作用的設計值

8.2  承載能力極限狀態(tài)

8.2.1  本條列出了四種承載能力極限狀態(tài)，應根據四種狀態(tài)性質(zhì)的不同，采用不同的設計表達方式及與之相應的分項系數數值。

    結構或結構構件的破環(huán)，也包括基礎等。

對于疲勞破壞，有些材料(如鋼筋)的疲勞強度宜采用應力變程（應力幅）而不采用強度絕對值來(lái)表達。

8.2.2   式(8.2.2-1)中，包括荷載系數， 包括材料系數(或抗力系數)，這二類(lèi)系數在一定范圍內是可以互換的。

以建筑結構中安全等級為二級、設計使用年限為50年的鋼筋混凝土軸心受拉構件為例：

設永久作用標準值的效應=10，可變作用標準值的效應=20， 鋼筋強度標準植，求所需鋼筋面積。

方案1 ： 取=1.3，=1.5，=1.1，則由式（8.2.4-2），作用組合的效應設計值1.3×10+1.5×20=43()，取=43，則=43×1.1/(400×0.001)=118.3。

方案2 ： 取＝1.192（＝1.3×1.1/1.2），＝1.375（＝1.5×1.1/1.2）， =1.2 (=1.1/(1.1/1.2)) ，則由式（8.2.4-2），作用組合的效應設計值1.192×10+1.375×20=39.42()，取=39.42，則=39.42×1.2/(400×0.001)=118.3。

方案1和方案2是完全等價(jià)的，用相同的鋼筋截面積承受相同的拉力設計值，安全度是完全相同的。

方案1的荷載系數及材料系數與國際及國內比較靠近，而方案2則有明顯差異，方案2不可取。

8.2.4  對基本組合，原標準只給出了用函數形式的表達式，設計人員無(wú)法用作設計?！督ㄖY構可靠度設計統一標準》給出了用顯式的表達式，設計人員可用作設計，但僅限于作用與作用效應按線(xiàn)性關(guān)系考慮的情況，非線(xiàn)性關(guān)系時(shí)不適用。

本標準首次提出對各類(lèi)工程結構、對線(xiàn)性與非線(xiàn)性二種關(guān)系全部適用的，設計人員可直接采用的表達式。

本標準對結構的重要性系數用表示，這與原標準相同。

當結構的設計使用年限與設計基準期不同時(shí)，應對可變作用的標準值進(jìn)行調整，這是因為結構上的各種可變作用均是根據設計基準期確定其標準值的。以房屋建筑為例，結構的設計基準期為50年，即房屋建筑結構上的各種可變作用的標準值取其50年一遇的最大值分布上的“某一分位值”，對設計使用年限為100年的結構，要保證結構在100年時(shí)具有設計要求的可靠度水平，理論上要求結構上的各種可變作用應采用100年一遇的最大值分布上的相同分位值作為可變作用的“標準值”，但這種作法對同一種可變作用會(huì )隨設計使用年限的不同而有多種“標準值”，不便于荷載規范表達和設計人員使用，為此，本標準首次提出考慮結構設計使用年限的荷載調整系數，以設計使用年限100年為例，的含義是在可變作用100年一遇的最大值分布上，與該可變作用50年一遇的最大值分布上標準值的相同分位值的比值，其他年限可類(lèi)推。在附錄A.1中對房屋建筑結構給出了的具體取值，設計人員可直接采用；對設計使用年限為50年的結構，其設計使用年限與設計基準期相同，不需調整可變作用的標準值，則取=1.0。

永久荷載不隨時(shí)間而變化，因而與無(wú)關(guān)。

當設計使用年限大于基準期時(shí)，除在荷載方面考慮外，在抗力方也需采取相應措施，如采用較高的混凝土強度等級、加大混凝土保護層厚度或對鋼筋作涂層處理等，使結構在更長(cháng)的時(shí)間內不致因材料性能劣化而降低可靠度。

