建筑工程结构可靠度设计统一标准学习要点及理解.doc

建筑构造可靠度设计统一原则（GB50068-）学习要点及理解 一、前言中关于修订内容阐明（相对原建筑构造统一原则（GBJ68-84） 1、原则合用范畴：鉴于建筑地基基本设计规范、建筑抗震设计规范在构造可靠度设计办法上有一定特殊性，从原原则规定“应遵守”本原则，改为“宜遵守”本原则； 1.0.3条 2、依照工程构造可靠度设计统一原则（GB50153-92）规定，增长了关于设计工作状况规定，并明确了设计状况与极限状态关系； 3.0.3条、3.0.4条3、借鉴最新国际原则JSO2394：1998构造可靠度总原则，给出了不同类型建筑构造设计使用年限；1.0.5条 4、在承载能力极限状态设计表达式中，对于荷载效应基本组合，增长了永久荷载效应为主时起控制作用组合式； 7.0.2条（7.0.2-2）式 5、对楼面活荷载、风荷载、雪荷载原则值取值原则和构造构件可靠指标以及构造重要性系数等作了调节； 4.0.6条、3.0.11条、7.0.3条 6、初次对构造构件正常使用可靠度做出了规定，这将增进房屋使用性能改进和可靠度设计办法发展； 3.0.12条 7、取消了原原则附件。 原原则有五个附件：附件一荷载记录特性、代表值及其效应组合；附件二构造抗力记录特性；附件三构造可靠度计算办法；附件四极限状态设计表达式及其分项系数拟定；附件五构造材料质量规定及质量控制。此五个附件对对的理解本原则仍具备重要作用，有精力专业技术骨干，特别是技术把关人应当一读。二、原则主线可靠度设计原则（建筑构造在规定设计使用年限内应具备足够可靠度） 采用以概率理论为基本极限状态设计办法（影响建筑构造可靠性各种因素都是随机因素，只能用概率来度量。以极限状态为目的设计办法为公认合理设计办法） 变通为多系数表达式（这是为广大设计人员所熟悉和乐于接受形式。使概率极限状态设计办法具备实用性。）三、条文理解1、总则1.0.3 （原文略） 明确规定建筑构造荷载规范、钢构造设计规范、薄壁型钢构造设计规范、混凝土构造设计规范、砌体设计规范、木构造设计规范等六本规范应遵守本原则规定。但对地基基本设计规范和建筑抗震设计规范改用“宜遵守本原则规定原则”。这是由地基基本和建筑抗震设计土性指标与地震反映等方面特殊性所决定。例如：地基基本和抗震设计建筑构造在安全级别上均无法接受本原则规定安全级别。地基基本采用了设计级别提法，并重要从场地地基对建筑构造影响限度及建筑构造对场地和地基特别规定两个方面将地基基本分为甲级、乙级、丙级三个级别，而不是仅仅依照建筑构造破坏后果严重限度区别安全级别，同步取消了对不同级别乘不同重要性系数作法。抗震规范则依照自身特殊性，从使用功能重要性出发将建筑分为甲、乙、丙、丁四个类别，并对各类别抗震计算和抗震办法作了相应规定，也未采用对不同级别乘不同重要性系数办法。此外，地基基本规定对地基承载力采用特性值而不是原则值，对按地基承载力拟定基本底面积、埋深及按单桩承载力拟定桩数时采用原则组合而不是基本组合等等，都是依照其自身特殊性而拟定。固然，地基基本设计规范和抗震设计规范在总体上还是执行了本原则原则。1.0.4 本原则所采用设计基如期为50年。 本条为建筑构造荷载规范拟定为强条而被录入强条。设计基如期是为拟定可变作用及与时间关于材料性能取值而选用时间参数。它不同于建筑构造设计使用年限。如设计需要采用其他设计基如期，则必要另行拟定在设计基如期内最大荷载概率分布及相应记录参数。1.0.5 （原文、表略） 国内原则初次提出。借鉴最新版国际原则ISO2394：1998构造可靠度总原则中合理使用年限概念和分类。概念：建筑构造在正常设计、正常施工、正常使用和维护条件下应能达到满足予定功能使用年限。在设计使用年限内只需正常维护而不需进行大修就能完毕予定功能。设计使用年限是房屋建筑地基基本和主体构造工程“合理使用年限”或“安全使用年限”同函义表述。1.0.6 构造在规定设计使用年限内应具备足够可靠度。构造可靠度可采用以概率理论为基本极限状态设计办法分析拟定。 