5.2 結構上的作用

5.2.1  結構上的大部分作用，例如建筑結構的樓面活荷載和風(fēng)荷載，它們各自出現與否以及出現時(shí)量值的大小，在時(shí)間和空間上都是互相獨立的，這種作用在計算其結構效應和進(jìn)行組合時(shí)，均可按單個(gè)作用考慮。某些作用在結構上的出現密切相關(guān)且有可能同時(shí)以最大值出現，例如橋梁上諸多單獨的車(chē)輛荷載，可以將它們以車(chē)隊形式作為單個(gè)荷載來(lái)考慮。此外，冬季的雪荷載和結構上的季節溫度差，它們的最大值有可能同時(shí)出現，就不能各自按單個(gè)作用考慮它們的組合。

5.2.2  對有可能同時(shí)出現的各種作用，應該考慮它們在時(shí)間和空間上的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)作用組合（荷載組合）來(lái)處理對結構效應的影響；對于不可能同時(shí)出現的作用，就不應考慮其同時(shí)出現的組合。

5.2.3  作用按隨時(shí)間的變化分類(lèi)是作用最主要的分類(lèi)，它直接關(guān)系到作用變量概率模型的選擇。

永久作用的統計參數與時(shí)間基本無(wú)關(guān)，故可采用隨機變量概率模型來(lái)描述；永久作用的隨機性通常表現在隨空間變異上?？勺冏饔玫慕y計參數與時(shí)間有關(guān)，故宜采用隨機過(guò)程概率模型來(lái)描述；在實(shí)用上經(jīng)?？蓪㈦S機過(guò)程概率模型轉化為隨機變量概率模型來(lái)處理。

作用按不同性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，是出于結構設計規范化的需要，例如，車(chē)輛荷載，按隨時(shí)間變化的分類(lèi)屬于可變荷載，應考慮它對結構可靠性的影響；按隨空間變化的分類(lèi)屬于自由作用，應考慮它在結構上的最不利位置；按結構反應特點(diǎn)的分類(lèi)屬于動(dòng)態(tài)荷載，還應考慮結構的動(dòng)力響應。

在選擇作用的概率模型時(shí)，很多典型的概率分布類(lèi)型的取值往往是無(wú)界的，而實(shí)際上很多隨機作用的量值由于客觀(guān)條件的限制而具有不能被超越的界限值，例如水壩的最高水位，具有敞開(kāi)泄壓口的內爆炸荷載等。選用這類(lèi)有界作用的概率分布類(lèi)型時(shí)，應考慮它們的特點(diǎn)，例如可采用截尾的分布類(lèi)型。

作用的其他分類(lèi)，例如，當進(jìn)行結構疲勞驗算時(shí)，可按作用隨時(shí)間變化的低周性和高周性分類(lèi)；當考慮結構徐變效應時(shí)，可按作用在結構上持續期的長(cháng)短分類(lèi)。

5.2.4～5.2.7  作為基本變量的作用，應盡可能根據它隨時(shí)間變化的規律，采用隨機過(guò)程的概率模型來(lái)描述，但由于對作用觀(guān)測數據的局限性，對于不同問(wèn)題還可給以合理的簡(jiǎn)化。譬如，在設計基準期內結構上的最不利作用（最大作用或最小作用），原則上也應按隨機過(guò)程的概率模型，但通過(guò)簡(jiǎn)化，也可采用隨機變量的概率模型來(lái)描述。

   在一個(gè)確定的設計基準期T內，對荷載隨機過(guò)程作一次連續觀(guān)測（例如對某地的風(fēng)壓連續觀(guān)測30-50年），所獲得的依賴(lài)于觀(guān)測時(shí)間的數據就稱(chēng)為隨機過(guò)程的一個(gè)樣本函數。每個(gè)隨機過(guò)程都是由大量的樣本函數構成的。

    荷載隨機過(guò)程的樣本函數是十分復雜的，它隨荷載的種類(lèi)不同而異。目前對各類(lèi)荷載隨機過(guò)程的樣本函數及其性質(zhì)了解甚少。對于常見(jiàn)的活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，采用了平穩二項隨機過(guò)程概率模型，即將它們的樣本函數統一模型化為等時(shí)段矩形波函數，矩形波幅值的變化規律采用荷載隨機過(guò)程中任意時(shí)點(diǎn)荷載的概率分布函數來(lái)描述。

