建筑结构可靠度性相关问题探讨

蔡凤维，王建华，金灿国

（1、广东省建筑设计研究院有限公司 广州510010；2、清华大学建筑设计研究院有限公司 北京100012）

0 引言

我国现行《建筑结构可靠性设计统一标准：GB 50068-2018》［1］采用可靠度来度量结构的可靠性，结构在规定的使用年限内应具有足够的可靠度，结构可靠度采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定。但文献［1］仍存在一些争议，比如设计使用年限与可靠度之间的相关性、结构抗震可靠度等等问题仍需解决。

近几年建筑事故频发，比如多起无梁楼盖坍塌事故，是可靠度本身问题，还是设计重大失误或施工质量不合格造成［2］，如设计荷载考虑不足、构造措施不当、施工材料强度没有达到要求，不按设计图纸施工，偷工减料，野蛮操作等；又或是不合理使用造成，如超载使用，不合理改造等。

工程结构可靠度是指结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的能力。“规定的时间”和“规定的条件”分别指设计基准期和不考虑人为过失的影响；工程结构可靠度是否可以考虑不同的设计基准期和考虑人为过失的影响，有待进一步研究［3］。

1 现行建筑结构可靠度问题探讨

文献［1］采用可靠度来度量结构的可靠性，各类材料结构设计规范的结构可靠度和极限状态设计原则，均采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法，以分项系数设计表达式进行设计计算。

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，结构可靠指标由μs、σs、μR、σR四个参数确定，前两个参数跟结构上各种作用等变量相关，后两个参数跟材料性能、几何参数等变量相关；结构上各种作用、材料性能、几何参数等变量的取值，是在选取一个时间参数以概率理论为基础的原则下综合确定的，选取的时间参数我们称之为设计基准期，文献［1］选取的设计基准期为50 年；结构构件承载能力极限状态设计时采用的可靠指标，是以建筑结构安全等级为二级、设计基准期为50 年，延性破坏的β值取3.2 作为基准。可靠指标β与失效概率运算值Pf的关系如表1所示；安全等级为一级或者三级时，通过结构重要性系数1.1 或0.9 调整，可靠指标相应有±0.5 的调整，如表2所示；建筑安全等级与建筑物类型相应关系如表3所示。

综上分析可知，文献［1］可靠度的计算方法，仅与设计基准期（取50年）和安全等级相关，与设计使用年限没有必然相关性，同时也未考虑设计和施工质量等变量的影响。

表1 可靠指标β与失效概率Pf运算值之间的关系Tab.1 Relationship between Reliability Index β and Failure Probability Pf Operation Value

表2 结构构件极限承载能力的可靠指标Tab.2 Reliability Index of Ultimate Bearing Capacity of Structural Members

表3 建筑结构的安全等级Tab.3 Safety Classification of Building Structures

想要了解不同设计使用年限的可靠度，我们需要分析设计使用年限和设计基准期之间有何种联系［4］；可靠度计算方法中各参数取值与设计基准期是相关的，比如可靠度计算方法中荷载、材料强度、分项系数等参数的取值都是采用设计基准期为50年确定，但设计基准期不等同于结构设计使用年限，若设计使用年限刚好为50 年，此时可以以表2的可靠指标来度量结构的可靠度，然而文献［1］仅建立设计基准期为50 的概率模型，设计基准期5年、25年、100年的可变荷载、材料强度等参数的概率模型尚未建立，也就是说设计基准期为5 年、25 年、100 年的荷载、材料强度等参数如何取值没有规定；若结构设计使用年限为5 年、25年、100年，文献［1］提供不了相配套的可靠指标，可靠度的确定也就无从谈起；现阶段文献［1］只能在概念上通过调整重要性系数来调整不同设计使用年限建筑结构的安全性能；但是设计使用年限为100 年和50年的特别重要的建筑，安全等级均可取为一级，也就是重要性系数均取1.1，两者可靠度相同；设计使用年限为100年的建筑，安全等级可取为二级或者一级，重要性系数同样取1.1？值得探讨。

安全等级与破坏后造成的后果严重程度有关，设计使用年限与建筑结构重要性有关，故安全等级的选取与设计使用年限有一定的相关性，但并不是一一对应的关系，比如幼儿园、小学教学楼等建筑结构，破坏后对社会影响很大，安全等级可以定义为一级，设计使用年限可以是50年；建议把设计使用年限与安全等级相匹配，明确设计使用年限100 年的建筑对应安全等级为一级，设计使用年限50年的建筑对应安全等级为二级，设计使用年限25年的建筑对应安全等级为三级，从而区分不同设计使用年限建筑结构可靠度。

