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1、14卷3期2005年6月自 然 灾 害 学 报JOURNAL OF NATURAL D ISASTERSVol.14,No.3Jun.,2005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.文章编号:100424574(2005)0320124206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(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
2、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;设计使用期中图分类号:TU3;X4文献标识码:AL ive load criterion and disaster load fortificationlevel of structures:influence of working lifeHOU Gang2ling,OU Ji
3、n2ping(School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)Abstract:This paper aims at to offer characteristic values of structures live loads corresponding to variousworkinglife.Structural reliability characters are analyzed,and it is shown thatworking life is characters
4、of structural relia2bility in ti me.The live load should be deter mined that the exceedance probabilities of live load for different designworking life equal to that for conventional design loads.Besed on the relationship built bet ween different designworking life,different design reference period
5、and live load characters,the characteristic valuesof live loads and dis2aster loads of structures for differentworking life are given in light of equivalent exceedance probability criterion.Key words:structural reliability;live loads;equivalent exceedance probability criterion;design reference perio
6、d;design working life可靠性(reliability)是部件(part)、组件(component)、产品(product)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34。结构可靠度理论在设计规范中完全实施
7、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。1建筑结构可靠度的时间特征1.
8、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”:(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,人挑100kg有3.2的可靠指标和挑80kg
9、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“规(预
10、)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(t)呈浴盆曲线形状。典型故障率函数可表示为(t)=kt-1(1)当1时,(t)呈上升趋势,即衰退区;当0、Z=0和Z0和Z0=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
11、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=maxt:0,T Q(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。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5213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
12、。显然,结构的使用年限是结构可靠度的时间特征。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 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m1=pr1代表荷载在0,T1内平
13、均出现次数,则设计基准期最大值QT1的分布函数可表示为FT1(x)Fi(x)m1(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FN1(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)=FN2(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F1(x)n1m1=Fi(y)n2m2(10)比较式(10)两边,则有n1m1=n2m2(11)应用式(11)可根据m1,n1
14、,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。表1 设计使用年限分类Table 1Classification of design working life类别设计使用年限/a示例15临时性结构225易于替换的结构构件
15、350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构根据 建筑结构可靠度设计统一标准 和 建筑结构荷载规范 可知:普通房屋和构筑物对应的设计基准期为50a。结合表1可知,设计基准期为50a对应的性建筑和特别重要的建设计使用年限为50a。3.1民用建筑结构楼面活荷载建筑结构楼面活荷载包括持久性活荷载和临时性活荷载。根据(GBJ68-84),它们都服从极值I型分621自 然 灾 害 学 报 14卷布:FL i(x)=exp-exp-x-k(12)式中=/1.2825;k=-0.5772a;、分别为活荷载的均值和均方差。根据Torsta组合原则,设计基准期最大活荷载LT由任意时点持久性活荷载
16、Li与设计基准期最大临时性活荷载LrsT组合得到,即有LT=L i+LrsT(13.1)LT=2L i+2LrsT(13.2)式中LrsT的统计参数与Lrs关系为,T=;kT=k+lnm1。应用等超概率原则,可以建立不同设计使用年限对应的设计基准期,进而可确定平均出现次数m。计算结果如表2所示。表2 楼面活荷载不同使用年限对应的平均出现次数Table 2Average occurrence frequency corresponding to differentworking life of floor for live load类别设计使用年限/a设计基准期/a住宅(办公楼)出现次数m/次商
17、店平均出现次数m/次1550.55225252.52535050550410010010100根据表2和式(13),可以建立不同使用年限活荷载最大值的概率分布参数,计算结果见表3。根据等超概率原则即有,对设计基准期为50a办公楼,楼面活荷载标准值Lk=2.0kN/m2,相当于办公楼设计基准期50a活荷载最大值的平均值加3.16倍标准差,其保证率为99.0%。根据该保证率,可相应计算出设计基准期为5a,25a,100a对应的活荷载标准值为1.56kN/m2,1.87kN/m2,2.13kN/m2。同理可计算住宅和商店不同设计基准期对应的活荷载标准值,计算结果参见表4。表3 不同使用年限楼面活荷载
18、概率统计参数Table 3Statistics of probabilistic parameters for live load of floorwith differentworking life活荷载办公楼r住宅r商店rLi0.3860.1780.5040.1620.5800.351Lrs0.3550.2440.4680.2520.9550.428Li,50.2900.1780.50.4160.1620.51.0210.3515Lrs,50.2230.2440.50.3320.2520.51.4920.42825LT,50.6090.3020.8360.3002.0720.554Li,2
19、50.5130.1782.50.6200.1622.51.4610.35125Lrs,250.5290.2442.50.6480.2522.52.0290.42825LT,250.9150.3021.1520.3002.6090.554Li,500.6090.17850.7070.16251.6510.35150Lrs,500.6610.24450.7840.25252.2610.42850LT,501.0470.3021.2880.3002.8410.554Li,1000.7060.178100.7950.162101.8400.351100Lrs,1000.7930.244100.9200
20、.252102.4920.428100LT,1001.1790.3021.4240.3003.0720.554表4 不同使用年限楼面活荷载标准值Table 4Standards of live load of floorwith differentworking life设计基准期/a办公楼均值方差标准值住宅均值方差标准值商店均值方差标准值50.6090.3021.560.8360.3001.552.0720.5542.73250.9150.3021.871.1520.3001.872.6090.5543.27501.0470.3022.001.2880.3002.002.8410.5543.
