建筑結構可靠度性問題分析

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摘要：針對現行的建筑結構設計可靠性問題進行分析探討，建議把設計使用年限與結構安全等級一一對應，明確不同設計使用年限建筑結構的可靠度；建議現行建筑結構可靠度計算方法采用新的變量考慮設計和施工質量的影響；建議采用中震設計方法，荷載效應采用標準值，采用材料標準值計算構件承載力，讓設計人員更加直觀準確把握抗震結構的可靠度。

關鍵詞：建筑結構可靠度；結構設計使用年限；中震設計；重要性系數；結構安全等級

引言

我國現行《建筑結構可靠性設計統一標準：GB50068-2018》［1］采用可靠度來度量結構的可靠性，結構在規定的使用年限內應具有足夠的可靠度，結構可靠度采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法分析確定。但文獻［1］仍存在一些爭議，比如設計使用年限與可靠度之間的相關性、結構抗震可靠度等等問題仍需解決。近幾年建筑事故頻發，比如多起無梁樓蓋坍塌事故，是可靠度本身問題，還是設計重大失誤或施工質量不合格造成［2］，如設計荷載考慮不足、構造措施不當、施工材料強度沒有達到要求，不按設計圖紙施工，偷工減料，野蠻操作等；又或是不合理使用造成，如超載使用，不合理改造等。工程結構可靠度是指結構在規定的時間內、在規定的條件下，完成預定功能的能力。“規定的時間”和“規定的條件”分別指設計基準期和不考慮人為過失的影響；工程結構可靠度是否可以考慮不同的設計基準期和考慮人為過失的影響，有待進一步研究［3］。

1現行建筑結構可靠度問題探討

文獻［1］采用可靠度來度量結構的可靠性，各類材料結構設計規范的結構可靠度和極限狀態設計原則，均采用了以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，以分項系數設計表達式進行設計計算。當僅有作用效應和結構抗力兩個基本變量且均按正態分布時，結構可靠指標由ms、ss、mR、sR四個參數確定，前兩個參數跟結構上各種作用等變量相關，后兩個參數跟材料性能、幾何參數等變量相關；結構上各種作用、材料性能、幾何參數等變量的取值，是在選取一個時間參數以概率理論為基礎的原則下綜合確定的，選取的時間參數我們稱之為設計基準期，文獻［1］選取的設計基準期為50年；結構構件承載能力極限狀態設計時采用的可靠指標，是以建筑結構安全等級為二級、設計基準期為50年，延性破壞的b值取3.2作為基準。可靠指標b與失效概率運算值Pf的關系如表1所示；安全等級為一級或者三級時，通過結構重要性系數1.1或0.9調整，可靠指標相應有±0.5的調整，如表2所示；建筑安全等級與建筑物類型相應關系如表3所示。綜上分析可知，文獻［1］可靠度的計算方法，僅與設計基準期（取50年）和安全等級相關，與設計使用年限沒有必然相關性，同時也未考慮設計和施工質量等變量的影響。想要了解不同設計使用年限的可靠度，我們需要分析設計使用年限和設計基準期之間有何種聯系［4］；可靠度計算方法中各參數取值與設計基準期是相關的，比如可靠度計算方法中荷載、材料強度、分項系數等參數的取值都是采用設計基準期為50年確定，但設計基準期不等同于結構設計使用年限，若設計使用年限剛好為50年，此時可以以表2的可靠指標來度量結構的可靠度，然而文獻［1］僅建立設計基準期為50的概率模型，設計基準期5年、25年、100年的可變荷載、材料強度等參數的概率模型尚未建立，也就是說設計基準期為5年、25年、100年的荷載、材料強度等參數如何取值沒有規定；若結構設計使用年限為5年、25年、100年，文獻［1］提供不了相配套的可靠指標，可靠度的確定也就無從談起；現階段文獻［1］只能在概念上通過調整重要性系數來調整不同設計使用年限建筑結構的安全性能；但是設計使用年限為100年和50年的特別重要的建筑，安全等級均可取為一級，也就是重要性系數均取1.1，兩者可靠度相同；設計使用年限為100年的建筑，安全等級可取為二級或者一級，重要性系數同樣取1.1？值得探討。安全等級與破壞后造成的后果嚴重程度有關，設計使用年限與建筑結構重要性有關，故安全等級的選取與設計使用年限有一定的相關性，但并不是一一對應的關系，比如幼兒園、小學教學樓等建筑結構，破壞后對社會影響很大，安全等級可以定義為一級，設計使用年限可以是50年；建議把設計使用年限與安全等級相匹配，明確設計使用年限100年的建筑對應安全等級為一級，設計使用年限50年的建筑對應安全等級為二級，設計使用年限25年的建筑對應安全等級為三級，從而區分不同設計使用年限建筑結構可靠度。前面提高結構可靠性跟設計和施工質量相關，即使結構理論上的可靠度再高，如果設計和施工質量差的話，結構真實的可靠度沒法得到保障；然否在可靠度計算公式中加入新的變量考慮設計和施工質量的影響，或者根據設計單位和施工單位的信用評級不同乘以不同的安全系數等方法考慮其影響。文獻［1］沒有明確建筑結構設計使用年限和耐久性使用年限之間的區別；當設計使用年限大于設計基準期，比如設計使用年限為100年，結構設計需考慮地震動參數調整、可變荷載取值調整系數，耐久性也應符合相關規范要求［5］。

