1、中华人民共和国国家标准建筑结构可靠度设计统一标准中华人民共和国建设部年月日总则为统一各类材料的建筑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本标准适用于建筑结构组成结构的构件及地基基础的设计制定建筑结构荷载规范以及钢结构薄壁型钢结构混凝土结构砌体结构木结构等设计规范应遵守本标准的规定制定建筑地基基础和建筑抗震等设计规范宜遵守本标准规定的原则本标准所采用的设计基准期为年结构的设计使用年限应按表采用表设计使用年限公类类别设计使用年限年示例临时性结构易于替换的结构构件普通房屋和构筑物纪念性建筑和特别重要的建筑结构结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠
2、度结构可靠度可采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种作用在正常使用时具有良好的工作性能在正常维护下具有足够的耐久性能在设计规定的偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性建筑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不同的安全等级建筑结构安全等级的划分应符合表的要求表建筑结构的安全等级安全等级破坏后果建筑物类型二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋注对特殊的建筑物其安全等级应根据具体情况另行确定地基基础设计安全等级及按抗震要求设计时建筑结构的安全等级尚
3、应符合国家现行有关规范的规定建筑物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进行调整但不得低于三级为保证建筑结构具有规定的可靠度除应进行必要的设计计算外还应对结构材料性能施工质量使用与维护进行相应的控制对控制的具体要求应符合有关勘察设计施工及维护等标准的专门规定当缺乏统计资料时结构设计应根据可靠的工程经验或必要的试验研究进行术语符号术语可靠性结构在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的能力可靠度结构在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的概率失效概率结构不能完成预定功能的概率可靠指标由定义的代替失效概率的指标其中为标准正态分布函数的反函数基本变量代表物
4、理量的一组规定的变量它表示各种作用材料与岩土性能以及几何量的特征设计基准期为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数设计使用年限设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用时间极限状态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为该功能的极限的状态设计状况代表一定时段的一组物理条件设计应做到结构在该时段内不超越有关的极限状态功能函数基本变量的函数该函数表征一种结构功能概率分布随机变量取值的统计规律一般采用概率密度函数或概率分布函数表示统计参数在概率分布中用来表示随机变量取值的平均水平和分期程度的数字特征如平均值标准差变异系数等分位
5、值与随机变量分布函数某一概率相应的值作用施加在结构上的集中力或分布力直接作用也称为荷载和引起结构外加变形或约束变形的原因间接作用作用代表值设计中用以验证极限状态所采用的作用值作用代表值包括标准值组合值频遇值和准永久值作用标准值作用的基本代表值为设计基准期内最大作用概率分布的某一分位值组合值对可变作用使组合后的作用效应在设计基准期内的超越概率与该作用单独出现时的相应概率趋于一致的作用值或组合后使结构具有统一规定的可靠指标的作用值频遇值对可变作用在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的作用值或在设计基准期内超越频率为某一给定频率的作用值准永久值对可变作用在设计基准期内被超越的总时间为设
6、计基准期一半的作用值作用设计值作用代表值乘以作用分项系数所得的值材料性能标准值符合规定质量的材料性能概率分布的某一分位值材料性能设计值材料性能标准值除以材料性能分项系数所得的值几何参数标准值设计规定的几何参数公称值或几何参数概率分布的某一分位值几何参数设计值几何参数标准值增加或减少一个几何参数附加量所得的值作用效应由作用引起的结构或结构构件的反应例如内力变形和裂缝等抗力结构或结构构件承受作用效应的能力如承载能力等符号结构的设计基准期结构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度结构或结构构件的作用效应结构或结构构件作用效应的平均值结构或结构构件作用效应的标准值永久荷载的标准值可变荷
