建筑结构活荷载标准与灾害荷载设防水平

能要求不一样 ,其可靠度也不同 。对同一建筑物 ,建筑结构的正常使用与承载能力相比 ,应具有不同的可靠
度。
因此 ,讨论和评估产品的可靠度时 ,应明确三个“规定 ”,否则会失去可比性 。建筑结构可靠度是通过规
定正常设计 、正常施工及正常使用 ,来实现“规定条件 ”,通过承载能力极限状态和正常使用极限状态 ,考虑
2 等超概率原则
由于结构使用年限是结构可靠度的时间特征 ,设计基准期应根据结构使用年限确定 。活荷载特征值的 确定是在设计基准期内超过某值的概率为定值 [ 6 ] 。因此 ,确定活荷载特征值时应考虑两个参数 :设计基准 期和超越概率 。超越概率根据结构安全等级 、破坏后果和目标可靠度确定 。本文不深入讨论活荷载的超越
中图分类号 : TU3; X4 文献标识码 : A
L ive load cr iter ion and d isa ster load fortif ica tion level of structures: influence of work ing life
HOU Gang2ling, OU J in2p ing
概率 ,在此假定同类型结构超越概率相等 。
根据荷载变动一次的平均持续时间 τ或在设计基准期 T1 内的变动次数 r1 ;在每个时段内荷载出现的概 率 p,令 p = 1;在任一时段 τ的概率分布函数 Fi ( x) ,根据这 3个统计要素 ,基于平稳二项随机过程的假定 ,如
以 m 1 = pr1 代表荷载在 [ 0, T1 ]内平均出现次数 ,则设计基准期最大值 QT1的分布函数可表示为
根据可靠度基本理论和规范可知 ,设计基准期定义为 :为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值
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自 然 灾 害 学 报 14卷
而选用的时间参数 。而结构可靠度与结构的使用年限长短有关 , 我国《建筑结构可靠度设计统一标准 ( GB50068 - 2001) 》所指的结构可靠度或失效概率 ,是对结构的设计使用年限而言的 ,当结构的设计年限超 过设计使用年限后 ,结构失效概率可能较设计预期值增大 [3 ] 。显然 ,结构的使用年限是结构可靠度的时间 特征 。
构件的可靠度可表示为
ps = P{ Z > 0} = P ( R - S > 0)
(4)
比较式 ( 2)和式 ( 4)可知 ,机电构件的可靠度与时间 t具有明确关系 ,而建筑结构可靠度分析与时间 t关系不
明确 。
目前 ,在建筑结构可靠度设计中 ,不考虑抗力 R 的衰减 ,即抗力 R 与时间 t无关 ;荷载仅考虑永久荷载和
挑 100kg有 3. 2的可靠指标和挑 80kg有 3. 2的可靠指标的情况是截然不同的 。在校准构件目标可靠指针
时 ,“恒载 +活载 +风载 ”与“恒载 +活载 +雪载 +风载 ”两种不同荷载效应组合下 (可变荷载基准期相同 )
具有相同的目标可靠指标 ,其实 ,两者的可靠度水平是不同的 。
(3) “规 (预 )定功能 ”。规定产品功能判断不同 ,将得到不同的可靠性评价结果 。同一产品 ,规定的功
“规 (预 )定功能 ”。但对“规定时间 ”无明确定义 ,需要通过比较分析确定建筑结构可靠度的时间特征 。
1. 2 结构可靠度的时间特征
对大量不同类型机电产品组件的故障资料研究表明 ,典型故障率函数 λ( t)呈浴盆曲线形状 。典型故障
率函数可表示为
λ( t) = k αt - 1
(1)
当 α > 1时 ,λ( t)呈上升趋势 ,即衰退区 ;当 α < 1时 ,λ( t)呈下降趋势 ,即初始区 ;当 α = 1时 ,λ ( t) = k, 即正
可变荷载 ,永久荷载和可变荷载一般采用平稳二项随机过程模型 ,并将随机过程转化为随机变量 。转化原则
为 :在设计基准期 [ 0, T ]内荷载的最大值 QT 来代表荷载 ,即
QT
= m axQ ( t) t: [ 0, T ]
(5)
显然 ,设计基准期 T不同 , QT 也不同 。容易令人误解为设计基准期 T是结构可靠度的时间特征 。
( 10)
n1 = n2 m1 m2
( 11)
