《建筑结构可靠度设计统一标准》学习要点及理解.docx
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《建筑结构可靠度设计统一标准》学习要点及理解
《建筑结构可靠度设计统一标准》
（GB50068-2001）学习要点及理解
一、前言中关于修订内容的说明（相对原《建筑结构统一标准》（GBJ68-84））
1、标准的适用范围：
鉴于《建筑地基基础设计规范》、《建筑抗震设计规范》在结构可靠度设计方法上有一定特殊性，从原标准要求的“应遵守”本标准，改为“宜遵守”本标准；
[1.0.3条]
2、根据《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）的规定，增加了有关设计工作状况的规定，并明确了设计状况与极限状态的关系；
[3.0.3条、3.0.4条]
3、借鉴最新国际标准JSO2394：
1998《结构可靠度总原则》，给出了不同类型建筑结构的设计使用年限；
[1.0.5条]
4、在承载能力极限状态的设计表达式中，对于荷载效应的基本组合，增加了永久荷载效应为主时起控制作用的组合式；
[7.0.2条（7.0.2-2）式]
5、对楼面活荷载、风荷载、雪荷载标准值的取值原则和结构构件的可靠指标以及结构重要性系数等作了调整；
[4.0.6条、3.0.11条、7.0.3条]
6、首次对结构构件正常使用的可靠度做出了规定，这将促进房屋使用性能的改善和可靠度设计方法的发展；
[3.0.12条]
7、取消了原标准的附件。
[原标准有五个附件：
附件一荷载的统计特性、代表值及其效应组合；附件二结构抗力的统计特性；附件三结构可靠度的计算方法；附件四极限状态设计表达式及其分项系数的确定；附件五结构材料的质量要求及质量控制。
此五个附件对正确理解本标准仍具有重要作用，有精力的专业技术骨干，特别是技术把关人应该一读。
]
二、标准的主线
可靠度设计原则（建筑结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度）采用以概率理论为基础的极限状态设计方法（影响建筑结构可靠性的各种因素都是随机因素，只能用概率来度量。
以极限状态为目标的设计方法为公认的合理的设计方法）
变通为多系数表达式（这是为广大设计人员所熟悉和乐于接受的形式。
使概率极限状态设计方法具有实用性。
）
三、条文理解
1、总则
1.0.3（原文略）
[明确规定《建筑结构荷载规范》、《钢结构设计规范》、《薄壁型钢结构设计规范》、《混凝土结构设计规范》、《砌体设计规范》、《木结构设计规范》等六本规范应遵守本标准的规定。
但对《地基基础设计规范》和《建筑抗震设计规范》改用“宜遵守本标准规定的原则”。
这是由地基基础和建筑抗震设计土性指标与地震反应等方面的特殊性所决定的。
例如：
地基基础和抗震设计的建筑结构在安全等级上均无法接受本标准规定的安全等级。
地基基础采用了设计等级的提法，并主要从场地地基对建筑结构的影响程度及建筑结构对场地和地基的特别要求两个方面将地基基础分为甲级、乙级、丙级三个等级，而不是仅仅根据建筑结构破坏后果的严重程度区分安全等级，同时取消了对不同级别乘不同重要性系数的作法。
抗震规范则根据自身的特殊性，从使用功能的重要性出发将建筑分为甲、乙、丙、丁四个类别，并对各类别的抗震计算和抗震措施作了相应规定，也未采用对不同级别乘不同的重要性系数的办法。
此外，地基基础规定对地基承载力采用特征值而不是标准值，对按地基承载力确定基础底面积、埋深及按单桩承载力确定桩数时采用标准组合而不是基本组合等等，都是根据其自身的特殊性而确定的。
当然，地基基础设计规范和抗震设计规范在总体上还是执行了本标准的原则的。
]
1.0.4本标准所采用的设计基准期为50年。
[本条为《建筑结构荷载规范》确定为强条而被录入2002版强条。
