建筑工程结构可靠度设计的探讨
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摘要：通过工程界无数人员的长期摸索和不懈努力，建筑工程的结构设计方法已经逐渐走向了成熟，尤其是在将概率论成功引入之后，建筑工程结构可靠度设计也取得了质的变化和突破性的进展。本文对建筑工程结构可靠度设计的实施方法进行了一定程度的分析和探讨，并针对其中的问题提出了一点看法和总结。
关键词：建筑工程；结构设计；可靠度
一、引言
通过工程界无数人员的长期摸索和不懈努力，建筑工程的结构设计方法已经逐渐走向了成熟，尤其是在将概率论成功引入之后，建筑工程结构可靠度设计也取得了质的变化和突破性的进展。建设部系统率先编制并颁发《建筑结构设计统一标准》GBJ68-84，为其后编制和修订房屋建筑各种结构设计规范奠定了基础。铁路、公路、港口及水利水电所属系统又分别于近几年内编制和颁布了《铁路工程结构设计统一标准》、《公路工程结构设计统一标准》、《港口工程结构设计统一标准》和《水利水电工程可靠度统一标准》。作为上述五个统一标准更高一层次的《工程结构可靠度设计统一标准》GB50153-2008虽然出版在后，但这些统一标准之间是相互协调的。本文对建筑工程结构可靠度设计的实施方法进行了一定程度的分析和探讨，并针对其中的问题提出了一点看法和总结。
二、建筑工程结构可靠度设计的实施方法
第一，针对建筑工程的结构重要性、建筑使用功能以及甲方要需求，在对设计使用期进行明确的前提下，将耐久性退化的影响也纳入了考虑范围之内，从而引申出了建筑工程结构预期使用期可靠度设计的概念。因而使得建筑工程结构可靠度设计将进一步考虑到不同环境中结构耐久性退化的区别、不同预期使用期相应的荷载水平和结构构件抗力退化的差异。
第二，提出了在指定环境、指定预期使用期的建筑工程结构可靠度设计原则，并相应给出了其设计实施方法。此方法简而言之就是确保在结构的预期使用期内其构件可靠度设计指标应当高于现行规范的要求，这一实施方法具体就是通过现行的荷载及抗力分项系数设计计算表达式来实现的。这项原则和方法较为简单明确，因此对于设计人员的掌握非常有利。
第三，针对五种代表性的钢筋混凝土构件，给出了不同预期使用期耐久性设计参数，包括各代表性构件可靠指标衰减随使用期的变化、考虑耐久性的不同预期使用期设计可靠指标和实用设计表达式的耐久性折减系数。通过钢筋混凝土构件设计算例验证了本文方法的有效性，比较了五十年和一百年预期使用期下考虑和不考虑耐久性影响的构件配筋、初始可靠指标和预期使用期末可靠指标。
第四，对于建筑所在环境潮湿的条件下，钢筋锈蚀对受剪构件的可靠度影响显著，必须考虑耐久性退化因素影响；对于轴心受拉、轴心受压、大偏心受压和受弯构件，五十年使用期时可靠度指标变化较小，设计时可以不考虑耐久性退化影响；但随着预期使用期的增加，应该考虑耐久性的影响，并建议按下文方法在设计时予以考虑。
三、建筑工程结构可靠度设计的问题
第一，目前建筑工程结构可靠度设计对其设计使用年限的考虑仅仅按照五十年和一百年来进行简单的划分，对于不同使用功能的建筑物及其设计使用年限的不同需求则基本上完全没有反映。而且其对于设计使用年限唯一的变化还是依靠结构重要性系数γ0来进行反映的，即当需要提高设计使用年限时，就加大结构重要性系数。对于结构计算而言，这显然是不合理的，因为一旦建筑工程结构需要提高其设计使用年限，只是一种功能需求，其计算荷载实际上并没有发生任何变化，但是加大结构重要性系数，其实就是相应加大了建筑工程的荷载效应，这显然与实际完全不符。
