工程结构可靠度设计统一标准

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1、工程结构可靠度设计统一标准 第一章 总则 第二章 极限状态设计原则 第三章 结构上的作用 第四章 材料和岩土的性能与几何参数 第五章 结构分析 第六章 分项系数设计方法 第七章质量控制要求 附录一 结构可靠指标计算的一次二阶矩法 附录二 永久作用、可变作用和偶然作用举例 附录三 永久作用标准值的确定原则 附录四 可变作用标准值的确定原则 附录五 可变作用准永久值和频遇值的确定原则 附录六 本标准用词说明 附加说明 第一章 总则第1.0.1条 为统一工程结构可靠度设计的基本原则和方法,使设计符合技术先进、经济合理、安全适用、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

2、、水利水电工程结构可靠度设计统一标准应遵守的准则.在各类工程结构的统一标准#应制定相应的具体规定.第条 本标准适用于整个结构、组成整个结构的构件以与地基基础,适用于结构的施工阶段和使用阶段.第条 工程结构必须满足下列功能要求：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、在设计规定的偶然事件发生时和发生后,能保持必需的整体稳定性.第条 结构在规定的时间内,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.确定结构可靠度与其有关设计参数时,应结合结构使用期选定适当的设计基准期作为结构

3、可靠度设计所依据的时间参数.第条 工程结构设计宜采用分项系数表达的以概率理论为基础的极限状态设计方法.第条 工程结构设计时,应根据结构破坏可能产生的后果危与人的生命,造成经济损失,产生社会影响等的严重性,采用表1.0.7规定的安全等级. 工程结构的安全等级 表安全等级破坏后果一级很严重二级严重三级不严重注：对特殊结构,其安全等级可按具体情况确定. 第条 工程结构中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同.对其中部分结构构件的安全等级可适当提高或降低,但不得低于三级.第条 对不同安全等级的结构构件,应规定相应的可靠度.第条 工程结构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

4、坏两种破坏类型.对脆性破坏的结构,其规定的可靠度应比延性破坏的结构适当提高.第条 当有条件时,工程结构宜按结构体系进行可靠度设计.结构体系可靠度设计,应根据结构破坏特点选定主要破坏模式,并通过结构选型或调正构件可靠度,提高整个结构可靠度设计的合理性.第条 为了保证工程结构具有规定的可靠度,应对结构设计所依据的主要条件进行相应的控制.应根据结构的安全等级划分相应的控制等级.对控制的具体要求,由有关的勘察、设计、施工与使用等标准专门规定.第二章 极限状态设计原则 第条 整个结构或结构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.对于结构的各种极限状态,均

5、应规定明确的标志与限值.第2.0.2条 极限状态可分为下列两类：一、承载能力极限状态.这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形.当结构或结构构件出现下列状态之一时,应认为超过了承载能力极限状态：1整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡如倾覆、滑移等；2结构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结构转变为机动体系；4结构或结构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结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值.当结构或结构构件出现下列状态之一时,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

6、形；2影响正常使用或耐久性能的局部损坏包括裂缝；3影响正常使用的振动；4影响正常使用的其它特定状态.第2.0.3条 工程结构设计时,应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响确定设计状况.工程结构的设计状况可分为下列三种：一、持久状况.在结构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.在结构施工和使用过程中出现概率较大,而持续期较短的状况；三、偶然状况.在结构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,可采用不同的结构体系、可靠度水准和基本变量的设计值等,分别进行可靠度验算.第2.0.4条 对三种设计状况,工程结构均应按承载能力极限状

7、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；对偶然状况,可不按正常使用极限状态设计.第2.0.5条 工程结构设计时,对各种设计状况,应按不同的极限状态确定相应的结构作用效应的最不利组合.第2.0.6条 对偶然状况,结构可采用下列原则之一按承载能力极限状态进行设计：一、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因出现设计规定的偶然事件而丧失承载能力；二、允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏,但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的适当可靠度.第2.0.7条 在结构可靠度分析时,应将结构上的作用、材料和岩土的性

