第２７卷第４期 ２０１３年１２月 黑龙江工程学院学报（自然科学版） Ｖｏ１．２７。Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．，２０１３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 建筑结构使用年限荷载调整系数取值 田敬博 ，侯钢领 ，李心霞 （１．中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨１５００９０；２．哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨１５Ｏ０Ｏ１） 摘要：为适应不同使用年限建筑结构设计和评估的需要，从等超概率原则和结构可靠度角度出发，探讨不同使用 年限影响系数的取值。结合现行设计规范表达式和楼面活荷载、地震作用的概率模型和统计参数，得到目标可靠度 指标与随机变量设计值之间的关系，给出不同使用年限的可变荷载对应的使用年限影响系数。 关键词：使用年限影响系数；地震作用；楼面活荷载；等超概率原则 中图分类号：ＴＵ３１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—４６７９（２０１３）０４—００４３ ０４ Ａｇｅ ｌｏａｄ ａａｊ ｕｓｔｍｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＴＩＡＮ Ｊ ｉｎｇ—ｂｏ ，ＨＯＵ Ｇａｎｇ—ｌｉｎｇ ，ＬＩ Ｘｉｎ—ｘｉａ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ １５００９０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｉｆｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｄｅ ｏｆ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｌｉｖｅ ｌｏａｄ，ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｒａｎｄｏｍ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖａｒｉａｂｌｅ １ｏａｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｇｅ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔ ｗｉｌｌ ｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｇｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ａｃｔｉｏｎ；ｆｌｏｏｒ ｌｉｖｅ ｌｏａｄ；ｓｕｐｅｒ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ 从结构可靠度的理论诞生以来，在土木、航天、 海洋和船舶等工程领域均得到了十分广泛的应用。 结构可靠度理论能够较合理地考虑荷载与抗力的 随机性，以及在概率的水平方面能够平衡安全和经 济的关系，因此，以结构可靠度作为基础的结构可 靠度设计方法已经逐渐成为各类结构设计的统一 结构可靠度理论的实施是一个不断完善的过 程。１９９８年，国际标准ＩＳＯ２３９４：１９９８４结构可靠性 总原则》提出结构设计使用年限的新概念［４ ；２００１ 年，我国修订《建筑结构可靠度设计统一标准》时， 给出不同结构设计使用年限；２００８年《工程结构可 靠性设计统一标准》提出了设计使用年限调整系 数，给出不同使用年限的结构设计表达式ｌ５］。设计 使用年限调整系数取值未考虑楼面活荷载、地震作 方法。目前，世界上各个国家的结构设计规范基本 上都是以可靠度理论作为制定的基础，例如美国已 经把结构可靠度设计理论应用到钢结构、混凝土和 木结构等规范和设计中，欧洲规范ＥＮＶ１９９１—１也采 用ＪＣＳＳ推荐的可靠度模式Ｉ】 ］。我国自１９８４年颁 布《建筑结构设计统一标准》以来，经过３０ ａ的发 用、风荷载等概率分布和模型区别，相对而言，设计 使用年限是较新的概念，其与设计基准期、荷载重 现期等概念的关系显得更加重要。本文基于建筑 结构设计可靠度的基本过程，结合国际标准《结构 可靠性总原则》和相关研究成果，从等超概率原则 展，已经形成基于结构可靠度的建筑结构规范 体系 。 