    對于永久荷載，其值在設計基準期內基本不變，從而隨機過(guò)程就轉化為與時(shí)間無(wú)關(guān)的隨機變量，所以樣本函數的圖象是平行于時(shí)間軸的一條直線(xiàn)。此時(shí)，荷載一次出現的持續時(shí)間，在設計基準期內的時(shí)段數=1，而且在每一時(shí)段內出現的概率=1。

    對于可變荷載（活荷載及風(fēng)、雪荷載等），其樣本函數的共同特點(diǎn)是荷載一次出現的持續時(shí)間，在設計基準期內的時(shí)段數r>1，且在內至少出現一次，所以平均出現次數1。不同的可變荷載，其統計參數、以及任意時(shí)點(diǎn)荷載的概率分布函數都是不同的。

    對于活荷載及風(fēng)、雪荷載隨機過(guò)程的樣本函數采用這種統一的模型，為推導設計基準期最大荷載的概率分布函數和計算組合的最大荷載效應（綜合荷載效應）等帶來(lái)很多方便。

    當采用一次二階矩極限狀態(tài)設計法時(shí)，必須將荷載隨機過(guò)程轉化為設計基準期最大荷載

因已規定，故是一個(gè)與時(shí)間參數無(wú)關(guān)的隨機變量。

各種荷載的概率模型必須通過(guò)調查實(shí)測，根據所獲得的資料和數據進(jìn)行統計分析后確定，使之盡可能反映荷載的實(shí)際情況，并不要求一律選用平穩二項隨機過(guò)程這種特定的概率模型。

任意時(shí)點(diǎn)荷載的概率分布函數是結構可靠度分析的基礎。它應根據實(shí)測數據，運用檢驗或檢驗等方法，選擇典型的概率分布如正態(tài)、對數正態(tài)、伽馬、極值I型、極值Ⅱ型、極值Ⅲ型等來(lái)擬合，檢驗的顯著(zhù)性水平可取0.05。顯著(zhù)性水平是指所假設的概率分布類(lèi)型為真而經(jīng)檢驗被拒絕的最大概率。

荷載的統計參數，如平均值、標準差、變異系數等，應根據實(shí)測數據，按數理統計學(xué)的參數估計方法確定。當統計資料不足而一時(shí)又難以獲得時(shí)，可根據工程經(jīng)驗經(jīng)適當的判斷確定。

雖然任何作用都具有不同性質(zhì)的變異性，但在工程設計中，不可能直接引用反映其變異性的各種統計參數并通過(guò)復雜的概率運算進(jìn)行設計。因此，在設計時(shí)，除了采用能便于設計者使用的設計表達式外，對作用仍應賦予一個(gè)規定的量值，稱(chēng)為作用的代表值。根據設計的不同要求，可規定不同的代表值，以使能更確切地反映它在設計中的特點(diǎn)。在本標準中參考國際標準對可變作用采用四種代表值：標準值、組合值、頻遇值和準永久值，其中標準值是作用的基本代表值，而其他代表值都可在標準值的基礎上乘以相應的系數后來(lái)表示。

作用標準值是指其在結構在設計基準期內可能出現的最大作用值。由于作用本身的隨機性，因而設計基準期內的最大作用也是隨機變量，尤其是可變作用，原則上都可用它們的統計分布來(lái)描述。作用標準值統一由設計基準期最大作用概率分布的某個(gè)分位值來(lái)確定，設計基準期應該統一規定，譬如為50年或100年，此外還應對該分位值的百分位作明確規定，這樣標準值就可取分布的統計特征值（均值、眾值、中值或較高的分位值，譬如90%或95%的分位值），因此在國際上也稱(chēng)標準值為特征值。