应用式 ( 11)可根据 m1 , n1 , n2 和 n2 中 3个而确定另外一个 , 进而可确定各种荷载标准值 。上述方法总
结为 :对不同设计基准期 、不同设计使用期应取不同的活荷载标准值 ,但应保证在不同的设计基准期 、不同设
计使用期规定时间内 ,活荷载超越概率相等 ,简称“等超概率原则 ”。
3期
侯钢领等 :建筑结构活荷载标准与灾害荷载设防水平 ———使用年限的影响
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和方法必须与结 构可 靠度 理论 相统 一 。本 文根 据 我 国 可 靠 度 标 准 :《建 筑 结 构 可 靠 度 设 计 统 一 标 准 ( GB50068 - 2001) 》、国际可靠度标准 :《结构可靠性总原则 ( ISO2394: 1998) 》和结构可靠度基本理论 ,在文 献 [ 5 ]研究的基础上发展了等超概率原则 ,并应用该原则对建筑结构活荷载的取值标准进行研究 ,力图提供 满足建筑结构不同性能要求的荷载标准 。
FT1 ( x) ≈ [ Fi ( x) ]m 1
(6)
同理 ,对应结构使用期 N1 年 ,最大值 QN1的分布函数可表示为
FN 1 ( x) ≈ [ Fi ( x) ]n1
(7)
式中 n1 代表荷载在 [ 0, N1 ]内平均出现次数 。同理 , 可建立设计基准期 T2 、结构使用期 N2 对应的最大值分
1确定不同的设计基准期应用式16将不同设计基准期转换成对应50a期限内相应超越概率计算结果如表5所示年对应的50年内超越概率table5exceedanceprobabilities50yearscorrespondingreturnperiod25405075100475102计算不同超越概率与基准期与50a超越概率10设防烈度的差值计算结果见表年与设防烈度差值table6returnperiodfortificationintensities254050751004753将地震烈度转化为地震地面运动加速度a可采用下式计算18应用式18和表6可计算不同设计基准期的地震作用与50a设计基准期地震作用的比值
( School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)
Abstract: This paper aim s at to offer characteristic values of structure′s live loads corresponding to various working life. Structural reliability characters are analyzed, and it is shown that working life is characters of structural relia2 bility in tim e. The live load should be determ ined that the exceedance p robabilities of live load for different design working life equal to that for conventional design loads. Besed on the relationship built between different design working life, different design reference period and live load characters, the characteristic values of live loads and dis2 aster loads of structures for different working life are given in light of equivalent exceedance p robability criterion. Key words: structural reliability; live loads; equivalent exceedance p robability criterion; design reference period; design working life
常使用区 。
对机电构件的可靠度表示为
