作用的设计值

8.2  承载能力极限状态

8.2.1  本条列出了四种承载能力极限状态，应根据四种状态性质的不同，采用不同的设计表达方式及与之相应的分项系数数值。

    结构或结构构件的破环，也包括基础等。

对于疲劳破坏，有些材料(如钢筋)的疲劳强度宜采用应力变程（应力幅）而不采用强度绝对值来表达。

8.2.2   式(8.2.2-1)中，包括荷载系数， 包括材料系数(或抗力系数)，这二类系数在一定范围内是可以互换的。

以建筑结构中安全等级为二级、设计使用年限为50年的钢筋混凝土轴心受拉构件为例：

设永久作用标准值的效应=10，可变作用标准值的效应=20， 钢筋强度标准植，求所需钢筋面积。

方案1 ： 取=1.3，=1.5，=1.1，则由式（8.2.4-2），作用组合的效应设计值1.3×10+1.5×20=43()，取=43，则=43×1.1/(400×0.001)=118.3。

方案2 ： 取＝1.192（＝1.3×1.1/1.2），＝1.375（＝1.5×1.1/1.2）， =1.2 (=1.1/(1.1/1.2)) ，则由式（8.2.4-2），作用组合的效应设计值1.192×10+1.375×20=39.42()，取=39.42，则=39.42×1.2/(400×0.001)=118.3。

方案1和方案2是完全等价的，用相同的钢筋截面积承受相同的拉力设计值，安全度是完全相同的。

方案1的荷载系数及材料系数与国际及国内比较靠近，而方案2则有明显差异，方案2不可取。

8.2.4  对基本组合，原标准只给出了用函数形式的表达式，设计人员无法用作设计。《建筑结构可靠度设计统一标准》给出了用显式的表达式，设计人员可用作设计，但仅限于作用与作用效应按线性关系考虑的情况，非线性关系时不适用。

本标准首次提出对各类工程结构、对线性与非线性二种关系全部适用的，设计人员可直接采用的表达式。

本标准对结构的重要性系数用表示，这与原标准相同。

当结构的设计使用年限与设计基准期不同时，应对可变作用的标准值进行调整，这是因为结构上的各种可变作用均是根据设计基准期确定其标准值的。以房屋建筑为例，结构的设计基准期为50年，即房屋建筑结构上的各种可变作用的标准值取其50年一遇的最大值分布上的“某一分位值”，对设计使用年限为100年的结构，要保证结构在100年时具有设计要求的可靠度水平，理论上要求结构上的各种可变作用应采用100年一遇的最大值分布上的相同分位值作为可变作用的“标准值”，但这种作法对同一种可变作用会随设计使用年限的不同而有多种“标准值”，不便于荷载规范表达和设计人员使用，为此，本标准首次提出考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，以设计使用年限100年为例，的含义是在可变作用100年一遇的最大值分布上，与该可变作用50年一遇的最大值分布上标准值的相同分位值的比值，其他年限可类推。在附录A.1中对房屋建筑结构给出了的具体取值，设计人员可直接采用；对设计使用年限为50年的结构，其设计使用年限与设计基准期相同，不需调整可变作用的标准值，则取=1.0。

永久荷载不随时间而变化，因而与无关。

当设计使用年限大于基准期时，除在荷载方面考虑外，在抗力方也需采取相应措施，如采用较高的混凝土强度等级、加大混凝土保护层厚度或对钢筋作涂层处理等，使结构在更长的时间内不致因材料性能劣化而降低可靠度。

式（8.2.4）中第1个可变作用即为主导可变作用。

8.2.5  偶然作用的情况复杂，种类很多，因而对偶然组合，原标准只用文字作简单叙述，本标准根据《工程结构可靠性设计统一标准》ＧＢ　５０１５３－２００８给出了偶然组合效应设计值的表达式，但未能统一选定(8.2.5)中用或，有关的设计规范应予以明确。