對可變作用的標準值，有時(shí)可以通過(guò)平均重現期的規定來(lái)定義，見(jiàn)附錄Ｂ.2.1第3款。

當在實(shí)際工程中，由于無(wú)法對所考慮的作用取得充分的數據，不得不從實(shí)際出發(fā)，根據已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗，通過(guò)分析判斷后，協(xié)議一個(gè)公稱(chēng)值或名義值作為作用的代表值。

當有兩種或兩種以上的可變作用在結構上要求同時(shí)考慮時(shí)，由于所有可變作用同時(shí)達到其單獨出現時(shí)可能達到的最大值的概率極小，因此在結構按承載能力極限狀態(tài)設計時(shí)，除主導作用應采用標準值為代表值外，其他伴隨作用均應采用主導作用出現時(shí)段內的最大量值，也即以小于其標準值的組合值為代表值（見(jiàn)附錄Ｂ.2.4）。

當結構按正常使用極限狀態(tài)的要求進(jìn)行設計時(shí)，例如要求控制結構的變形、局部損壞以及振動(dòng)時(shí)，理應從不同的要求出發(fā)，來(lái)選擇不同的作用代表值；目前規范提供的除標準值和組合值外，還有頻遇值和準永久值。頻遇值是代表某個(gè)約定條件下不被超越的作用水平，例如在設計基準期內被超越的總時(shí)間規定為某個(gè)較小的比率，或被超越的頻率限制在規定的頻率內的作用水平。準永久值是代表作用在設計基準期內經(jīng)常出現的水平，也即其持久性部分，當對持久性部分無(wú)法定性時(shí)，也可按頻遇值定義，在設計基準期內被超越的總時(shí)間規定為某個(gè)較大的比率來(lái)確定（詳見(jiàn)附錄Ｂ.2.2和Ｂ.2.3）。

5.2.8 偶然作用是指在設計使用年限內不一定出現，而一旦出現其量值很大，且持續期在多數情況下很短的作用，例如爆炸、撞擊、龍卷風(fēng)、偶然出現的雪荷載、風(fēng)荷載等。因此，偶然作用的出現是一種意外事件，它們的代表值應根據具體的工程情況和偶然作用可能出現的最大值，并且考慮經(jīng)濟上的因素，綜合地加以確定，也可通過(guò)有關(guān)的標準規定。

對這類(lèi)作用，由于歷史資料的局限性，一般都是根據工程經(jīng)驗，通過(guò)分析判斷，經(jīng)協(xié)議確定其名義值。當有可能獲取偶然作用的量值數據并可供統計分析，但是缺乏失效后果的定量和經(jīng)濟上的優(yōu)化分析時(shí)，國際標準建議可采用重現期為萬(wàn)年的標準確定其代表值。

當采用偶然作用為結構的主導作用時(shí)，設計應保證結構不會(huì )由于作用的偶然出現而導致災難性的后果。

5.2.9  地震作用的代表值按傳統都采用當地地區的基本烈度，根據大部分地區的統計資料，它相當于設計基準期為50年最大烈度90%的分位值。如果采用重現期表示，基本烈度相當于重現期為475年地震烈度。我國《建筑抗震設計規范》將抗震設防劃分三個(gè)水準，第一水準是低于基本烈度，也稱(chēng)為眾值烈度，俗稱(chēng)小震，它相當于50年最大烈度36.8%的分位值；第二水準是基本烈度；第三水準是罕遇地震烈度，它遠高于基本烈度，俗稱(chēng)大震，相當于50年最大烈度98%分位值，或重現期為2475年地震烈度。

5.2.10 為了能適應各種不同形式的結構，將結構上的作用分成兩部分因素：與結構類(lèi)型無(wú)關(guān)的基本作用和與結構類(lèi)型（包括外形和變形性能）有關(guān)的因素?；咀饔?/span>通常具有隨時(shí)間和空間的變異性，它應具有標準化的定義，例如對結構自重可定義為結構的圖紙尺寸和材料的標準重度；對雪荷載可定義標準地面上的雪重為基本雪壓；對風(fēng)荷載可定義標準地面上10m高處的標準時(shí)距的平均風(fēng)速為基本風(fēng)壓，如此等等。而作用值應在基本作用的基礎上，考慮與結構有關(guān)的其他因素，通過(guò)反映作用規律的數學(xué)函數來(lái)表述，例如，對雪荷載的情況，可根據屋面的不同條件將基本雪壓換算為屋面上的雪荷載；對風(fēng)荷載的情況，可根據場(chǎng)地地面粗糙度情況、結構外形及結構不同高度，將基本風(fēng)壓換算為結構上的風(fēng)荷載。