式（8.2.4）中第1個(gè)可變作用即為主導可變作用。

8.2.5  偶然作用的情況復雜，種類(lèi)很多，因而對偶然組合，原標準只用文字作簡(jiǎn)單敘述，本標準根據《工程結構可靠性設計統一標準》ＧＢ?。担埃保担常玻埃埃附o出了偶然組合效應設計值的表達式，但未能統一選定(8.2.5)中用或，有關(guān)的設計規范應予以明確。

8.2.6  各類(lèi)建筑結構都會(huì )遭遇地震，很多結構是由抗震設計控制的。

國內外對地震作用的研究，今天已發(fā)展到可統計且有統計數據了?？梢越o出不同重現期的地震作用，根據地震作用不同的取值水平提出對結構相應的性能要求，這和現在無(wú)法統計或沒(méi)有統計數據的偶然作用顯然不同。將地震設計狀況單獨列出的客觀(guān)條件已經(jīng)具備，列出這一狀況有利于建筑結構抗震設計的統一協(xié)調與發(fā)展。

8.2.7　我國建筑結構抗震設計已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，并凝煉出具有我國特色的建筑抗震設計的設防目標。

8.2.9  結構重要性系數是考慮結構破壞后果的嚴重性而引入的系數，對于安全等級為一級和三級的結構構件分別取1.1和0.9?？煽慷确治霰砻?，采用這些系數后，結構構件可靠指標值較安全等級為二級的結構構件分別增減0.5左右，與表4.3.8的規定基本一致?？紤]不同投資主體對建筑結構可靠度的要求可能不同，故允許結構重要性系數分別取不應小于1.1、1.0和0.9。

8.2.10  對永久荷載系數和可變荷載系數的取值，分別根據對結構構件承載能力有利和不利兩種情況，作出了具體規定。

    在某些情況下，永久荷載效應與可變荷載效應符號相反，而前者對結構承載能力起有利作用。此時(shí)，若永久荷載分項系數仍取同號效應時(shí)相同的值，則結構構件的可靠度將嚴重不足。為了保證結構構件具有必要的可靠度，并考慮到經(jīng)濟指標不致波動(dòng)過(guò)大和應用方便，規定當永久荷載效應對結構構件的承載能力有利時(shí)，不應大于1.0。

在“以概率理論為基礎、以分項系數表達的極限狀態(tài)設計方法”中，將對結構可靠度的要求分解到各種分項系數設計取值中，作用（包括永久作用、可變作用等）分項系數取值越高，相應的結構可靠度設置水平也就越高，但從概率的觀(guān)點(diǎn)看，一個(gè)結構可靠與否是隨機事件，無(wú)論其可靠度水平有多高，都不能做到100%安全可靠，總會(huì )有一定的失效概率存在，因此不可避免地存在著(zhù)由于結構失效帶來(lái)的風(fēng)險（危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、對社會(huì )或環(huán)境產(chǎn)生不利影響等），人們只能做到把風(fēng)險控制在可接受的范圍內。一般來(lái)說(shuō)，可靠度設置水平越高風(fēng)險水平就越低，相應的一次投資的經(jīng)濟代價(jià)也越高；相反，可靠度設置水平越低風(fēng)險水平就越高，而相應的一次投資的經(jīng)濟代價(jià)則越低。在經(jīng)濟發(fā)展水平較低的時(shí)候，對結構可靠度的投入受到經(jīng)濟水平的制約，在保證“基本安全”的前提下，人們不得不承受較高的風(fēng)險；而在經(jīng)濟發(fā)展水平較高的條件下，人們更多會(huì )選擇具有較高投入的結構可靠度從而降低所承擔的風(fēng)險。本次修訂將永久作用分項系數由1.2調整為1.3、可變作用分項系數由1.4調整為1.5，同時(shí)相應調整預應力作用的分項系數，由1.2調整為1.3，為我國房屋建筑結構與國際主流規范可靠度設置水平的一致性奠定了基礎。

8.2.11  對設計使用年限為100年和5年的結構構件，通過(guò)考慮結構設計使用年限的荷載調整系數對可變荷載取值進(jìn)行調整。

8.3  正常使用極限狀態(tài)

