方健 夏礼航

摘要：结构设计是建筑设计工作的有机组成部分，是建筑工程过程的重要关节，关乎整体建筑大局。受制于建筑设计的结构设计，往往是出现在建筑设计之后的。虽然结构设计会对建筑设计产生一定的影响，但其影响绝不可能是破坏性的。建筑结构设计具有系统性，这要求相关技术人员要拥有严谨的工作态度和重组的理论功底。

关键词：结构可靠度分析;方法

建筑结构的可靠性是指工程结构在规定条件下和规定时间内的安全性、适用性和耐久性。其中，安全是指施工过程中各种施工环境下正常施工给予施工人员的安全保障，以及建筑本身的抗灾能力和对高强度气候变化的耐受能力。适用性是指建筑结构建成后的预期功能，耐久性是指在正常后勤保障下的正常使用时间。

简单来说，建筑结构的可靠性是指建筑结构在特定的时间和空间条件下能够达到预期功能的概率。换句话说，可靠性问题是一个概率问题，主要表达对投入的预期收益的概率评价。建筑的可靠性计算需要综合考虑原材料质量、数学、预期载荷、相关参数、函数的数学精度等因素。在建筑领域，这些因工程变化而变化的随机因素称为基本变量，在长期的实践和改进中，通过大量的统计计算，为每个基本变量获得一个常数的数学函数。

一、结构工程中的不确定性及其来源

地层介质特性参数的不确定性，地层介质的形成经历了漫长的地质年代，并不断经历自然地址构造运动和人类活动的影响，使地层介质在多数情况下都明显呈现非均质、非线性、各向异性和随即离散等特性。

岩土体分类的不确定性，各种岩土体分类法是根据相关的工程部门的规范或标准进行制定，通常这些标准都是经过了长期的计算结合结果和经验拟定，在实际工作中往往带有一些不确定性，在特殊情况下相关工程师对标准有些不同的理解和处理方法，因此会在使用岩土体分类法时得到不同的结果，导致岩土体分类的随机性，最后导致了建筑结构设计的不确定性。

影响地下结构分析的主要不确定因素大致分为两类，分别为荷载与抗力的不确定性和抗力。结构施工、设计涉及的荷载包括已明确的荷载因素和未明确的其他因素。

自然条件的不确定性：岩土介质的力学性状与自然条件有着密切关系。当自然条件发生较大的变化时，岩出介质的性状大多会发生很大变化，如果对这种影响估计不足或没有很好的掌握其规律，就会出现意想不到的严重事故，因此自然条件的不确定性对岩土体变破影响采用确定性分析方法是较难以模拟的。

二、我国结构设计方法的演变过程

容许应立法以一个点的安全决定结构构件的安全，而且当时的安全系数主要依据经验确定。60年代：三系数极限状态设计发。三系数：工作条件系数;荷载系数;材料匀质系数。80年代：概率极限状态法，以可靠度理论为基础，用多个分项系数表达的设计方法。多个分项系数：结构构件重要性系数，荷载分项系数，材料分项系数等。21世纪初：概率极限状态法，与80年代的设计方法相比，设计理论与方法上无大的变化，但可靠度有较大的提高，用钢量增加10%，造假增加5%左右。

三、结构可靠度设计的基本原理

结构功能和功能效益。动作：是结构或部件的内力和变形的各种原因的集合。直接作用（荷载）：以力的形式直接作用在结构上;间接作用：以变形的形式作用于结构，或者引起结构的附加变形和约束变形。动作按其随时间的变异性分类，永久动作：的值不随时间变化或与其平均值（恒载）相比变化很小;可变作用：的值随时间变化或与平均值相比不可忽略，如活载;偶然动作：是一种幅度大、持续时间短的动作（在使用过程中不一定发生）。作用效果：指内力和变形（轴力、剪力、弯矩、扭矩、变形、裂缝等。）的结构或结构构件引起的动作。

结构抗力：整个结构或结构构件承受作用效应的能力，即内力和变形，如构件的承载力和抗裂能力。影响因素：是材料性能（强度、变形模量等。），几何参数（构件尺寸等。），以及计算模型的准确性。