设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数。
它不同于建筑结构的设计使用年限。
如设计需要采用其它设计基准期，则必须另行确定在设计基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。
]
1.0.5（原文、表略）
[国内标准首次提出。
借鉴最新版国际标准ISO2394：
1998《结构可靠度总原则》中合理使用年限的概念和分类。
概念：
建筑结构在正常设计、正常施工、正常使用和维护条件下应能达到的满足予定功能的使用年限。
在设计使用年限内只需正常维护而不需进行大修就能完成予定功能。
设计使用年限是房屋建筑地基基础和主体结构工程“合理使用年限”或“安全使用年限”的同函义表述。
]
1.0.6结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。
结构可靠度可采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定。
[确立可靠度设计原则，规定采用概率极限状态设计方法。
本条规定为本标准的主线。
注意“规定的使用年限”这一条件，因为本标准所说的可靠度或失效概率，是对建筑结构的设计使用年限而言的。
当建筑结构的使用年限超过使用年限后，结构失效概率可能较设计予期值增大，但不意味着丧失使用功能。
此外，尚应注意本标准规定的结构可靠度是正常设计、正常施工、正常使用和维护为前提的，不考虑人为过失。
人为过失应通过其它措施予以避免。
]
1.0.7（原文略）
[此四条功能要求即所谓“予定功能”。
1、4两项是结构安全性要求，第2项为结构适用性要求，第3项是耐久性要求。
建筑结构的安全性、适用性和耐久性要求三者构成了结构的可靠性要求。
这里所说的偶然事件下必需的整体稳定性，是指在偶然事件发生时和发生后，建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。
]
1.0.8（原文、原表略）
[纳入2002年版强条。
本条最大的问题是未提出具体的分级标准。
原标准条文说明中提出影剧院、体育馆和高层建筑宜按重要的房屋对待，有一点偏严，因为把高层建筑统统纳入一级安全等级，似乎不太妥当。
此外，表1.0.8条的注1存在的必要性不大，因为超过一级的建筑结构实在太少，加之本标准将重要性系数由原来的等于改为大于等于，因而完全可以通过更大的重要性系数予以解决。
]
1.0.10（原文略）
[设计质量、材料性能、施工质量、使用及维护质量，都是影响结构可靠性的重要因素，必须控制在满足可靠度要求的水准上。
有关要求详第8节。
]
1.0.11当缺乏统计资料时，结构设计应根据可靠的工程经验或必要的试验研究进行。
[新增条款：
系对创新设计的基本要求，也是对技术进步的一种支持。
]
2、术语、符号
2.1.3失效概率
结构不能完成予定功能的概率。
[可靠度+失效概率=Ps+Pf=1]
2.1.4（原文略）
，其反函数为β=Φ-1（Pf），所以称β
为可靠指标，正是由于β与失效概率存在这种确定的函数关系，由于求算β较直接求算Pf容易，从而使可靠度计算变成对β的计算。
]
2.1.10功能函数
[Z=R-S，Z＞0时结构安全或满足功能要求，Z=0时为极限状态，Z＜0时结构不安全或不满足功能要求。
如下图所示。
]
结构所处状态图
2.1.11概率分布
随机变量取值的统计规律，一般采用概率密度函数或概率分布函数表示。
1、正态分布
随机变量的正态分布是概率理论中的最基本的分布型式，其它各种非正态的分布往往进行当量正态化处理后进入计算。
因而有必要对正态分布建立全面的认识，如图所示。
正态分布曲线
正态分布的特点如下：
1）图形是钟形，其最大值点的横坐标为μ，曲线对称于直线X=μ，μ为正态分布的均值；