收稿日期：２０１３—０７ ２４ 作者简介：田敬博（１９８７），男，硕士研究生，研究方向：防灾减灾工 程；防护工程． 角度，给出了楼面活荷载和地震作用的不同使用年 限影响系数，明确使用年限与设计基准期、荷载重 现期之间的关系。 黑龙江工程学院学报（自然科学版） 第２７卷 １建筑结构设计可靠度 建筑结构可靠度的含义是：在规定的条件下， 能够合理地确定结构形式、构件材料和尺寸，使结 构构件的可靠度不小于期望的可靠度水平（或称目 标可靠度），亦即 Ｐ ≥ＬＰ ， 一１，２，…，ｍ． （１） 式中：［Ｐ ］是目标可靠度；Ｐ 是构件 的可靠度。 如果假定的功能函数Ｚ是线性变化的，而且各 随机变量Ｘ （ 一１，２，…，７２）服从正态分布时，则构 件可靠度Ｐ 将与可靠度指标 是一一对应的关系， 可靠指标 与Ｐ，的对应关系如图１所示。 一一 （Ｐ，）． （２） 式中： （・）是满足标准正态分布的反函数，同 时，Ｐ，≥１一Ｐ 。 图１失效概率与可靠度指标的对应关系 因此，采用结构概率极限状态进行设计时，应 用的可靠指标表示为 ≥Ｌ ， 一１，２，…， ． （３） 式中： 和［ 分别是构件 的设计可靠指标和目标 可靠指标。 基于上述原理，我国采用的设计表达式为［。 ７０（ ｃ（ ＋ 】ＣＱ Ｑ１ ＋∑ ）ｉ一２ ， Ｃ Ｑ ）≤ ．Ｉ （４） 式中：Ｇ ，Ｇ。 和Ｇ 分别为按规范规定的永久荷载 标准值、可变荷载标准值；Ｇ ，Ｃ。 和ＣＱ 分别为永久 荷载和可变荷载的荷载效应系数。设定不同的荷 载和抗力标准值，可以最优地确定不同的分项系数 来达到给定的目标可靠指标［ 。 ２ 建筑结构可靠度与等超概率原则 根据设计验算点与可靠指标关系，随机变量ｘ 在设计验算点的失效（超越）概率为 Ｐｊ（Ｘ７）一１一 （ｐｃｏｓ Ｏｘ１）． （５） 式中： （・）为标准正态分布函数。 根据规范设计表达式与设计可靠度的关系，则 各基本变量的超越概率为 Ｐ，（７ｅ Ｓ（ ）一ｌ一 （［ ａＧ）， （６） Ｐ，（ ｓ ）一１一 （Ｌ ａＱ）， （７） Ｐ，（ＲＲ／ ）一ｌ一 （［ ａＲ）． （８） 式中：ａ 一ｃｏｓ ０，，ａ 为结构极限状态灵敏度系数， ［ 为目标可靠度。 根据国际标准ＩＳＯ２３９４：１９９８可知…４］，当随机 变量相互独立时，极限状态的灵敏度系数以 具有下 列特征： １≤以 ≤１，∑ａ 一１，给出了标准化ａ 值， 见表１。根据灵敏度系数ａ，和目标可靠指标，应用 式（５）可计算出随机变量的超越概率。 我国《Ｔ程结构可靠性设计统一标准》 （ＧＢ５０１５３—２００８）给出目标可靠指标［ ］，如表２ 所示。 表２房屋结构目标可靠指标Ｉ－ＩＪ］ 将我国目标可靠指标［ 和灵敏度系数ａ 代人 式（６），可计算出各基本变量的超越概率。建立设 计基准期 、结构使用期』＼， 对应的最大值分布 函数。 ３ 可变荷载的使用年限影响系数 ３．１楼面活荷载 楼面活荷载包括楼面持久活荷载Ｌ 和临时活 荷载Ｌ 。在设计基准期内，楼面活荷载的最大值为 Ｌ—ｍａｘ（Ｌ￣Ｔ＋Ｌ ，Ｌ ＋Ｌｒｒ）． （９） 式中：Ｌ 、和Ｌ 分别为Ｌ 和Ｌ 在设计基准期Ｔ内 最大值；Ｌ 和Ｌ 分别为Ｌ 和Ｌ 在持续时间Ｓ内最 大值（两种荷载持续时间可以不同）。楼面活荷载 最大值的均值为 Ｌ—ｍａｘ（／￣Ｌ，ｒ＋ ，／．ｔ１１Ｔ＋ ）． （１０） 对应的均方差为 一￣／ ＋ 或 一￣／ ＋ ．（１１） 楼面活荷载设定水平与Ｌ Ｌ Ｌ 和Ｌ 有关。 Ｌ ，Ｌ ，Ｌ 和Ｌ 与基准期、荷载持续时间和荷载出 现次数有关。 第４期 田敬博，等：建筑结构使用年限荷载调整系数取值 ａ ａ ａ∞ 槛 率 ・４５・ 根据等超概率的原则，建立不同设计使用年限对 应的设计基准期，依据活荷载的概率模型，可以确定 平均出现次数ｍ，具体计算结果如表３所示。 表３楼面活荷载不同使用年限对应的平均出现次数ｍ 系数分别为１．５５／２＝＝＝０．７８、１．８７／２—０．９４、 ２．１４／２—１．０７。两者比较接近，提议采用统一参数 ０．８、０．９５和１．１。 ３．２地震作用 地震作用属于环境作用，一般根据重现期确 定，重现期Ｔ ａ对应的地震烈度ｚ ａ超越概率为 Ｆ（ ＞ｚＴ）一 １． 划 筮 蓑 （１３） 则设计使用”ａ内，地震烈度－ｚ 超越概率为 Ｆ （ ＞ｚＴ）一１一（１一 ）”一１一 芋．（１４） 根据表３和式（１２），建立不同使用年限活荷载 我国规范５０ ａ设计基准期的地震烈度概率模 型 。 为 最大值的概率分布参数嘲，计算结果见表４。 表４不同使用年限楼面活荷载标准值 ＦＩ１１（ ）一ｅｘｐ，－－（ ） ］． （１５） 式中：６０为地震烈度上限值，取 一１２； 为地震烈 度概率分布中值，对应超越概率为０．６３２，比设防烈 ０．