5.2.11 當作用對結構產(chǎn)生不可忽略的加速度時(shí)，也即與加速度對應的結構效應占有相當比重時(shí)，結構應采用動(dòng)力模型來(lái)描述。此時(shí)，動(dòng)態(tài)作用必須按某種方式描述其隨時(shí)間的變異性（隨機性），作用可根據分析的方便與否而采用時(shí)域或頻域的描述方式，作用歷程中的不定性可通過(guò)選定隨機參數的非隨機函數來(lái)描述，也可進(jìn)一步采用隨機過(guò)程來(lái)描述，各種隨機過(guò)程經(jīng)常被假定為分段平穩的。

在有些情況下，動(dòng)態(tài)作用與材料性能和結構剛度、質(zhì)量及各類(lèi)阻尼有關(guān)，此時(shí)對作用的描述首先是在偏于安全的前提下規定某些參數，例如結構質(zhì)量、初速度等。通常還可以進(jìn)一步將這些參數轉化為等效的靜態(tài)作用。

如果認為所選用的參數還不能保證其結果偏于安全，就有必要對有關(guān)作用模型按不同的假設進(jìn)行計算，從中選出認為可靠的結果。

5.3 環(huán)境影響

5.3.1～5.3.2 環(huán)境影響可以具有機械的、物理的、化學(xué)的或生物的性質(zhì)，并且有可能使結構的材料性能隨時(shí)間發(fā)生不同程度的退化，向不利方向發(fā)展，從而影響結構的安全性和適用性。

環(huán)境影響在很多方面與作用相似，而且可以和作用相同地進(jìn)行分類(lèi)，特別是關(guān)于它們在時(shí)間上的變異性，因此，環(huán)境影響可分類(lèi)為永久、可變和偶然影響三類(lèi)。例如，對處于海洋環(huán)境中的混凝土結構，氯離子對鋼筋的腐蝕作用是永久影響，空氣濕度對木材強度的影響是可變影響等。

環(huán)境影響對結構的效應主要是針對材料性能的降低，它是與材料本身有密切關(guān)系，因此，環(huán)境影響的效應應根據材料特點(diǎn)而加以規定。在多數情況下是涉及到化學(xué)的和生物的損害，其中環(huán)境濕度的因素是最關(guān)鍵的。

如同作用一樣，對環(huán)境影響應盡量采用定量描述；但在多數情況下，這樣做是有困難的，因此，目前對環(huán)境影響只能根據材料特點(diǎn)，按其抗侵蝕性的程度來(lái)劃分等級，設計時(shí)按等級采取相應措施。

6  材料和巖土的性能及幾何參數

6.1  材料和巖土的性能

6.1.1～6.1.2  材料性能實(shí)際上是隨時(shí)間變化的，有些材料性能，例如木材、混凝土的強度等，這種變化相當明顯，但為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，各種材料性能仍作為與時(shí)間無(wú)關(guān)的隨機變量來(lái)考慮，而性能隨時(shí)間的變化一般通過(guò)引進(jìn)換算系數來(lái)估計。

6.1.3  用材料的標準試件試驗所得的材料性能，一般說(shuō)來(lái)，不等同于結構中實(shí)際的材料性能，有時(shí)兩者可能有較大的差別。例如，材料試件的加荷速度遠超過(guò)實(shí)際結構的受荷速度，致使試件的材料強度較實(shí)際結構中偏高；試件的尺寸遠小于結構的尺寸，致使試件的材料強度受到尺寸效應的影響而與結構中不同；有些材料，如混凝土，其標準試件的成型與養護與實(shí)際結構并不完全相同，有時(shí)甚至相差很大，以致兩者的材料性能有所差別。所有這些因素一般習慣于采用換算系數或函數來(lái)考慮，從而結構中實(shí)際的材料性能與標準試件材料性能的關(guān)系可用下式表示：

