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建筑结构可靠度性相关问题探讨赵雪琨

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：赵雪琨

[导读] 摘要：针对现行的建筑结构设计可靠性问题进行分析探讨，建议把设计使用年限与结构安全等级一一对应，明确不同设计使用年限建筑结构的可靠度；建议现行建筑结构可靠度计算方法采用新的变量考虑设计和施工质量的影响；建议采用中震设计方法，荷载效应采用标准值，采用材料标准值计算构件承载力，让设计人员更加直观准确把握抗震结构的可靠度。

        身份证号码：13022719831008xxxx
        摘要：针对现行的建筑结构设计可靠性问题进行分析探讨，建议把设计使用年限与结构安全等级一一对应，明确不同设计使用年限建筑结构的可靠度；建议现行建筑结构可靠度计算方法采用新的变量考虑设计和施工质量的影响；建议采用中震设计方法，荷载效应采用标准值，采用材料标准值计算构件承载力，让设计人员更加直观准确把握抗震结构的可靠度。
        关键词：建筑结构；可靠度；问题；探讨
        引言
        我国现行《建筑结构可靠性设计统一标准：GB 50068-2018》采用可靠度来度量结构的可靠性，结构在规定的使用年限内应具有足够的可靠度，结构可靠度采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定。但文献仍存在一些争议，比如设计使用年限与可靠度之间的相关性、结构抗震可靠度等等问题仍需解决。近几年建筑事故频发，比如多起无梁楼盖坍塌事故，是可靠度本身问题，还是设计重大失误或施工质量不合格造成，如设计荷载考虑不足、构造措施不当、施工材料强度没有达到要求，不按设计图纸施工，偷工减料，野蛮操作等；又或是不合理使用造成，如超载使用，不合理改造等。工程结构可靠度是指结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的能力。“规定的时间”和“规定的条件”分别指设计基准期和不考虑人为过失的影响；工程结构可靠度是否可以考虑不同的设计基准期和考虑人为过失的影响，有待进一步研究。
        1建筑结构可靠度研究的意义
        我国在以结构可靠性理论为基础对各类建筑结构设计规范修订、影响结构可靠性的不确定因素分析、在役结构的检验、可靠性评定、维修决策、结构诊断专家系统与加固修复技术、结构耐久性和剩余寿命估计、结构防灾减灾与结构抗风、抗震控制等理论和技术多方面已经取得了重要的基础研究成果并部分应用于工程实际。城市化的加速使得土木建筑业已成为国民经济的支柱产业之一，各种高层及大跨结构、大型立交桥及隧道、地铁、空港等工程日益巨大，城市化带来人口高度密集、财富高度集中，一般的地震灾害就可造成巨大的经济损失和人员伤亡。目前我国的工程结构质量问题仍然十分严重，如何实现结构的功能和保证结构体系安全可靠已引起国内学者的关注，我国《工程结构可靠度设计统一标准》也提出“当有条件时，工程结构宜按结构体系进行设计”。
        2矩法
        2.1一次二阶矩法
        在实际工程中，一次二阶矩法的应用相当广泛，已成为结构可靠度分析和计算的基本方法。其要点是非正态随机变量的正态变换及非线性功能函数的线性化。由于将非线性功能函数做了线性化处理，所以该类方法是一种近似的计算方法，但具有很强的适用性，计算精度能够满足工程需求。
        2.2二次二阶矩法
        当结构的功能函数在验算点附近的非线性化程度较高时，一次二阶矩法的计算精度就不能满足一些特别重要结构的要求了。国外早期的做法是将非线性功能函数在验算点处做二次展开，此法虽能解决问题，但因计算复杂而不便应用。近年来，一些学者把数学逼近中的拉普拉斯渐进法用于可靠度研究中，取得了较好的效果。因该法用到了非线性功能函数的二阶偏导数项，故应归属于二次二阶矩法。从公式的表达上可以看出，二次二阶矩法的结果是在一次二阶矩法结果的基础上考虑功能函数二次非线性影响的系数，所以可以看作是对一次二阶矩法结果的修正。需要强调的是，在广义随机空间中，对于随机变量变换前后相关系数取值依据的是变换前后的相关系数近似相等，这相当于一次二阶矩法随机变量间的一次变换，对于二次二阶矩法是否考虑随机变量间的二次变换项，以及二次变换项如何考虑是需要进一步研究的问题。

