计的目标可靠指标 可在对现有结构构件进行可靠指标校准的基础上 根据结构安全和经济的最佳平衡确定为确定可靠指标 所有基本变量的概率分布类型和统计参数应根据足够的统计资料和工程经验 应用概率理论和数理统计方法 由各类工程结构可靠度设计统一标准作出规定 当缺乏足够的统计资料时 可根据现有资料结合有充分根据的工程经验作出规定第条对持久状况和短暂状况 当按承载能力极限状态设计时 各类结构构件的安全等级每相差一级 目标可靠指标取值宜相差第条结构构件宜根据规定的目标可靠指标 采用由作

12、用代表值 材料性能标准值 几何参数标准值以及各相应的分项系数组成的极限状态设计表达式进行设计第三章结构上的作用第条结构上的作用应包括施加在结构上的集中力和分布力 和引起结构外加变形和约束变形的原因注 施加在结构上的集中力和分布力 可称为荷载结构上的各种作用 当在时间上或空间上可假定为相互随机独立时 每一种作用均可按单独的作用考虑 当某些作用密切相关 且经常以其最大值同时出现时 可将这些作用技一种作用考虑第条结构上的作用可按下列性质分类一 按随时间的变异性分类永久作用 在设计基准期内量值不随时间变化 或其变化与平均值相比可忽略的作用可变作用 在设计基准期内量值随时间变化 且其变化与平均值相比不可

13、忽略的作用偶然作用 在设计基准期内不一定出现 而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用注 永久作用 可变作用和偶然作用举例见附录二二 按随空间的变异性分类固定作用 在结构上具有固定分布的作用自由作用 在结构上一定范围内可以任意分布的作用三 按结构的反应特点分类静态作用 使结构产生的加速度可以忽略不计的作用动态作用 使结构产生的加速度不可忽略不计的作用第条结构上的作用随时间变化的规律宜采用随机过程概率模型描述结构上的作用在设计基准期内的最大值或最小值 可采用随机变量概率模型描述结构上的作用的概率分布类型和统计参数 应以观测数据为基础 运用参数估计方法和概率分布的假设检验方法确定第条工程结构按不同

14、极限状态设计时 在设计表达式中应采用不同的作用代表值 作用代表值和确定代表值的方法应由有关的标准专门规定第条作用的标准值应是工程结构设计时采用的主要代表值 它代表结构上可能出现的最不利作用值 其值可按在设计基准期内作用最大 小 值概率分布的某个偏不利的分位值确定 当有条件时 可统一规定与分位值对应的概率值注 永久作用标准值的确定原则见附录三 可变作用标准值的确定原则见附录四 当观测资料不够充分时 标准值也可结合工程经验 经分析判断确定第条工程结构设计时 可变作用代表值尚可采用频遇值和准永久值可变作用的频遇值代表结构上时而出现的较大作用值 其值可按作用在设计基准期内具有某个规定的较短的总持续期确

15、定或按规定的跨阈率确定可变作用的准永久值代表结构上经常出现的作用值 其值可按作用在设计基准期内具有某个规定的较长的总持续期确定频遇值和准永久值可采用标准值乘以小于 的系数表达注 可变作用准永久值和频遇值的确定原则见附录五第条偶然作用的代表值由有关标准专门规定 也可根据观测资料和工程经验 经综合分析确定第条工程结构设计时 对可能同时出现的不同种类的作用 应考虑其效应组合 对不可能同时出现的不同种类的作用 不考虑其效应组合第四章材料和岩土的性能及几何参数第条材料和岩土的性能是指其强度和变形模量等物理力学性能 应根据有关的试验方法标准经试验确定第条按标准试件确定的材料和岩土性能 应通过换算系数或函数