    由于結構所處的狀態(tài)具有變異性，因此換算系數或函數也是隨機變量。

6.1.4  材料強度標準值一般取概率分布的低分位值，國際上一般取0.05分位值，本標準也采用這個(gè)分位值確定材料強度標準值。此時(shí)，當材料強度按正態(tài)分布時(shí)，標準值為

當按對數正態(tài)分布時(shí)，標準值近似為

式中、及分別為材料強度的平均值、標準差及變異系數。

    當材料強度增加對結構性能不利時(shí)，必要時(shí)可取高分位值。

6.1.5  巖土性能參數的標準值當有可能采用可靠性估值時(shí)，可根據區間估計理論確定，單側置信界限值由式求得，式中為學(xué)生氏函數，按置信度1－和樣本容量確定。

6.2  幾何參數

6.2.1  結構的某些幾何參數，例如梁跨和柱高，其變異性一般對結構抗力的影響很小，設計時(shí)可按確定量考慮。

7     結構分析和試驗輔助設計

7.1  一般規定

7.1.1～7.1.3   結構分析是確定結構上作用效應的方法，結構上的作用效應是指在作用影響下的結構反應，包括構件截面內力（如軸力、剪力、彎矩、扭矩）以及變形和裂縫。

在結構分析中，宜考慮環(huán)境對材料、構件和結構性能的影響，如濕度對木材強度的影響，高溫對鋼結構性能的影響等。

7.2  結構模型

7.2.1      建立結構分析模型一般都要對結構原型進(jìn)行適當簡(jiǎn)化，考慮決定性因素，忽略次要因素，并合理考慮構件及其連接，以及構件與基礎間的力—變形關(guān)系等因素。

7.2.2      一維結構分析模型適用于結構的某一維尺寸（長(cháng)度）比其他兩維大得多的情況，或結構在其他兩維方向上的變化對結構分析結果影響很小的情況，如連續梁；二維結構分析模型適用于結構的某一維尺寸比其他兩維小得多的情況，或結構在某一維方向上的變化對分析結果影響很小的情況，如平面框架；三維結構分析模型適用于結構中沒(méi)有一維尺寸顯著(zhù)大于或小于其他兩維的情況。

7.2.4      在許多情況下，結構變形會(huì )引起幾何參數名義值產(chǎn)生顯著(zhù)變異。一般稱(chēng)這種變形效應為幾何非線(xiàn)性或二階效應。如果這種變形對結構性能有重要影響，原則上應與結構的幾何不完整性一樣在設計中加以考慮。

7.2.5      結構分析模型描述各有關(guān)變量之間物理上、或經(jīng)驗上的關(guān)系。這些變量一般是隨機變量。計算模型一般可表達為：

式中   —— 模型預測值；

 —— 模型函數；

（=1，2，…，n） —— 基本變量。

如果模型函數是完整、準確的，變量（=1，2，…，n）值在特定的試驗中經(jīng)量測已知，則結果可以預測無(wú)誤；但多數情況下模型并不完整，這可能因為缺乏有關(guān)知識，或者為設計方便而過(guò)多簡(jiǎn)化造成的。模型預測值的試驗結果可以寫(xiě)成如下：

式中（=1，2，…，n）為有關(guān)參數，它包含著(zhù)模型不定性，且按隨機變量處理。在多數情況下其統計特性可通過(guò)試驗或觀(guān)測得到。

7.3  作用模型

7.3.1      一個(gè)完善的作用模型應能描述作用的特性，如作用的大小、位置、方向、持續時(shí)間等。在有些情況下，還應考慮不同特性之間的相關(guān)性，以及作用與結構反應之間的相互作用。

在多數情況中，結構動(dòng)態(tài)反應是由作用的大小、位置或方向的急劇變化所引起的。結構構件的剛度或抗力的突然改變，亦可能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效應。當動(dòng)態(tài)性能起控制作用時(shí)，需要比較詳細的過(guò)程描述。動(dòng)態(tài)作用的描述可以時(shí)間為主或以頻率為主給出，依方便而定。為描述作用在時(shí)間變化歷程中的各種不定性，可將作用描述為一個(gè)具有選定隨機參數的時(shí)間非隨機函數，或作為一個(gè)分段平穩的隨機過(guò)程。