2）在直线X=μ的两边，曲线分别由凸形曲线和凹形曲线两段组成，其交界点称为曲线的拐点，拐点到直线X=μ的距离，用希腊字母σ表示，σ称为正态分布的标准差；
3）曲线可由一对参数μ和σ唯一确定。
σ越大，曲线越平缓，拐点距直线X=μ的距离越长，反之，曲线则越陡峭，拐点距直线X=μ的距离短。
2、概率密度函数
3、概率分布函数
2.1.12统计参数
在概率分布中用来表示随机变量取值的平均水平和分散程度的特征数字，如平均值、标准差、变异系数等。
1、平均值μ：
2、标准差：
3、变异系数δ:
δ＝σ／μ
2.1.13分位值
与随机变量分布函数某一概率相应的值。
[对照概率分布函数图理解，分位值的另一种表达形式：
fk=μ+nσ，当n=-1.645时，即为0.05分位值。
2.1.16作用标准值
作用的基本代表值，为设计基准期内最大作用概率分布的某一分位值。
[永久荷载标准值相当于设计基准期内最大荷载概率分布的0.5分位值，即正态分布的平均值，对易超重的板类构件的调查表明，其标准值相当于统计平均值的0.95倍。
由此可知，对大多数截面尺寸的梁、柱等构件，其标准值按设计尺寸与材料重力密度标准值计算，必将更接近于重力概率分布的平均值。
应注意对于某些重量变异较大的材料和构件（如屋面的保温材料、防水材料、找平层以及钢筋砼薄板等），为在设计表达式中采用统一的永久荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标，其标准值应根据对结构的不利或有利状态，通过结构可靠度分析，取重力概率分布的某一分位值确定，如取0.95或0.05分位值。
楼面活荷载标准值取设计基准期最大荷载平均值μ加标准差的某个倍数值。
如新荷载规范规定办公楼和住宅楼面活荷载取2.0KN/m2，对于办公楼相当于设计基准期最大荷载平均值加3.16倍标准差，对于住宅相当于设计基准期最大荷载平均值加2.38倍标准差。
风荷载和雪荷载取接近设计基准期最大风、雪荷载的平均值，即取“50年一遇”值。
]
2.1.17组合值
对可变作用，使组合后的作用效应在设计基准期内的超越概率趋于一致的作用值；或组合后使结构具有统一规定的可靠指标的作用值。
[荷载组合值是对两个及两个以上可变荷载而言的。
原因是考虑施加在结构上的各可变荷载不可能同时达到各自的最大值。
其实质是要求结构在单一可变荷载下结构或构件的可靠度与在两个及两个以上可变荷载作用下的可靠度保持一致。
采用的办法是对各可变荷载乘以组合值系数，这些组合值系数，是依据上述可靠指标一致性原则，按照荷载组合理论分析计算确定的。
原荷载规范采用了“遇风组合”的原则，是偏保守的，新荷载规范予以放弃，改用两种及两种以上可变荷载均应考虑组合值系数的规定。
]
2.1.18频遇值
对可变作用，在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的作用值；或在设计基准期内其超越频率为某一给定频率的作用值。
2.1.19准永久值
对可变作用，在设计基准期内被超越的总时间为设计基准一半的作用值。
如图所示：
（超越概率≤10%）
n
（超越概率50%）
频遇值为本次修订所增加，频遇组合在一般的建筑结构设计中还未用到。
据说在港口工程中已用上，国际上有。
准永久值取持续时间比值0.5，对住宅、办公楼楼面活荷载及风、雪荷载等，相当于取其任意时点荷载概率分布的0.5分位值。
具体取值由荷载规范作出规定。
准永久值用作正常使用极限状态按准永久值和频遇组合设计采用的可变荷载代表值。
2.1.20作用设计值
3、极限状态设计原则
3.0.1对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志及限值。
[极限状态不能模糊描述，应能明白无误的界定和区别。