8、能、几何参数以与计算模型的不定性等作为基本变量.可将作用效应、结构抗力等若干个基本变量构成为综合变量.基本变量或综合变量应作为随机变量.第2.0.8条 工程结构的极限状态,应采用下列极限状态方程描述：式中g结构的功能函数；基本变量.第2.0.9条 工程结构按极限状态设计应符合下式要求：当仅有作用效应和结构抗力两个综合变量时,工程结构按极限状态设计应符合下式要求：gS,RRS0 2.0.9-2式中S结构的作用效应；R结构的抗力.第2.0.10条 结构不能完成预定功能的概率应为失效概率.结构构件的可靠度宜采用可靠指标度量.结构构件失效概率与可靠指标的关系为：式中标准正态分布函数；结构构件失效概率的

9、运算值；结构构件的可靠指标.结构构件的可靠指标应根据基本变量的概率分布类型和统计参数计算确定见附录一.第2.0.11条 结构构件设计的目标可靠指标,可在对现有结构构件进行可靠指标校准的基础上,根据结构安全和经济的最佳平衡确定.为确定可靠指标,所有基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验,应用概率理论和数理统计方法,由各类工程结构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验作出规定.第2.0.12条 对持久状况和短暂状况,当按承载能力极限状态设计时,各类结构构件的安全等级每相差一级,目标可靠指标取值宜相差0.5.第2.0.13

10、条 结构构件宜根据规定的目标可靠指标,采用由作用代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以与各相应的分项系数组成的极限状态设计表达式进行设计.第三章 结构上的作用第条 结构上的作用应包括施加在结构上的集中力和分布力,和引起结构外加变形和约束变形的原因.注：施加在结构上的集中力和分布力,可称为荷载.结构上的各种作用,当在时间上或空间上可假定为相互随机独立时,每一种作用均可按单独的作用考虑.当某些作用密切相关,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 结构上的作用可按下列性质分类.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

11、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、偶然作用,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,可变作用和偶然作用举例见附录二.二、按随空间的变异性分类：1、固定作用,在结构上具有固定分布的作用；2、自由作用,在结构上一定范围内可以任意分布的作用.三、按结构的反应特点分类：1、静态作用,使结构产生的加速度可以忽略不计的作用；2、动态作用,使结构产生的加速度不可忽略不计的作用.第条 结构上的作用随时间变化的规律宜采用随机过程概率模型描述.结构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述.结

12、构上的作用的概率分布类型和统计参数,应以观测数据为基础,运用参数估计方法和概率分布的假设检验方法确定.第条 工程结构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结构设计时采用的主要代表值.它代表结构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：永久作用标准值的确定原则见附录三,可变作用标准值的确定原则见附录四.当观测资料不够充分时,标准值也可结合工程经验,经分析判断确定.第条 工程结构设计时,可变作用代表

13、值尚可采用频遇值和准永久值.可变作用的频遇值代表结构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结构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的确定原则见附录五.第条 偶然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验,经综合分析确定.第条 工程结构设计时,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 材料和岩土的性能与几

14、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结构中材料和现场岩土的性能.实际结构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述.材料性能的概率分布类型和统计参数,应以试验数据为基础,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

15、分或情况特殊时,材料性能标准值可结合工程经验,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 几何参数应为与结构、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述.几何参数的概率分布类型和统计参数,应以测试数据为基础,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结构抗力与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

16、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 结构分析第条 结构分析应包括下列内容：一、结构作用效应的分析,确定结构或截面上的作用效应；二、结构抗力与其它性能的分析,确定结构或截面的抗力与其它性能.第条 结构分析可采用计算、模型试验或原型试验等方法.第条 结构分析采用的基本假定和计算模型应能描述所考虑极限状态下的结构反应.根据结构的具体情况,可采用一维、二维、三维的计算模型进行结构分析.第条 当工程结构按承载能力极限状态设计时,根据材料和结构对作用的反应,可采用线性、非线性或塑性理论计算.当工程结构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

