建筑結(jié)構(gòu)可靠度性問題探討

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摘要：針對現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性問題進(jìn)行分析探討，建議把設(shè)計(jì)使用年限與結(jié)構(gòu)安全等級一一對應(yīng)，明確不同設(shè)計(jì)使用年限建筑結(jié)構(gòu)的可靠度；建議現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法采用新的變量考慮設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的影響；建議采用中震設(shè)計(jì)方法，荷載效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值，采用材料標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算構(gòu)件承載力，讓設(shè)計(jì)人員更加直觀準(zhǔn)確把握抗震結(jié)構(gòu)的可靠度。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)可靠度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限；中震設(shè)計(jì)；重要性系數(shù)；結(jié)構(gòu)安全等級

引言

我國現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：GB50068-2018》［1］采用可靠度來度量結(jié)構(gòu)的可靠性，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用年限內(nèi)應(yīng)具有足夠的可靠度，結(jié)構(gòu)可靠度采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法分析確定。但文獻(xiàn)［1］仍存在一些爭議，比如設(shè)計(jì)使用年限與可靠度之間的相關(guān)性、結(jié)構(gòu)抗震可靠度等等問題仍需解決。近幾年建筑事故頻發(fā)，比如多起無梁樓蓋坍塌事故，是可靠度本身問題，還是設(shè)計(jì)重大失誤或施工質(zhì)量不合格造成［2］，如設(shè)計(jì)荷載考慮不足、構(gòu)造措施不當(dāng)、施工材料強(qiáng)度沒有達(dá)到要求，不按設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力?！耙?guī)定的時(shí)間”和“規(guī)定的條件”分別指設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和不考慮人為過失的影響；工程結(jié)構(gòu)可靠度是否可以考慮不同的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和考慮人為過失的影響，有待進(jìn)一步研究［3］。