8.3.1  對承載能力極限狀態(tài)，安全與失效之間的分界線(xiàn)是清晰的，如鋼材的屈服、混凝土的壓壞、結構的傾復、地基的滑移，都是清晰的物理現象。對正常使用極限狀態(tài)，能正常使用與不能正常使用之間的分界線(xiàn)是模糊的，難以找到清晰的物理現象，區分正常與不正常，在很大程度上依靠工程經(jīng)驗確定。

8.3.2  列出了三種組合，來(lái)源于ISO 2394和EN 1990。

正常使用極限狀態(tài)的可逆與不可逆的劃分很重要。標準組合宜用于不可逆正常使用極限狀態(tài)；頻遇組合宜用于可逆正常使用極限狀態(tài)；準永久組合宜用在當長(cháng)期效應是決定性因素時(shí)的正常使用極限狀態(tài)。

可逆與不可逆不能只按所驗算構件的情況確定，而且需要與周邊構件聯(lián)系起來(lái)考慮。以鋼梁的撓度為例，鋼梁的撓度本身當然是可逆的，但如鋼梁下有隔墻，鋼梁與隔墻之間又未作專(zhuān)門(mén)處理，鋼梁的撓度會(huì )使隔墻損壞，則仍被認為是不可逆的，應采用標準組合進(jìn)行設計驗算；如鋼梁的撓度不會(huì )損壞其他構件(結構的或非結構的)，只影響到人的舒適感，則可采用頻遇組合進(jìn)行設計驗算；如鋼梁的撓度對各種性能要求均無(wú)影響，只是個(gè)外觀(guān)問(wèn)題，則可采用準永久組合進(jìn)行設計驗算。

附錄Ａ  質(zhì)量管理

Ａ.1  質(zhì)量控制要求

Ａ.1.1  材料和構件的質(zhì)量可采用一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量特征來(lái)表達，例如，材料的試件強度和其他物理力學(xué)性能以及構件的尺寸誤差等。為了保證結構具有預期的可靠度，必須對結構設計、原材料生產(chǎn)以及結構施工提出統一配套的質(zhì)量水平要求。材料與構件的質(zhì)量水平可按各類(lèi)材料的結構設計規范規定的結構構件可靠指標近似地確定，并以有關(guān)的統計參數來(lái)表達。當荷載的統計參數已知后，材料與構件的質(zhì)量水平原則上可采用下列質(zhì)量方程來(lái)描述：

（ ， ，，）=0

式中和為材料和構件的某個(gè)質(zhì)量特征的平均值和變異系數，為規范規定的結構構件可靠指標。

    應當指出，當按上述質(zhì)量方程確定材料和構件的合格質(zhì)量水平時(shí)，需以安全等級為二級的典型結構構件的可靠指標為基礎進(jìn)行分析。材料和構件的質(zhì)量水平要求，不應隨安全等級而變化，以便于生產(chǎn)管理。

Ａ.1.2  材料的等級一般以材料強度標準值劃分。同一等級的材料采用同一標準值。無(wú)論天然材料還是人工材料，對屬于同一等級的不同產(chǎn)地和不同廠(chǎng)家的材料，其性能的質(zhì)量水平一般不宜低于各類(lèi)材料的結構設計規范規定的可靠指標β的要求。按本標準制定質(zhì)量要求時(shí)，允許各有關(guān)規范根據材料和構件的特點(diǎn)對此指標稍作增減。

Ａ.1.6  材料及構件的質(zhì)量控制包括兩種，其中生產(chǎn)控制屬于生產(chǎn)單位內部的質(zhì)量控制；合格控制是在生產(chǎn)單位和用戶(hù)之間進(jìn)行的質(zhì)量控制，即按統一規定的質(zhì)量驗收標準或雙方同意的其他規則進(jìn)行驗收。

    在生產(chǎn)控制階段，材料性能的實(shí)際質(zhì)量水平應控制在規定的合格質(zhì)量水平之上。當生產(chǎn)有暫時(shí)性波動(dòng)時(shí)，材料性能的實(shí)際質(zhì)量水平亦不得低于規定的極限質(zhì)量水平。

Ａ.1.7  由于交驗的材料和構件通常是大批量的，而且很多質(zhì)量特征的檢驗是破損性的，因此，合格控制一般采用抽樣檢驗方式。對于有可靠依據采用非破損檢驗方法的，必要時(shí)可采用全數檢驗方式。

