1、浅谈建筑结构设计的可靠性 【摘要】随着时代的发展，重视建筑结构设计的可靠性分析具有重要的意义。本文主要主要探讨建筑结构设计的可靠性设计。 Abstract: With the development of times, paying more attention to the reliability analysis of the design of the building structure is of great significaign of the building structure des 关键词】 建筑 结 构 设计 可靠性 发展 Key Words: construction
2、, structure, design, reliability, development 中图分类号： TU318 文献标示码： A 文章编号： 引言 工程结构在长期使用过程中，需要安全地承受各种荷载和环境的作用。但是由于结构材料性能和荷载本身所固有的不确定性以及结构不可避免地存在各种误差，直接影响到结构的可靠性。结构设计的目标，是在可接受的概率水平上，保证结构在规定的设计使用期限内能够满足预定的功能要求。 1 结构设计方法的早期发展 1 1 容许应力法 早期的结构设计方法 容许应力法假设材料为均匀弹性体分析结构上受到的荷载作用，计算出构件中的应力分布，确定危险点上的工作应力值 ；再根据经验
3、及统计资料确定容许应力【 】；结构设计是保证最大工作应力不超过材料的容许应力。即 【 】 这称为强度判据，它满足了结构的强度要求，因而认为结构在工作中不会破坏。由于容许应力法使用方便，按此法设计可以满足正常使用的要求所以在较长时期内被应用。但此法存在着明显的 缺点：一是按线性弹性理论以一点的强度来确定整个结构构件是否安全可靠 ?这对脆性材料 (如石块、铸铁等 )来说有一定的合理性。但对弹塑性材料 (如钢材、混凝土材料等 )而言，由于没有考虑到结构在非弹性阶段仍具有承受荷载的能力，以及没有考虑荷载、结构抗力等随机因素，所以是不合理的；二是给定的容许应力不能保证具有比较一致的可靠度水平；三是没有考
4、虑荷载的变化具有不同的比例或具有不同的符号而是假设所有荷载的变化均具有相同的比例，采用单一安全系数。 1.2 破损阶段法 破损阶段法的原则：结构构件达到破损阶段时 的计算承载能力 ，应不低于标准荷载引起的构件内力 N，乘以安全系数 K，即 K?N 计算承载能力 是根据结构构件达 跛损阶段时的实际工作条件确定的。由于安全系数伴随着俩载效应，因此该设计方法也称为荷载系数法。破损阶段的设计方法首先在 2O世纪 3O年代提出。当时塑性理论和钢筋混凝土结构的试验研究已取得一定成果，有可能从理论上计算结构的最终承载能力。因此，与容许应力法不同破损阶段法考虑结构材料的塑性性质及其极限强度，确定结构的最终承载
5、能力。但在结构可靠性方面，由安全系数保证，与容许应力法存 在相同的缺点。 2 结构可靠度理论的发展 早期的规范中，在可靠性方面采用半概率的方法。不要求必须保证结构以规定的小概率进入极限状态，只要求在按极限状态设计的表达式中的各项设计值都在概率的意义上取值。我国在 6O 年代初，曾参照前苏联的结构设计规范，采用过半概率极限状态设计方法，原则上都以平均值或减三倍标准差的方法确定设计计算值，然后根据荷载和材料的标准值。规定相应的荷载系数和强度系数。同时，在经验判断的基础上。规定了结构构件或材料的工作条件系数。作为随机变量考虑的荷载、材料强度等设计变量，其概 率分布和统计参数的合理估计，由于样品容量的
6、限制，实际上也难做到尤其是荷载及其效应。于是在半概率的方法中，对设计变量取用了所谓特征值，它仍是该变量的概率分布中某个分位值，要求根据统计数据比较可靠地确定。由于样本容量的限制，过低或过高的分位值往往难以得到实践的验证。此外，在设计表达式中仍引入由经验判断的考虑各种不确定因素的分项安全系数。由于它能将统计的因素与不能或暂时无法统计的因素加以区别，使客观上有可能根据可统计的设计变量改变， 以保持原有可靠性条件调整设计参数，比以往的设计方法更合理和科学。我国 2O 世纪 7O年代中期制定的设计规范中，标准荷载和材料强度也是在概率的意义上规定的，将各分项安全系数综合考虑后近似得出单一安全系数。采用单
