荷載分項系數調整對結構構件承載力評定分級標準的影響

程凱凱,程正杰,姚繼濤,翁光遠

(1.西安石油大學 土木工程學院,陜西 西安 710065;2.西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安 710055)

為充分利用老舊建筑物,需對其結構構件的安全性和適用性進行評定?？煽啃栽u定的實質是判定既有結構構件在各種極限狀態下的可靠度是否滿足現行設計標準的要求,并在不滿足時,根據相差的程度提出相應的處理方案[1-3]。我國既有結構構件承載能力評定的分級標準主要體現于現行國家標準《民用建筑可靠性鑒定標準》[4](GB 50292—2015)和《工業建筑可靠性鑒定標準》[5](GB 50144—2019)中,其評定方法和評定指標都是以標準規定的可靠指標為判斷依據的。荷載分項系數是結構構件設計和評定中的重要參數,其取值直接關系到結構構件的可靠性。隨著我國經濟建設的發展和社會財富的積累,人們對建筑結構安全性不斷提出更高的要求,相應的可靠度規范和行業設計規范也在不斷更新。目前的《建筑結構可靠性設計統一標準》[6](GB 50068—2018)中對荷載分項系數取值較之前有所提高,調整后建筑結構構件的可靠指標有著不同程度的提升。而目前鑒定規范并未對新標準的調整做出響應,為適應我國目前可靠性標準的新要求,有必要根據新規范對原鑒定分級標準進行調整和修訂,適當提高鑒定評級標準的水準,以與《建筑結構可靠性設計統一標準》(GB 50068—2018)相銜接。

借鑒國際標準中設計值法的基本思想,姚繼濤等[1]提出既有結構可靠性評定的設計值法,該方法直接考慮基本變量概率特性、目標可靠指標和后續使用年限變化對評定結果的影響。蔣濟同等[7]求解了設計基準期下對應的鑒定分級系數,計算了現行規范下不同后續使用年限對應的鑒定分級系數。幸坤濤等[8]研究了新修訂的《工業建筑可靠性鑒定標準》(GB 50144—2019)中可靠指標分級標準和抗力荷載效應之比分級標準。姚繼濤等[9]校核了工業建筑可靠性鑒定標準中各等級界限值所對應的典型構件不同受力狀態下的可靠指標,揭示了鑒定分級可靠度控制水平。程凱凱等[3]基于可靠度理論,確定了既有結構構件安全性分析和可靠性評定分析中目標可靠指標的取值與不同使用年限的關系,指出可靠性分級標準應考慮不同目標使用期對目標可靠指標的影響,對其進行更細致地劃分。陳大川等[10]通過計算砌體結構構件在不同安全等級下的可靠指標,綜合考慮荷載分項系數調整前后砌體結構構件可靠指標的變化,并以此為基礎提出改進的分級標準。

本文以一般民用建筑為研究對象,選擇14種典型結構構件,計算其抗力分項系數,考慮永久荷載與辦公室樓面活荷載、永久荷載與住宅樓面活荷載、永久荷載與風荷載、永久荷載與雪荷載四種簡單組合和常用的荷載效應比,通過當量正態化和驗算點法對典型構件荷載分項系數調整前后在不同安全性等級下的可靠指標變化進行分析,并據此提出基于《建筑結構可靠性設計統一標準》(GB 50068—2018)的分級標準,為國家標準的修訂和實際工程的鑒定提供參考。

1 構件承載能力評定分級標準及相關參數取值

1.1 構件承載能力評定分級標準

目前對既有結構可靠性的評定主要采用結構可靠度設計中的校核方法。實際工程應用中,對于既有結構構件而言,均是按照構件抗力和其荷載效應的比值而不是根據可靠指標進行安全性鑒定的[4-5],而結構構件的驗算應在詳細調查工程質量的基礎上按現行設計規范進行,這也就要求其評定分級應以《建筑結構可靠性設計統一標準》規定的可靠指標為基礎,來確定安全性等級的界限。文獻[11]規定了兩種質量界限,即設計要求的質量和下限質量,前者為材料和構件的質量應達到或高于目標可靠指標要求的期望值,后者系按目標可靠指標減少0.25確定的,此值相當于其失效概率運算值上升半個數量級。基于以上考慮,《民用建筑可靠性鑒定標準》[4]以抗力和荷載效應比為指標,將結構構件的承載力等級劃分為au、bu、cu和du四個等級。其中au級指符合現行規范要求,不必采取措施的情況,bu、cu和du級則指不符合現行規范要求得情況,且其不滿足程度依次增大,bu級可不采取措施,cu和du級構件則應采取加固措施提高構件的可靠度水平。民用建筑構件承載力評定的分級標準和與實用分級標準相對應的可靠指標分級分別見表1和表2。

表2 結構構件承載能力分級標準對應的可靠指標分級標準

采用按《建筑結構可靠性設計統一標準》規定的目標可靠指標和兩種質量界限來劃分承載能力驗算項目的安全性等級,不僅能很好地處理可靠性鑒定標準與《建筑結構可靠性設計統一標準》接軌與協調的問題,而且更重要的是避免了單純依靠專家投票決定分級界限所帶來的概念不清和可靠性尺度不一致的缺陷。