    驗收標準主要包括下列內容：

    1  批量大小——每一交驗批中材料或構件的數量；

    2  抽樣方法——可為隨機的或系統的抽樣方法。系統的抽樣方法是指抽樣部位或時(shí)間是固定的；

    3  抽樣數量——每一交驗批中抽取試樣的數量；

    4  驗收函數——驗收中采用的試樣數據的某個(gè)函數，例如樣本平均值、樣本方差、樣本最小值或最大值等；

    5  驗收界限——與驗收函數相比較的界限值，用以確定交驗批合格與否。

    當前在材料和構件生產(chǎn)中，抽樣檢驗標準多數是根據經(jīng)驗來(lái)制定的。其缺點(diǎn)在于沒(méi)有從統計學(xué)觀(guān)點(diǎn)合理考慮生產(chǎn)方和用戶(hù)方的風(fēng)險率或其他經(jīng)濟因素，因而所規定的抽樣數量和驗收界限往往缺乏科學(xué)依據，標準的松嚴程度也無(wú)法相互比較。

為了克服非統計抽樣檢驗方法的缺點(diǎn)，本標準規定宜在統計理論的基礎上制定抽樣質(zhì)量驗收標準，以使達不到質(zhì)量要求的交驗批基本能判為不合格，而已達到質(zhì)量要求的交驗批基本能判為合格。

Ａ.1.8  現有質(zhì)量驗收標準型式很多，本標準系按下述原則考慮：

    對于生產(chǎn)連續性較差或各批間質(zhì)量特征的統計參數差異較大的材料和構件，很難使產(chǎn)品批的質(zhì)量基本維持在合格質(zhì)量水平之上，因此必須按控制用戶(hù)方風(fēng)險率制定驗收標準。此時(shí)，所涉及的極限質(zhì)量水平，可按各類(lèi)材料結構設計規范的有關(guān)要求和工程經(jīng)驗確定，與極限質(zhì)量水平相應的用戶(hù)風(fēng)險率，可根據有關(guān)標準的規定確定。

    對于工廠(chǎng)內成批連續生產(chǎn)的材料和構件，可采用計數或計量的調整型抽樣檢驗方案。當前可參考國際標準《計數檢驗的抽樣程序》ISO 2859（Sampling procedures for inspection by attributes）及《計量檢驗的抽樣程序》ISO 3951（Sampling procedures for inspection by variables）制定合理的驗收標準和轉換規則。規定轉換規則主要是為了限制劣質(zhì)產(chǎn)品出廠(chǎng)，促進(jìn)提高生產(chǎn)管理水平；此外，對優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品也提供了減少檢驗費用的可能性?？紤]到生產(chǎn)過(guò)程可能出現質(zhì)量波動(dòng)，以及不同生產(chǎn)單位的質(zhì)量可能有差別，允許在生產(chǎn)中對質(zhì)量驗收標準的松嚴程度進(jìn)行調整。當產(chǎn)品質(zhì)量比較穩定時(shí)，質(zhì)量驗收標準通?？砂纯刂粕a(chǎn)方的風(fēng)險率來(lái)制定。此時(shí)所涉及的合格質(zhì)量水平，可按規范規定的結構構件可靠指標來(lái)確定。確定生產(chǎn)方的風(fēng)險率時(shí)，應根據有關(guān)標準的規定并考慮批量大小、檢驗技術(shù)水平等因素確定。

Ａ.1.9  當交驗的材料或構件按質(zhì)量驗收標準檢驗判為不合格時(shí)，并不意味著(zhù)這批產(chǎn)品一定不能使用，因為實(shí)際上存在著(zhù)抽樣檢驗結果的偶然性和試件的代表性等問(wèn)題。為此，應根據有關(guān)的質(zhì)量驗收標準采取各種措施對產(chǎn)品作進(jìn)一步檢驗和判定。例如，可以重新抽取較多的試樣進(jìn)行復查；當材料或構件已進(jìn)入結構物時(shí)，可直接從結構中截取試件進(jìn)行復查，或直接在結構物上進(jìn)行荷載試驗；也允許采用可靠的非破損檢測方法并經(jīng)綜合分析后對結構作出質(zhì)量評估。對于不合格的產(chǎn)品允許降級使用，直至報廢。

