荷载分项系数调整对结构构件承载力评定分级标准的影响

程凯凯,程正杰,姚继涛,翁光远

(1.西安石油大学 土木工程学院,陕西 西安 710065;2.西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055)

为充分利用老旧建筑物,需对其结构构件的安全性和适用性进行评定。可靠性评定的实质是判定既有结构构件在各种极限状态下的可靠度是否满足现行设计标准的要求,并在不满足时,根据相差的程度提出相应的处理方案[1-3]。我国既有结构构件承载能力评定的分级标准主要体现于现行国家标准《民用建筑可靠性鉴定标准》[4](GB 50292—2015)和《工业建筑可靠性鉴定标准》[5](GB 50144—2019)中,其评定方法和评定指标都是以标准规定的可靠指标为判断依据的。荷载分项系数是结构构件设计和评定中的重要参数,其取值直接关系到结构构件的可靠性。随着我国经济建设的发展和社会财富的积累,人们对建筑结构安全性不断提出更高的要求,相应的可靠度规范和行业设计规范也在不断更新。目前的《建筑结构可靠性设计统一标准》[6](GB 50068—2018)中对荷载分项系数取值较之前有所提高,调整后建筑结构构件的可靠指标有着不同程度的提升。而目前鉴定规范并未对新标准的调整做出响应,为适应我国目前可靠性标准的新要求,有必要根据新规范对原鉴定分级标准进行调整和修订,适当提高鉴定评级标准的水准,以与《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)相衔接。

借鉴国际标准中设计值法的基本思想,姚继涛等[1]提出既有结构可靠性评定的设计值法,该方法直接考虑基本变量概率特性、目标可靠指标和后续使用年限变化对评定结果的影响。蒋济同等[7]求解了设计基准期下对应的鉴定分级系数,计算了现行规范下不同后续使用年限对应的鉴定分级系数。幸坤涛等[8]研究了新修订的《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144—2019)中可靠指标分级标准和抗力荷载效应之比分级标准。姚继涛等[9]校核了工业建筑可靠性鉴定标准中各等级界限值所对应的典型构件不同受力状态下的可靠指标,揭示了鉴定分级可靠度控制水平。程凯凯等[3]基于可靠度理论,确定了既有结构构件安全性分析和可靠性评定分析中目标可靠指标的取值与不同使用年限的关系,指出可靠性分级标准应考虑不同目标使用期对目标可靠指标的影响,对其进行更细致地划分。陈大川等[10]通过计算砌体结构构件在不同安全等级下的可靠指标,综合考虑荷载分项系数调整前后砌体结构构件可靠指标的变化,并以此为基础提出改进的分级标准。

本文以一般民用建筑为研究对象,选择14种典型结构构件,计算其抗力分项系数,考虑永久荷载与办公室楼面活荷载、永久荷载与住宅楼面活荷载、永久荷载与风荷载、永久荷载与雪荷载四种简单组合和常用的荷载效应比,通过当量正态化和验算点法对典型构件荷载分项系数调整前后在不同安全性等级下的可靠指标变化进行分析,并据此提出基于《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)的分级标准,为国家标准的修订和实际工程的鉴定提供参考。

1 构件承载能力评定分级标准及相关参数取值

1.1 构件承载能力评定分级标准

目前对既有结构可靠性的评定主要采用结构可靠度设计中的校核方法。实际工程应用中,对于既有结构构件而言,均是按照构件抗力和其荷载效应的比值而不是根据可靠指标进行安全性鉴定的[4-5],而结构构件的验算应在详细调查工程质量的基础上按现行设计规范进行,这也就要求其评定分级应以《建筑结构可靠性设计统一标准》规定的可靠指标为基础,来确定安全性等级的界限。文献[11]规定了两种质量界限,即设计要求的质量和下限质量,前者为材料和构件的质量应达到或高于目标可靠指标要求的期望值,后者系按目标可靠指标减少0.25确定的,此值相当于其失效概率运算值上升半个数量级。基于以上考虑,《民用建筑可靠性鉴定标准》[4]以抗力和荷载效应比为指标,将结构构件的承载力等级划分为au、bu、cu和du四个等级。其中au级指符合现行规范要求,不必采取措施的情况,bu、cu和du级则指不符合现行规范要求得情况,且其不满足程度依次增大,bu级可不采取措施,cu和du级构件则应采取加固措施提高构件的可靠度水平。民用建筑构件承载力评定的分级标准和与实用分级标准相对应的可靠指标分级分别见表1和表2。

表2 结构构件承载能力分级标准对应的可靠指标分级标准

采用按《建筑结构可靠性设计统一标准》规定的目标可靠指标和两种质量界限来划分承载能力验算项目的安全性等级,不仅能很好地处理可靠性鉴定标准与《建筑结构可靠性设计统一标准》接轨与协调的问题,而且更重要的是避免了单纯依靠专家投票决定分级界限所带来的概念不清和可靠性尺度不一致的缺陷。