2結構抗震可靠度問題探討

文獻［1］第5.2.9條規定，對地震作用，應采用地震作用的標準值。地震作用的標準值應根據地震作用的重現期確定；地震作用的重現期可根據建筑抗震設防目標，按有關標準的專門規定確定。50年內超越概率約10%的地震烈度，重現期約為475年；根據可靠性一致的原則，設計使用年限為100年，超越概率約10%的地震烈度，重現期約為958年。依據重現期可以推導出新的地震動參數，設計人員可以采用新的地震動參數進行設計，比如設計使用年限100年的地震動參數可以以設計基準期50年的地震動參數為基礎通過公式推導得出［6］。現行《建筑抗震設計規范（2016版）：GB50011-2010》［7］第5.4.1條，公式5.4.1分項系數表達式中未體現重要性系數，建筑重要性不同的建筑結構，可靠度沒有通過重要性系數來調整，《建筑工程抗震設防分類標準：GB50233-2008》［8］采用抗震設防類別來體現建筑重要性，不同抗震設防類別采用不同的抗震設防標準，不同的抗震設防標準采用不同的地震動參數和抗震等級來衡量抗震設防要求高低（即可靠度）。《建筑抗震設計規范：GBJ11-89》提出“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設計原則一直延用至今，采用小震作用進行結構承載力計算，保證小震不壞，通過抗震措施調整實現中震可修，規范延續幾十年的設計理念，有其合理性；最初因為經濟落后的原因，本著“好鋼用在刀刃上”的原則，采用小震彈性計算，引入抗震措施的概念，采用不同的內力調整系數進行構件設計，并通過抗震構造措施的保證，滿足“強剪弱彎、強梁弱柱、強節點弱桿件”的概念設計，實現中震可修的目標。依文獻［7］設計，我國建筑結構中震地震影響系數最大值均為小震地震影響系數的2.8倍左右［9］，然而對高層或超高層建筑，抗震設計時，采用抗震等級更高，構造截面設計時的內力調整系數更大，抗震構造措施要求更嚴格，結構承載力更高，延性更好，相同烈度情況下，中低層建筑結構比高層、超高層的建筑結構可靠度更低；不同設防烈度區中，低烈度區結構比高烈度區結構可靠度更低。相同中、高烈度區的結構不能控制大致相同的結構抗震安全性。8度（0.2g）及以上的建筑結構承受的地震作用較大。部分規則建筑僅僅高度超限，需要進行超限審查，進行性能設計。其結果往往是小震設計不能包絡，由中震工況控制［10］。相比之下，僅高度稍低、按小震設計、無需超限審查的結構安全度偏低較多。直接采用中震作用進行結構承載力驗算，確保小震不壞，中震可修，取消抗震措施內力調整系數的概念，荷載效應采用標準值，采用材料標準值計算構件承載力，讓設計人員更加直觀準確把握抗震結構可靠度。

3結論

本文針對現行的建筑結構設計可靠性問題進行分析探討，得出以下結論：⑴文獻［1］可靠度的計算方法，僅與設計基準期（取50年）和安全等級相關，與設計使用年限沒有必然相關性。建議把設計使用年限與安全等級一一對應，區分不同設計使用年限建筑結構可靠度。⑵建議可靠度計算公式中加入新的變量考慮設計和施工質量的影響，或者根據設計單位和施工單位的信用評級不同乘以不同的安全系數等方法考慮其影響。⑶建議文獻［1］明確定義耐久性使用年限；若僅為耐久性使用年限為100年的功能時，設計基準期仍為50年，抗震設防類別和相應的設防標準按文獻［7］的規定采用，僅滿足耐久性100年相關要求即可。若設計使用年限為100年時，設計使用年限大于設計基準期，結構設計需考慮地震動參數調整、可變荷載取值調整系數，耐久性也應符合相關規范要求。⑷現有規范體系采用小震作用進行結構承載力計算，保證小震不壞，通過抗震措施調整實現中震可修，但是設計人員無法準確把握結構可靠度；建議采用中震作用進行結構承載力驗算，確保小震不壞，中震可修，取消抗震措施內力調整系數的概念，荷載效應采用標準值，采用材料標準值計算構件承載力，讓設計人員更加直觀準確把握抗震結構可靠度。

參考文獻

［1］建筑結構可靠性設計統一標準：GB50068-2018［S］.北京：中國建筑工業出版社，2018

［2］容柏生.對建筑結構可靠度的我見［J］.建筑科學，1999（5）：3-5.

［3］李剛，馮秀梅.結構可靠度計算分析方法研究［J］.山西建筑，2007（10）：117-118.

［4］鄢家全，劉愛文，俞言祥，等.關于完善甲類建筑防震標準的思考［J］.北京：國際地震動態，2011（5）：27-32.

［5］丁子文，余祖國.某設計使用年限100年建筑結構設計［J］.甘肅科技，2010，26（4）：142-144.

［6］張樹生，張顯恩.不同設計基準期地震動參數取值［J］.工程建設，2007（5）：19-23.

［7］建筑抗震設計規范（2016年版）：GB50011-2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2016.

［8］建筑工程抗震設防分類標準：GB50233-2008［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［9］高小旺，李荷，王菁，等.不同重要性建筑抗震設防標準的探討［J］.建筑科學，1999（2）：3-5.

［10］高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ3-2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

作者：蔡鳳維 王建華 金燦國 單位：廣東省建筑設計研究院有限公司