現(xiàn)在化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性影響對(duì)比和措施

1、現(xiàn)在化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性影響對(duì)比和措施【摘要】文章主要闡述了現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的種種 問(wèn)題及問(wèn)題措施，分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性影響的主要條 件，在在構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)和可變荷載水平兩個(gè)方面，初 步比較了我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度水平與美國(guó)等國(guó)水平的 差異；在對(duì)比中調(diào)整我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性及最佳的途 徑。【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)可靠度；對(duì)比前言隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可 靠度理論和安全與經(jīng)濟(jì)平衡的可靠度水平面臨著新的發(fā)展。 本文將分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的影響因素，與發(fā)達(dá)國(guó)家比較了 我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的水平，為可靠度設(shè)計(jì)規(guī)范修訂和調(diào) 整作一些初步探索。1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度基礎(chǔ)建筑結(jié)

2、構(gòu)必須滿(mǎn)足正常施工、正常使用和正常維護(hù)下的 安全性、適用性和耐久性等各項(xiàng)功能要求。這些功能要求就 是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通常用極限狀態(tài)來(lái)表示。極限狀態(tài)是 結(jié)構(gòu)功能是否滿(mǎn)足要求的'分界線(xiàn)”。構(gòu)件的極限狀態(tài)可以 用荷載與抗力的臨界平衡來(lái)描述；結(jié)構(gòu)整體的極限狀態(tài)通 常用構(gòu)件極限狀態(tài)的組合或結(jié)構(gòu)失效模式的臨界狀態(tài)來(lái)描 述。結(jié)構(gòu)的可靠度分析與設(shè)計(jì)理論，主要是基于人們對(duì)結(jié) 構(gòu)的荷載(或作用)和構(gòu)件的抗力(或影響抗力的因素) 的隨機(jī)性認(rèn)識(shí)而產(chǎn)生和發(fā)展的。可靠度理論更加真實(shí)、客觀 地反映了結(jié)構(gòu)的功能特性，因而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)扎根于堅(jiān)實(shí)的 理論基礎(chǔ)，更加科學(xué)，更加符合客觀實(shí)際。1.1結(jié)構(gòu)的構(gòu)件可靠度設(shè)計(jì)基于荷載和

3、抗力隨機(jī)性的統(tǒng)計(jì)分析和模型化，構(gòu)件的 功能函數(shù)通常是隨機(jī)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(jī)變量。功能函數(shù)可以方便地刻畫(huà)構(gòu)件的安全準(zhǔn)則、極限狀態(tài)和 失效準(zhǔn)則，它們分別相應(yīng)于z> 0、z= 0和z 0和z< 0滿(mǎn) 足的概率就是構(gòu)件相應(yīng)于函數(shù)z描述的功能的可靠度和失效 概率，如構(gòu)件的可靠度可以表示為結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計(jì)就是要在規(guī)定的條件下，合理地確 定結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件材料和尺寸，使所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度 滿(mǎn)足期望的可靠度水平(或稱(chēng)目標(biāo)可靠度)，即(i=l, 2,，m)當(dāng)功能函數(shù)z是線(xiàn)性的且各隨機(jī)變量xi( i= 1, 2, m)是正態(tài)隨機(jī)

4、變量時(shí)，相應(yīng)于功能函數(shù)z的構(gòu)件可靠度 與如下可靠指標(biāo)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。表示為對(duì)于非線(xiàn)性功能 函數(shù)、非正態(tài)隨機(jī)變量的情況，總可以通過(guò)驗(yàn)算點(diǎn)法(或 稱(chēng)jc法)將其與對(duì)應(yīng)起來(lái)。于是，結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計(jì)轉(zhuǎn) 化為用可靠指標(biāo)表示的如下設(shè)計(jì)表達(dá)式：(i=l, 2,，m)式中和 分別是構(gòu)件的實(shí)際可靠指標(biāo)和目標(biāo)可靠指標(biāo)。目前各國(guó)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范都是基于上述構(gòu)件可靠度 設(shè)計(jì)理論編制的。1.2結(jié)構(gòu)的體系可靠度設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足構(gòu)件的可靠度要求，更應(yīng)該滿(mǎn)足 結(jié)構(gòu)整體(或稱(chēng)體系)的可靠度要求，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展 的必然趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)體系的可靠度分析是以結(jié)構(gòu)的失效模式為基礎(chǔ)的， 結(jié)構(gòu)的失效模式由若干構(gòu)件的失效組成，即式中=z