8.2.6  各类建筑结构都会遭遇地震，很多结构是由抗震设计控制的。

国内外对地震作用的研究，今天已发展到可统计且有统计数据了。可以给出不同重现期的地震作用，根据地震作用不同的取值水平提出对结构相应的性能要求，这和现在无法统计或没有统计数据的偶然作用显然不同。将地震设计状况单独列出的客观条件已经具备，列出这一状况有利于建筑结构抗震设计的统一协调与发展。

8.2.7　我国建筑结构抗震设计已经积累了丰富的经验，并凝炼出具有我国特色的建筑抗震设计的设防目标。

8.2.9  结构重要性系数是考虑结构破坏后果的严重性而引入的系数，对于安全等级为一级和三级的结构构件分别取1.1和0.9。可靠度分析表明，采用这些系数后，结构构件可靠指标值较安全等级为二级的结构构件分别增减0.5左右，与表4.3.8的规定基本一致。考虑不同投资主体对建筑结构可靠度的要求可能不同，故允许结构重要性系数分别取不应小于1.1、1.0和0.9。

8.2.10  对永久荷载系数和可变荷载系数的取值，分别根据对结构构件承载能力有利和不利两种情况，作出了具体规定。

    在某些情况下，永久荷载效应与可变荷载效应符号相反，而前者对结构承载能力起有利作用。此时，若永久荷载分项系数仍取同号效应时相同的值，则结构构件的可靠度将严重不足。为了保证结构构件具有必要的可靠度，并考虑到经济指标不致波动过大和应用方便，规定当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时，不应大于1.0。

在“以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法”中，将对结构可靠度的要求分解到各种分项系数设计取值中，作用（包括永久作用、可变作用等）分项系数取值越高，相应的结构可靠度设置水平也就越高，但从概率的观点看，一个结构可靠与否是随机事件，无论其可靠度水平有多高，都不能做到100%安全可靠，总会有一定的失效概率存在，因此不可避免地存在着由于结构失效带来的风险（危及人的生命、造成经济损失、对社会或环境产生不利影响等），人们只能做到把风险控制在可接受的范围内。一般来说，可靠度设置水平越高风险水平就越低，相应的一次投资的经济代价也越高；相反，可靠度设置水平越低风险水平就越高，而相应的一次投资的经济代价则越低。在经济发展水平较低的时候，对结构可靠度的投入受到经济水平的制约，在保证“基本安全”的前提下，人们不得不承受较高的风险；而在经济发展水平较高的条件下，人们更多会选择具有较高投入的结构可靠度从而降低所承担的风险。本次修订将永久作用分项系数由1.2调整为1.3、可变作用分项系数由1.4调整为1.5，同时相应调整预应力作用的分项系数，由1.2调整为1.3，为我国房屋建筑结构与国际主流规范可靠度设置水平的一致性奠定了基础。

8.2.11  对设计使用年限为100年和5年的结构构件，通过考虑结构设计使用年限的荷载调整系数对可变荷载取值进行调整。

8.3  正常使用极限状态

8.3.1  对承载能力极限状态，安全与失效之间的分界线是清晰的，如钢材的屈服、混凝土的压坏、结构的倾复、地基的滑移，都是清晰的物理现象。对正常使用极限状态，能正常使用与不能正常使用之间的分界线是模糊的，难以找到清晰的物理现象，区分正常与不正常，在很大程度上依靠工程经验确定。

8.3.2  列出了三种组合，来源于ISO 2394和EN 1990。

正常使用极限状态的可逆与不可逆的划分很重要。标准组合宜用于不可逆正常使用极限状态；频遇组合宜用于可逆正常使用极限状态；准永久组合宜用在当长期效应是决定性因素时的正常使用极限状态。

可逆与不可逆不能只按所验算构件的情况确定，而且需要与周边构件联系起来考虑。以钢梁的挠度为例，钢梁的挠度本身当然是可逆的，但如钢梁下有隔墙，钢梁与隔墙之间又未作专门处理，钢梁的挠度会使隔墙损坏，则仍被认为是不可逆的，应采用标准组合进行设计验算；如钢梁的挠度不会损坏其他构件(结构的或非结构的)，只影响到人的舒适感，则可采用频遇组合进行设计验算；如钢梁的挠度对各种性能要求均无影响，只是个外观问题，则可采用准永久组合进行设计验算。

附录Ａ  质量管理

Ａ.1  质量控制要求

Ａ.1.1  材料和构件的质量可采用一个或多个质量特征来表达，例如，材料的试件强度和其他物理力学性能以及构件的尺寸误差等。为了保证结构具有预期的可靠度，必须对结构设计、原材料生产以及结构施工提出统一配套的质量水平要求。材料与构件的质量水平可按各类材料的结构设计规范规定的结构构件可靠指标近似地确定，并以有关的统计参数来表达。当荷载的统计参数已知后，材料与构件的质量水平原则上可采用下列质量方程来描述：

（ ， ，，）=0

式中和为材料和构件的某个质量特征的平均值和变异系数，为规范规定的结构构件可靠指标。

    应当指出，当按上述质量方程确定材料和构件的合格质量水平时，需以安全等级为二级的典型结构构件的可靠指标为基础进行分析。材料和构件的质量水平要求，不应随安全等级而变化，以便于生产管理。

Ａ.1.2  材料的等级一般以材料强度标准值划分。同一等级的材料采用同一标准值。无论天然材料还是人工材料，对属于同一等级的不同产地和不同厂家的材料，其性能的质量水平一般不宜低于各类材料的结构设计规范规定的可靠指标β的要求。按本标准制定质量要求时，允许各有关规范根据材料和构件的特点对此指标稍作增减。

Ａ.1.6  材料及构件的质量控制包括两种，其中生产控制属于生产单位内部的质量控制；合格控制是在生产单位和用户之间进行的质量控制，即按统一规定的质量验收标准或双方同意的其他规则进行验收。

    在生产控制阶段，材料性能的实际质量水平应控制在规定的合格质量水平之上。当生产有暂时性波动时，材料性能的实际质量水平亦不得低于规定的极限质量水平。

Ａ.1.7  由于交验的材料和构件通常是大批量的，而且很多质量特征的检验是破损性的，因此，合格控制一般采用抽样检验方式。对于有可靠依据采用非破损检验方法的，必要时可采用全数检验方式。

    验收标准主要包括下列内容：

    1  批量大小——每一交验批中材料或构件的数量；

    2  抽样方法——可为随机的或系统的抽样方法。系统的抽样方法是指抽样部位或时间是固定的；

    3  抽样数量——每一交验批中抽取试样的数量；

    4  验收函数——验收中采用的试样数据的某个函数，例如样本平均值、样本方差、样本最小值或最大值等；

    5  验收界限——与验收函数相比较的界限值，用以确定交验批合格与否。

    当前在材料和构件生产中，抽样检验标准多数是根据经验来制定的。其缺点在于没有从统计学观点合理考虑生产方和用户方的风险率或其他经济因素，因而所规定的抽样数量和验收界限往往缺乏科学依据，标准的松严程度也无法相互比较。

为了克服非统计抽样检验方法的缺点，本标准规定宜在统计理论的基础上制定抽样质量验收标准，以使达不到质量要求的交验批基本能判为不合格，而已达到质量要求的交验批基本能判为合格。

Ａ.1.8  现有质量验收标准型式很多，本标准系按下述原则考虑：

    对于生产连续性较差或各批间质量特征的统计参数差异较大的材料和构件，很难使产品批的质量基本维持在合格质量水平之上，因此必须按控制用户方风险率制定验收标准。此时，所涉及的极限质量水平，可按各类材料结构设计规范的有关要求和工程经验确定，与极限质量水平相应的用户风险率，可根据有关标准的规定确定。

