現(xiàn)在化建筑結構設計穩(wěn)定性影響對比和措施

1、現(xiàn)在化建筑結構設計穩(wěn)定性影響對比和措施【摘要】文章主要闡述了現(xiàn)代化建筑結構設計中的種種 問題及問題措施，分析了結構設計的穩(wěn)定性影響的主要條 件，在在構件目標可靠指標和可變荷載水平兩個方面，初 步比較了我國建筑結構設計可靠度水平與美國等國水平的 差異；在對比中調(diào)整我國建筑結構設計的穩(wěn)定性及最佳的途 徑?！娟P鍵詞】建筑結構設計；設計可靠度；對比前言隨著我國科學技術和經(jīng)濟建設的發(fā)展，結構設計的可 靠度理論和安全與經(jīng)濟平衡的可靠度水平面臨著新的發(fā)展。 本文將分析結構設計可靠度的影響因素，與發(fā)達國家比較了 我國結構設計可靠度的水平，為可靠度設計規(guī)范修訂和調(diào) 整作一些初步探索。1結構設計的可靠度基礎建筑結

2、構必須滿足正常施工、正常使用和正常維護下的 安全性、適用性和耐久性等各項功能要求。這些功能要求就 是結構的設計準則，通常用極限狀態(tài)來表示。極限狀態(tài)是 結構功能是否滿足要求的'分界線”。構件的極限狀態(tài)可以 用荷載與抗力的臨界平衡來描述；結構整體的極限狀態(tài)通 常用構件極限狀態(tài)的組合或結構失效模式的臨界狀態(tài)來描 述。結構的可靠度分析與設計理論，主要是基于人們對結 構的荷載(或作用)和構件的抗力(或影響抗力的因素) 的隨機性認識而產(chǎn)生和發(fā)展的?？煽慷壤碚摳诱鎸崱⒖陀^ 地反映了結構的功能特性，因而使結構設計扎根于堅實的 理論基礎，更加科學，更加符合客觀實際。1.1結構的構件可靠度設計基于荷載和

3、抗力隨機性的統(tǒng)計分析和模型化，構件的 功能函數(shù)通常是隨機變量的函數(shù)，可以表示為其中xi ( i = 1,2, n)是荷載、抗力或它們的影響因素等隨機變量。功能函數(shù)可以方便地刻畫構件的安全準則、極限狀態(tài)和 失效準則，它們分別相應于z> 0、z= 0和z 0和z< 0滿 足的概率就是構件相應于函數(shù)z描述的功能的可靠度和失效 概率，如構件的可靠度可以表示為結構的可靠度設計就是要在規(guī)定的條件下，合理地確 定結構形式、構件材料和尺寸，使所有的結構構件可靠度 滿足期望的可靠度水平(或稱目標可靠度)，即(i=l, 2,，m)當功能函數(shù)z是線性的且各隨機變量xi( i= 1, 2, m)是正態(tài)隨機

4、變量時，相應于功能函數(shù)z的構件可靠度 與如下可靠指標有一一對應的關系。表示為對于非線性功能 函數(shù)、非正態(tài)隨機變量的情況，總可以通過驗算點法(或 稱jc法)將其與對應起來。于是，結構的可靠度設計轉(zhuǎn) 化為用可靠指標表示的如下設計表達式：(i=l, 2,，m)式中和 分別是構件的實際可靠指標和目標可靠指標。目前各國工程結構設計規(guī)范都是基于上述構件可靠度 設計理論編制的。1.2結構的體系可靠度設計結構設計不僅要滿足構件的可靠度要求，更應該滿足 結構整體(或稱體系)的可靠度要求，這是結構設計發(fā)展 的必然趨勢。結構體系的可靠度分析是以結構的失效模式為基礎的， 結構的失效模式由若干構件的失效組成，即式中=z

5、j < 0,是第j個構件的失效事件。因此，形成結構失效模式的失效構件形成一個并聯(lián)子 系統(tǒng)。結構體系的失效概率可以表示為同時滿足結構構件和 整體可靠度要求的設計表達式可表示為(i=l, 2,m)式中=1-，是結構的體系可靠度；是相應的目標 可靠度。結構的體系可靠度分析面臨兩個大的困難：其一是結 構的失效模式多，搜索困難；其二是各失效模式相關，給 可靠度計算帶來困難。目前，結構體系可靠度分析還沒有 普遍認可的、簡便實用的方法。因此，結構體系可靠度還 沒有象構件可靠度那樣全面有效地進入設計規(guī)范，但是，北 美的一些規(guī)范規(guī)定了結構設計要進行主要失效模式、失效路 徑和冗余度分析和考慮，這在一定程度上