确立可靠度设计原则，规定采用概率极限状态设计办法。本条规定为本原则主线。注意“规定使用年限”这一条件，由于本原则所说可靠度或失效概率，是对建筑构造设计使用年限而言。当建筑构造使用年限超过使用年限后，构造失效概率也许较设计予期值增大，但不意味着丧失使用功能。此外，尚应注意本原则规定构造可靠度是正常设计、正常施工、正常使用和维护为前提，不考虑人为过错。人为过错应通过其他办法予以避免。1.0.7 （原文略） 此四条功能规定即所谓“予定功能”。1、4两项是构造安全性规定，第2项为构造合用性规定，第3项是耐久性规定。建筑构造安全性、合用性和耐久性规定三者构成了构造可靠性规定。这里所说偶尔事件下必须整体稳定性，是指在偶尔事件发生时和发生后，建筑构造仅产生局部损坏而不致发生持续崩塌。1.0.8 （原文、原表略） 纳入强条。本条最大问题是未提出详细分级原则。原原则条文阐明中提出影剧院、体育馆和高层建筑宜按重要房屋对待，有一点偏严，由于把高层建筑统统纳入一级安全级别，似乎不太妥当。此外，表1.0.8条注1存在必要性不大，由于超过一级建筑构造实在太少，加之本原则将重要性系数由本来等于改为不不大于等于，因而完全可以通过更大重要性系数予以解决。1.0.10 （原文略） 设计质量、材料性能、施工质量、使用及维护质量，都是影响构造可靠性重要因素，必要控制在满足可靠度规定水准上。关于规定详第8节。1.0.11 当缺少记录资料时，构造设计应依照可靠工程经验或必要实验研究进行。 新增条款：系对创新设计基本规定，也是对技术进步一种支持。2、术语、符号2.1.3 失效概率 构造不能完毕予定功能概率。 可靠度+失效概率=Ps+Pf=12.1.4 （原文略），其反函数为=-1(Pf)，因此称为可靠指标，正是由于与失效概率存在这种拟定函数关系，由于求算较直接求算Pf 容易，从而使可靠度计算变成对计算。2.1.10 功能函数 Z=R-S，Z0时构造安全或满足功能规定，Z=0时为极限状态，Z0时构造不安全或不满足功能规定。如下图所示。S0R构造可靠 Z0构造失效 Z0构造所处状态图2.1.11 概率分布 随机变量取值记录规律，普通采用概率密度函数或概率分布函数表达。 1、正态分布 随机变量正态分布是概率理论中最基本分布型式，其他各种非正态分布往往进行当量正态化解决后进入计算。因而有必要对正态分布建立全面结识，如图所示。 正态分布曲线 正态分布特点如下： 1）图形是钟形，其最大值点横坐标为，曲线对称于直线X=，为正态分布均值； 2）在直线X=两边，曲线分别由凸形曲线和凹形曲线两段构成，其交界点称为曲线拐点，拐点到直线X=距离，用希腊字母表达，称为正态分布原则差； 3）曲线可由一对参数和唯一拟定。越大，曲线越平缓，拐点距直线X=距离越长，反之，曲线则越陡峭，拐点距直线X=距离短。2、概率密度函数 3、概率分布函数2.1.12 记录参数 在概率分布中用来表达随机变量取值平均水平和分散限度特性数字，如平均值、原则差、变异系数等。 1、平均值：2、原则差：3、变异系数： 2.1.13 分位值 与随机变量分布函数某一概率相应值。 对照概率分布函数图理解，分位值另一种表达形式：fk=+n，当n = -1.645时，即为0.05分位值。2.1.16 作用原则值 作用基本代表值，为设计基如期内最大作用概率分布某一分位值。 永久荷载原则值相称于设计基如期内最大荷载概率分布0.5分位值，即正态分布平均值，对易超重板类构件调查表白，其原则值相称于记录平均值0.95倍。由此可知，对大多数截面尺寸梁、柱等构件，其原则值按设计尺寸与材料重力密度原则值计算，必将更接近于重力概率分布平均值。应注意对于某些重量变异较大材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找平层以及钢筋砼薄板等），为在设计表达式中采用统一永久荷载分项系数而又能使构造构件具备规定可靠指标，其原则值应依照对构造不利或有利状态，通过构造可靠度分析，取重力概率分布某一分位值拟定，如取0.95或0.05分位值。