17、 当结构承受自由作用时,应根据每一自由作用可能出现的空间位置,确定对结构最不利的作用布置.第条 环境对材料、构件和结构性能的系统影响,宜在结构分析中直接考虑.如湿度对木材强度的影响,高温对钢结构性能的影响等.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基本变量考虑.附加基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精确方法的计算结果或实际观测的结果相比较,经统计分析确定,或根据工程经验判断确定.第六章 分项系数设计方法第条 结构构件极限状态设计表达式中的各种分项系数,应根据有关基本变量的概率分布类型和统计参数,以与规定的目标可靠指标,通过计算分析,并考虑工程经

18、验,经优化后确定.第6.0.2条 作用的设计值Fd应按下式确定：Fd=fFr6.0.2-1式中 Fr作用的代表值；f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/m6.0.2-2式中 fk材料和岩土性能的标准值；m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结构性能有明显影响时,几何参数设计值可按下式确定：ad=aka6.0.2-3式中 a几何参数附加量.第6.0.3条 结构构件按极限状态设计时应符合下式要求：gFd,fd,ad,c,C,o,d 06.0.3式中 c作用的组合系数； C限值,如变形、裂缝宽度、加速度的限值；o结

19、构重要性系数；d反映计算模型不定性的系数.第6.0.4条 当结构构件按承载能力极限状态设计时,可采用下列设计表达式：oSFd,ad,c,sd R6.0.4-1或 osdSFd,ad,c R-2式中S作用效应函数；R抗力函数；sd反映作用效应计算模型不定性的系数；Rd反映抗力计算模型不定性的系数.当考虑偶然作用时,设计表达式宜按下列原则确定：偶然作用分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用,根据观测资料和工程经验采用适当的代表值.此外,尚应考虑偶然作用对抗力的影响.具体的设计表达式与各种系数取值,应由有关标准专门规定.第6.0.5条 当结构构件按承载能力极限状态设计时,对持久状况和短暂状况

20、,应采用各自的基本组合；对偶然状况,应采用偶然组合.基本组合系指永久作用和可变作用的效应组合,可采用下列设计表达式：SGiGik,Q1Q1k,QjcjQjk,sdi=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；Gi第i个永久作用的分项系数；Q1、Qj第一个和其它第j个可变作用的分项系数；cj第j个可变作用的组合系数.偶然组合系指永久作用、可变作用和一个偶然作用的效应组合.第6.0.6条 结构构件设计时,对可变作用的效应组合,可根据参与组合的作用的性质

21、,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结构构件均满足目标可靠指标的原则确定,也可采用有充分依据的其它方法确定.第6.0.7条 当永久作用效应对结构构件承载能力起有利作用时,公式6.0.5中永久作用分项系数G的取值不应大于1.0.第6.0.8条 当结构构件按正常使用极限状态设计时,可采用下列设计表达式：SFd,fd,ad,o,d C6.0.8-1或 odSFd,fd,ad C6.0.8-2 第6.0.9条 当结构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

22、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 对工程结构应实施为保证结构可靠度所必需的质量控制.工程结构的质量控制应包括下列内容：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 对工程结构的各项质量控制应由相应标准作出规定.在各类工程结构的可靠度设计统一标准中,宜规定与目标可靠度相应的结构和构件的质量水平与有关的质量控制原则.第条 勘察与设计的质量控制应达到下列要求：一、勘察资料齐全,数据准确,结论可靠

23、；二、设计中采用的基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 工程结构材料和制品的质量控制应包括下列内容,并达到相应的要求：一、初步控制.在试生产阶段,通过试配或试运行,确定合理的原材料组成和工艺参数,为生产控制提供材料、制品和结构性能的统计参数.二、生产控制.在生产阶段,对原材料组成和工艺过程进行控制,保证材料、制品和结构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行合格性验收,保证材料、制品和结构的质量符合规定.第条 为进行施工质量控制,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