16、转换为实际结构中材料和现场岩土的性能 实际结构中材料和现场岩土的性能的不定性 由标准试件性能的不定性和换算系数或函数的不定性两部分构成第条材料性能宜采用随机变量概率模型描述 材料性能的概率分布类型和统计参数 应以试验数据为基础 运用参数估计方法和概率分布的假设检验方法确定第条材料性能的标准值应根据符合标准规定的材料性能的概率分布的某个分位值确定 对强度标准值宜取 分位值 对变形模量标准值宜取 分位值注 当试验数据不够充分或情况特殊时 材料性能标准值可结合工程经验 经分析判断确定第条岩土性能的标准值宜根据现场取样试验的结果 按有关标准的规定确定注 当有条件时 岩土性能的标准值可按概率分布的某个分

17、位值确定第条几何参数应为与结构 构件和截面的形状 尺寸和总体布置有关的参数几何参数可采用随机变量概率模型描述 几何参数的概率分布类型和统计参数 应以测试数据为基础 运用参数估计方法和概率分布的假设检验方法确定当几何参数的变异性对结构抗力及其它性能的影响很小时几何参数可作为确定性变量考虑注 当测试数据不够充分时 几何参数的统计参数可根据有关标准规定的公差 经分析判断确定第条几何参数的标准值可采用设计规定的公称值或根据几何参数概率分布的某个分位值确定第五章结构分析第条结构分析应包括下列内容一 结构作用效应的分析 确定结构或截面上的作用效应二 结构抗力及其它性能的分析 确定结构或截面的抗力及其它性能

18、第条结构分析可采用计算 模型试验或原型试验等方法第条结构分析采用的基本假定和计算模型应能描述所考虑极限状态下的结构反应根据结构的具体情况 可采用一维 二维 三维的计算模型进行结构分析第条当工程结构按承载能力极限状态设计时 根据材料和结构对作用的反应 可采用线性 非线性或塑性理论计算当工程结构按正常使用极限状态设计时 可采用线性理论计算 必要时 可采用非线性理论计算第条当结构承受自由作用时 应根据每一自由作用可能出现的空间位置 确定对结构最不利的作用布置第条环境对材料 构件和结构性能的系统影响 宜在结构分析中直接考虑 如湿度对木材强度的影响 高温对钢结构性能的影响等第条计算模型的不定性应在极限状

19、态方程中采用一个或几个附加的基本变量考虑 附加基本变量的概率分布类型和统计参数 可通过按计算模型的计算结果与按精确方法的计算结果或实际观测的结果相比较 经统计分析确定 或根据工程经验判断确定第六章分项系数设计方法第条结构构件极限状态设计表达式中的各种分项系数 应根据有关基本变量的概率分布类型和统计参数 以及规定的目标可靠指标 通过计算分析 并考虑工程经验 经优化后确定第条作用的设计值 应按下式确定式中 作用的代表值作用的分项系数材料和岩土性能的设计值 应按下式确定式中 材料和岩土性能的标准值材料和岩土性能的分项系数几何参数设计值 可采用几何参数标准值 当几何参数的变异性对结构性能有明显影响时

20、几何参数设计值可按下式确定式中 几何参数附加量第条结构构件按极限状态设计时应符合下式要求式中 作用的组合系数限值 如变形 裂缝宽度 加速度的限值结构重要性系数反映计算模型不定性的系数第条当结构构件按承载能力极限状态设计时 可采用下列设计表达式或 式中 作用效应函数抗力函数反映作用效应计算模型不定性的系数反映抗力计算模型不定性的系数当考虑偶然作用时 设计表达式宜按下列原则确定 偶然作用分项系数取 与偶然作用同时出现的可变作用 根据观测资料和工程经验采用适当的代表值 此外 尚应考虑偶然作用对抗力的影响 具体的设计表达式及各种系数取值 应由有关标准专门规定第条当结构构件按承载能力极限状态设计时 对持

21、久状况和短暂状况 应采用各自的基本组合 对偶然状况 应采用偶然组合基本组合系指永久作用和可变作用的效应组合 可采用下列设计表达式式中 第 个永久作用的标准值第一个可变作用的标准值 该可变作用标准值的效应大于其它任意第 个可变作用标准值的效应其它第 个可变作用的标准值第 个永久作用的分项系数第一个和其它第 个可变作用的分项系数第 个可变作用的组合系数偶然组合系指永久作用 可变作用和一个偶然作用的效应组合第条结构构件设计时 对可变作用的效应组合 可根据参与组合的作用的性质 采用相应的组合值 组合值可采用标准值乘以组合系数表达 组合系数也可通过调整相应的作用分项系数来反映组合系数或调整后的作用分项系