7.4  分析方法

7.4.1～7.4.2   當結構的材料性能處于彈性狀態(tài)時(shí)，一般可假定力與變形(或變形率)之間的相互關(guān)系是線(xiàn)性的，可采用彈性理論進(jìn)行結構分析，這種情況下，分析比較簡(jiǎn)單，效率也較高；而當結構的材料性能處于彈塑性狀態(tài)或完全塑性狀態(tài)時(shí)，力與變形(或變形率)之間的相互關(guān)系比較復雜，一般情況下都是非線(xiàn)性的，這時(shí)宜采用彈塑性理論或塑性理論進(jìn)行結構分析。

7.4.3     結構動(dòng)力分析主要涉及到結構的剛度、慣性力和阻尼。動(dòng)力分析剛度與靜力分析所采用的原則一致。盡管重復作用可能產(chǎn)生剛度的退化，但由于動(dòng)力影響，亦可能引起剛度增大。慣性力是由結構質(zhì)量、非結構質(zhì)量和周?chē)?/span>體、空氣和土壤等附加質(zhì)量的加速度引起的。阻尼可由許多不同因素產(chǎn)生，其中主要因素有：

（a）     材料阻尼，例如源于材料的彈性特性或塑性特性；

（b）    連接中的摩擦阻尼；

（c）     非結構構件引起的阻尼；

（d）    幾何阻尼；

（e）     土壤材料阻尼；

（f）     空氣動(dòng)力和流體動(dòng)力阻尼。

在一些特殊情況下，某些阻尼項可能是負值，導致從環(huán)境到結構的能量流動(dòng)。例如疾馳、顫動(dòng)和在某些程度上的游渦所引起的反應。對于強烈地震時(shí)的動(dòng)力反應，一般需要考慮循環(huán)能量衰減和滯回能量消失。

7.5  試驗輔助設計

7.5.1～7.5.2   試驗輔助設計(簡(jiǎn)稱(chēng)試驗設計)是確定結構和結構構件抗力、材料性能、巖土性能、以及結構作用和作用效應設計值的方法。該方法以試驗數據的統計評估為依據，與概率設計和分項系數設計概念相一致。在下列情況下可采用試驗輔助設計：

1  規范沒(méi)有規定或超出規范適用范圍的情況；

2  計算參數不能確切反映工程實(shí)際的特定情況；

3  現有設計方法可能導致不安全或設計結果過(guò)于保守的情況；

4  新型結構（或構件）、新材料的應用或新設計公式的建立；

5  規范規定的特定情況。

對于新技術(shù)、新材料等，在工程應用中特別慎重，可能還有其他政策和規范要求，也應遵守。

8  分項系數設計方法

8.1  一般規定

8.1.1  盡管概率極限狀態(tài)設計方法全部更新了結構可靠性的概念與分析方法，但提供給設計人員實(shí)際使用的仍然是分項系數設計表達方式，它與設計人員長(cháng)期使用的表達形式相同，從而易于掌握。

概率極限狀態(tài)設計方法必須以統計數據為基礎，考慮到對各類(lèi)建筑結構所具有的統計數據在質(zhì)與量二個(gè)方面都很有很大差異，在某些領(lǐng)域根本沒(méi)有統計數據，因而規定當缺乏統計數據時(shí)，可以不通過(guò)可靠指標，直接按工程經(jīng)驗確定分項系數。

8.1.2        規定了各種基本變量設計值的確定方法。

1        作用的設計值一般可表示為作用的代表值與作用的分項系數的乘積。對可變作用，其代表值包括標準值、組合值、頻遇值和準永久值。組合值、頻遇值和準永久值可通過(guò)對可變作用標準值的折減來(lái)表示，即分別對可變作用的標準值乘以不大于1的組合值系數、頻遇值系數和準永久值系數。

建筑結構按不同極限狀態(tài)設計時(shí)，在相應的作用組合中對可能同時(shí)出現的各種作用，應采用不同的作用設計值，見(jiàn)下表：