建筑工程結構設計值法的應用研究

韓冰

（煙臺東源電力設計有限公司，山東 煙臺 264000）

現(xiàn)代建筑結構中使用了大量不同物理力學性質的材料進行建造，混凝土、石材、鋼材、木材、玻璃等[1]。在結構設計中既要發(fā)揮材料本身的工作特性，保證結構的穩(wěn)定性、強度和變形指標、耐久性指標等要求，也要保證結構材料的選取滿足經(jīng)濟合理的要求，以提高工程建設的經(jīng)濟效益[2]。建筑結構的設計方法與力學理論的發(fā)展息息相關，以往的按幾何學設計或容許應力法設計的理念逐步被實踐所摒棄，并逐步發(fā)展出了基于概率統(tǒng)計的目標可靠度指標設計方法，在工程建筑結構的設計中體現(xiàn)了材料使用周期內(nèi)的工作狀態(tài)，也考慮了結構在建設和運維過程中的不確定性，因此將概率統(tǒng)計的可靠度理論設計方法應用于工程設計更具有科學性[3]。

1 建筑工程可靠度基本計算理論和計算方法

在建筑結構工程建設與使用的全生命周期內(nèi)，不僅需要承載自身的重力，也會承受各種各樣的外荷載，這些外荷載具有恒定的荷載，也有活荷載，比如高大建筑物設計時，需要考慮風荷載，在冬季降雪條件下還應考慮雪荷載。這些荷載的變化不具有確定性，在設計計算階段的取值實現(xiàn)不了精確計算，因此，為了解決建筑結構的可靠性難題，基于概率統(tǒng)計學理論的設計方法是一個有效的解決途徑，讓各種不確定的荷載服從某種概率分布形式，衡量不同概率條件下建筑結構是否失效的可能。在建筑結構可靠度理論設計中，設計的主要目的是將建筑結構材料與目標可靠度指標達成一致，以實現(xiàn)最大化地使用結構的材料性能[4]。

在工程結構可靠性的研究中，需要涉及結構狀態(tài)的的分析方法為極限狀態(tài)方程，這是描述結構在承受荷載時，整體或者局部超過材料的可承受狀態(tài)，比如結構的強度超過極限值、結構失去穩(wěn)定性、發(fā)生大變形不適宜進一步承載等，導致結構失去效用，不能夠滿足設計的預期功能要求。一般而言，涉及到的極限狀態(tài)有承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。描述結構是否達到極限狀態(tài)的功能函數(shù)如方程（1）所示：

式中，fX（x1，x2,…，xn）為概率密度。

如果結構抗力R 和荷載效應S 均服從正態(tài)分布，那么方程（2）可以表達為：

2 基于可靠度指標的建筑工程設計值法

結構可靠度指標與目標可靠度指標之間不可避免地產(chǎn)生偏差，這主要原因是由于在確定設計分項系數(shù)時，不同的設計方法存在不同程度的局限性，優(yōu)化設計方法和設計值法對于確定分項系數(shù)的原則有所不一[6]。在優(yōu)化設計方法中，總體上保持了結構構件計算可靠度與目標可靠度的相互一致，但其前提條件是需要經(jīng)過荷載和抗力的統(tǒng)計來進行校準，而設計值法則建立荷載組合S、結構抗力R 與目標可靠度值見的相互關系，以更為準確地預估各個荷載分項系數(shù)[7]。對于荷載分項系數(shù)與結構抗力分項系數(shù)的計算如方程（8）、方程（9）所示[8]。