简支钢筋混凝土梁受弯承载能力极限状态是以钢筋开始屈服为标志的，而其正常使用极限状态则明确规定了各种情况下的允许挠度值和裂缝宽度值。
]
3.0.2极限状态可分为下列两类：
（原文略）
[本条内容正确理解并熟记。
]
承载力极限状态包括两种形态：
1、结构或结构构件达到最大承载能力；2、不适于继续承载的变形（如挠度超过1/50跨度时）。
注意结构的最大承载力和构件的最大承载力的区别。
注意属于正常使用状态的“影响正常使用的振动”这一状态。
过去多用于工业厂房防振设计。
新混凝土高规参照高层钢结构规程JGJ99-98，首次对高度超过150m的高层混凝土建筑结构提出了风荷载作用下结构顶点最大加速度限值，以满足舒适度要求。
]
3.0.3建筑结构设计应区别的三种设计状况（原文略）
[为新增条文。
与《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）统一。
这里所说的“环境”是广义的，与混凝土规范中的环境类别有所不同。
三种状况是以持续时间、出现概率和不同影响而区分的。
此三种状况并不完全与永久作用、可变作用、偶然作用相对应。
]
3.0.4（原文略）
[规定了三种设计状况与极限状态的关系：
1、持久状况——承载能力极限状态设计；正常使用极限状态设计；
2、短暂状况——承载能力极限状态设计；可根据需要进行极限状态设计；
3、偶然状况——承载能力极限状态。
注意3.0.3及3.0.4条对设计人员并无具体意义，有此概念即可。
永久作用、可变作用和偶然作用的有关计算规定对设计人员则是重要的，这些计算规定（含对施工阶段的验算）已体现了上述两条的要求。
]
3.0.5最不利组合原则（原文略）
[建筑结构设计的重要原则：
对所考虑的极限状态，应采用相应的结构作用效应的最不利组合。
简称最不利组合原则。
1、承载力极限状态——基本组合；偶然组合（必要时）。
2、正常使用极限状态——标准组合；频遇组合；准永久组合。
参照7.0.2和7.0.5条。
]
3.0.6偶然状况的设计原则。
（原文略）
[两条重要的原则（选择取用）：
1、按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，使主要承重结构不致丧失承载力。
这里有两层意思，一是保证承重结构不丧失承载力有加强结构或采取防护措施两条途径，可根据其可能性和合理性择优选用；二是允许非主要承重结构在一定范围内丧失承载力。
2、允许主要承重结构局部破坏，但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度。
这一条不是针对9.11这样的事件，但对一般性撞击、爆炸、火灾是有意义的。
目前尚未提出可供实用的设计方法，只是提出一些可供参考使用的措施，如横捆、竖捆等。
]
3.0.9（原文略）
[本条为本标准的核心内容之一，也是一般设计人员最难理解的难点所在。
本条讲的是可靠度设计的方法，而可靠度设计是基于概率理论的。
一般设计人员对此难以深入了解，事实上也不需要深入了解，因为实际设计并不是按概率理论的方法进行的。
但对一般设计人员提出概念性了解的要求是必要的。
要求掌握如下内容：
1、明确结构构件的可靠度与失效概率的关系：
PS=1-Pf，PS+Pf=1。
2、可靠度采用可靠指标β度量。
失效概率与β的关系式如下：
结构构件失效概率与可靠指标的关系
3、当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量且均按正态分布时，结构构件的可靠指标可按下列公式计算：
式中β——结构构件的可靠指标；
μS、σs——结构构件作用效应的平均值和标准差；
μR、σR——结构构件抗力的平均值和标准差。
一旦求得β，即可通过积分或查表求得失效概率Pf。
其对应关系如下表所示。