楼面活荷载原则值取设计基如期最大荷载平均值加原则差某个倍数值。如新荷载规范规定办公楼和住宅楼面活荷载取2.0KN/m2，对于办公楼相称于设计基如期最大荷载平均值加3.16倍原则差，对于住宅相称于设计基如期最大荷载平均值加2.38倍原则差。风荷载和雪荷载取接近设计基如期最大风、雪荷载平均值，即取“50年一遇”值。2.1.17 组合值对可变作用，使组合后作用效应在设计基如期内超越概率趋于一致作用值；或组合后使构造具备统一规定可靠指标作用值。荷载组合值是对两个及两个以上可变荷载而言。因素是考虑施加在构造上各可变荷载不也许同步达到各自最大值。其实质是规定构造在单一可变荷载下构造或构件可靠度与在两个及两个以上可变荷载作用下可靠度保持一致。采用办法是对各可变荷载乘以组合值系数，这些组合值系数，是根据上述可靠指标一致性原则，按照荷载组合理论分析计算拟定。原荷载规范采用了“遇风组合”原则，是偏保守，新荷载规范予以放弃，改用两种及两种以上可变荷载均应考虑组合值系数规定。2.1.18 频遇值对可变作用，在设计基如期内被超越总时间仅为设计基如期一小某些作用值；或在设计基如期内其超越频率为某一给定频率作用值。2.1.19 准永久值 对可变作用，在设计基如期内被超越总时间为设计基准一半作用值。 如图所示： （超越概率10%）n （超越概率50%） 频遇值为本次修订所增长，频遇组合在普通建筑构造设计中尚未用到。据说在港口工程中已用上，国际上有。 准永久值取持续时间比值0.5，对住宅、办公楼楼面活荷载及风、雪荷载等，相称于取其任意时点荷载概率分布0.5分位值。详细取值由荷载规范作出规定。准永久值用作正常使用极限状态按准永久值和频遇组合设计采用可变荷载代表值。2.1.20 作用设计值3、极限状态设计原则3.0.1 对于构造各种极限状态，均应规定明确标志及限值。 极限状态不能模糊描述，应能明白无误界定和区别。简支钢筋混凝土梁受弯承载能力极限状态是以钢筋开始屈服为标志，而其正常使用极限状态则明确规定了各种状况下容许挠度值和裂缝宽度值。3.0.2极限状态可分为下列两类：（原文略） 本条内容对的理解并熟记。 承载力极限状态涉及两种形态：1、构造或构造构件达到最大承载能力；2、不适于继续承载变形（如挠度超过1/50跨度时）。 注意构造最大承载力和构件最大承载力区别。注意属于正常使用状态“影响正常使用振动”这一状态。过去多用于工业厂房防振设计。新混凝土高规参照高层钢构造规程JGJ99-98，初次对高度超过150m高层混凝土建筑构造提出了风荷载作用下构造顶点最大加速度限值，以满足舒服度规定。3.0.3 建筑构造设计应区别三种设计状况（原文略）为新增条文。与工程构造可靠度设计统一原则（GB50153-92）统一。这里所说“环境”是广义，与混凝土规范中环境类别有所不同。三种状况是以持续时间、浮现概率和不同影响而区别。此三种状况并不完全与永久作用、可变作用、偶尔作用相相应。3.0.4 （原文略）规定了三种设计状况与极限状态关系：1、持久状况承载能力极限状态设计；正常使用极限状态设计；2、短暂状况承载能力极限状态设计；可依照需要进行极限状态设计；3、偶尔状况承载能力极限状态。注意3.0.3及3.0.4条对设计人员并无详细意义，有此概念即可。永久作用、可变作用和偶尔作用关于计算规定对设计人员则是重要，这些计算规定（含对施工阶段验算）已体现了上述两条规定。3.0.5 最不利组合原则（原文略）建筑构造设计重要原则：对所考虑极限状态，应采用相应构造作用效应最不利组合。简称最不利组合原则。1、承载力极限状态基本组合；偶尔组合（必要时）。2、正常使用极限状态原则组合；频遇组合；准永久组合。参照7.0.2和7.0.5条。3.0.6 偶尔状况设计原则。（原文略）两条重要原则（选取取用）：1、按作用效应偶尔组合进行设计或采用防护办法，使重要承重构造不致丧失承载力。这里有两层意思，一是保证承重构造不丧失承载力有加强构造或采用防护办法两条途径，可依照其也许性和合理性择优选用；二是容许非重要承重构造在一定范畴内丧失承载力。