24、量,应采用统计方法进行抽查；在结构的关键部位应进行系统检查.第条 在工程结构的使用期间,应保持设计预定的使用条件,定期检查结构状况,并进行必要的维修.当实际使用条件与设计预定的使用条件不同时,应进行专门的验算和采取必要的措施.附录一 结构可靠指标计算的一次二阶矩法 一结构的极限状态方程应采用下列表达式：式中为基本变量,如各种作用、材料性能和几何参数等,假定它们为统计独立.二结构的可靠指标可按下列公式计算：式中基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：当基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下列公式计算：式中标准

25、正态分布函数的反函数；标准正态概率密度函数.注：结构的可靠指标也可采用其它方法计算.对于基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,可靠指标宜采用更精确的方法计算.附录二 永久作用、可变作用和偶然作用举例一永久作用：1、结构自重；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、引起结构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、施工中结构的某些自重；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；1

26、3、温度变化.三偶然作用：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 永久作用标准值的确定原则各种永久作用的标准值,可按下列方法确定：一结构自重的标准值,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.对某些结构,可考虑尺寸的变异,采用较大和较小的两个标准值.二非承重结构自重的标准值,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.若移去这部分自重使结构处于不利状态,则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

27、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 可变作用标准值的确定原则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与最小值的概率分布函数可分别按下列公式计算：式中 Fx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

28、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接受的概率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.当可变作用增大对结构产生不利效应时,标准值由下列公式确定：此时,概率p应取较大值.当可变作用减小对结构产生不利效应时,标准值由下列公式确定：此时,概率p应取较小值.当可变作用标准值以重现期Tr年表达时,标准值可由可变作用年最大值概率分布函数Fx中概率为p的分位值确定：附录五 可变作用准永久值和频

29、遇值的确定原则对可变作用可选择足够长的观测期进行连续观测,以确定准永久值和频遇值.当条件不具备时,也可根据必要的观测经判断确定.一可变作用的准永久值根据连续观测数据,可获得可变作用Q随时间t的变化规律见附图5.1.附图5.1 可变作用准永久值的确定可按可变作用值超过准永久值的总持续时间与整个观测期的比值确定准永久值.可取0.5.二可变作用的频遇值可采用下列两种方法之一确定频遇值：1按与准永久值相同的原则确定,但的取值应相当小.2按可变作用超过频遇值的次数n与整个观测期的比值确定.称为跨阈率,一般根据经济因素确定.当工程结构按正常使用极限状态设计时,可按两种情况区别对待：1结构部分损坏例如开裂.

30、一般系因出现可变作用的较高值所致,故宜按跨阈率确定.2结构功能降低例如出现不舒适的振动.一般受可变作用总持续时间的影响较大,故宜按比值确定.附录六 本标准用词说明一、为便于在执行本标准条文时区别对待,对要求严格程度不同的用词说明如下：1表示很严格,非这样做不可的.正面词采用必须；反面词采用严禁.2表示严格,在正常情况下均应这样做的：正面词采用应；反面词采用不应或不得.3对表示允许稍有选择,在条件许可时首先应这样做的：正面词采用宜或可；反面词采用不宜.二、条文中指定应按其它有关标准、规范执行时,写法为应符合的规定.附加说明 本标准主编单位、参加单位和主要起草人主编单位：中国建筑科学研究院参加单位：铁道部科学研究院铁道部专业#交通部公路规划#交通部水运规划#交通部第一航务工程勘察#能源部水利部水电规划设计总院河海大学#师范大学重庆交通学院主要起草人：李明顺、胡德炘、陈基发、马坤贞、姚明初、曹起凤、赵顺昌、杨松泉、贺铮、沈义生、林忠民、邹天一17 / 17