1現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)可靠度問題探討

文獻(xiàn)［1］采用可靠度來度量結(jié)構(gòu)的可靠性，各類材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的結(jié)構(gòu)可靠度和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，均采用了以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)僅有作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力兩個(gè)基本變量且均按正態(tài)分布時(shí)，結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)由ms、ss、mR、sR四個(gè)參數(shù)確定，前兩個(gè)參數(shù)跟結(jié)構(gòu)上各種作用等變量相關(guān)，后兩個(gè)參數(shù)跟材料性能、幾何參數(shù)等變量相關(guān)；結(jié)構(gòu)上各種作用、材料性能、幾何參數(shù)等變量的取值，是在選取一個(gè)時(shí)間參數(shù)以概率理論為基礎(chǔ)的原則下綜合確定的，選取的時(shí)間參數(shù)我們稱之為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，文獻(xiàn)［1］選取的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年；結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)采用的可靠指標(biāo)，是以建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，延性破壞的b值取3.2作為基準(zhǔn)。可靠指標(biāo)b與失效概率運(yùn)算值Pf的關(guān)系如表1所示；安全等級為一級或者三級時(shí)，通過結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1或0.9調(diào)整，可靠指標(biāo)相應(yīng)有±0.5的調(diào)整，如表2所示；建筑安全等級與建筑物類型相應(yīng)關(guān)系如表3所示。綜上分析可知，文獻(xiàn)［1］可靠度的計(jì)算方法，僅與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（取50年）和安全等級相關(guān)，與設(shè)計(jì)使用年限沒有必然相關(guān)性，同時(shí)也未考慮設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量等變量的影響。想要了解不同設(shè)計(jì)使用年限的可靠度，我們需要分析設(shè)計(jì)使用年限和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期之間有何種聯(lián)系［4］；可靠度計(jì)算方法中各參數(shù)取值與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是相關(guān)的，比如可靠度計(jì)算方法中荷載、材料強(qiáng)度、分項(xiàng)系數(shù)等參數(shù)的取值都是采用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年確定，但設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期不等同于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限，若設(shè)計(jì)使用年限剛好為50年，此時(shí)可以以表2的可靠指標(biāo)來度量結(jié)構(gòu)的可靠度，然而文獻(xiàn)［1］僅建立設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50的概率模型，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期5年、25年、100年的可變荷載、材料強(qiáng)度等參數(shù)的概率模型尚未建立，也就是說設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為5年、25年、100年的荷載、材料強(qiáng)度等參數(shù)如何取值沒有規(guī)定；若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為5年、25年、100年，文獻(xiàn)［1］提供不了相配套的可靠指標(biāo)，可靠度的確定也就無從談起；現(xiàn)階段文獻(xiàn)［1］只能在概念上通過調(diào)整重要性系數(shù)來調(diào)整不同設(shè)計(jì)使用年限建筑結(jié)構(gòu)的安全性能；但是設(shè)計(jì)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(shù)均取1.1，兩者可靠度相同；設(shè)計(jì)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(shù)同樣取1.1？值得探討。安全等級與破壞后造成的后果嚴(yán)重程度有關(guān)，設(shè)計(jì)使用年限與建筑結(jié)構(gòu)重要性有關(guān)，故安全等級的選取與設(shè)計(jì)使用年限有一定的相關(guān)性，但并不是一一對應(yīng)的關(guān)系，比如幼兒園、小學(xué)教學(xué)樓等建筑結(jié)構(gòu)，破壞后對社會(huì)影響很大，安全等級可以定義為一級，設(shè)計(jì)使用年限可以是50年；建議把設(shè)計(jì)使用年限與安全等級相匹配，明確設(shè)計(jì)使用年限100年的建筑對應(yīng)安全等級為一級，設(shè)計(jì)使用年限50年的建筑對應(yīng)安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限25年的建筑對應(yīng)安全等級為三級，從而區(qū)分不同設(shè)計(jì)使用年限建筑結(jié)構(gòu)可靠度。前面提高結(jié)構(gòu)可靠性跟設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量相關(guān)，即使結(jié)構(gòu)理論上的可靠度再高，如果設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量差的話，結(jié)構(gòu)真實(shí)的可靠度沒法得到保障；然否在可靠度計(jì)算公式中加入新的變量考慮設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的影響，或者根據(jù)設(shè)計(jì)單位和施工單位的信用評級不同乘以不同的安全系數(shù)等方法考慮其影響。文獻(xiàn)［1］沒有明確建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限和耐久性使用年限之間的區(qū)別；當(dāng)設(shè)計(jì)使用年限大于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，比如設(shè)計(jì)使用年限為100年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮地震動(dòng)參數(shù)調(diào)整、可變荷載取值調(diào)整系數(shù)，耐久性也應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求［5］。