5、j < 0,是第j個(gè)構(gòu)件的失效事件。因此，形成結(jié)構(gòu)失效模式的失效構(gòu)件形成一個(gè)并聯(lián)子 系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)體系的失效概率可以表示為同時(shí)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)構(gòu)件和 整體可靠度要求的設(shè)計(jì)表達(dá)式可表示為(i=l, 2,m)式中=1-，是結(jié)構(gòu)的體系可靠度；是相應(yīng)的目標(biāo) 可靠度。結(jié)構(gòu)的體系可靠度分析面臨兩個(gè)大的困難：其一是結(jié) 構(gòu)的失效模式多，搜索困難；其二是各失效模式相關(guān)，給 可靠度計(jì)算帶來(lái)困難。目前，結(jié)構(gòu)體系可靠度分析還沒(méi)有 普遍認(rèn)可的、簡(jiǎn)便實(shí)用的方法。因此，結(jié)構(gòu)體系可靠度還 沒(méi)有象構(gòu)件可靠度那樣全面有效地進(jìn)入設(shè)計(jì)規(guī)范，但是，北 美的一些規(guī)范規(guī)定了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要進(jìn)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(duì)結(jié)構(gòu)體 系可靠度的要求。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的影響因素對(duì)于只有兩個(gè)基本變量一荷載效應(yīng)s和抗力r的構(gòu)件 功能函數(shù)：z= r- s (9)其中r和s是互不相關(guān)的正態(tài)隨 機(jī)變量，則構(gòu)件的可靠指標(biāo)為(10)式中和是相應(yīng)下標(biāo) 量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。隨機(jī)變量r和s的概率密度函數(shù)及其關(guān) 系如圖1所示。2. 1目標(biāo)可靠指標(biāo)在給定的抗力r和荷載效應(yīng)s (由于r和s是隨機(jī)變 量，實(shí)際是給定r和s的概率密度或可均值與標(biāo)準(zhǔn)差)下, 參考圖1,直觀地說(shuō)，目標(biāo)可靠指標(biāo)實(shí)際上是規(guī)定抗力 和荷載效應(yīng)的概率密度和搭接的面積。是結(jié)構(gòu)安全水平 的綜合指標(biāo)，是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度水平最直接的指標(biāo)。我 國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(gbj68

7、- 84)和其它大多數(shù) 國(guó)家的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)可靠指標(biāo)都是在給定抗力和 荷載的概率分布條件下校準(zhǔn)原規(guī)范安全系數(shù)來(lái)確定的。圖1荷載和抗力概率密度及其關(guān)系2.2可變荷載水平與分布參數(shù)在相同的目標(biāo)可靠指標(biāo)下，荷載設(shè)定的大小不同，結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)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(dǎo)地位。可變荷載大致可以分為兩類(lèi)：其一是樓 面活荷載；其二是自然環(huán)境荷載，包括諸如風(fēng)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載均值的大??；自然環(huán)境 荷載的水平，主要與基準(zhǔn)期長(zhǎng)短有關(guān)。可變荷載概率分布參數(shù)確定的準(zhǔn)確程度，也將影響結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度。例如，假定在

8、圖1中的實(shí)線(xiàn)是相應(yīng)于目 標(biāo)可靠指標(biāo)口的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)，虛線(xiàn)是實(shí)際的荷載效應(yīng)， 顯然，我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并不真正具備設(shè)定的目標(biāo)可靠指標(biāo) 。2. 3抗力衰減由于環(huán)境荷載疲勞效應(yīng)導(dǎo)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(gòu)件的抗力將隨時(shí)間衰減，具 體表現(xiàn)在抗力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差是時(shí)間的函數(shù)，即 如果 能準(zhǔn)確把握抗力分布參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 應(yīng)采用期望結(jié)構(gòu)使用年限的構(gòu)件剩余抗力的分布參數(shù)和。 目前，這一工作國(guó)內(nèi)外都在研究中，從發(fā)展的趨勢(shì)看，構(gòu) 件的抗力衰減將會(huì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或規(guī)范中予以考慮。3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度水平的初步比較為了與設(shè)計(jì)人員熟悉的多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)銜接和方 便設(shè)計(jì)人員應(yīng)用，結(jié)構(gòu)

9、的構(gòu)件可靠度設(shè)計(jì)通常表示為荷載 和抗力分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)，如我國(guó)采用的表達(dá)式為3. 1目標(biāo)可靠指標(biāo)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的結(jié)構(gòu)可靠性總原則（is02394： 1998）,對(duì)于不同重要性的結(jié)構(gòu)，承載能力極限狀態(tài)的構(gòu) 件目標(biāo)可靠指標(biāo)分別為3.1,3.8,4.3o我國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（gbj68- 84）規(guī)定，延性和脆性破壞的構(gòu)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(guó)最低值稍偏低一些。中國(guó)、美國(guó)和墨西哥三國(guó)鋼筋混凝土構(gòu)件的目標(biāo)可靠度 的指標(biāo)分析。表明我國(guó)鋼筋混凝土構(gòu)件的目標(biāo)可靠度與美國(guó) 接近，比墨西哥低。中國(guó)與美國(guó)基本鋼結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)列于表1中。表 中結(jié)果表明

10、，在恒載+活載組合下，我國(guó)鋼構(gòu)件目標(biāo)可靠 指標(biāo)與美國(guó)接近，但節(jié)點(diǎn)指標(biāo)遠(yuǎn)低于美國(guó)；在含地震的組 合下，美國(guó)的地震水平相當(dāng)于我國(guó)的眾值烈度，但可靠度 遠(yuǎn)高于我國(guó)。表1基本鋼構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)的比較荷載演算組合中國(guó)（偏壓構(gòu)件）美國(guó)恒載+活載（或雪載）3. 04 3. 00 （構(gòu)件）4. 50 （節(jié)點(diǎn)）恒載+活載+風(fēng)載2. 83 （不含活載效應(yīng)）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(guó)和美國(guó)的樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（基準(zhǔn)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(jī)變量，荷 載水平關(guān)鍵是均值的大小。結(jié)果表明，美國(guó)樓面活荷載采 用的標(biāo)準(zhǔn)值比我國(guó)大，而且平均值約比我國(guó)大一倍。結(jié)果 表明：兩國(guó)的自然環(huán)境荷載水平大體相當(dāng)，主要是基準(zhǔn)期 一樣的原因。此外，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值中國(guó)為30年一遇、美國(guó) 用50年一遇，但風(fēng)荷載均值與