β与Pf的对应关系
β
Pf
β
Pf
1.0
1.5
2.0
2.5
1.59×10-1
6.68×10-2
2.28×10-2
6.21×10-3
3.0
3.5
4.0
4.5
1.35×10-3
2.33×10-4
3.17×10-5
3.40×10-6s
[举例]轴心受压短柱，截面b×h=300×500mm2，配置8Φ20纵向钢筋AS=25.13mm2。
设荷载为正态分布，轴力N的平均值μN=1800KN，变异系数δN=0.12。
钢筋抗压屈服强度fy＇为正态分布，其平均值μfy=374N/mm2，变异系数δfy=0.08。
混凝土轴心抗压强度fc也是正态分布，平均值μfc=24.68N/mm2，变异系数δfc=0.19，不考虑结构尺寸的变异，求此构件的可靠指标β。
[解]①求荷载效应S的统计参数
μs=μN=1800KN
σS=σN=σN·μN=0.12×1800=216KN
②求结抗力R的统计参数
R=RC+RS=fC·A+fy＇·AS＇
混凝土抗力RC的统计参数：
μRC=A·μfc=300×500×24.68=3702KN
σRC=δfc·μRC=0.19×3702=703.4KN
钢筋抗力RS的统计参数：
μRS=AS·μfy=2513×374=939.9KN
σRS=δfy·μRS=0.08×939.9=75.2KN
结构抗力R的统计参数：
μR=μRC+μRS=3702+939.9=4641.9KN
③求可靠指标
4、当基本变量不按正态分布时，结构构件的可靠指标应以结构构件作用效应和抗力当量正态分布的平均值和标准差代入计算即可。
此时须求解验算点的坐标值，而此坐标值的求解过程是较为复杂的，加之求得各变量的统计参数不易，使得直接运用可靠度的一般办法求解可靠度难以具有实用性。
]
3.0.10（原文略）
[可取消此条或改写。
这是前标准的条文，当时采用校准法是转变的需要，校准的基准是前标准以前的设计状况。
现在已不必再提此要求。
但应说明本标准沿用了原标准及其合理性。
]
3.0.11（原文、原表略）（参阅本文条文说明）
[注意以下几点：
1、本条内容与原标准形式上似乎相同，但实际上却有一个重要的修改，就是取消了原标准注中关于“可对β值作不超过±0.25幅度的调整”的规定。
这实际上提高了结构的安全度。
由此引出了一系列的变化，如增加了永久荷载效应为主时的组合（1.35分项系数）；提高了住宅楼面活载；调整了风雪荷载标准值等等。
2、由于目前统计资料不够完备以及结构可靠度分析中引入了近似假定，因此所得的失效概率Pf及相应的β并非实际值。
这些值是一种与结构构件实际失效概率有一定联系的运算值，主要用于对各类结构构件可靠度的相对度量。
3、表3.0.11中规定的β值是对结构构件而言的。
对于其他部分如连接等，设计时采用的β值，应由各类材料的结构设计规范另作规定。
4、正确理解延性破坏和脆性破坏。
轴心受压和剪切破坏为脆性破坏。
弯曲、偏压、拉伸为延性破坏。
]
3.0.12结构构件正常使用极限状态的可靠指标，根据其可逆程度取0~1.5。
[本条为新增条文。
原标准在条文说明中曾建议正常使用极限状态β取1.0~2.0。
现标准根据ISO2394：
1998的建议，结合我国的研究成果，作出了根据可逆程度取0~1.5的规定。
对可逆的正常使用状态取0，对不可逆的正常使用状态取1.5。
可逆是指荷载出现，状态出现，荷载移去，则状态离去；不可逆是指荷载出现，状态出现，荷载移去，状态保留。
如砌体开裂为不可逆；而梁在荷载移去后挠度恢复为可逆。
]
7极限状态表达式
7.0.1（原文略）
[本条确立了可靠度设计的多系数表达式，从而使概率极限状态设计方法具有实用性。
规定了作用分项系数、抗力分项系数及结构重要性系数的确定原则
对此，设计人员应建立如下重要概念：