2結(jié)構(gòu)抗震可靠度問題探討

文獻(xiàn)［1］第5.2.9條規(guī)定，對地震作用，應(yīng)采用地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值。地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)地震作用的重現(xiàn)期確定；地震作用的重現(xiàn)期可根據(jù)建筑抗震設(shè)防目標(biāo)，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的專門規(guī)定確定。50年內(nèi)超越概率約10%的地震烈度，重現(xiàn)期約為475年；根據(jù)可靠性一致的原則，設(shè)計(jì)使用年限為100年，超越概率約10%的地震烈度，重現(xiàn)期約為958年。依據(jù)重現(xiàn)期可以推導(dǎo)出新的地震動(dòng)參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以采用新的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如設(shè)計(jì)使用年限100年的地震動(dòng)參數(shù)可以以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年的地震動(dòng)參數(shù)為基礎(chǔ)通過公式推導(dǎo)得出［6］?，F(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016版）：GB50011-2010》［7］第5.4.1條，公式5.4.1分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式中未體現(xiàn)重要性系數(shù)，建筑重要性不同的建筑結(jié)構(gòu)，可靠度沒有通過重要性系數(shù)來調(diào)整，《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)：GB50233-2008》［8］采用抗震設(shè)防類別來體現(xiàn)建筑重要性，不同抗震設(shè)防類別采用不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用不同的地震動(dòng)參數(shù)和抗震等級來衡量抗震設(shè)防要求高低（即可靠度）?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范：GBJ11-89》提出“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)原則一直延用至今，采用小震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算，保證小震不壞，通過抗震措施調(diào)整實(shí)現(xiàn)中震可修，規(guī)范延續(xù)幾十年的設(shè)計(jì)理念，有其合理性；最初因?yàn)榻?jīng)濟(jì)落后的原因，本著“好鋼用在刀刃上”的原則，采用小震彈性計(jì)算，引入抗震措施的概念，采用不同的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，并通過抗震構(gòu)造措施的保證，滿足“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)梁弱柱、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的概念設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)中震可修的目標(biāo)。依文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)，我國建筑結(jié)構(gòu)中震地震影響系數(shù)最大值均為小震地震影響系數(shù)的2.8倍左右［9］，然而對高層或超高層建筑，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，采用抗震等級更高，構(gòu)造截面設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)更大，抗震構(gòu)造措施要求更嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)承載力更高，延性更好，相同烈度情況下，中低層建筑結(jié)構(gòu)比高層、超高層的建筑結(jié)構(gòu)可靠度更低；不同設(shè)防烈度區(qū)中，低烈度區(qū)結(jié)構(gòu)比高烈度區(qū)結(jié)構(gòu)可靠度更低。相同中、高烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)不能控制大致相同的結(jié)構(gòu)抗震安全性。8度（0.2g）及以上的建筑結(jié)構(gòu)承受的地震作用較大。部分規(guī)則建筑僅僅高度超限，需要進(jìn)行超限審查，進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。其結(jié)果往往是小震設(shè)計(jì)不能包絡(luò)，由中震工況控制［10］。相比之下，僅高度稍低、按小震設(shè)計(jì)、無需超限審查的結(jié)構(gòu)安全度偏低較多。直接采用中震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算，確保小震不壞，中震可修，取消抗震措施內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的概念，荷載效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值，采用材料標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算構(gòu)件承載力，讓設(shè)計(jì)人員更加直觀準(zhǔn)確把握抗震結(jié)構(gòu)可靠度。

3結(jié)論

本文針對現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性問題進(jìn)行分析探討，得出以下結(jié)論：⑴文獻(xiàn)［1］可靠度的計(jì)算方法，僅與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（取50年）和安全等級相關(guān)，與設(shè)計(jì)使用年限沒有必然相關(guān)性。建議把設(shè)計(jì)使用年限與安全等級一一對應(yīng)，區(qū)分不同設(shè)計(jì)使用年限建筑結(jié)構(gòu)可靠度。⑵建議可靠度計(jì)算公式中加入新的變量考慮設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的影響，或者根據(jù)設(shè)計(jì)單位和施工單位的信用評級不同乘以不同的安全系數(shù)等方法考慮其影響。⑶建議文獻(xiàn)［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(shí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期仍為50年，抗震設(shè)防類別和相應(yīng)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按文獻(xiàn)［7］的規(guī)定采用，僅滿足耐久性100年相關(guān)要求即可。若設(shè)計(jì)使用年限為100年時(shí)，設(shè)計(jì)使用年限大于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮地震動(dòng)參數(shù)調(diào)整、可變荷載取值調(diào)整系數(shù)，耐久性也應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求。⑷現(xiàn)有規(guī)范體系采用小震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算，保證小震不壞，通過抗震措施調(diào)整實(shí)現(xiàn)中震可修，但是設(shè)計(jì)人員無法準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)可靠度；建議采用中震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算，確保小震不壞，中震可修，取消抗震措施內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的概念，荷載效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值，采用材料標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算構(gòu)件承載力，讓設(shè)計(jì)人員更加直觀準(zhǔn)確把握抗震結(jié)構(gòu)可靠度。

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作者：蔡鳳維 王建華 金燦國 單位：廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司