Ａ.2  設計審查及施工檢查

Ａ.2.1  結構設計的可靠性水平的實(shí)現是以正常設計、正常施工和正常使用為前提的，因此必須對設計、施工進(jìn)行必要的審查和檢查，我國有關(guān)部門(mén)和規范對此有明確規定，應予遵守。

國外標準對結構的質(zhì)量管理十分重視，對設計審查和施工檢查也有明確要求，如歐洲規范《結構設計基礎》EN 1990:2002主要根據結構的可靠性等級（類(lèi)似于我國結構的安全等級）的不同設置了不同的設計監督和施工檢查水平的最低要求。規定結構的設計監督分為擴大監督和常規監督，擴大監督由非本設計單位的第三方進(jìn)行；常規監督由本單位該項目設計人之外的其他人員按照組織程序進(jìn)行或由該項目設計人員進(jìn)行自檢；同樣，結構的施工檢查也分為擴大檢查和常規檢查，擴大檢查由第三方進(jìn)行；常規檢查即按照組織程序進(jìn)行或由該項目施工人員進(jìn)行自檢。

對重要工程或復雜工程，當采用計算機軟件做結構計算時(shí)，應至少采用兩套計算模型符合工程實(shí)際的軟件，并對計算結果進(jìn)行分析對比，確認其合理、正確后方可用于工程設計。

附錄Ｂ  作用舉例及可變作用代表值的確定原則

Ｂ.1  作用舉例

在作用的舉例中，Ｂ.1.2中的地震作用和Ｂ.1.3中的撞擊既可作為可變作用，也可作為偶然作用，這完全取決于業(yè)主對結構重要性的評估，對一般結構，可以按規定的可變作用考慮。由于偶然作用是指在設計使用年限內很不可能出現的作用，因而對重要結構，除了可采用重要性系數的辦法以提高安全度外，也可以通過(guò)偶然設計狀況將作用按量值較大的偶然作用來(lái)考慮，其意圖是要求一旦出現意外作用時(shí)，結構也不至于發(fā)生災難性的后果。

對于一般結構的設計，可以采用當地的地震烈度按規范規定的可變作用來(lái)考慮，但是對于重要結構，可提高地震烈度，按偶然作用的要求來(lái)考慮；同樣，對結構的撞擊，也應該區分問(wèn)題的普遍性和特殊性，將經(jīng)常出現的撞擊和偶爾發(fā)生的撞擊加以區分，例如輪船?？看a頭時(shí)對碼頭結構的撞擊就是經(jīng)常性的，而車(chē)輛意外撞擊房屋一般是偶發(fā)的。歐洲規范還規定將雪荷載也可按偶然作用考慮，以適應重要結構一旦遭遇意外的大雪事件的設計需要。

Ｂ.2  可變作用代表值的確定原則

Ｂ.2.1 可變作用的標準值

可變作用的概率模型，為了便于分析，經(jīng)常被簡(jiǎn)化為平穩二項隨機過(guò)程的模型，這樣，關(guān)于它在設計基準期內的最大值就可采用經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的隨機變量來(lái)描述。

可變作用的標準值通常是根據它在設計基準期內最大值的統計特征值來(lái)確定，常用的特征值有平均值、中值和眾值。對大多數可變作用在設計基準期內最大值的統計分布，都可假定它為極值I型（Gumbel）分布。當作用為風(fēng)、雪等自然作用在設計基準期內最大值時(shí)，按傳統都采用分布的眾值，也即概率密度最大的值作為標準值。對其他可變作用，一般也都是根據傳統的取值，必要時(shí)也可取用較高的分位值，例如傳統的地震烈度，它是相當于設計基準期為50年最大烈度分布的90%的分位值。

通過(guò)重現期來(lái)表達可變作用的標準值水平，有時(shí)比較方便，尤其是對自然作用，公式（Ｂ.2.1-5）給出作用的標準值和重現期的關(guān)系。當重現期有足夠大時(shí)（一般在10年以上），對重現期、與分位值對應的概率和確定標準值的設計基準期還存在公式（Ｂ.2.1-6）的近似關(guān)系。