四、结构设计应满足的要求

建筑结构设计主要包括三个阶段：结构方案设计、结构计算和施工图设计。在建筑设计过程中，技术人员应勘察待建建筑，分析其重要性，并根据建筑的高度和层数以及建筑面积的抗震设防烈度和类型确定建筑的结构形式。

结构设计是严格规范的，所以结构设计有其特殊的功能要求。可靠性是技术人员的首要考虑，也就是说，设计的建筑在规定的条件下，在使用寿命内应满足耐久性、适用性和安全性的要求。结构设计要保证整体的牢固性，充分考虑各个构件的各个连接是否牢固，检查各个构件是否安全，以保证建筑结构的安全;在考虑可靠性和安全性的同时，技术人员还应考虑结构本身的适应性，即结构没有超出正常使用范围的振动和变形，其工作性能仍能保持;最后，结构设计还应考虑结构的耐久性，也就是说结构的刚度和承载力不会在外部因素的影响下降低，对结构的安全性构成威胁。

五、多个非正态分布随机变量

在设计验算点Xi，用等效正态分布随机变量代替非正态分布随机变量是必要的（等效归一化处理）。

正交變换法：是最简单的近似可靠性指标的方法。只需要考虑随机变量的一阶矩和二阶矩，以及它们对应函数的常数项和泰勒级数展开的一阶项。在随机变量相对独立的前提下，可以在笛卡尔空间建立求解可靠性指标的公式。

六、荷载作用的统计分析方法以及作用效应组合

（一）按结构的承载能力极限状态设计的作用效应

在此分类标准下，可总结为为两种作用效应组合，即基本组合和偶然组合。作用效应基本组合表示为荷载的可变作用设计值效应和荷载的永久作用的设计效应的相关组合，这种组合在设计时比较常用，在进行结构可靠度设计时是应当考虑的。结构荷载的偶然组合则并不一定要考虑从可变作用效应参与在其中，在一些特殊的情况进行结构设计时，偶然组合不是所有的结构都要考虑的，一些特殊的组合可以直接采取其他特殊的相对应有效的措施解决。

（二）按正常使用极限状态设计的作用效应组合

在一些常见建筑结构例如桥梁路面等，在进行正常使用极限状态设计的作用效应组合时，需要考虑可变作用荷载中的长期和短期的效应组合。在考虑到正常使用状态下的裂缝开度和结构的挠度，根据承载能力极限状态得到的结构可靠度往往要低得多。

七、影响抗力的不定性因素与抗力的统计分析方法

影响结构抗力的主要因素包括：结构构件材料性能的不定性;结构构件几何参数的不定性;结构构件计算模式的不定性。结构的作用或荷载的不定性影响作用。

在结构抗力分析方法中，直接进行统计分析过程一般比较复杂不容易得到较好的结果，所以需要采取间接分析方法，即先确定统计参数，需要通过对结构抗力进行部分的统计分析并针对主要影响因素分析得到，其次结合结构抗力抗力与各个相关因素之间的函数关系，从相关影响因素的统计参数推求结构抗力的统计参数和概率分布类型，当确定构件抗力及其各项影响因素的统计参数时，采用近似公式。

八、现行规范采用的设计表达式以及各系数的来源

（1）根据《荷载规范》的要求，结构构件承载力设计应根据荷载效应的基本组合或偶然组合进行，其一般表达式为：γ0·S≤R，式中：（1）γ0：结构重要性系数;（2）S：结构效应组合的设计值;（3）R：结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。（2）其中γ0、S、R都体现了可靠度。（1）结构效应组合的设计值相对于荷载标准作了一定的放大（设计值=分项系数x标准值）;（2）结构构件抗力的设计值国家规范在确定其数值时也考虑了构件可靠度使得规范的构件抗力比实际构件的抗力要小一些。

参考文献：

[1]王梓坤.概率论基础及其应用[M].科学出版社，1976，7.

[2]刘楚中，舒兴平.建筑结构可靠度[M].湖南科学技术出版社，1996，8.

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