22、数值 宜按不同作用效应组合下结构构件均满足目标可靠指标的原则确定 也可采用有充分依据的其它方法确定第条当永久作用效应对结构构件承载能力起有利作用时 公式 中永久作用分项系数 的取值不应大于第条当结构构件按正常使用极限状态设计时 可采用下列设计表达式或 第条当结构构件按正常使用极限状态设计时 对持久状况 应采用短期效应组合和长期效应组合 对短暂状况 可采用短期效应组合短期效应组合系指永久作用标准值和可变作用频遇值的效应组合 长期效应组合系指永久作用标准值和可变作用准永久值的效应组合第七章质量控制要求第条对工程结构应实施为保证结构可靠度所必需的质量控制 工程结构的质量控制应包括下列内容一 勘察与设

23、计的质量控制二 材料和制品的质量控制三 施工的质量控制四 使用和维护的质量控制第条对工程结构的各项质量控制应由相应标准作出规定 在各类工程结构的可靠度设计统一标准中 宜规定与目标可靠度相应的结构和构件的质量水平及有关的质量控制原则第条勘察与设计的质量控制应达到下列要求一 勘察资料齐全 数据准确 结论可靠二 设计中采用的基本假定和计算模型合理 数值运算正确三 图纸和其它设计文件符合有关规定第条工程结构材料和制品的质量控制应包括下列内容 并达到相应的要求一 初步控制 在试生产阶段 通过试配或试运行 确定合理的原材料组成和工艺参数 为生产控制提供材料 制品和结构性能的统计参数二 生产控制 在生产阶段

24、 对原材料组成和工艺过程进行控制 保证材料 制品和结构的质量符合有关标准规定的稳定性三 合格控制 在交付使用前 按规定的质量验收标准进行合格性验收 保证材料 制品和结构的质量符合规定第条为进行施工质量控制 在各工序内应实行质量自检 在各工序间应实行交接质量验收 对工序操作和中间产品的质量 应采用统计方法进行抽查 在结构的关键部位应进行系统检查第条在工程结构的使用期间 应保持设计预定的使用条件 定期检查结构状况 并进行必要的维修 当实际使用条件与设计预定的使用条件不同时 应进行专门的验算和采取必要的措施附录一 结构可靠指标计算的一次二阶矩法一 结构的极限状态方程应采用下列表达式附式中 为基本变量

25、 如各种作用 材料性能和几何参数等 假定它们为统计独立二 结构的可靠指标 可按下列公式计算附附附式中 基本变量 的平均值和标准差中的变量在 点赋值 为验算点其坐标值为三 上列公式可综合表达为附当基本变量 为非正态随机变量时 应转化为当量正态随机变量其平均值 和标准差 可按下列公式计算附附式中 标准正态分布函数的反函数标准正态概率密度函数注 结构的可靠指标也可采用其它方法计算 对于基本变量的变异系数很大 极限状态方程的非线性程度很高等情况 可靠指标宜采用更精确的方法计算附录二 永久作用 可变作用和偶然作用举例一 永久作用结构自重土压力水位不变的水压力预应力地基变形混凝土收缩钢材焊接变形引起结构外

26、加变形或约束变形的各种施工因素二 可变作用使用中的人员 物件等荷载施工中结构的某些自重安装荷载车辆荷载吊车荷载风荷载雪荷载冰荷载常遇地震水位变化的水压力扬压力波浪力温度变化三 偶然作用撞击爆炸罕遇地震龙卷风火灾极严重的侵蚀罕遇洪水附录三 永久作用标准值的确定原则各种永久作用的标准值 可按下列方法确定一 结构自重的标准值 可按设计图纸规定的尺寸和材料平均单位体积或单位面积上所受的重力计算对某些结构 可考虑尺寸的变异 采用较大和较小的两个标准值二 非承重结构自重的标准值 可按设计图纸规定的尺寸和材料平均单位体积或单位面积上所受的重力计算 若移去这部分自重使结构处于不利状态 则在计算中应取其值为零三