1.2 荷载分项系数的调整

新版《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2018)自2019年4月1日正式实施,取消了以永久荷载起控制作用时永久荷载分项系数取1.35的组合方式,提高了永久荷载和可变荷载的分项系数,永久荷载分项系数由原来的γG=1.2调整到γG=1.3,可变荷载分项系数由原来的γG=1.4调整到γG=1.5,因此目前设计时荷载效应的基本组合仅有一种组合方式,即1.3SG+1.5SQ,调整前、调整后的荷载分项系数对比见表3,同时表3中也列出了国外一些规范中荷载分项系数的取值。

表3 国内外规范荷载分项系数对比

1.3 荷载统计参数取值

对于恒载,一般认为恒载服从正态分布[16]。对于可变荷载,多采用极值Ⅰ型分布概率模型,其统计参数可根据极值Ⅰ型分布数学模型以及设计基准期内发生超越荷载设计值的概率一致的原则进行求解。各荷载统计参数取值见表4[17]。

表4 荷载效应的分布类型和统计参数取值[17]

1.4 抗力不确定性及抗力分项系数

构件抗力的不确定性包括几何参数不确定性、材料性能不确定性和计算模式不确定性[18]。选择14种具有代表性的结构构件,对不同的结构构件类型,不同受力状态下其统计参数存在差别,各类结构构件的抗力统计参数见表5[19]。

根据设计值法,有:

FR(Rd)=Φ(-αβ)

(1)

式中:Rd为抗力的设计值;β为目标可靠指标;α为按一次二阶矩法计算可靠指标β过程中抗力的灵敏度系数,对于主控抗力,取0.8[5]。基于设计值法和目前结构构件设计表达式,对于服从对数正态分布的抗力[20],其分项系数γR可表达为:

(2)

式中:μR为抗力的均值;χR为抗力的均值系数;δR为抗力的变异系数。计算得到的各类结构构件抗力分项系数见表5。

表5 各类结构构件抗力分布类型和统计参数取值

2 基于新标准的构件承载能力分级标准

考虑永久作用和一个可变作用的典型构件,其功能函数为Z=Rk/γR-γ0(γGSG+γQγLSQ),其中Rk、SG、SQ分别为构件抗力、永久荷载效应和可变荷载效应标准值;γR、γG、γQ分别为抗力、永久荷载和可变荷载分项系数;γ0为结构重要性系数;γL为可变荷载调整系数。荷载分项系数如表3,抗力分项系数见表5。考虑永久荷载与办公室楼面活荷载、永久荷载与住宅楼面活荷载、永久荷载与风荷载、永久荷载与雪荷载四种荷载组合形式。各组合形式下活恒载效应比ρ按不同材料结构构件取值[21],根据荷载效应组合和效应比ρ,采用表4和表5中的统计参数,计算构件抗力平均值,采用验算点法计算安全等级为二级时荷载分项系数调整前后结构构件所隐含的可靠指标,计算结果见表6。结果表明:荷载分项系数调整后au、bu、cu和du四个等级的边界值所对应的可靠指标均有所提高,对于延性破坏可靠指标增加值分别为0.37、0.37、0.38、0.35,对于脆性破坏可靠指标增加值为0.31、0.31、0.32、0.32,因此荷载分项系数调整后安全等级为二级的结构构件延性破坏和脆性破坏的目标可靠指标应提高为3.6和4.0。对照《民用建筑可靠性鉴定标准》[4]中构件承载力评定的实用分级标准,可以确定荷载分项系数调整后结构构件承载能力的评定等级,见表7。表7中可靠指标分级标准综合了我国在构件可靠度控制方面的经验和现状,反映了构件类型、破坏形式等因素的影响,提出了基于《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)的分级标准,能更准确、合理地控制各类构件的可靠度水平。

表6 安全等级为二级时荷载分项系数调整前后结构构件的可靠指标计算值

表7 荷载分项系数调整后结构构件承载能力分级标准对应的可靠指标分级标准

3 结 论

既有建筑结构构件承载能力的评定等级应与当前规范规定的可靠指标具有一致性。考虑《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)对荷载分项系数取值的调整,各典型结构构件承载能力在各分级界限下的可靠指标校核结果表明,目前《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)中构件承载力评定的分级标准偏于保守,新标准荷载分项系数调整后au、bu、cu和du四个等级的边界值所对应的可靠指标均有所提高,对于延性破坏可靠指标增加值分别为0.37、0.37、0.38、0.35,对于延性破坏可靠指标增加值为0.31、0.31、0.32、0.32。

基于此,本文提出了荷载分项系数调整后结构构件承载能力的评定等级,这更符合我国目前对结构构件的可靠度控制水平,实现可靠性评定与可靠度控制水平的统一。本文的分析和建议可为安全等级为二级时结构构件承载能力评定等级的修订提供参考,对安全等级为一级和三级的承载能力评定等级还有待进一步研究,同时可为结构构件按变形、构造、裂缝宽度等项目的评定提供参考。