當δR大于0.2 時，可以求得

3 設計值法在工程建筑結構計算中的應用

山東省煙臺市某房地產(chǎn)建設工程一期位于2018-CH-52 地塊，位于城區(qū)東北角區(qū)域核心商圈范圍，附近已有配套公用設施，交通便利。項目總投資95000 萬元，項目建設用地約93.6 畝，總建筑面積約241353.70m2，其中地上約174487.20m2，地下約66866.49m2，主要建設14棟24-27 層單元高層住宅建筑、一棟三層幼兒園及四棟低商，居民戶數(shù)1372 戶，容積率2.8，建筑密度19%，綠地率30%，車位配比1:1.1，涵蓋高層、復式、第四代住宅、九班制幼兒園、商業(yè)等多種業(yè)態(tài)。在設計取值中，鋼筋混凝土等級為C30 混凝土，鋼筋材質為HRB335，樓板承受的人群活荷載為4.0kN/m3，樓板的容重取25.0kN/m3，樓板的跨度和板厚分別為3.60m、10cm。

基于建筑工程結構設計法對結構構件的可靠度指標計算，得到荷載效應和結構抗力的分項系數(shù)，分別為恒定荷載分項系數(shù)γG為1.124，辦公樓的活荷載分項系數(shù)γQ1為1.295，住宅樓的活荷載分項系數(shù)γQ2為1.453，按照風險確定的風荷載γQ3為1.572。建筑鋼筋混凝土結構在軸心受壓和受彎條件下的可靠度指標計算結果如表1、圖1 所示。

表1 鋼筋混凝土結構在軸心受壓和受彎條件下的可靠度指標

從圖1 中可以看出，隨著荷載效應比的增加，鋼筋混凝土結構在軸心受壓和受彎條件下的可靠度指標曲線均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；不同荷載組合條件下，鋼筋混凝土結構在彎曲受壓時的可靠度指標峰值均大于鋼筋混凝土結構在受軸向應力時的可靠度指標峰值，且可靠度的下降幅度，前者比后者大，因此彎曲受壓時的可靠度指標的極小值也比受軸向應力時的可靠度指標極小值小；在同一荷載組合條件下，鋼筋混凝土結構的可靠度指標呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

圖1 鋼混結構在軸心受壓和受彎條件下的可靠度指標曲線

圖2 為不同荷載組合條件下，鋼筋混凝土結構分別受軸心荷載和彎曲荷載的目標可靠度與計算可靠度的計算結果。從圖中可以看出，隨著計算可靠度的增加，目標可靠度呈現(xiàn)非線性增加，但增加幅度明顯減小，呈現(xiàn)逐步收斂的趨勢；在相同計算目標可靠度下，軸心受壓的目標可靠度大于彎曲受壓可靠度；在同受力條件下，相同計算目標可靠度的鋼筋混凝土結構，其目標可靠度按照恒載與辦公樓活載組合、恒載與住宅樓活載組合、恒載與風荷載組合的順序依次減小。

圖2 鋼混結構的目標可靠度與計算可靠度指標的關系曲線

圖3 為基于設計值法對目標可靠度指標的校準，目標可靠度與荷載比的計算結果如圖3 所示。從圖中可以看出，隨著荷載效應比的增加，目標可靠度指標呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，目標可靠度指標在荷載效應荷載比為0.4 時達到峰值，峰值大小為4.0。在峰值過后目標可靠度指標的降低沒有下限。

圖3 鋼混結構的目標可靠度隨荷載效應比的變化曲線

4 結論

以山東省煙臺市某房地產(chǎn)建設工程一期為研究對象，在介紹建筑工程可靠度基本計算理論和計算方法的基礎上，研究鋼筋混凝土結構在軸心受壓和受彎條件下的可靠度指標變化情況，得到以下幾個結論：

4.1 研究表明，隨著荷載效應比的增加，鋼筋混凝土結構在軸心受壓和受彎條件下的可靠度指標曲線均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；在同一荷載組合條件下，鋼筋混凝土結構的可靠度指標呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

4.2 隨著計算可靠度的增加，目標可靠度呈現(xiàn)非線性增加，呈現(xiàn)逐步收斂的趨勢；在相同計算目標可靠度下，軸心受壓的目標可靠度大于彎曲受壓可靠度。

4.3 隨著荷載效應比的增加，目標可靠度指標呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，目標可靠度指標在荷載效應荷載比為0.4 時達到峰值，峰值大小為4.0。