F ( t) = 1 - exp ( - λt)
(2)
在建筑结构的可靠度分析中 ,普遍采用强度应力模型 :
Z =R - S
(3)
式中 , S 表示荷载 , R 表示抗力 。刻画构件 (体系 )的安全准则 、极限状态和失效准则 , 它们分别相应于 Z > 0、
Z = 0和 Z < 0等 3种状态 。 Z > 0和 Z < 0表示构件相应于函数 Z 描述的功能的可靠和失效状态 。建筑结构
可靠性 ( reliability)是部件 (part) 、组件 ( component) 、产品 ( p roduct)或系统 ( system )的完整性 ( integrity) 的最佳数量的度量 [1 ] 。由于结构可靠度理论合理地考虑了荷载和抗力的随机性 ,以及在概率的水平上平衡 了安全与经济的关系 ,这门学科在全世界范围内逐渐成为各国工程设计的理论和方法 ,并以此为基础制定了 相应的标准和设计规范 [2 ] 。21世纪初 ,我国基于可靠度基本原理 ,制定了新的《建筑结构可靠度设计统一标 准 ( GB50068 - 2001) 》,并以此为基础制定了荷载 、钢结构 、钢砼结构等设计规范 [ 3～4 ] 。
14卷 3期 2005年 6月
自 然 灾 害 学 报 JOURNAL OF NATURAL D ISASTERS
文章编号 : 100424574 (2005) 03un. , 2005
建筑结构活荷载标准与灾害荷载设防水平
———使用年限的影响
侯钢领 ,欧进萍
(1) “规定时间 ”。规定时间的长短不同 ,可靠性也不同 。一般产品的功能 、性能都有随时间衰退的特
点 。规定的时间越长 ,最终的可靠度越低 。因此 ,同一种产品在不同的使用时间范围 ,其可靠度水平是不同
的。
(2) “规定条件 ”。使用工况和环境条件的不同 ,可靠性水平有很大差异 。用一个浅显的比喻来说 ,人
(哈尔滨工业大学 土木工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150090)
摘要 :旨在提供不同使用年限建筑结构对应的活荷载水平 。分析了结构可靠度理论的特点 ,揭示了设 计使用年限是结构可靠度的时间特征 。应根据不同设计使用年限活荷载的超越概率等于常规设计荷 载超越概率的原则确定活荷的载标准 ; 通过建立不同设计使用期 、不同设计基准期与活荷载取值的 关系 ,给出了不同使用年限对应活荷载与灾害荷载设防水平 。 关键词 :结构可靠度 ;活荷载 ;等超概率原则 ;设计基准期 ;设计使用期
结构可靠度理论在设计规范中完全实施是一个不断完善的过程 。一方面由于结构可靠度理论与实际结 合 ,结构可靠度理论需要发展 ;另一方面为避免由于修订建筑结构设计规范而引起较大的安全或经济波动 , 必须考虑规范的现实继承性 。因此基于可靠度理论的设计规范需要不断发展 ,但总的趋势是现代设计理论
收稿日期 : 2005 - 01 - 10; 修订日期 : 2005 - 04 - 05 基金项目 :国家“十五 ”科技攻关项目 (2002BA806B - 4) 作者简介 :候钢领 (1973 - ) ,男 ,陕西合阳人 ,博士 ,主要从事结构设计理论 、灾害荷载与防治研究.
布函数 。
令结构设计使用期 N1 和 N2 年内发生超越概率相等 ,则有 :
FN1 ( x) = FN 2 ( y)
(8)
令设计基准期 T1 和 T2 年内发生超越概率相等 ,则有 :
FT1 ( x) = FT2 ( y)
(9)
根据式 (6) ～式 (9)可得
比较式 (10)两边 ,则有
n1
n2
[ F1 ( x) ]m1 = [ Fi ( y) ]m2
3 不同使用年限对应的活荷载标准与灾害荷载设防水平
国际标准 : ISO2394的一个重要突破是对结构设计基准期与设计使用作了明确区分 。国标 ( GB50068 2001)给出我国建筑结构的设计使用年限 ,见表 1。
1 建筑结构可靠度的时间特征
1. 1 可靠度规定条件下的可比性
可靠性是产品的一项重要质量指针 ,它综合反映了产品的耐久性 、无故障性 、维修性 、有效性和使用经济
等 ,可用各种定量指标表示 。对建筑工程而言 ,可靠度是 (建筑 )结构在规定的时间内 、在规定的条件下 、完
成预定功能的概率 [ 3 ] 。根据定义可知 ,可靠度应符合 3个“规定 ”: