工程结构可靠度设计统一标准.docx
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工程结构可靠度设计统一标准.docx
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工程结构可靠度设计统一标准
工程构造可靠度设计统一标准
第一章总那么
第二章极限状态设计原那么
第三章构造上的作用
第四章材料和岩土的性能及几何参数
第五章构造分析
第六章分项系数设计方法
第七章 质量控制要求
附录一构造可靠指标计算的一次二阶矩法
附录二永久作用、可变作用和偶尔作用举例
附录三永久作用标准值确实定原那么
附录四可变作用标准值确实定原那么
附录五可变作用准永久值和频遇值确实定原那么
附录六本标准用词说明
附加说明
第一章总那么
第1.0.1条为统一工程构造可靠度设计的根本原那么和方法,使设计符合技术先进、经济合理、平安适用、确保质量的要求,制定本标准。
第条本标准是制定房屋建筑、铁路、公路、港口、水利水电工程构造可靠度设计统一标准应遵守的准那么。
在各类工程构造的统一标准中尚应制定相应的详细规定。
第条本标准适用于整个构造、组成整个构造的构件以及地基根底,适用于构造的施工阶段和使用阶段。
第条工程构造必须满足以下功能要求:
一、在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用;
二、在正常使用时,具有良好的工作性能;
三、在正常维护下,具有足够的耐久性能;
四、在设计规定的偶尔事件发生时和发生后,能保持必需的整体稳定性。
第条构造在规定的时间内,在规定的条件下,对完成其预定功能应具有足够的可靠度,可靠度一般可用概率度量。
确定构造可靠度及其有关设计参数时,应结合构造使用期选定适当的设计基准期作为构造可靠度设计所根据的时间参数。
第条工程构造设计宜采用分项系数表达的以概率理论为根底的极限状态设计方法。
第条工程构造设计时,应根据构造破坏可能产生的后果〔危及人的生命,造成经济损失,产生社会影响等〕的严重性,采用表1.0.7规定的平安等级。
工程构造的平安等级表
平安等级
破坏后果
一 级
很严重
二 级
严 重
三 级
不严重
注:
对特殊构造,其平安等级可按详细情况确定。
第条工程构造中各类构造构件的平安等级宜与整个构造的平安等级一样。
对其中部分构造构件的平安等级可适当进步或降低,但不得低于三级。
第条对不同平安等级的构造构件,应规定相应的可靠度。
第条工程构造应按其破坏前有无明显变形或其它预兆区别为延性破坏和脆性破坏两种破坏类型。
对脆性破坏的构造,其规定的可靠度应比延性破坏的构造适当进步。
第条当有条件时,工程构造宜按构造体系进展可靠度设计。
构造体系可靠度设计,应根据构造破坏特点选定主要破坏形式,并通过构造选型或调正构件可靠度,进步整个构造可靠度设计的合理性。
第条为了保证工程构造具有规定的可靠度,应对构造设计所根据的主要条件进展相应的控制。
应根据构造的平安等级划分相应的控制等级。
对控制的详细要求,由有关的勘察、设计、施工及使用等标准专门规定。
第二章极限状态设计原那么
第条整个构造或构造的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求,此特定状态应为该功能的极限状态。
对于构造的各种极限状态,均应规定明确的标志及限值。
极限状态可分为以下两类:
一、承载才能极限状态。
这种极限状态对应于构造或构造构件到达最大承载才能或不适于继续承载的变形。
当构造或构造构件出现以下状态之一时,应认为超过了承载才能极限状态:
1.整个构造或构造的一部分作为刚体失去平衡〔如倾覆、滑移等〕;
2.构造构件或连接因材料强度被超过而破坏〔包括疲劳破坏〕,或因过度变形而不适于继续承载;
3.构造转变为机动体系;
4.构造或构造构件丧失稳定〔如压屈等〕。
二、正常使用极限状态。
这种极限状态对应于构造或构造构件到达正常使用或耐久性能的某项规定限值。
当构造或构造构件出现以下状态之一时,应认为超过了正常使用极限状态:
1.影响正常使用或外观的变形;
2.影响正常使用或耐久性能的部分损坏〔包括裂缝〕;
3.影响正常使用的振动;
4.影响正常使用的其它特定状态。
工程构造设计时,应根据构造在施工和使用中的环境条件和影响确定设计状况。
工程构造的设计状况可分为以下三种:
一、持久状况。
在构造使用过程中一定出现,且持续期很长的状况。
持续期一般与使用期为同一数量级;
二、短暂状况。
在构造施工和使用过程中出现概率较大,而持续期较短的状况;
三、偶尔状况。
在构造使用过程中出现概率很小,且持续期很短的状况。
对于不同的设计状况,可采用不同的构造体系、可靠度水准和根本变量的设计值等,分别进展可靠度验算。
对三种设计状况,工程构造均应按承载才能极限状态设计。
对持久状况,尚应按正常使用极限状态设计;对短暂状况,可根据需要按正常使用极限状态设计;对偶尔状况,可不按正常使用极限状态设计。
工程构造设计时,对各种设计状况,应按不同的极限状态确定相应的构造作用效应的最不利组合。
对偶尔状况,构造可采用以下原那么之一按承载才能极限状态进展设计:
一、按作用效应的偶尔组合进展设计或采取防护措施,使主要承重构造不致因出现设计规定的偶尔事件而丧失承载才能;
二、允许主要承重构造因出现设计规定的偶尔事件而部分破坏,但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的适当可靠度。
在构造可靠度分析时,应将构造上的作用、材料和岩土的性能、几何参数以及计算模型的不定性等作为根本变量。
可将作用效应、构造抗力等假设干个根本变量构成为综合变量。
根本变量或综合变量应作为随机变量。
工程构造的极限状态,应采用以下极限状态方程描绘:
式中g(·)——构造的功能函数;
——根本变量。
工程构造按极限状态设计应符合下式要求:
当仅有作用效应和构造抗力两个综合变量时,工程构造按极限状态设计应符合下式要求:
g〔S,R〕=R—S≥0〔2.0.9-2〕
式中S——构造的作用效应;
R——构造的抗力。
构造不能完成预定功能的概率应为失效概率。
构造构件的可靠度宜采用可靠指标度量。
构造构件失效概率与可靠指标的关系为:
式中Φ(·)——标准正态分布函数;
——构造构件失效概率的运算值;
β——构造构件的可靠指标。
构造构件的可靠指标应根据根本变量的概率分布类型和统计参数计算确定〔见附录一〕。
构造构件设计的目的可靠指标,可在对现有构造构件进展可靠指标校准的根底上,根据构造平安和经济的最正确平衡确定。
为确定可靠指标,所有根本变量的概率分布类型和统计参数,应根据足够的统计资料和工程经历,应用概率理论和数理统计方法,由各类工程构造可靠度设计统一标准作出规定。
当缺乏足够的统计资料时,可根据现有资料结合有充分根据的工程经历作出规定。
对持久状况和短暂状况,当按承载才能极限状态设计时,各类构造构件的平安等级每相差一级,目的可靠指标取值宜相差0.5。
构造构件宜根据规定的目的可靠指标,采用由作用代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各相应的分项系数组成的极限状态设计表达式进展设计。
第三章构造上的作用
第条构造上的作用应包括施加在构造上的集中力和分布力,和引起构造外加变形和约束变形的原因。
注:
施加在构造上的集中力和分布力,可称为荷载。
构造上的各种作用,当在时间上或空间上可假定为互相随机独立时,每一种作用均可按单独的作用考虑。
当某些作用亲密相关,且经常以其最大值同时出现时,可将这些作用按一种作用考虑。
第条构造上的作用可按以下性质分类。
一、按随时间的变异性分类:
1、永久作用,在设计基准期内量值不随时间变化,或其变化与平均值相比可忽略的作用;
2、可变作用,在设计基准期内量值随时间变化,且其变化与平均值相比不可忽略的作用;
3、偶尔作用,在设计基准期内不一定出现,而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。
注:
永久作用,可变作用和偶尔作用举例见附录二。
二、按随空间的变异性分类:
1、固定作用,在构造上具有固定分布的作用;
2、自由作用,在构造上一定范围内可以任意分布的作用。
三、按构造的反响特点分类:
1、静态作用,使构造产生的加速度可以忽略不计的作用;
2、动态作用,使构造产生的加速度不可忽略不计的作用。
第条构造上的作用随时间变化的规律宜采用随机过程概率模型描绘。
构造上的作用在设计基准期内的最大值或最小值,可采用随机变量概率模型描绘。
构造上的作用的概率分布类型和统计参数,应以观测数据为根底,运用参数估计方法和概率分布的假设检验方法确定。
第条工程构造按不同极限状态设计时,在设计表达式中应采用不同的作用代表值。
作用代表值和确定代表值的方法,应由有关的标准专门规定。
第条作用的标准值应是工程构造设计时采用的主要代表值。
它代表构造上可能出现的最不利作用值。
其值可按在设计基准期内作用最大〔小〕值概率分布的某个偏不利的分位值确定。
当有条件时,可统一规定与分位值对应的概率值。
注:
永久作用标准值确实定原那么见附录三,可变作用标准值确实定原那么见附录四。
当观测资料不够充分时,标准值也可结合工程经历,经分析判断确定。
第条工程构造设计时,可变作用代表值尚可采用频遇值和准永久值。
可变作用的频遇值代表构造上时而出现的较大作用值。
其值可按作用在设计基准期内具有某个规定的较短的总持续期确定,或按规定的跨阈率确定。
可变作用的准永久值代表构造上经常出现的作用值。
其值可按作用在设计基准期内具有某个规定的较长的总持续期确定。
频遇值和准永久值可采用标准值乘以小于1的系数表达。
注:
可变作用准永久值和频遇值确实定原那么见附录五。
第条偶尔作用的代表值由有关标准专门规定,也可根据观测资料和工程经历,经综合分析确定。
第条工程构造设计时,对可能同时出现的不同种类的作用,应考虑其效应组合;对不可能同时出现的不同种类的作用,不考虑其效应组合。
第四章材料和岩土的性能及几何参数
第条材料和岩土的性能是指其强度和变形模量等物理力学性能,应根据有关的试验方法标准经试验确定。
第条按标准试件确定的材料和岩土性能,应通过换算系数或函数转换为实际构造中材料和现场岩土的性能。
实际构造中材料和现场岩土的性能的不定性,由标准试件性能的不定性和换算系数或函数的不定性两部分构成。
第条材料性能宜采用随机变量概率模型描绘。
材料性能的概率分布类型和统计参数,应以试验数据为根底,运用参数估计方法和概率分布的假设检验方法确定。
第条材料性能的标准值应根据符合标准规定的材料性能的概率分布的某个分位值确定。
对强度标准值宜取0.05分位值,对变形模量标准值宜取0.5分位值。
注:
当试验数据不够充分或情况特殊时,材料性能标准值可结合工程经历,经分析判断确定。
第条岩土性能的标准值宜根据现场取样试验的结果,按有关标准的规定确定。
注:
当有条件时,岩土性能的标准值可按概率分布的某个分位值确定。
第条几何参数应为与构造、构件和截面的形状、尺寸和总体布置有关的参数。
几何参数可采用随机变量概率模型描绘。
几何参数的概率分布类型和统计参数,应以测试数据为根底,运用参数估计方法和概率分布的假设检验方法确定。
当几何参数的变异性对构造抗力及其它性能的影响很小时,几何参数可作为确定性变量考虑。
注:
当测试数据不够充分时,几何参数的统计参数可根据有关标准规定的公差,经分析判断确定。
第条几何参数的标准值可采用设计规定的公称值,或根据几何参数概率分布的某个分位值确定。
第五章构造分析
第条构造分析应包括以下内容:
一、构造作用效应的分析,确定构造或截面上的作用效应;
二、构造抗力及其它性能的分析,确定构造或截面的抗力及其它性能。
第条构造分析可采用计算、模型试验或原型试验等方法。
第条构造分析采用的根本假定和计算模型应能描绘所考虑极限状态下的构造反响。
根据构造的详细情况,可采用一维、二维、三维的计算模型进展构造分析。
第条当工程构造按承载才能极限状态设计时,根据材料和构造对作用的反响,可采用线性、非线性或塑性理论计算。
当工程构造按正常使用极限状态设计时,可采用线性理论计算;必要时,可采用非线性理论计算。
第条当构造承受自由作用时,应根据每一自由作用可能出现的空间位置,确定对构造最不利的作用布置。
第条环境对材料、构件和构造性能的系统影响,宜在构造分析中直接考虑。
如湿度对木材强度的影响,高温对钢构造性能的影响等。
第条计算模型的不定性应在极限状态方程中采用一个或几个附加的根本变量考虑。
附加根本变量的概率分布类型和统计参数,可通过按计算模型的计算结果与按准确方法的计算结果或实际观测的结果相比拟,经统计分析确定,或根据工程经历判断确定。
第六章分项系数设计方法
第条构造构件极限状态设计表达式中的各种分项系数,应根据有关根本变量的概率分布类型和统计参数,以及规定的目的可靠指标,通过计算分析,并考虑工程经历,经优化后确定。
作用的设计值Fd应按下式确定:
Fd=γfFr 〔6.0.2-1〕
式中Fr——作用的代表值;
γf——作用的分项系数。
材料和岩土性能的设计值fd应按下式确定:
fd=fk/γm 〔6.0.2-2〕
式中fk——材料和岩土性能的标准值;
γm——材料和岩土性能的分项系数。
几何参数设计值ad可采用几何参数标准值ak。
当几何参数的变异性对构造性能有明显影响时,几何参数设计值可按下式确定:
ad=ak±△a 〔6.0.2-3〕
式中△a——几何参数附加量。
构造构件按极限状态设计时应符合下式要求:
g〔Fd,fd,ad,ψc,C,γo,γd〕≥0 〔6.0.3〕
式中ψc——作用的组合系数;
C——限值,如变形、裂缝宽度、加速度的限值;
γo——构造重要性系数;
γd——反映计算模型不定性的系数。
当构造构件按承载才能极限状态设计时,可采用以下设计表达式:
γoS〔Fd,ad,ψc,γsd〕≤R(fd,ad,C,γRd) 〔6.0.4-1〕
或γoγsdS〔Fd,ad,ψc〕≤R(fd,ad,C) 〔-2〕
式中S(·)——作用效应函数;
R(·)——抗力函数;
γsd——反映作用效应计算模型不定性的系数;
γRd——反映抗力计算模型不定性的系数。
当考虑偶尔作用时,设计表达式宜按以下原那么确定:
偶尔作用分项系数取1.0;与偶尔作用同时出现的可变作用,根据观测资料和工程经历采用适当的代表值。
此外,尚应考虑偶尔作用对抗力的影响。
详细的设计表达式及各种系数取值,应由有关标准专门规定。
当构造构件按承载才能极限状态设计时,对持久状况和短暂状况,应采用各自的根本组合;对偶尔状况,应采用偶尔组合。
根本组合系指永久作用和可变作用的效应组合,可采用以下设计表达式:
S〔γGiGik,γQ1Q1k,γQjψcjQjk,γsd〕
i=1,2,…,m;j=2,3,…,n 〔〕
式中Gik——第i个永久作用的标准值;
Q1k——第一个可变作用的标准值,该可变作用标准值的效应大于其它任意第j个可变作用标准值的效应;
Qjk——其它第j个可变作用的标准值;
γGi——第i个永久作用的分项系数;
γQ1、γQj——第一个和其它第j个可变作用的分项系数;
ψcj——第j个可变作用的组合系数。
偶尔组合系指永久作用、可变作用和一个偶尔作用的效应组合。
构造构件设计时,对可变作用的效应组合,可根据参与组合的作用的性质,采用相应的组合值。
组合值可采用标准值乘以组合系数表达。
组合系数也可通过调整相应的作用分项系数来反映。
组合系数或调整后的作用分项系数值,宜按不同作用效应组合下构造构件均满足目的可靠指标的原那么确定,也可采用有充分根据的其它方法确定。
当永久作用效应对构造构件承载才能起有利作用时,公式〔6.0.5〕中永久作用分项系数γG的取值不应大于1.0。
当构造构件按正常使用极限状态设计时,可采用以下设计表达式:
S〔Fd,fd,ad,γo,γd〕≤C 〔6.0.8-1〕
或γoγdS〔Fd,fd,ad〕≤C 〔6.0.8-2〕
当构造构件按正常使用极限状态设计时,对持久状况,应采用短期效应组合和长期效应组合;对短暂状况,可采用短期效应组合。
短期效应组合系指永久作用标准值和可变作用频遇值的效应组合。
长期效应组合系指永久作用标准值和可变作用准永久值的效应组合。
第七章 质量控制要求
第条对工程构造应施行为保证构造可靠度所必需的质量控制。
工程构造的质量控制应包括以下内容:
一、勘察与设计的质量控制;
二、材料和制品的质量控制;
三、施工的质量控制;
四、使用和维护的质量控制。
第条对工程构造的各项质量控制应由相应标准作出规定。
在各类工程构造的可靠度设计统一标准中,宜规定与目的可靠度相应的构造和构件的质量程度及有关的质量控制原那么。
第条勘察与设计的质量控制应到达以下要求:
一、勘察资料齐全,数据准确,结论可靠;
二、设计中采用的根本假定和计算模型合理,数值运算正确;
三、图纸和其它设计文件符合有关规定。
第条工程构造材料和制品的质量控制应包括以下内容,并到达相应的要求:
一、初步控制。
在试消费阶段,通过试配或试运行,确定合理的原材料组成和工艺参数,为消费控制提供材料、制品和构造性能的统计参数。
二、消费控制。
在消费阶段,对原材料组成和工艺过程进展控制,保证材料、制品和构造的质量符合有关标准规定的稳定性。
三、合格控制。
在交付使用前,按规定的质量验收标准进展合格性验收,保证材料、制品和构造的质量符合规定。
第条为进展施工质量控制,在各工序内应实行质量自检,在各工序间应实行交接质量验收。
对工序操作和中间产品的质量,应采用统计方法进展抽查;在构造的关键部位应进展系统检查。
第条在工程构造的使用期间,应保持设计预定的使用条件,定期检查构造状况,并进展必要的维修。
当实际使用条件与设计预定的使用条件不同时,应进展专门的验算和采取必要的措施。
附录一构造可靠指标计算的一次二阶矩法
〔一〕构造的极限状态方程应采用以下表达式:
式中
为根本变量,如各种作用、材料性能和几何参数等,假定它们为统计独立。
〔二〕构造的可靠指标β可按以下公式计算:
式中
—根本变量
的平均值和标准差;
〔·〕│
——〔·〕中的变量在
点赋值。
为验算点,其坐标值为
。
〔三〕上列公式可综合表达为:
当根本变量
为非正态随机变量时,应转化为当量正态随机变量
,其平均值
和标准差
可按以下公式计算:
式中
〔·〕——标准正态分布函数的反函数;
〔·〕——标准正态概率密度函数。
注:
构造的可靠指标也可采用其它方法计算。
对于根本变量的变异系数很大、极限状态方程的非线性程度很高等情况,可靠指标宜采用更准确的方法计算。
附录二永久作用、可变作用和偶尔作用举例
〔一〕永久作用:
1、构造自重;
2、土压力;
3、水位不变的水压力;
4、预应力;
5、地基变形;
6、混凝土收缩;
7、钢材焊接变形;
8、引起构造外加变形或约束变形的各种施工因素。
〔二〕可变作用:
1、使用中的人员、物件等荷载;
2、施工中构造的某些自重;
3、安装荷载;
4、车辆荷载;
5、吊车荷载;
6、风荷载;
7、雪荷载;
8、冰荷载;
9、常遇地震;
10、水位变化的水压力;
11、扬压力;
12、波浪力;
13、温度变化。
〔三〕偶尔作用:
1、撞击;
2、爆炸;
3、罕遇地震;
4、龙卷风;
5、火灾;
6、极严重的侵蚀;
7、罕遇洪水。
附录三永久作用标准值确实定原那么
各种永久作用的标准值,可按以下方法确定:
〔一〕构造自重的标准值,可按设计图纸规定的尺寸和材料平均单位体积或单位面积上所受的重力计算。
对某些构造,可考虑尺寸的变异,采用较大和较小的两个标准值。
〔二〕非承重构造自重的标准值,可按设计图纸规定的尺寸和材料平均单位体积或单位面积上所受的重力计算。
假设移去这部分自重使构造处于不利状态,那么在计算中应取其值为零。
〔三〕在大多数情况下,土压力的标准值应取主动土压力的较大值、静止土压力的较大值,或被动土压力的较小值。
当土有可能被移去时,应考虑无土压力的特殊情况。
〔四〕预应力可采用较大和较小两个标准值,且均应考虑时间因素。
〔五〕施工和材料收缩、膨胀产生的变形的标准值,可采用某个指定值或零值。
收缩和膨胀产生的变形宜考虑时间因素。
〔六〕支座沉陷可采用较大和较小两个标准值。
一般情况下可取较小标准值为零。
附录四可变作用标准值确实定原那么
〔一〕可变作用最大〔小〕值的概率分布
根据可变作用的观测值,通过统计参数估计和优度拟合检验,可获得可变作用的概率分布函数。
当可变作用采用平稳二项随机过程模型时,设计基准期T内可变作用最大值的概率分布函数
及最小值的概率分布函数
可分别按以下公式计算:
式中F〔x〕——可变作用随机过程的截口概率分布函数;
m——可变作用在设计基准期内的平均出现次数。
例如,当截口概率分布为极值I型分布时〔如年最大风压〕:
其最大值概率分布函数为:
当可变作用采用其它随机过程模型〔如普哇松过程〕时,设计基准期T内可变作用最大〔小〕值的概率分布可用相应的公式计算。
〔二〕可变作用的标准值
可变作用标准值
宜根据可承受的概率p,由可变作用在设计基准期T内最大〔小〕值概率分布的某个分位值确定。
当可变作用增大对构造产生不利效应时,标准值
由以下公式确定:
此时,概率p应
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- 工程 结构 可靠 设计 统一标准