7、一安全系数，主要考虑设计计算过程的方便。但由于不能根据不同的设计方式规定安全系数，因此在结构的可靠性方面仍是有缺陷。 2O 世纪 7O 年代后，我国开始大规模、有组织、有计划地展开科学研究。 1984 年，颁布了建筑结构设计统一标准 (GBJ6884) ，规定各种建筑结构按照目前国际上正在发展和推行的、以概率理论为基础的极限状态设计方法，统一了我国建筑结构设计的基本原则。其特点是以结构功能的失 效概率作为度量结构的可靠度，由定值转变为非定值的极限状态概念，大大提高了结构设计的合理性，规定了适用于各种材料结构的可靠度分析方法和设计表达式，即承载能力极限状态表达式和正常使用极限状态表达式。 3.结
8、构可靠度影响因素 工程结构要求具有一定的可靠性，是因为工程结构在设计、施工、使用过程中具有种种影响其安全、适用、耐久的不确定性。当可靠度设置水平低，相应的失效概率大，抵御意外情况的能力差，是引发结构失效的原因之一。因此，从地降低结构的失效概率方面，应当提高结构的可靠度，从而降低结构面临的失 效风险，一定程度上可以减少事故量。影响结构可靠度的不确定性大致有以下几个方面：作用效应、抗力性能、安全储备、结构的易损性和人为差错等。这些影响因素对于结构都有以下特点： 3.1 事物的随机性 所谓事物的随机性，是由于事件发生的条件不充分，使得在条件与结果之间不能出现必然的因果关系，从而事件的出现与否表现出不
9、确定性，这种不确定性称为随机性。研究事物随机性问题的数学方法主要有概率论、随机过程和数理统计。 3.2 事物的模糊性 即一个对象是否符合这个概念是难以确定的，也就是 说一个集合到底包含哪些事物是模糊的、非明确的，主要表现在客观事物差异的中间过渡中的 “ 不分明性 ” ，即 “ 模糊性 ” 。研究和处理模糊性的数学方法主要有Zadeh 教授开创的 “ 模糊数学 ” 。 3.3 事物认识的不完善性 事物是由若干相互联系、相互作用的要素所构成的具有特定功能的有机整体。对知识的不完善性处理还没有成熟的数学方法，在工程实践中只能由有经验的专家对这种不确定性进行评估， 引入经验参数。 4.结构的可靠性鉴定
10、 结构可靠性鉴定就是通过调查、检测、分析和判断等手段对实际结构 的“ 三性 ” 进行评定的过程，实际结构质量检测好比医生看病时的各种检查化验，目的在于解决在缺乏资料的情况下，通过检验的手段对实际工程进行鉴定来确定其材料的力学性能、结构实际工作状况和承载能力，取得这些必要的数据，为结构的鉴定及加固改造提供依据。结构检测内容主要为材料强度、结构裂缝、结构变形、结构缺陷、结构腐蚀、荷载条件及结构几何尺寸等。通过结构损伤分析原因及其对结构的危害，作出鉴定结论，最后应对现存建筑物提出处理意见，确定是否需要进行加固。目前，结构可靠性鉴定有经验法、实用鉴定法和概率鉴定法、随机模拟法、响应面 法等方法。 4.
11、1 经验鉴定法 主要以原设计规范或规程为依据，按个人目视观察及规范定值计算结果来评定结构与实际差异的一种经验评定法。此法的特点一般不使用检测设备和仪器，主要凭个人经验，受个人主观因素的影响较大，但这种鉴定方法鉴定程序少，花费人力物力少。由于调查过于简单，缺乏准确数据，故在工程处理上多数偏保守。 4.2 实用鉴定法 是在经验鉴定法的基础上发展起来的，它十分重视检测手段和测试技术，对于结构材料强度等有关力学参数，一般采用实测值并经统计分析后才用于结构的分析 计算。实用鉴定法的特点是荷载计算以实际调查的统计分析为准， 通过检测获得较为准确各种资料和数据，再通过集体研究做出鉴定结论。因此，实用鉴定法十
12、分强调检测手段和试验数据。 采用非定值统计规律对建筑物的可靠度进行鉴定的一种方法，称可靠概率鉴定法，又称可靠度鉴定法。建筑物的作用效应和结构抗力以及影响建筑物的诸因素是在一定范围内波动的随机变量，按现有规程、规范进行结构分析和应力计算属定值法范围，用定值法的恒定值去评定已有建筑物的随机变量的不定性影响，显然是不合理的。概率法用概率的概念分析已有建筑物的可靠度 ，找出建筑物在正常使用条件下和预期的使用期限内发生破坏或失效的概率，确定其使用寿命。 4.4 随机模拟法 该法是依据统计抽样理论，利用计算机研究随机变量的数值计算方法。理论上，模拟的方法可以应用于大型复杂系统，通常是当得不到解析解或解析解无效而采用随机模拟法。该法通常又是唯一的检验或者评价近似解的方法，是目前系统分析中相对精确法。 结束语 结构设计方法的发展，经历了从经验系数到科学的概率统计的发展过程。结构设计方法的不断改进和完善，正是由于数学方法在结构设计领域的广泛 应用。 参考文献 1.李桂青，杨伟军结构可靠度的设计方法 U湖北土建， 1990 5 2.昊世伟结构可靠度分析 M北京：人民交通出版社， 1990 8