7、载的标准值结构或结构构件的抗力结构或结构构件抗力的平均值结构或结构构件抗力的标准值材料性能的平均值材料性能的标准值材料性能的标准值结构或结构构件的几何参数结构或结构构件的几何参数的标准值荷载组合值系数荷载频遇值系数荷载准永久值系数结构上的作用分项系数永久荷载分项系数可变荷载分项系数结构构件抗力分项系数材料性能分项系数结构重要性系数变形裂缝等荷载效应的设计值设计对变形裂缝等规定的相应限值极限状态设计原则对于结构的各种极限状态均应规定明确的标志及限值极限状态可分为下列两类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
8、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等结构构件或连接因超过材料强度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结构构件丧失稳定如压屈等地基丧失承载能力而破坏如失稳等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他特定状态建筑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区分下列三种设计状况持久状况在结构使用过程中一定出现其持续期很长的状况持续
9、期一般与设计使用年限为同一数量级短暂状况在结构施工和使用过程中出现概率较大而与设计使用年限相比持续期很短的状况如施工和维修等偶然状况在结构使用过程中出现概率很小且持续期很短的状况如火灾爆炸撞击等对于不同的设计状况可采用相应的结构体系可靠度水准的基本变量等建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计对三种设计状况均应进行承载能力极限状态设计对持久状况尚应进行正常使用极限状态设计对短暂状况可根据需要进行正常使用极限状态设计建筑结构设计时对所考虑的极限状态应采用相应的结构作用效应的最不利组合进行承载能力极限状态设计时应考虑作为效应的基本组合必要时尚应考虑作用效应的偶然组合进行正常使用极限状态设计
10、时应根据不同设计目的分别选用下列作用效应的组合标准组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生严重的永久性损害的情况频遇组合主要用于当一个极限状态被超越时将产生局部损害较大变形或短暂振动等情况准永久组合主要用在当长期效应是决定性因素时的一些情况对偶然状况建筑结构可采用下列原则之一按承载能力极限状态进行设计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其剩余部分具有在一定时间内不发生连续倒塌的可靠度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系指结构上的各种作用和材料性能几何
11、参数等进行结构可靠度分析时也可采用作用效应和结构抗力作为综合的基本变量基本变量应作为随机变量考虑结构按极限状态设计应符合下列要求当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量时结构按极限状态设计应符合下列要求式中结构作用效应结构的抗力结构构件的可靠度宜采用可靠指标度量结构构件的可靠指标宜采用考虑基本变量概率分布类型的一次二阶矩方法进行计算当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布时结构构件的可靠指标可按下列公式计算式中结构构件的可靠指标结构构件作用效应的平均值和标准差结构构件抗力的平均值和标准差结构构件的失效概率与可靠指标具有下列关系式中结构构件失效概率的运算值标准正态分布函数结构构件的可靠度与
12、失效概率具有下列关系式中结构构件的可靠度当基本变量不按正态分布时结构构件的可靠指标应以结构构件作用效应和抗力当量正态分布的平均值和标准差代入公式进行计算结构构件设计时采用的可靠指标可根据对现有结构构件的可靠度分析并考虑使用经验和经济因素等确定结构构件承载能力极限状态的可靠指标不应小于表的规定表结构构件承载能力极限状态的可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏脆性破坏注当承受偶然作用时结构构件的可靠指标应符合专门规范的规定结构构件正常使用极限状态的可靠指标根据其可逆程度宜取结构上的使用结构上的各种作用若在时间上或空间上可作为相互独立时则每一种作用均可按对结构单独的作用考虑当某些作用密切相关且