    对于工厂内成批连续生产的材料和构件，可采用计数或计量的调整型抽样检验方案。当前可参考国际标准《计数检验的抽样程序》ISO 2859（Sampling procedures for inspection by attributes）及《计量检验的抽样程序》ISO 3951（Sampling procedures for inspection by variables）制定合理的验收标准和转换规则。规定转换规则主要是为了限制劣质产品出厂，促进提高生产管理水平；此外，对优质产品也提供了减少检验费用的可能性。考虑到生产过程可能出现质量波动，以及不同生产单位的质量可能有差别，允许在生产中对质量验收标准的松严程度进行调整。当产品质量比较稳定时，质量验收标准通常可按控制生产方的风险率来制定。此时所涉及的合格质量水平，可按规范规定的结构构件可靠指标来确定。确定生产方的风险率时，应根据有关标准的规定并考虑批量大小、检验技术水平等因素确定。

Ａ.1.9  当交验的材料或构件按质量验收标准检验判为不合格时，并不意味着这批产品一定不能使用，因为实际上存在着抽样检验结果的偶然性和试件的代表性等问题。为此，应根据有关的质量验收标准采取各种措施对产品作进一步检验和判定。例如，可以重新抽取较多的试样进行复查；当材料或构件已进入结构物时，可直接从结构中截取试件进行复查，或直接在结构物上进行荷载试验；也允许采用可靠的非破损检测方法并经综合分析后对结构作出质量评估。对于不合格的产品允许降级使用，直至报废。

Ａ.2  设计审查及施工检查

Ａ.2.1  结构设计的可靠性水平的实现是以正常设计、正常施工和正常使用为前提的，因此必须对设计、施工进行必要的审查和检查，我国有关部门和规范对此有明确规定，应予遵守。

国外标准对结构的质量管理十分重视，对设计审查和施工检查也有明确要求，如欧洲规范《结构设计基础》EN 1990:2002主要根据结构的可靠性等级（类似于我国结构的安全等级）的不同设置了不同的设计监督和施工检查水平的最低要求。规定结构的设计监督分为扩大监督和常规监督，扩大监督由非本设计单位的第三方进行；常规监督由本单位该项目设计人之外的其他人员按照组织程序进行或由该项目设计人员进行自检；同样，结构的施工检查也分为扩大检查和常规检查，扩大检查由第三方进行；常规检查即按照组织程序进行或由该项目施工人员进行自检。

对重要工程或复杂工程，当采用计算机软件做结构计算时，应至少采用两套计算模型符合工程实际的软件，并对计算结果进行分析对比，确认其合理、正确后方可用于工程设计。

附录Ｂ  作用举例及可变作用代表值的确定原则

Ｂ.1  作用举例

在作用的举例中，Ｂ.1.2中的地震作用和Ｂ.1.3中的撞击既可作为可变作用，也可作为偶然作用，这完全取决于业主对结构重要性的评估，对一般结构，可以按规定的可变作用考虑。由于偶然作用是指在设计使用年限内很不可能出现的作用，因而对重要结构，除了可采用重要性系数的办法以提高安全度外，也可以通过偶然设计状况将作用按量值较大的偶然作用来考虑，其意图是要求一旦出现意外作用时，结构也不至于发生灾难性的后果。

对于一般结构的设计，可以采用当地的地震烈度按规范规定的可变作用来考虑，但是对于重要结构，可提高地震烈度，按偶然作用的要求来考虑；同样，对结构的撞击，也应该区分问题的普遍性和特殊性，将经常出现的撞击和偶尔发生的撞击加以区分，例如轮船停靠码头时对码头结构的撞击就是经常性的，而车辆意外撞击房屋一般是偶发的。欧洲规范还规定将雪荷载也可按偶然作用考虑，以适应重要结构一旦遭遇意外的大雪事件的设计需要。

Ｂ.2  可变作用代表值的确定原则

Ｂ.2.1 可变作用的标准值

可变作用的概率模型，为了便于分析，经常被简化为平稳二项随机过程的模型，这样，关于它在设计基准期内的最大值就可采用经过简化后的随机变量来描述。

可变作用的标准值通常是根据它在设计基准期内最大值的统计特征值来确定，常用的特征值有平均值、中值和众值。对大多数可变作用在设计基准期内最大值的统计分布，都可假定它为极值I型（Gumbel）分布。当作用为风、雪等自然作用在设计基准期内最大值时，按传统都采用分布的众值，也即概率密度最大的值作为标准值。对其他可变作用，一般也都是根据传统的取值，必要时也可取用较高的分位值，例如传统的地震烈度，它是相当于设计基准期为50年最大烈度分布的90%的分位值。