1.2 荷載分項系數的調整

新版《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB 50068—2018)自2019年4月1日正式實施,取消了以永久荷載起控制作用時永久荷載分項系數取1.35的組合方式,提高了永久荷載和可變荷載的分項系數,永久荷載分項系數由原來的γG=1.2調整到γG=1.3,可變荷載分項系數由原來的γG=1.4調整到γG=1.5,因此目前設計時荷載效應的基本組合僅有一種組合方式,即1.3SG+1.5SQ,調整前、調整后的荷載分項系數對比見表3,同時表3中也列出了國外一些規范中荷載分項系數的取值。

表3 國內外規范荷載分項系數對比

1.3 荷載統計參數取值

對于恒載,一般認為恒載服從正態分布[16]。對于可變荷載,多采用極值Ⅰ型分布概率模型,其統計參數可根據極值Ⅰ型分布數學模型以及設計基準期內發生超越荷載設計值的概率一致的原則進行求解。各荷載統計參數取值見表4[17]。

表4 荷載效應的分布類型和統計參數取值[17]

1.4 抗力不確定性及抗力分項系數

構件抗力的不確定性包括幾何參數不確定性、材料性能不確定性和計算模式不確定性[18]。選擇14種具有代表性的結構構件,對不同的結構構件類型,不同受力狀態下其統計參數存在差別,各類結構構件的抗力統計參數見表5[19]。

根據設計值法,有:

FR(Rd)=Φ(-αβ)

(1)

式中:Rd為抗力的設計值;β為目標可靠指標;α為按一次二階矩法計算可靠指標β過程中抗力的靈敏度系數,對于主控抗力,取0.8[5]。基于設計值法和目前結構構件設計表達式,對于服從對數正態分布的抗力[20],其分項系數γR可表達為:

(2)

式中:μR為抗力的均值;χR為抗力的均值系數;δR為抗力的變異系數。計算得到的各類結構構件抗力分項系數見表5。

表5 各類結構構件抗力分布類型和統計參數取值

2 基于新標準的構件承載能力分級標準

考慮永久作用和一個可變作用的典型構件,其功能函數為Z=Rk/γR-γ0(γGSG+γQγLSQ),其中Rk、SG、SQ分別為構件抗力、永久荷載效應和可變荷載效應標準值;γR、γG、γQ分別為抗力、永久荷載和可變荷載分項系數;γ0為結構重要性系數;γL為可變荷載調整系數。荷載分項系數如表3,抗力分項系數見表5?？紤]永久荷載與辦公室樓面活荷載、永久荷載與住宅樓面活荷載、永久荷載與風荷載、永久荷載與雪荷載四種荷載組合形式。各組合形式下活恒載效應比ρ按不同材料結構構件取值[21],根據荷載效應組合和效應比ρ,采用表4和表5中的統計參數,計算構件抗力平均值,采用驗算點法計算安全等級為二級時荷載分項系數調整前后結構構件所隱含的可靠指標,計算結果見表6。結果表明:荷載分項系數調整后au、bu、cu和du四個等級的邊界值所對應的可靠指標均有所提高,對于延性破壞可靠指標增加值分別為0.37、0.37、0.38、0.35,對于脆性破壞可靠指標增加值為0.31、0.31、0.32、0.32,因此荷載分項系數調整后安全等級為二級的結構構件延性破壞和脆性破壞的目標可靠指標應提高為3.6和4.0。對照《民用建筑可靠性鑒定標準》[4]中構件承載力評定的實用分級標準,可以確定荷載分項系數調整后結構構件承載能力的評定等級,見表7。表7中可靠指標分級標準綜合了我國在構件可靠度控制方面的經驗和現狀,反映了構件類型、破壞形式等因素的影響,提出了基于《建筑結構可靠性設計統一標準》(GB 50068—2018)的分級標準,能更準確、合理地控制各類構件的可靠度水平。

表6 安全等級為二級時荷載分項系數調整前后結構構件的可靠指標計算值

表7 荷載分項系數調整后結構構件承載能力分級標準對應的可靠指標分級標準

3 結 論

既有建筑結構構件承載能力的評定等級應與當前規范規定的可靠指標具有一致性。考慮《建筑結構可靠性設計統一標準》(GB 50068—2018)對荷載分項系數取值的調整,各典型結構構件承載能力在各分級界限下的可靠指標校核結果表明,目前《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB 50292—2015)中構件承載力評定的分級標準偏于保守,新標準荷載分項系數調整后au、bu、cu和du四個等級的邊界值所對應的可靠指標均有所提高,對于延性破壞可靠指標增加值分別為0.37、0.37、0.38、0.35,對于延性破壞可靠指標增加值為0.31、0.31、0.32、0.32。

基于此,本文提出了荷載分項系數調整后結構構件承載能力的評定等級,這更符合我國目前對結構構件的可靠度控制水平,實現可靠性評定與可靠度控制水平的統一。本文的分析和建議可為安全等級為二級時結構構件承載能力評定等級的修訂提供參考,對安全等級為一級和三級的承載能力評定等級還有待進一步研究,同時可為結構構件按變形、構造、裂縫寬度等項目的評定提供參考。