2、容许重要承重构造局部破坏，但其剩余某些具备在一段时间内不发生持续崩塌可靠度。这一条不是针对9.11这样事件，但对普通性撞击、爆炸、火灾是故意义。当前尚未提出可供实用设计办法，只是提出某些可供参照使用办法，如横捆、竖捆等。3.0.9 （原文略）本条为本原则核心内容之一，也是普通设计人员最难理解难点所在。本条讲是可靠度设计办法，而可靠度设计是基于概率理论。普通设计人员对此难以进一步理解，事实上也不需要进一步理解，由于实际设计并不是按概率理论办法进行。但对普通设计人员提出概念性理解规定是必要。规定掌握如下内容：1、明确构造构件可靠度与失效概率关系：PS=1-Pf，PS+Pf=1。2、可靠度采用可靠指标度量。失效概率与关系式如下： 构造构件失效概率与可靠指标关系3、当仅有作用效应和构造抗力两个基本变量且均按正态分布时，构造构件可靠指标可按下列公式计算：式中构造构件可靠指标；S、s构造构件作用效应平均值和原则差；R、R构造构件抗力平均值和原则差。一旦求得，即可通过积分或查表求得失效概率Pf 。其相应关系如下表所示。与Pf相应关系PfPf1.01.52.02.51.5910-16.6810-22.2810-26.2110-33.03.54.04.51.3510-32.3310-43.1710-53.4010-6s举例 轴心受压短柱，截面bh=300500mm2，配备820纵向钢筋AS=25.13mm2。设荷载为正态分布，轴力N平均值N=1800KN，变异系数N=0.12。钢筋抗压屈服强度fy为正态分布，其平均值fy=374N/mm2 ，变异系数fy=0.08。混凝土轴心抗压强度fc也是正态分布，平均值fc=24.68N/mm2，变异系数fc=0.19，不考虑构造尺寸变异，求此构件可靠指标。解求荷载效应S记录参数 s=N=1800KN S=N=NN=0.121800=216KN求结抗力R记录参数 R=RC+RS=fCA+fyAS混凝土抗力RC记录参数： RC=Afc=30050024.68=3702KN RC=fcRC=0.193702=703.4KN钢筋抗力RS记录参数： RS=ASfy=2513374=939.9KN RS=fyRS=0.08939.9=75.2KN构造抗力R记录参数： R=RC+RS=3702+939.9=4641.9KN求可靠指标4、当基本变量不按正态分布时，构造构件可靠指标应以构造构件作用效应和抗力当量正态分布平均值和原则差代入计算即可。此时须求解验算点坐标值，而此坐标值求解过程是较为复杂，加之求得各变量记录参数不易，使得直接运用可靠度普通办法求解可靠度难以具备实用性。3.0.10 （原文略）可取消此条或改写。这是前原则条文，当时采用校准法是转变需要，校准基准是前原则此前设计状况。当前已不必再提此规定。但应阐明本原则沿用了原原则及其合理性。3.0.11 （原文、原表略）（参阅本文条文阐明）注意如下几点：1、本条内容与原原则形式上似乎相似，但事实上却有一种重要修改，就是取消了原原则注中关于“可对值作不超过0.25幅度调节”规定。这事实上提高了构造安全度。由此引出了一系列变化，如增长了永久荷载效应为主时组合（1.35分项系数）；提高了住宅楼面活载；调节了风雪荷载原则值等等。2、由于当前记录资料不够完备以及构造可靠度分析中引入了近似假定，因而所得失效概率Pf及相应并非实际值。这些值是一种与构造构件实际失效概率有一定联系运算值，重要用于对各类构造构件可靠度相对度量。3、表3.0.11中规定值是对构造构件而言。对于其她某些如连接等，设计时采用值，应由各类材料构造设计规范另作规定。4、对的理解延性破坏和脆性破坏。轴心受压和剪切破坏为脆性破坏。弯曲、偏压、拉伸为延性破坏。3.0.12构造构件正常使用极限状态可靠指标，依照其可逆限度取01.5。本条为新增条文。原原则在条文阐明中曾建议正常使用极限状态取1.02.0。现原则依照 ISO2394：1998建议，结合国内研究成果，作出了依照可逆限度取01.5规定。