Ｂ.2.2 可變作用的頻遇值

由于可變作用的標準值表征的是作用在設計基準期內的最大值，因此在按承載能力極限狀態(tài)設計時(shí)，經(jīng)常是以其標準值為設計代表值。但是在按正常使用極限狀態(tài)設計時(shí)，作用的標準值有時(shí)很難適應正常使用的設計要求，例如在房屋建筑適用性要求中，短暫時(shí)間內超越適用性限值往往是可以被允許的，此時(shí)以作用的標準值為設計代表值，就顯得與實(shí)際要求不相符合了；在有些正常使用極限狀態(tài)設計中，涉及到的是影響構件性能的惡化（耐久性）問(wèn)題，此時(shí)在設計基準期內的超越作用某個(gè)值的次數往往是關(guān)鍵的參數。

可變作用的頻遇值就是在上述意義上通常的一種代表值，理論上可以根據不同要求按附錄提供的原理來(lái)確定，而實(shí)際上，目前在設計中還少有應用，只是在個(gè)別問(wèn)題中得到采用，而且在取值上大多也是根據經(jīng)驗。

Ｂ.2.3 可變作用的準永久值

可變作用的準永久值是表征其經(jīng)常在結構上存在的持久部分，它主要是在考察結構長(cháng)期的作用效應時(shí)所必需的作用代表值，也即相當于在以往結構設計中的所謂長(cháng)期作用的取值。

對可變作用當在結構上經(jīng)常出現的持久部分能夠明顯識別時(shí)，我們可以通過(guò)數據的匯集和統計來(lái)確定；而對于不易識別的情況，我們可以參照確定頻遇值的原則，按作用值被超越的總持續時(shí)間與設計基準期的比率取0.5的規定來(lái)確定，這也表明有設計基準期一半的時(shí)間內它被超越，而另一半時(shí)間內它不被超越，當可變作用可以認為是各態(tài)歷經(jīng)的隨機過(guò)程，準永久值就相當于作用在設計基準期內的均值。

Ｂ.2.4 可變作用的組合值

按本標準對可變作用組合值的定義，它是指在設計基準期內使組合后的作用效應值的超越概率與該作用單獨出現時(shí)的超越概率一致的作用值，或組合后使結構具有規定可靠指標的作用值。

早在國際標準ISO 2394 結構可靠度的總原則第2版（1986）附錄B中，已經(jīng)提供了確定基本變量設計值的原理及簡(jiǎn)化規則；在第3版（1998）附錄E.6中依舊保留該設計值方法的內容。

在一階可靠度方法（FORM）中，基本變量的設計值與變量統計參數和所假設的分布類(lèi)型、對有關(guān)的極限狀態(tài)和設計狀況的目標可靠指標以及按在FORM中定義的靈敏度系數有關(guān)。對變量有任意分布的的設計值可由下式給出：

在按FORM分析時(shí)，靈敏度系數具有下述性質(zhì)，即

-1≤≤1  和  ?²=1

靈敏度的計算在原則上將經(jīng)過(guò)多次迭代而帶來(lái)不便，但是根據經(jīng)驗制定一套取值的規則，即對抗力的主導變量，取=0.8，抗力的其他變量，取=0.8′0.4=0.32；對作用的主導變量，取=- 0.7，作用的其他伴隨變量，取=-0.7′0.4=-0.28。只要0.16</<6.6，由于簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差是可接受的，而且還都是偏保守的。

附錄按此原理給出作用組合值系數的近似公式，并且對多數情況采用極值I型的作用，還給出相應的計算公式。

附錄Ｃ  試驗輔助設計

Ｃ.3  單項性能指標設計值的統計評估

Ｃ.3.2標準值單側容限系數計算。

（1）單項性能指標的變異系數值可通過(guò)試驗結果按下列公式計算：

（2）標準值單側容限系數分“已知”和“未知”兩種情況，可分別按下列公式計算：

                                              （已知）

                                                   （未知）