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        2.3二次四阶矩法
        不论是一次二阶矩方法还是二次二阶矩方法，其计算精度能得以保证的一个基本前提是采用的随机变量分布概型是正确的，且随机变量的有关统计参数是准确的，而随机变量分布概型是应用数理统计的方法经过概率分布的拟合优度检验后推断确定的，统计参数是通过统计估计获得的。分布概型及统计参数的准确与否依赖于样本的容量、统计推断及参数估计的方法。二次四阶矩法利用信息论中的最大熵原理构造已知信息下的最佳概率分布，基本上避免了前述方法因采用经过人为加工处理过的基本资料而可能改变其对现实真实反映的问题，但关于该法的研究还较少，仍处于发展阶段。
        3对目前建筑结构可靠度水平有必要作适当提高
        现有的可靠度水平虽然基本可行，但由于国家经济水平以及人民生活水平已有较大提高，在安全与经济相平衡的基础上，有必要给予一定的提高，问题在于提到多高和怎样提法。提高的做法，采取全面提高似乎操之过急，大幅度提高更不适宜，因为全面提高涉及到一系列的调查、统计和分析工作。大幅度提高，对人力物力财力要求过大：高的可靠度等于要求高的构件抗力，这将导致一系列的反应，构件截面增大，多耗材料，建筑物重量增加，导致较大的地震反应，基础工程量也增加等，虽然换来更大的安全，但是代价很大，可靠度与经济能力不平衡。因此比较恰当的做法是：对比较明显的，已掌握充分资料说明确实偏低的某些标准荷载予以一定的提高，如一些公共建筑的楼面活载、风荷载等；适当提高某些活荷载的分项系数；对于一些变异性较大的材料，如混凝土等，适当提高材料的分项系数。
        4建筑结构的抗震标准问题
        建筑结构的抗震标准也是值得探讨的问题。我国目前的抗震设计原则是：小震（超越概率63不坏、中震（超越概率10）可修、大震（超越概率2-）不倒。具体设计分两阶段，首先是按小震进行计算，使结构处于弹性阶段以保证不坏，然后进行构造设计以保证大震不倒。由此，理论上说，当地震烈度超过小震，就有些构件进入塑性，经一段过程发展至损坏，此时结构处于非弹性工作状态；到中震时，相当一部分构件处于塑性发展阶段或已经损坏；随着地震烈度的再增强，破坏逐步加剧，直到大震，建筑物损坏已非常严重，并且有较大的非弹性变形，但不倒塌。小震（众值烈度）的超越概率为63，一旦发生地震，烈度超过它的可能性还是比较大的；而中震（基本烈度）的超越概率为10，烈度大于它的可能性就很小。这就是说，建筑物遭受的地震，其烈度大多数在中震烈度以上，根据上段所述，此时建筑物大概处于较轻中等损坏状态，经过修理是可以使用的。
        结束语
        抗震标准与国家经济实力和风险率有关，既要考虑国家经济负担，又要考虑地震发生的机率，还要考虑财产的损失和人民的安全，带有很强的政策性，需要由有关部门慎重决定。建筑抗震能力除与抗震标准有关外，也与设计和施工质量有密切联系，而抗震设计中概念设计是首要的。我国国家《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）中列出一系列抗震设计的基本要求，就是概念设计很好的依据，可是目前不少设计（人员对抗震概念设计的观念比较淡薄，没有从抗震原则方面来保证建筑物的抗震能力。在这样的情况下，即使通过提高抗震标准使各个构件的抗震能力很高，对建筑总体的抗震效果也不会有很大的帮助。有抗震要求的细部构造一般比较复杂，如果在施工中马虎对待，达不到质量标准，也会大大地削弱建筑的抗震能力。因此，抓好抗震设计和施工质量也是目前首先要解决的问题。只有在这样的基础上去提高抗震标准才有现实意义。
        参考文献：
        ［1］建筑结构可靠性设计统一标准：GB 50068-2018［S］.北京：中国建筑工业出版社，2018
        ［2］容柏生.对建筑结构可靠度的我见［J］.建筑科学，1999（5）：3-5.
        ［3］李刚，冯秀梅.结构可靠度计算分析方法研究［J］.山西建筑，2007（10）：117-118.