27、 在大多数情况下 土压力的标准值应取主动土压力的较大值 静止土压力的较大值 或被动土压力的较小值 当土有可能被移去时 应考虑无土压力的特殊情况四 预应力可采用较大和较小两个标准值 且均应考虑时间因素五 施工和材料收缩 膨胀产生的变形的标准值 可采用某个指定值或零值 收缩和膨胀产生的变形宜考虑时间因素六 支座沉陷可采用较大和较小两个标准值 一般情况下可取较小标准值为零附录四 可变作用标准值的确定原则一 可变作用最大 小 值的概率分布根据可变作用的观测值 通过统计参数估计和优度拟合检验可获得可变作用的概率分布函数当可变作用采用平稳二项随机过程模型时 设计基准期 内可变作用最大值的概率分布函数 及最

28、小值的概率分布函数 可分别按下列公式计算附附式中 可变作用随机过程的截口概率分布函数可变作用在设计基准期内的平均出现次数例如 当截口概率分布为极值 型分布时 如年最大风压其最大值概率分布函数为当可变作用采用其它随机过程模型 如普哇松过程 时 设计基准期 内可变作用最大 小 值的概率分布可用相应的公式计算二 可变作用的标准值可变作用标准值 宜根据可接受的概率 由可变作用在设计基准期 内最大 小 值概率分布的某个分位值确定当可变作用增大对结构产生不利效应时 标准值 由下列公式确定或 附此时 概率 应取较大值当可变作用减小对结构产生不利效应时 标准值 由下列公式确定或 附此时 概率 应取较小值当可变

29、作用标准值以重现期 年 表达时 标准值 可由可变作用年最大值概率分布函数 中概率为 的分位值确定附T 0QqQkt4t3t2t1t附录五 可变作用准永久值和频遇值的确定原则对可变作用可选择足够长的观测期 进行连续观测 以确定准永久值和频遇值当条件不具备时 也可根据必要的观测经判断确定一 可变作用的准永久值根据连续观测数据 可获得可变作用 随时间 的变化规律见附图附图 可变作用准永久值的确定可按可变作用值超过准永久值 的总持续时间与整个观测期 的比值 确定准永久值 可取二 可变作用的频遇值可采用下列两种方法之一确定频遇值按与准永久值相同的原则确定 但 的取值应相当小按可变作用超过频遇值 的次数

30、与整个观测期的比值 确定 称为跨阈率 一般根据经济因素确定当工程结构按正常使用极限状态设计时 可按两种情况区别对待结构部分损坏 例如开裂 一般系因出现可变作用的较高值所致 故宜按跨阈率 确定结构功能降低 例如出现不舒适的振动 一般受可变作用总持续时间的影响较大 故宜按比值 确定附录六 本标准用词说明一 为便于在执行本标准条文时区别对待 对要求严格程度不同的用词说明如下表示很严格 非这样做不可的正面词采用 必须反面词采用 严禁表示严格 在正常情况下均应这样做的正面词采用 应反面词采用 不应 或 不得对表示允许稍有选择 在条件许可时首先应这样做的正面词采用 宜 或 可反面词采用 不宜二 条文中指定应按其它有关标准 规范执行时 写法为应符合 的规定附加说明本标准主编单位 参加单位和主要起草人名单主编单位 中国建筑科学研究院参加单位 铁道部科学研究院铁道部专业设计院交通部公路规划设计院交通部水运规划设计院交通部第一航务工程勘察设计院能源部水利部水电规划设计总院河海大学福建师范大学重庆交通学院主要起草人 李明顺 胡德 火 斤 陈基发 马坤贞 姚明初曹起凤 赵顺昌 杨松泉 贺 铮 沈义生吴世伟 林忠民 邹天一