对可逆正常使用状态取0，对不可逆正常使用状态取1.5。可逆是指荷载浮现，状态浮现，荷载移去，则状态拜别；不可逆是指荷载浮现，状态浮现，荷载移去，状态保存。如砌体开裂为不可逆；而梁在荷载移去后挠度恢复为可逆。7极限状态表达式7.0.1 （原文略）本条确立了可靠度设计多系数表达式，从而使概率极限状态设计办法具备实用性。规定了作用分项系数、抗力分项系数及构造重要性系数拟定原则对此，设计人员应建立如下重要概念：1、各分项系数取值是经优选拟定，优选原则是使各种构造构件在按极限状态设计表达式（即多系数表达式）设计后所具备可靠指标，与规定可靠指标之间在总体上误差最小。2、系数G、Q、R（f）不但与给定可靠指标关于，并且与构造极限状态方程中所包括所有基本变量记录参数关于。它们是互有关联而不是各自独立，其中一种系数变化也许会导致其他系数变化。这些系数并不是仅仅与相乘（或相除）荷载效应或抗力关于。3、构造抗力分项系数应按不同构造构件特点分别拟定，亦可转换为按不同材料性能分项系数。砼规范、砌体等规范均采用了后者（砼材料分项系数为1.4；普通钢筋为1.1；予应力钢丝、钢铰线等为1.2；砌体为1.6。）7.0.2 （原文略）对承载能力极限状态相应基本组合和偶尔组合分别给出了表达式和原则阐明。注意如下提示： 1、公式（7.0.2-1）形式上与原原则完全同样，但含义上却有重要区别。原原则执行“遇风组合原则”，而新原则则是无论有风无风，只要可变荷载为两个及以上时，均应乘可变荷载组合系数。 2、增长了表达式（7.0.2-2），取G=1.2，解决了持久荷载起主导作用时采用式（7.0.2-1）也许带来可靠度偏低问题。 3、新原则提供两个表达式使设计人员更难以简朴鉴定那一种组合为最不利组合，由于每个可变荷载组合值系数并不完全同样。而鉴定何种组合为永久荷载起主导地位似乎更具难度。最可靠却又最费事办法就是每种组合都算。也有人在分析基本上对某些较简朴状况提出了简朴鉴定界线，如只承受自重荷载和楼面活载构件当活静载比例不大于0.32（0.370.36）时为永久荷载为主导，可仅按式（7.0.2-2）计算。 4、式（7.0.2-3）为简化表达式，可合用于普通排架、框架。与原原则基本相似，只是其中组合系数值由原0.85提高为0.9。此简化表达式为一偏大值，偏于安全。需要提请注意是，按式（7.0.2-3）计算后，普通仍需按式（7.0.2-2）计算，比较后方能拟定最不利组合。 5、偶尔组合只给出原则，当前尚难给出统一设计表达式。普通原则是：（1）只考虑一种偶尔作用与其他荷载组合；（2）偶尔使用不乘以荷载分项系数；（3）可变荷载可依照偶尔作用同步浮现也许性，采用恰当代表值，如准永久值；（4）荷载与抗力分项系数值，可依照构造可靠度分析或工程经验拟定。7.0.3 关于构造重要性系数0规定。（原文略） 提示如下： 1、本原则修改了原原则取0为定值规定（既不容许减少，也不容许提高，为筹划经济产物），改为“不应不大于”，这是一种更具灵活性改动。 2、本原则新增了设计有效期为1及以上和5年构造构件也通过构造重要性系数0对作用效应进行调节内容。由此也引出了一种有争议问题，即当安全级别为一级同步设计使用年限又为1时，是取0为1：1还是取0为1.11.1=1.21问题。当前较为统一意见是：取1.1是恰当，但取1.21也是不为错。 3、对安全级别为三级且设计使用年限为5年构造构件不能取连乘值，仍应取0.9。 4、对设计使用年限为25年构造构件，由各类规范依照各自状况自行拟定。当前颁布建筑构造有关规范均未涉及此内容。7.0.4 （原文略） 内容易理解，但应熟记。7.0.5、7.0.6（原文略） 正常使用极限状态相应原则组合和准永久组合是为人们所熟悉，而相应频遇组合则是比较生疏，由于都没用过。应注意频遇组合表达式中第二项和第三项，第二项采用频遇系数，而第三项采用准永久系数。 第4节 （构造上作用）、第5节（材料和岩土性能及几荷参数）、第6节（构造分析）、第8节（质量控制规定）等章节内容也很重要，容易理解，限于篇幅，不再提示。