前面提高结构可靠性跟设计和施工质量相关，即使结构理论上的可靠度再高，如果设计和施工质量差的话，结构真实的可靠度没法得到保障；然否在可靠度计算公式中加入新的变量考虑设计和施工质量的影响，或者根据设计单位和施工单位的信用评级不同乘以不同的安全系数等方法考虑其影响。

文献［1］没有明确建筑结构设计使用年限和耐久性使用年限之间的区别；当设计使用年限大于设计基准期，比如设计使用年限为100年，结构设计需考虑地震动参数调整、可变荷载取值调整系数，耐久性也应符合相关规范要求［5］。

2 结构抗震可靠度问题探讨

文献［1］第5.2.9条规定，对地震作用，应采用地震作用的标准值。地震作用的标准值应根据地震作用的重现期确定；地震作用的重现期可根据建筑抗震设防目标，按有关标准的专门规定确定。50年内超越概率约10%的地震烈度，重现期约为475 年；根据可靠性一致的原则，设计使用年限为100 年，超越概率约10%的地震烈度，重现期约为958 年。依据重现期可以推导出新的地震动参数，设计人员可以采用新的地震动参数进行设计，比如设计使用年限100 年的地震动参数可以以设计基准期50 年的地震动参数为基础通过公式推导得出［6］。

现行《建筑抗震设计规范（2016 版）：GB 50011-2010》［7］第5.4.1 条，公式5.4.1 分项系数表达式中未体现重要性系数，建筑重要性不同的建筑结构，可靠度没有通过重要性系数来调整，《建筑工程抗震设防分类标准：GB 50233-2008》［8］采用抗震设防类别来体现建筑重要性，不同抗震设防类别采用不同的抗震设防标准，不同的抗震设防标准采用不同的地震动参数和抗震等级来衡量抗震设防要求高低（即可靠度）。

《建筑抗震设计规范：GBJ 11-89》提出“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则一直延用至今，采用小震作用进行结构承载力计算，保证小震不坏，通过抗震措施调整实现中震可修，规范延续几十年的设计理念，有其合理性；最初因为经济落后的原因，本着“好钢用在刀刃上”的原则，采用小震弹性计算，引入抗震措施的概念，采用不同的内力调整系数进行构件设计，并通过抗震构造措施的保证，满足“强剪弱弯、强梁弱柱、强节点弱杆件”的概念设计，实现中震可修的目标。

依文献［7］设计，我国建筑结构中震地震影响系数最大值均为小震地震影响系数的2.8 倍左右［9］，然而对高层或超高层建筑，抗震设计时，采用抗震等级更高，构造截面设计时的内力调整系数更大，抗震构造措施要求更严格，结构承载力更高，延性更好，相同烈度情况下，中低层建筑结构比高层、超高层的建筑结构可靠度更低；不同设防烈度区中，低烈度区结构比高烈度区结构可靠度更低。

相同中、高烈度区的结构不能控制大致相同的结构抗震安全性。8度（0.2g）及以上的建筑结构承受的地震作用较大。部分规则建筑仅仅高度超限，需要进行超限审查，进行性能设计。其结果往往是小震设计不能包络，由中震工况控制［10］。相比之下，仅高度稍低、按小震设计、无需超限审查的结构安全度偏低较多。

直接采用中震作用进行结构承载力验算，确保小震不坏，中震可修，取消抗震措施内力调整系数的概念，荷载效应采用标准值，采用材料标准值计算构件承载力，让设计人员更加直观准确把握抗震结构可靠度。

3 结论

本文针对现行的建筑结构设计可靠性问题进行分析探讨，得出以下结论：

⑴文献［1］可靠度的计算方法，仅与设计基准期（取50年）和安全等级相关，与设计使用年限没有必然相关性。建议把设计使用年限与安全等级一一对应，区分不同设计使用年限建筑结构可靠度。

⑵建议可靠度计算公式中加入新的变量考虑设计和施工质量的影响，或者根据设计单位和施工单位的信用评级不同乘以不同的安全系数等方法考虑其影响。

⑶建议文献［1］明确定义耐久性使用年限；若仅为耐久性使用年限为100 年的功能时，设计基准期仍为50 年，抗震设防类别和相应的设防标准按文献［7］的规定采用，仅满足耐久性100 年相关要求即可。若设计使用年限为100 年时，设计使用年限大于设计基准期，结构设计需考虑地震动参数调整、可变荷载取值调整系数，耐久性也应符合相关规范要求。

⑷现有规范体系采用小震作用进行结构承载力计算，保证小震不坏，通过抗震措施调整实现中震可修，但是设计人员无法准确把握结构可靠度；建议采用中震作用进行结构承载力验算，确保小震不坏，中震可修，取消抗震措施内力调整系数的概念，荷载效应采用标准值，采用材料标准值计算构件承载力，让设计人员更加直观准确把握抗震结构可靠度。