21、501001.1790.3022.131.4240.3002.143.0720.5543.73保证率99.0%97.4%88.5%7213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3.2灾害性环境荷载标准环境荷载一般以环境要素为基础确定,在此主要讨论灾害性环境荷载。环境要素是能反映环境特点的量,如风速、浪高、冰厚、地震烈度等。环境要素一般以年最大值随机变量进行统计分析,从而得到环境要素的年最大值概率分布。设环境要素年最大值随机变量为x,其概率密度和分布函数分别为p(x)和p(x)。则T年一遇的环境要素xT的年超越概率为F(x xT)=1-p(x xT)=1T(14)结构设
22、计使用为n年,环境要素n年内的最大值按独立性假定。则T年一遇的环境要素x1在设计使用n年内的超越概率为Fn(x xT)=1-P(x xT)n=1-(1-1T)n(15)将(1-1T)=e-1/T代入式(15),则有Fn(x xT)=1-e-nT(16)荷载和雪荷载根据各气象台站的资料统计计算确定的。原规范统计资料为从台站建立到1981年,荷载标准值的重现期规定为30a一遇。新规范统计资料为从台站建立到1995年,并将荷载基本值的重现期T规定为50a一遇4。由于新规范规定设计使用年限n为50a,因此,超越概率为63.2%。从概率意义上讲,小震应是发生频率最大的地震,即烈度概率密度分布曲线上的峰值
23、所对应的烈度(众值烈度)。根据规范可知,设计基准年限为50a地震概率密度函数的峰值为众值烈度,即50a超越概率为63.2%7。应用式(16)可得,地震规范规定的设计使用年限为50a。应用等超概率原则,可计算出设计使用期为5a,25a,100a对应的荷载基准期和荷载重现期分别为5a,25a,100a。风、雪荷载对不同荷载重现期RN,应用下式可计算出相应活荷载标准值xRN=x10+(x100-x10)(lnRN/ln10-1)(17)式中x10和x100为重现期为10a和100a活荷载标准值。我国抗震设计准则是“三水准设防,两阶段设计”,需要通过一定的转化确定相应的“小震”和“大震”对应的地震作用
24、。具体步骤如下:(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所示表5 重现期Tj年对应的50年内超越概率Table 5Exceedance probabilities in 50 years corresponding to return periodTjTj/a525405075100475F(Ii|50)0.9990.8650.7140.6320.4870.3940.10(2)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6表6 重现期Tj年与设防烈度差值Table 6Return period
25、Tjand difference of fortification intensitiesTj/a525405075100475mI/度3.732.131.731.551.231.020(3)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A=10(Ilog2-0.1072)(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。同理,可计算出罕遇地震不同设计使用期的比值,计算结果见表8。821自 然 灾 害 学 报 14卷表7 不同重现期为Tj年在50年内多遇地震作用的比值Table 7Ratio of seismic action between
26、50 years andTjreturn periods for frequently happening earthquakeTj/a5254050751004750.2210.6670.88211.111.442.93表8 不同重现期为Tj年在50年内罕遇地震作用的比值Table 8Ratio of seis mic action between 50 years andTjreturn periods for seldom happening earthquakeTj/a5254050751004750.4050.7850.92711.141.251.91应用上述方法,可计算不同设计使用
27、年限、不同设计基准期对应的冰、浪等活荷载标准值。4小结建筑结构具有较高的安全性、耐久性和可靠性是发达国家的共同特征。随着我国经济多元化的发展,必然要求建筑结构提出不同的“可靠度要求”,具体表现为业主要求多样化。如要求设计使用年限为100a的住宅建筑,甚至更长时间。为满足业主多样化的要求,本研究深入分析了结构可靠度的时间特征,发展了等超概率原则,给出了不同使用年限的建筑结构活荷载标准与灾害荷载设防水平。主要研究成果如下:(1)建筑结构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,结构的使用年限是结构可靠度的时间特征。基于结构可靠度理论的设计规范与时间有关的参数,应根据结构使用年限确定
28、。(2)提出对不同设计基准期、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,即等超概率原则。应用该原则,结合国标(GB50068-2001),给出了楼面活荷载、风、雪和地震作用不同使用年限、不同设计基准期对应的活荷载标准值。参考文献:1 郭永基.可靠性工作原理M.北京:清华大学出版社,2000.2 欧进萍,侯钢领.建筑结构设计可靠度的影响因素与比较研究J.建筑科学,1999,15(5):51-55.3GB50068-2001,建筑结构可靠度设计统一标准 S.4GB50009-2001,建筑结构荷载规范 S.5 刘学东.海洋平台结构服役安全度评估与维修决策D.哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1996.6ISO2394:1998.结构可靠性总原则 S.7 龚思礼.建筑抗震设计手册M.北京:中国建筑工业出版社,2002.9213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