13、经常以其最大值同时出现时可将这些作用按一种作用考虑结构上的作用可按下列性质分类按随时间的变异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以忽略不计的作用可变作用在设计基准期内其量值随时间变化且其变化与平均值相比不可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按随空间位置的变异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施加在结构上的荷载宜采用随机过程概率模型描述住宅办公楼等楼面活荷载以及风雪荷
14、载随机过程的样本函数可模型化为等时段的矩形波函数荷载的各种统计参数和任意时点荷载的概率分布函数应以观测和试验数据为基础运用参数估计和概率分布的假设检验方法确定检验的显著性水平可采用当观测和试验数据不足时荷载的各种统计参数可结合工程经验分析判断确定结构设计时应根据各种极限状态的设计要求采用不同的荷载代表值永久荷载应采用标准值作为代表值可变荷载应采用标准值组合值频遇值或准永久值作为代表值结构自重的标准值可按设计尺寸与材料重力密度标准值计算对于某些自重变异较大的材料或结构构件如现场制作的保温材料混凝土薄壁构件等自重的标准值应根据结构的不利状态通过结构可靠度分析取其概率分布的某一分位值可变荷载标准值应
15、根据设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值确定注当观测和试验数据不足时荷载标准值可结合工程经验经分析判断确定荷载组合值是当结构承受两种或两种以上可变荷载时承载能力极限状态按基本组合设计和正常使用极限状态按标准组合设计采用的可变荷载代表值荷载频遇值是正常使用极限状态按频遇组合设计可采用的一种可变荷载代表值荷载永久值是正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的可变荷载代表值承载能力极限状态设计时采用的各种偶然作用的代表值可根据观测和试验数据或工程经验综合分析判断确定进行建筑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应考虑其效应组合材料和岩土的
16、性能及几何参数材料和岩土的强度弹性模量变形模量压缩模量内摩擦角粘聚力等物理力学性能应根据有关的试验方法标准经试验确定材料性能宜采用随机变量概率模型描述材料性能的各种统计参数和概率分布函数应以试验数据为基础运用参数估计和概率分布的假设检验方法确定检验的显著性水平可采用当利用标准试件的试验结果确定结构中实际的材料性能时尚应考虑实际结构与标准试件实际工作条件与标准试验条件的差别结构中的材料性能与标准试件材料性能的关系应根据相应的对比试验结果通过换算系数或函数来反映或根据工程经验判断确定结构中材料性能的不定性应由标准试件材料性能的不定性和换算系数或函数的不定性两部分组成岩土性能指标和地基桩基承载力等应
17、通过原位测试室内试验等直接或间接的方法确定并应考虑由于钻探取样扰动室内外试验条件与实际工程结构条件的差别以及所采用公式的误差等因素的影响材料强度的概率分布宜采用正态分布或对数正态分布材料强度的标准值可取其概率分布的分位值确定材料弹性模量泊松比等物理性能的标准值可取其概率分布的分位值确定注当试验数据不足时材料性能的标准值可采用有关标准的规定值也可结合工程经验经分析判断确定岩土性能的标准值宜根据原位测试和室内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其概率分布的某个分位值确定结构或结构构件的几何参数宜采用随机变量概率模型描述几何参数的各种统计参数和概率分布函数应以正常生产情况下
18、结构或结构构件几何尺寸的测试数据为基础运用参数估计和概率分布的假设检验方法确定当测试数据不足时几何参数的统计参数可根据有关标准中规定的公差经分析判断确定结构分析结构分析应包括下列内容结构作用效应的分析以确定结构或截面上的作用效应结构抗力及其他性能的分析以确定结构或截面的抗力及其他性能结构分析可采用计算模型试验或原型试验等方法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当建筑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建筑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
19、采用非线性理论计算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计算模型的不定性应在极限状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极限状态设计表达式结构构件的极限状态设计表达式应根据各种极限状态的设计要求采用有关的荷载代表值材料性能标准值几何参数标准值以及各种分项系数等表达作用分项系数包括荷载分项系数和结构构件抗力分项
20、系数或材料性能分项系数应根据结构功能函数中基本变量的统计参数和概率分布类型以及本标准条规定的结构构件可靠指标通过计算分析并考虑工程经验确定结构重要性系数应按结构构件的安全等级设计使用年限并考虑工程经验确定对于承载能力极限状态结构构件应按本标准条的要求采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计基本组合对于基本组合应按下列极限状态设计表达式中最不利值确定式中结构重要性系数应按本标准条的规定采用永久荷载分项系数应按本标准条的规定采用第个和第个可变荷载分项系数应按本标准条的规定采用永久荷载标准值的效应在基本组合中起控制作用的一个可变荷载标准值的效应第个可变荷载标准值的效应第个可变荷载的组合值系数其值不应
21、大于结构构件的抗力函数结构构件抗力分项系数其值应符合各类材料结构设计规范的规定材料性能的标准值几何参数的标准值当几何参数的变异对结构构件有明显影响时可另增减一个附加值考虑其不利影响对于一般排架框架结构式可采用下列简化极限状态设计表达式式中简化设计表达式中采用的荷载组合系数一般情况下可取当只有一个可变荷载时取注荷载的具体组合规则及组合值系数应符合建筑结构荷载规范的规定式和中荷载效应的基本组合仅适用于荷载效应与荷载为线性关系的情况偶然组合对于偶然组合极限状态设计表达式宜按下列原则确定偶然作用的代表值不乘以分项系数与偶然作用同时出现的可变荷载应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值具体的设计表达式及
22、各种系数应符合专门规范的规定结构重要性系数应按下列规定采用对安全等级为一级或设计使用年限为年及以上的结构构件不应小于对安全等级为二级或设计使用年限为的结构构件不应小于对安全等级为三级或设计使用年限为年的结构构件不应小于注对设计使用年限为年的结构构件各类材料结构设计规范可根据各自情况确定结构重要性系数的取值荷载分项系数应按下列规定采用永久荷载分项系数当永久荷载效应对结构构件的承载能力不利时对式及就取对式应取当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时不应大于第个和第个可变荷载分项系数和当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时在一般情况下应取当可变荷载效应对结构构件的承载能力有利时应取为对于正常使用极
23、限状态结构构件应按本标准条的要求分别采用荷载效应的标准组合频遇组合和准永久组合进行设计使变形裂缝等荷载效应的设计值符合下式的要求式中变形裂缝等荷载效应的设计值设计对变形裂缝等规定的相应限值变形裂缝等荷载效应的设计值应符合下列规定标准组合频遇组合准永久组合式中在频遇组合中起控制作用的一个可变荷载频遇值效应为第个可变荷载准永久值效应注的计算公式仅适用于荷载效应与荷载为线性关系的情况质量控制要求材料和构件的质量可采用一个或多个质量特征表达在各类材料结构设计与施工规范中应对材料和构件的力学性能几何参数等质量特征提出明确的要求材料和构件的合格质量水平应根据各类材料结构设计规范规定的结构构件可靠指标确定材
24、料宜根据统计资料按不同质量水平划分等级等级划分不宜过密对不同等级的材料设计时应采用不同的材料性能标准值对建筑结构应实施为保证结构可靠度所必需的质量控制建筑结构的各项质量控制应由有关标准作出规定建筑结构的质量控制应包括下列内容勘察与设计的质量控制材料和制品的质量控制施工的质量控制使用和维护的质量控制勘察与设计的质量控制应达到下列要求勘察资料应符合工程要求数据准确结论可靠设计方案基本假定和计算模型合理数据运用正确图纸和其他设计文件符合有关规定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检查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在建筑结构
25、使用期间应保证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和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材料和构件的质量控制应包括下列两种控制生产控制在生产过程中应根据规定的控制标准对材料和构件的性能进行经常性检验及时纠正偏差保持生产过程中质量的稳定性合格控制验收在交付使用前应根据规定的质量验收标准对材料和构件进行合格性验收保证其质量符合要求合格控制可采用抽样检验的方法进行各类材料和构件应根据其特点制定具体的质量验收标准其中应明确规定验收批量抽样方法和数量验收函数和验收界限等质量验收标准宜在统计理论的基础上制定对于生产连续性较差或各批间质量特征的统计参数差异较大
26、的材料和构件在制定质量验收标准时必须控制用户方风险率计算用户风险率时采用的极限质量水平可按各类材料结构设计规范的有关要求和工程经验确定仅对连续生产的材料和构件当产品质量稳定时可按控制生产方风险率的条件制定质量验收标准当一批材料或构件经抽样检验判为不合格时应根据有关的质量验收标准对该批产品进行复查或重新确定其质量等级或采取其他措施处理本标准用词说明为便于在执行本标准条文时区别对待对执行标准严格程度的用词说明如下一表示很严格非这样做不可的用词正面词采用必须反面词采用严禁二表示严格在正常情况下均应这样做的用词正面词采用应反面词采用不应或不得三表示允许稍有选择在条件许可时首先应这样做的用词正面词采用宜
27、反面词采用不宜表示有选择在一定条件下可以这样做的采用可中华人民共和国国家标准建筑结构可靠度设计统一标准条文说明总则本标准对各类材料的建筑结构可靠度和极限状态设计原则做出了统一规定适用于建筑结构组成结构的构件及地基基础的设计适用于结构的施工阶段和使用阶段制定建筑结构荷载规范以及各类材料的建筑结构设计规范均应遵守本标准的规定由于地基基础和建筑抗震设计在土性指标与地震反应等方面有一定的特殊性故规定制定建筑在基基础和建筑抗震等设计规范宜遵守本标准规定的原则表示允许稍有选择设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数它不等同于建筑结构的设计使用年限本标准所考虑的荷载统计参数都是按
28、设计基准期为年确定的如设计时需采用其他设计基准期则必须另行确定在设计基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数随着我国市场经济的发展建筑市场迫切要求明确建筑结构的设计使用年限值得重视的是最新版国际标准结构可靠度总原则上首次正式提出了设计工作年限的概念并给出了具体分类本次修订中借鉴了提出了各种建筑结构的设计使用年限明确了设计使用年限是设计规定的一个时期在这一规定时期内只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用完成预定的功能即房屋建筑在正常设计正常施工正常使用和维护下所应达到的使用年限如达不到这个年限则意味着在设计施工使用与维护的某一环节上出现了非正常情况应查找原因所谓正常维护包括必要的检
29、测防护及维修设计使用年限是房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程合理使用年限的具体化结构可靠度与结构的使用年限长短有关本标准所指的结构可靠度或结构失效概率是对结构的设计使用年限而言的当结构的使用年限超过设计使用年限后结构失效概率可能较设计预期值增大结构在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的能力称为结构可靠性结构可靠度是对结构可靠性的定量描述即结构在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的概率这是从统计数学观点出发的比较科学的定义因为在各种随机因素的影响下结构完成预定功能的能力只能用概率来度量结构可靠度的这一定义与其他各种从定值观点出发的定义是有本质区别的本标准规定的结构可靠度是以正常设计正常
30、施工正常使用为条件的不考虑人为过失的影响人为过失应通过其他措施予以避免在建筑结构必须满足的四项功能中第第两项是结构安全性的要求第项是结构适用性的要求第项是结构耐久性的要求三者可概括为结构可靠性的要求所谓足够的耐久性能系指结构在规定的工作环境中在预定时期内其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率从工程概念上讲足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限所谓整体稳定性系指在偶然事件发生时和发生后建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌在本标准中按建筑结构破坏后果的严重性统一划分为三个安全等级其中大量的一般建筑物列入中间等级重要的建筑物提高一级次要的建筑物降低
31、一级至于重要建筑物与次要建筑物的划分是应根据建筑结构的破坏后果即危及人的生命造成经济损失产生社会影响等的严重程度确定同一建筑物内的各种结构构件宜与整个结构采用相同的安全等级但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合经济效果进行适当调整如提高某一结构构件的安全等级所需额外费用很少又能减轻整个结构的破坏从而大大减少人员伤亡和财物损失则可将该结构构件的安全等级比整个结构的安全等级提高一级相反如某一结构构件的破坏并不影响整个结构或其他结构构件则可将其安全等级降低一级术语符号本章的术语和符号主要依据国家标准工程结构设计基本术语和通用符号国际标准结构可靠性总原则以及原标准的规定极限状态设计原则承载能力极限状
32、态可理解为结构或结构构件发挥允许的最大承载功能的状态结构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变虽未达到最大承载能力但已彻底不能使用也属于达到这种极限状态疲劳破坏是在使用中由于荷载多次重复作用而达到的承载能力极限状态正常使用极限状态可理解为结构或结构构件达到使用功能上允许的某个限值的状态例如某些构件必须控制变形裂缝才能满足使用要求因过大的变形会造成房屋内粉刷层剥落填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果过大的裂缝会影响结构的耐久性过大的变形裂缝也会造成用户心理上的不安全感本条中环境一词的含义是广义的包括结构所受的各种作用例如房屋结构承受家具和正常人员荷载的状况属持久状况结构施工时承受堆料荷载的状况
33、属短暂状况结构遭受火灾爆炸撞击罕遇地震等作用的状况属偶然状况建筑结构按极限状态设计时必须确定相应的结构作用效应的最不利组合两类极限状态的各种组合详见和条设计时应针对各种有关的极限状态进行必要的计算或验算当有实际工程经验时也可采用构造措施来代替验算当考虑偶然事件产生的作用时主要承重结构可仅按承载能力极限状态进行设计此时采用的结构可靠指标可适当降低由于偶然事件而出现特大的作用时一般说来要求结构仍保持完整无缺是不现实的只能要求结构不致因此而造成与其起因不相称的破坏后果譬如仅由于局部爆炸或撞击事故不应导致整个建筑结构发生灾难性的连续倒塌为此当按承载能力极限状态的偶然组合设计主要承重结构在经济上不利时可
34、考虑采用允许结构发生局部破坏而其剩余部分仍具有适当可靠度的原则进行设计按这种原则设计时通常可采取构造措施来实现例如可对结构体系采取有效的超静定措施以限制结构因偶然事件而造成破坏的范围基本变量是指极限状态方程中所包含的影响结构可靠度的各种物理量它包括引起结构作用效应内力等的各种作用如恒荷载活荷载地震温度变化等构成结构抗力强度等的各种因素如材料性能几何参数等分析结构可靠度时也可将作用效应或结构抗力作为综合的基本变量考虑基本变量一般可认为是相互独立的随机变量极限状态方程是当结构处于极限状态时各有关基本变量的关系式当结构设计问题中仅包含两个基本变量时在以基本变量为坐标的平面上极限状态方程为直线线性问题
35、或曲线非线性问题当结构设计问题中包含多个基本变量时在以基本变量为坐标的空间中极限状态方程为平面线性问题或曲面非线性问题为了合理地统一我国各类材料结构设计规范的结构可靠度和极限状态设计原则促进结构设计理论的发展本标准采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法即考虑基本变量概率分布类型的一次二阶矩极限状态设计法在原标准编制过程中主要借鉴了欧洲国际混凝土委员会等六个国际组织联合组成的结构安全度联合委员会提出的结构统一标准规范国际体系的第一卷对各类结构和各种材料的共同统一规则及国际标准化组织编制的结构可靠度总原则美国国家标准局年出版的为美国国家标准拟定的基于概率的荷载准则和前西德年出版的工业标准结构安全
36、要求规程的总原则草案均采用了类似的方法许多其他欧洲国家也采用这种方法编制了有关的国家标准草案以往采用的半概率极限状态设计方法仅在荷载和材料强度的设计取值上分别考虑了各自的统计变异性没有对结构构件的可靠度给出科学的定量描述这种方法常常使人误认为只要设计中采用了某一给定安全系数结构就能百分之百的可靠将设计安全系数与结构可靠度简单地等同了起来而以概率理论为基础的极限状态设计方法则是以结构失效概率来定义结构可靠度并以与结构失效概率相对应的可靠指标来度量结构可靠度从而能较好地反映结构可靠度的实质使设计概念更为科学和明确当极限状态方程中仅有作用效应和结构抗力两个基本变量时可采用式计算结构构件的可靠指标当基
37、本变量均按正态分布时式可以直接应用当基本变量不按正态分布时则须将其转化为相应的当量正态分布也就是在设计验算时处以概率密度函数值和概率分布函数值各自相等为条件求出当量正态分布的平均值标准差然后代入式计算由于设计验算点在设计时往往是待求的因此就需要从假定设计验算点的坐标值开始通过若干次迭代过程最后得出所需的设计验算点和相应的统计参数利用计算机进行计算是较为简便的在实际工程问题中仅有作用效应和结构抗力两个基本变量的情况是很少的一般均为多个基本变量上述的原则和方法也适用于多个基本变量情况下结构可靠指标的计算表中规定的结构构件承载能力极限状态设计时采用的可靠指标是以建筑结构安全等级为二级时延性破坏的值作
38、为基准其他情况下相应增减可靠指标与失效概率运算值的关系见下表表中延性破坏是指结构构件在破坏前有明显的变形或其他征兆脆性破坏是指结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆表中作为基准的是根据对世纪年代各类材料结构设计规范校准所得的结果经综合平衡后确定的本次修订根据可靠度适当提高一点的原则取消了原标准可对本表的规定值作不超过幅度的调整的规定因此表中规定的值是各类材料结构设计规范应采用的最低值表中规定的值是对结构构件而言的对于其他部分如连接等设计时采用的值应由各类材料的结构设计规范另作规定目前由于统计资料不够完备以及结构可靠度分析中引入了近似假定因此所得的失效概率及相应的尚非实际值这些值是一种与结构构件
39、实际失效概率有一定联系的运算值主要用于对各类结构构件可靠度作相对的度量为促进房屋使用性能的改善根据的建议结合国内近年来对我国建筑结构构件正常使用极限状态可靠度所做的分析研究成果对结构构件正常使用的可靠度做出了规定对于正常使用极限状态其可靠指标一般就要根据结构构件作用效应的可逆程度选取可逆程度较高的结构构件取较低值可逆程度较低的结构构件取较高值例如规定对可逆的正常使用极限状态其可靠指标取为对不可逆的正常使用年限状态其可靠指标取为不可逆极限状态指产生超越状态的作用被移掉后仍将永久保持超越状态的一种极限状态可逆极限状态指产生超越状态的作用被移掉后将不再保持超越状态的一种极限状态结构上的作用结构上的某
40、些作用例如楼面活荷载和风荷载它们各自出现与否以及数值大小在时间上和空间上均彼此互不相关故称为在时间上和空间上互相独立的作用这种作用在计算其效应和进行组合时可按单独的作用处理作用按随时间的变异分类是对作用的基本分类它直接关系到概率模型的选择而且按各类极限状态设计时所采用的作用代表值一般与其出现的持续时间长短有关永久作用的特点是其统计规律与时间参数无关故可采用随机变量概率模型来描述例如结构自重其量值在整个设计基准期内基本保持不变或单调变化而趋于限值其随机性只是表现在空间位置的变异可变作用的特点是其统计规律与时间参数有关故必须采用随机过程概率模型来描述例如楼面活荷载风荷载等偶然作用的特点是在设计基准
41、内不一定出现而一旦出现其量值是很大的例如爆炸撞击罕遇的地震等作用按随空间位置折变异分类是由于进行荷载效应组合时必须考虑荷载在空间的位置及其所占面积大小固定作用的特点是在结构上出现的空间位置固定不变但其量值可能具有随机性例如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载屋盖上的水箱等自由作用的特点是可以在结构的一定空间上任意分布出现的位置及量值都可能是随机的例如楼面的人员荷载等作用按结构的反应分类主要是因为进行结构分析时对某些出现在结构上的作用需要考虑其动力效应加速度反应作用划分为静态或动态作用的原则不在于作用本身是否具有动力特性而主要在于它是否使结构产生不可忽略的加速度有很多作用例如民用建筑面上的活荷载本身
42、可能具有一定的动力特性但使结构产生的动力效应可以忽略不计这类作用仍应划为静态作用对于动态作用在结构分析时一般均应考虑其动力效应有一部分动态作用例如吊车荷载设计时可采用增大其量值即乘以动力系数的方法按静态作用处理另一部分动态作用例如地震作用大型动力设备的作用等则须采用结构动力学方法进行结构分析作用按时间按空间位置按结构反应进行分类是三种不同的分类方法各有其不同的用途例如吊车荷载按随时间变化异分类为可变作用按随空间位置变异分类为自由作用按结构反应分类为动态作用每种作用按此分类方法各属何类需依据作用的性质具体确定本条中的举例旨在说明分类的基本概念而不是全部的分类施加在结构上的荷载不但具有随机性质而且
43、一般还与时间参数有关所以用随机过程来描述是适当的在一个确定的设计基准期内对荷载随机过程作一次连续观测例如对某地的风压连续观测年所获得的依赖于观测时间的数据就称为随机过程的一个样本函数每个随机过程都是由大量的样本函数构成的荷载随机过程的样本函数是十分复杂的它随荷载的种类不同而异目前对各类荷载随机过程的样本函数及其性质了解甚少对于常见的楼面活荷载风荷载雪荷载等为了简化起见采用了平稳二项随机过程概率模型即将它们的样本函数统一模型化为等时段矩形波函数矩形波幅值的变化规律采用荷载随机过程中任意点荷载的概率分布函数来描述对于永久荷载其值在设计基准内基本不变从而随机过程就转化为与时间无关的随机变量所以样本函
44、数的图像是平行于时间轴的一条直线此时荷载一次出现的持续时间在设计基准期内的时段数而且在每一时段内出现的概率对于可变荷载住宅办公楼等楼面活荷载风雪荷载等其样本函数的共同特点是荷载一次出现的持续时间在设计基准期内的时段数且在内至少出现一次所以平均出现次数不同的可变荷载其统计参数以及任意点荷载的概率分布函数都是不同的对于住宅办公楼楼面活荷载及风雪荷载随机过程的样本函数采用这种统一的模型为推导设计基准期最大荷载的概率分布函数和计算组合的最大荷载效应综合荷载效应等带来很多方便当采用一次二阶矩极限状态设计法时必须将荷载随机过程转化为设计基准期最大荷载因已规定故是一个与时间参数无关的随机变量各种荷载的概率模
45、型必须通过调查实测根据所获得的资料和数据进行统计分析后确定使之尽可能反映荷载的实际情况并不要求一律选用平稳二项随机过程这种特定的概率模型任意时点荷载的概率分布函数是结构可靠度分析的基础它应根据实测数据运用检验或检验等方法选择典型的概率分布如正态对数正态伽马极值型极值型极值型等来拟合检验的显著性水平统一取显著性水平是指所假设的概率分布类型为真而经检验被拒绝的最大概率荷载的统计参数如平均值标准差变异系数等应根据实测数据按数理统计学的参数估计方法确定当统计资料不足而一时又难以获得时可根据工程经验经适当的判断确定荷载代表值有荷载的标准值组合值频遇值和准永久值本次修订中增加了频遇值根据各类荷载的概率模型
46、荷载的各种代表值均应具有明确的概率意义根据概率极限状态设计方法的要求荷载标准值应根据设计基准内最大荷载概率分布的某一分位值确定在原标准的编制过程中各类荷载的标准值维持了当时规范的取值水平只对个别不合理者作了适当调整各类荷载标准值的取值水平分别为永久荷载标准值一般相当于永久荷载概率分布也是设计基准期内最大荷载概率分布的分位值即正态分布的平均值对易于超重的钢筋混凝土板类构件屋面板楼板等的调查表明其标准值相当于统计平均值的倍由此可知对大多数截面尺寸较大的梁柱等承重构件其标准值按设计尺寸与材料重力密度标准值计算必将更接近于重力概率分布的平均值对于某些重量变异较大的材料和构件如屋面的保温材料防水材料找平
47、层以及钢筋混凝土薄板等为在设计表达式中采用统一的永久荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标其标准值应根据对结构的不利状态通过结构可靠分析取重力概率分布的某一分位值确定例如或分位值计算分析表明按第章给出的设计表达式设计对承受自重为主的屋盖结构由保温防水及找平层等产生的恒荷载宜取高分位值的标准值具体数值应符合荷载规范的规定根据统计资料新修订的荷载规范规定的楼面活荷载标准值对于办公楼楼面活荷载相当于设计基准期最大荷载平均值加倍标准差对于住宅楼面活荷载相当于设计基准期最大荷载平均值加倍标准差根据统计资料荷载规范规定的风荷载标准值接近于设计基准期最大荷载的平均值某些部门和地区曾反映对于风荷载较敏
48、感的高耸结构规范规定的风荷载标准值偏低有些输电塔还发生过风灾事故新修订的建筑结构荷载规范已将风雪荷载标准值由原来规定的三十年一遇值提高到五十年一遇值荷载组合值是对可变荷载而言的主要用于承载能力极限状态的基本组合中也用于正常使用极限状态的标准组合中组合值是考虑施加在结构上的各可变荷载不可能同时达到各自的最大值因此其取值不仅与荷载本身有关而且与荷载效应组合所采用的概率模型有关荷载组合值系数可根据荷载在组合后产生的总作用效应值在设计基准内的超越概率与考虑单一作用时相应概率趋于一致的原则确定其实质是要求结构在单一可变荷载作用下的可靠度与在两个及以上可变荷载作用下的可靠度保持一致荷载频遇值也是对可变荷载
49、而言的主要用于正常使用极限状态的频遇组合中根据国际标准频遇值是设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值小于的荷载代表值荷载准永久值也是对可变荷载而言的主要用于正常使用极限状态的准永久组合和频遇组合中准永久值反映了可变荷载的一种状态其取值系按可变荷载出现的频繁程度和持续时间长短确定国际标准中建议准永久值根据在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间与设计基准期的比值为确定对住宅办公楼楼面活荷载及风雪荷载等这相当于取其任意时点荷载概率分布的分位值准永久值的具体取值将由建筑结构荷载规范作出规定在结构设计时准永久值主要用于考虑荷载长期效应的影响目前由于对许多偶然作用尚缺乏研究缺少必要的实际观测资料因此偶然作用的代表值及有关参数常常只能根据工程经验建筑物类型等情况经综合分析判断确定对有观测资料的偶然作用则应建立符合其特性的概率模型给出有明确概率意义的代表值材料和岩土的性能及几何参数材料性能实际上是随时间变化的有些材料性能例如木材混凝土的强度等这种变化相当明显但为了简化起见各种材料性能仍作为与时间无关的随机变量来考虑而性能随时间间的变化一般通过引进换算系数来估计用材