第二，建筑工程结构可靠度设计中的结构重要性系数取值也太简单，完全不能反映错综复杂的实际情况。目前建筑工程的结构重要性系数只有0.9、1.0和1.1这三个简单的取值，这对于多种多样的荷载作用以及五花八门的结构类型而言显然是远远不够的。这样进行简单取值的后果往往就是导致设计时过分偏于保守，
第三，目前建筑工程结构可靠度设计中的设计计算表达式也存在一定的缺陷，有时就可能会导致一些明显不合理的计算结果出现。
四、关于改进建筑工程结构可靠度设计的一点看法
针对现行设计方法存在的缺陷，本文对现行设计方法的改进提出了一点看法。首先研究用可变荷载分项系数的变化来考虑不同设计使用年限的影响，用现有标准中隐含的结构在设计使用年限为五十年时的可靠指标，来确定在其他设计使用年限时结构的可变荷载分项系数。其次，确定不同安全等级结构在不同设计使用年限时的重要性系数。按照上述目标，提出了改进的结构设计表达式γ0(γGSGK+γQγLSQK)≤R(γR，?K，aK，…)
设计表达式的改进体现在γ0、γL两个系数上。γ0还是代表结构重要性的系数，用于整个荷载效应组合值。对于不同的设计使用年限，具有不同的重要性系数。γL是不同设计使用年限时结构的可变荷载分项系数，仅用于可变荷载标准值，用来考虑不同设计使用年限时可变荷载的影响。
γ0、γL值确定的原则是当安全等级相同时，按不同设计使用年限所设计的结构具有基本一致的可靠度水平；且当设计使用年限为五十年时，其可靠度水平与现行设计规范所隐含的可靠度水平一致。
改进的设计表达式在形式上与现行《统一标准》规定的表达式比较相近，只是增加了一个分项系数γL。当设计不同使用年限的结构时，只需要确定对应的γL，所以对于工程设计人员的使用不会造成麻烦。
确定在不同设计使用年限时的分项系数γL和重要性系数γ0，首先需要确定现行结构设计规范中所隐含的可靠度水平，并以此为目标可靠指标。由于现行设计规范已对荷载取值原则和抗力分项系数进行了调整，因此在确定现行设计规范所隐含的可靠指标时，也进行了相应的调整。
五、建筑工程结构可靠度设计的总结
第一，对于建筑工程结构可靠度的评定到底是用可靠指标的计算平均值还是用其它参数来作为评定标准，工程界至今仍然没有取得统一的认识。就目前的普遍共识而言，前者的缺陷时显而易见的，但是如何找到一个更好的评定方法目前还无定论。因此，如何通过建筑工程结构可靠度设计来对工程结构的造价及性能指标进行优化，还有待进一步的探索。
第二，作为建筑工程设计预定目标的一项重要的衡量尺度，建筑工程结构可靠度设计不仅应当遵守其一系列相关的客观规律、规范和标准，而且还要充分吸收有关的国内和国际的最新信息。
第三，对于建筑工程结构可靠度设计中的相对一致性而言，应当对整个建筑工程结构的安全性和经济性进行整体的把握。具体来说就是在设计计算的抗力函数当中通过对其局部多抗力系数以及单系数多值等各种方案进行逐步分析，从而找出最优的方案。
六、结语
建筑工程结构可靠度设计的水平，可以说是综合反映了一个国家的建材质量水平、工程设计与施工技术能力、社会资源配置、财富积累乃至国民经济水准。简而言之，如果对建筑工程结构可靠度设计深度进行加强，那么建筑工程结构的直观造价就会有所增加，而维修费用与投资风险则会相应降低；反之，则其工程造价有所减少，而维修费用与投资风险都会相应升高。由此可见，进行建筑工程结构可靠度设计，实际上就是在工程造价和投资风险之间进行利弊的权衡，以求找到最佳的平衡点。
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