６０９ ０．９１５ １．０４７ １．１７９ ０．３０２ ０．３０２ ０．３０２ ０．３０２ ９９．０ １．５６ １．８７ ２．００ ２．１３ ０．８３６ １．１５２ １．２８８ １．４２４ ０．３００ ０．３００ ０．３００ １．５５ １．８７ ２．００ 度低１．５５度；ｋ为分布形状参数。根据抗震设防标 准可知：在使用年限５０ ａ时，小震对应的超越概率为 ６３．２ ，重现期 重现期 ０．３００ ９７．４ ２．１４ ＝５０ ａ；超越概率３ 的大震，对应 的重现期 。一１ ６４１ ａ；超越概率２ 的大震，对应的 一２ ４７５ ａ。在此，统一表示为丁 。 以办公楼为例，对设计基准期为５０ ａ的办公 楼，楼面活荷载标准值Ｌ 一２．０ ｋＮ／ｍ。，相当于设 根据等超概率原则，不同使用年限 与设防标 准对应的超越概率为 ｛５ｏ＝＝＝１一ｅｘｐ（一 ／ ）． （１６） 计基准期为５０ ａ活荷载最大值的平均值加３．１６倍 标准差，其保证率达到９９．０ 。根据该保证率，即 对应的平均值加３．１６倍标准差，可经计算得到设计 基准期分别为５ ａ、２５ ａ以及１００ ａ所对应的活载标 准值，为１．５６ ｋＮ／ｍ。、１．８７ ｋＮ／ｍ 、２．１３ ｋＮ／ｍ。。 将 代入式（１６），可计算出不同使用年限对应 在抗震设计中，烈度与地面加速度关系为 Ａ 一１０‘ 。ｇ２ 。 ． （１７） 的地震烈度Ｊ 。 考虑到使用年限的实际情况，我国采用的设计表达 式为 ｙ（】（ｙＧＣ（、Ｇ ４－ｙ。ｌ ｙｆ ｌＣＱｌＱｌ ＋ 以规范规定的地震作用为参照，则有 ｙ 一Ａ ／Ａ—１０Ｅ‘Ｉｎ，一 ５０）ｌｏｇ。］一１０Ｅ Ｉｎｉ 。ｇ ． （１８） ∑ ｙ“７ｏＣ＠Ｑ ）≤ ． ｉ一２ ／Ｒ （１２） 式中： 为地震使用年限影响系数。 在此，以某７度设防为例，计算设计使用年限分 别为５ ａ、２５ ａ、３０ ａ、４０ ａ、５０ ａ、６０ ａ、７５ ａ和１００ ａ的 式中：ｙ』 为使用年限影响系数，５ ａ、２５ａ、１００ ａ对应 的办公楼使用年限影响系数分别为１．５６／２＝＝＝０．７８、 １．８７／２—０．９４、２．１３／２—１．０７；住宅使用年限影响 地震使用年限影响系数，主要计算结果见表５。 表５不同设计使用年限对应的地震使用年限影响系数 使用年限 Ｆ ５¨／Ｊ、震 ５。大震 ｋ小震 大震 △ 小震 △Ｊ 大震 ｙ 小震 大震 ・４６・ 黑龙江工程学院学报（自然科学版） 第２７卷 对６度至９度、大震超越概率２ 和３ 的地震 使用年限影响系数进行平均计算，结果见表６。 表６不同设计使用年限对应的地震使用年限影响系数 使用年限 ５ ２５ ３０ ４０ ５０ ６０ ７５ １００ 根据《建筑工程抗震性态设计通则（试用）》 （ＣＥＣＳ１６０：２００４）的附录Ａ可知，设计使用年限 ７０ ａ，调整系数取１．１５～１．２０；使用年限１００ ａ，调整 ［２］侯纲领，欧进萍．基于结构可靠度的ＰＢＳＤ抗震设防标 准研究＿Ｊ］．自然灾害学报，２００８，１７（２）：５． Ｅ３］李明顺．《建筑结构可靠度设计统一标准》（报批稿）的主 系数取１．３～１．４，本文方法与规范结果比较接近。 ４ 结 论 本文根据建筑结构可靠度理论与设计规范的 关系，研究了不同使用年限建筑结构荷载取值，给 出了不同使用年限的影响系数参考值。本文得到 的结论主要包括： １）基于结构可靠度的理论计算方法，计算得到 目标可靠度指标与随机变量设计值之间的关系，以 此为基础扩展了等超概率的应用。 ２）以等超概率原则为基础，依据我国现行的抗 震设计规范和荷载规范，计算得到了不同使用年限 条件下的使用年限影响系数参考值。 参考文献 ［１］０．ＤＩＴＩ ＥＶＳＥＮ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｍｅｔｈｏｄｓ［Ｍ］ Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ，２００５． 要特色［Ｊ］．建筑科学，２０００，１６（６）：１－４． Ｅ４］陈定外．国际标准《结构可靠性总原则》（ＩＳ０２３９４：１９９６） ＿ｌＪ］．工程建设标准化，１９９７（５）． Ｅｓ］Ｅ作者不详］．ＧＢ５０１５３ ２００８工程结构可靠性设计统一标 准Ｉ－Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００８． Ｅ６］李继华．建筑结构概率极限状态设计［Ｍ］．北京：中国 建筑工业出版社，１９９０． ［７］侯钢领，欧进萍．建筑结构活荷载标准与灾害荷载设防 水平 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