通过重现期来表达可变作用的标准值水平，有时比较方便，尤其是对自然作用，公式（Ｂ.2.1-5）给出作用的标准值和重现期的关系。当重现期有足够大时（一般在10年以上），对重现期、与分位值对应的概率和确定标准值的设计基准期还存在公式（Ｂ.2.1-6）的近似关系。

Ｂ.2.2 可变作用的频遇值

由于可变作用的标准值表征的是作用在设计基准期内的最大值，因此在按承载能力极限状态设计时，经常是以其标准值为设计代表值。但是在按正常使用极限状态设计时，作用的标准值有时很难适应正常使用的设计要求，例如在房屋建筑适用性要求中，短暂时间内超越适用性限值往往是可以被允许的，此时以作用的标准值为设计代表值，就显得与实际要求不相符合了；在有些正常使用极限状态设计中，涉及到的是影响构件性能的恶化（耐久性）问题，此时在设计基准期内的超越作用某个值的次数往往是关键的参数。

可变作用的频遇值就是在上述意义上通常的一种代表值，理论上可以根据不同要求按附录提供的原理来确定，而实际上，目前在设计中还少有应用，只是在个别问题中得到采用，而且在取值上大多也是根据经验。

Ｂ.2.3 可变作用的准永久值

可变作用的准永久值是表征其经常在结构上存在的持久部分，它主要是在考察结构长期的作用效应时所必需的作用代表值，也即相当于在以往结构设计中的所谓长期作用的取值。

对可变作用当在结构上经常出现的持久部分能够明显识别时，我们可以通过数据的汇集和统计来确定；而对于不易识别的情况，我们可以参照确定频遇值的原则，按作用值被超越的总持续时间与设计基准期的比率取0.5的规定来确定，这也表明有设计基准期一半的时间内它被超越，而另一半时间内它不被超越，当可变作用可以认为是各态历经的随机过程，准永久值就相当于作用在设计基准期内的均值。

Ｂ.2.4 可变作用的组合值

按本标准对可变作用组合值的定义，它是指在设计基准期内使组合后的作用效应值的超越概率与该作用单独出现时的超越概率一致的作用值，或组合后使结构具有规定可靠指标的作用值。

早在国际标准ISO 2394 结构可靠度的总原则第2版（1986）附录B中，已经提供了确定基本变量设计值的原理及简化规则；在第3版（1998）附录E.6中依旧保留该设计值方法的内容。

在一阶可靠度方法（FORM）中，基本变量的设计值与变量统计参数和所假设的分布类型、对有关的极限状态和设计状况的目标可靠指标以及按在FORM中定义的灵敏度系数有关。对变量有任意分布的的设计值可由下式给出：

在按FORM分析时，灵敏度系数具有下述性质，即

-1≤≤1  和  ²=1

灵敏度的计算在原则上将经过多次迭代而带来不便，但是根据经验制定一套取值的规则，即对抗力的主导变量，取=0.8，抗力的其他变量，取=0.8´0.4=0.32；对作用的主导变量，取=- 0.7，作用的其他伴随变量，取=-0.7´0.4=-0.28。只要0.16</<6.6，由于简化带来的误差是可接受的，而且还都是偏保守的。

附录按此原理给出作用组合值系数的近似公式，并且对多数情况采用极值I型的作用，还给出相应的计算公式。

附录Ｃ  试验辅助设计

Ｃ.3  单项性能指标设计值的统计评估

Ｃ.3.2标准值单侧容限系数计算。

（1）单项性能指标的变异系数值可通过试验结果按下列公式计算：

（2）标准值单侧容限系数分“已知”和“未知”两种情况，可分别按下列公式计算：

                                              （已知）

                                                   （未知）