1、各分项系数的取值是经优选确定的，优选的原则是使各种结构构件在按极限状态设计表达式（即多系数表达式）设计后所具有的可靠指标，与规定的可靠指标之间在总体上误差最小。
2、系数γG、γQ、γR（γf）不仅与给定的可靠指标有关，而且与结构极限状态方程中所包含的全部基本变量的统计参数有关。
它们是互相关联而不是各自独立的，其中一个系数的改变可能会导致其它系数的改变。
这些系数并不是仅仅与相乘（或相除）的荷载效应或抗力有关。
3、结构抗力分项系数应按不同结构构件的特点分别确定，亦可转换为按不同的材料性能分项系数。
砼规范、砌体等规范均采用了后者（砼材料分项系数为1.4；普通钢筋为1.1；予应力钢丝、钢铰线等为1.2；砌体为1.6。
）]
7.0.2（原文略）
[对承载能力极限状态对应的基本组合和偶然组合分别给出了表达式和原则说明。
注意如下提示：
1、公式（7.0.2-1）形式上与原标准完全一样，但含义上却有重要的区别。
原标准执行“遇风组合原则”，而新标准则是无论有风无风，只要可变荷载为两个及以上时，均应乘可变荷载组合系数。
2、增加了表达式（7.0.2-2），取γG=1.2，解决了持久荷载起主导作用时采用式（7.0.2-1）可能带来的可靠度偏低的问题。
3、新标准提供的两个表达式使设计人员更难以简单判定那一种组合为最不利组合，因为每个可变荷载的组合值系数并不完全一样。
而判定何种组合为永久荷载起主导地位似乎更具难度。
最可靠却又最费事的办法就是每种组合都算。
也有人在分析的基础上对一些较简单的情况提出了简单的判定界线，如只承受自重荷载和楼面活载的构件当活静载比例小于0.32（0.37／0.36）时为永久荷载为主导，可仅按式（7.0.2-2）计算。
4、式（7.0.2-3）为简化表达式，可适用于一般排架、框架。
与原标准基本相同，只是其中的组合系数ψ值由原0.85提高为0.9。
此简化表达式为一偏大值，偏于安全。
需要提请注意的是，按式（7.0.2-3）计算后，一般仍需按式（7.0.2-2）计算，比较后方能确定最不利组合。
5、偶然组合只给出原则，目前尚难给出统一的设计表达式。
一般原则是：
（1）只考虑一种偶然作用与其它荷载组合；
（2）偶然使用不乘以荷载分项系数；（3）可变荷载可根据偶然作用同时出现的可能性，采用适当的代表值，如准永久值；（4）荷载与抗力分项系数值，可根据结构可靠度分析或工程经验确定。
7.0.3关于结构重要性系数γ0的规定。
（原文略）
[提示如下：
1、本标准修改了原标准取γ0为定值的规定（既不允许降低，也不允许提高，为计划经济的产物），改为“不应小于”，这是一个更具灵活性的改动。
2、本标准新增了设计使用期为100年及以上和5年的结构构件也通过结构重要性系数γ0对作用效应进行调整的内容。
由此也引出了一个有争议的问题，即当安全等级为一级同时设计使用年限又为100年时，是取γ0为1：
1还是取γ0为1.1×1.1=1.21的问题。
目前较为统一的意见是：
取1.1是适当的，但取1.21也是不为错的。
3、对安全等级为三级且设计使用年限为5年的结构构件不能取连乘值，仍应取≥0.9。
4、对设计使用年限为25年的结构构件，由各类规范根据各自的情况自行确定。
目前颁布的建筑结构相关规范均未涉及此内容。
]
7.0.4（原文略）
[内容易理解，但应熟记。
]
7.0.5、7.0.6（原文略）
[正常使用极限状态对应的标准组合和准永久组合是为大家所熟悉的，而对应的频遇组合则是比较生疏的，因为都没用过。
应注意频遇组合表达式中的第二项和第三项，第二项采用频遇系数，而第三项采用准永久系数。
]
第4节（结构上的作用）、第5节（材料和岩土的性能及几荷参数）、第6节（结构分析）、第8节（质量控制要求）等章节的内容也很重要，容易理解，限于篇幅，不再提示。
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