6、反映了對結構體 系可靠度的要求。2結構設計可靠度的影響因素對于只有兩個基本變量一荷載效應s和抗力r的構件 功能函數(shù)：z= r- s (9)其中r和s是互不相關的正態(tài)隨 機變量，則構件的可靠指標為(10)式中和是相應下標 量的均值和標準差。隨機變量r和s的概率密度函數(shù)及其關 系如圖1所示。2. 1目標可靠指標在給定的抗力r和荷載效應s (由于r和s是隨機變 量，實際是給定r和s的概率密度或可均值與標準差)下, 參考圖1,直觀地說，目標可靠指標實際上是規(guī)定抗力 和荷載效應的概率密度和搭接的面積。是結構安全水平 的綜合指標，是影響結構設計可靠度水平最直接的指標。我 國建筑結構設計統(tǒng)一標準(gbj68

7、- 84)和其它大多數(shù) 國家的結構設計標準，目標可靠指標都是在給定抗力和 荷載的概率分布條件下校準原規(guī)范安全系數(shù)來確定的。圖1荷載和抗力概率密度及其關系2.2可變荷載水平與分布參數(shù)在相同的目標可靠指標下，荷載設定的大小不同，結 構設計可靠度水平截然不同。在荷載水平的影響中，可變 荷載占主導地位?？勺兒奢d大致可以分為兩類：其一是樓 面活荷載；其二是自然環(huán)境荷載，包括諸如風載、雪載和 地震作用等受自然規(guī)律支配發(fā)生的荷載或作用。樓面活荷載 的水平，主要是設計基準期內(nèi)荷載均值的大??；自然環(huán)境 荷載的水平，主要與基準期長短有關?？勺兒奢d概率分布參數(shù)確定的準確程度，也將影響結 構設計的可靠度。例如，假定在

8、圖1中的實線是相應于目 標可靠指標口的設計荷載效應，虛線是實際的荷載效應， 顯然，我們設計的結構并不真正具備設定的目標可靠指標 。2. 3抗力衰減由于環(huán)境荷載疲勞效應導致的累積損傷、環(huán)境腐蝕和材 料老化等不利因素的影響，構件的抗力將隨時間衰減，具 體表現(xiàn)在抗力的均值和標準差是時間的函數(shù)，即 如果 能準確把握抗力分布參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，則結構設計 應采用期望結構使用年限的構件剩余抗力的分布參數(shù)和。 目前，這一工作國內(nèi)外都在研究中，從發(fā)展的趨勢看，構 件的抗力衰減將會在結構設計或規(guī)范中予以考慮。3. 結構設計可靠度水平的初步比較為了與設計人員熟悉的多系數(shù)極限狀態(tài)設計銜接和方 便設計人員應用，結構

9、的構件可靠度設計通常表示為荷載 和抗力分項系數(shù)設計表達，如我國采用的表達式為3. 1目標可靠指標根據(jù)國際標準化組織的結構可靠性總原則（is02394： 1998）,對于不同重要性的結構，承載能力極限狀態(tài)的構 件目標可靠指標分別為3.1,3.8,4.3o我國統(tǒng)一標準（gbj68- 84）規(guī)定，延性和脆性破壞的構件分別為2. 7,3.2,3. 7和3. 2,3.7, 4.2。顯然，兩者比較接近，但我國最低值稍偏低一些。中國、美國和墨西哥三國鋼筋混凝土構件的目標可靠度 的指標分析。表明我國鋼筋混凝土構件的目標可靠度與美國 接近，比墨西哥低。中國與美國基本鋼結構的目標可靠指標列于表1中。表 中結果表明

10、，在恒載+活載組合下，我國鋼構件目標可靠 指標與美國接近，但節(jié)點指標遠低于美國；在含地震的組 合下，美國的地震水平相當于我國的眾值烈度，但可靠度 遠高于我國。表1基本鋼構件目標可靠指標的比較荷載演算組合中國（偏壓構件）美國恒載+活載（或雪載）3. 04 3. 00 （構件）4. 50 （節(jié)點）恒載+活載+風載2. 83 （不含活載效應）2.5恒載+活載+地震1. 03 （眾值烈度）0. 0054 （基本烈度）1. 753.2可變荷載中國和美國的樓面活荷載標準值（基準期均為50年， 概率分布均為極值i型），由于樓面活荷載是隨機變量，荷 載水平關鍵是均值的大小。結果表明，美國樓面活荷載采 用的標準值比我國大，而且平均值約比我國大一倍。結果 表明：兩國的自然環(huán)境荷載水平大體相當，主要是基準期 一樣的原因。此外，風荷載標準值中國為30年一遇、美國 用50年一遇，但風荷載均值與