二、建筑結(jié)構(gòu)概率極限狀態(tài)設計方法
根據(jù)(統(tǒng)一標準》所確定的原則，應用我國現(xiàn)行規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設計時，采用的是以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法。
(一)設計基準期、設計使用年限、安全等級
1．設計基準期
設計基準期是為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數(shù)，它不等同于建筑結(jié)構(gòu)的設計使用年限。《統(tǒng)一標準》—所考慮的荷載統(tǒng)計參數(shù)，都是按設計基準期為50年確定的，如設計時需采用其他設計基準期，則必須另行確定在設計基準期內(nèi)荷載的概率分布及相應的統(tǒng)計參數(shù)。
2．設計使用年限
設計使用年限是設計規(guī)定的一個時期，在這一規(guī)定時期內(nèi)，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進行大修即可按預期目的使用，完成預定的功能，即房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和維護下所應達到的使用年限，如達不到這個年限則意味著在設計、施工、使用與維護的某一環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了非正常情況。這里指的“正常維護”包括必要的檢測、防護及維修。
設刊—使用年限是房屋建筑的地基基礎工程和主體結(jié)構(gòu)工程“合理使用年限”的具體化。根據(jù)《統(tǒng)—標準》的規(guī)定，結(jié)構(gòu)的設計使用年限應按表7-1采用，如建設單位提出更高要求，也可按建設單位的要求確定。
表7-1 設計使用年限分類
類別 設計使用年限 示例 類別 設計使用年限 示例
1 5 臨時性結(jié)構(gòu) 3 50 普通房屋和構(gòu)筑物
2 25 易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件 4 100 紀念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)
3．安全等級
根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果(危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等)的嚴重性，《統(tǒng)一標準》將建筑物劃分為三個安全等級，見表7-2。建筑結(jié)構(gòu)設計時，應采用不同的安全等級。
表7-2 建筑結(jié)構(gòu)的安全等級
安全等級 破壞后果 建筑物類型
一級 很嚴重 重要的房屋
二級 嚴重 一般的房屋
三級 不嚴重 次要的房屋
注：1．對特殊的建筑物，其安全等級應根據(jù)具體情況另行確定、，
2．地基基礎設計安全等級及抗震要求設計時建筑結(jié)構(gòu)的安全等級，尚應符合國家現(xiàn)行有關規(guī)范的規(guī)定。
大量的一般建筑物列人中間等級，重要的建筑物提高一級；次要的建筑物降低一級。設計部門可根據(jù)工程實際情況和設計傳統(tǒng)習慣選用。大多數(shù)建筑物的安全等級均屬二級。
同一建筑物內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件宜與整個結(jié)構(gòu)采用相同的安全等級，但允許對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)其重要程度和綜合經(jīng)濟效果進行適當調(diào)整。如提高某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級所需額外費用很少，又能減輕整個結(jié)構(gòu)的破壞，從而大大減少人員傷亡和財物損失，則可將該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級比整個結(jié)構(gòu)的安全等級提高一級；相反，如某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞并不影響整個結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件，則可將其安全等級降低一級。
《荷載規(guī)范》在荷載效應組合中新增一項由永久荷載效應控制的組合，使承受恒載為主的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度有所提高，(混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范)(CBS0010--2002)(以后簡稱《混凝土規(guī)范》)取消了原規(guī)范彎曲抗壓強度fcm，統(tǒng)一取用抗壓強度fc，使以混凝土受壓為主的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度有所提高，所以取消了原規(guī)范“對屋架、托架、承受恒載為主的軸心受壓柱、小偏心受壓柱安全等級應提高一級”的規(guī)定。
工程實踐表明，由于混凝土結(jié)構(gòu)在施工階段容易發(fā)生質(zhì)量問題，因此取消了原規(guī)范 “對施工階段預制構(gòu)件安全等級可降低一級”的規(guī)定。
(二)結(jié)構(gòu)的功能要求及可靠度
1．結(jié)構(gòu)的功能要求
結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)應滿足下列功能要求：
(1)安全性
在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用。在設計規(guī)定的偶然事件(如地震、爆炸)發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。
所謂整體穩(wěn)定性，系指在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，建筑結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。
(2)適用性
在正常使用時具有良好的工作性能。如不產(chǎn)生影響使用的過大的變形或振幅，不發(fā)生足以讓使用者產(chǎn)生不安的過寬的裂縫。
(3)耐久性
在正常維護下具有足夠的耐久性能。
所謂足夠的耐久性能，系指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的工作環(huán)境中，在預定時期內(nèi)，其材料性能的惡化不致導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的失效概率。從工程概念上講，足夠的耐久性能就是指在正常維護條件下結(jié)構(gòu)能夠正常使用到規(guī)定的設計使用年限。
2．結(jié)構(gòu)的可靠度
上述對結(jié)構(gòu)安全性、適用性、耐久性的要求可概括為結(jié)構(gòu)可靠性的要求。結(jié)構(gòu)的可靠性指的是，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力。結(jié)構(gòu)可靠度是對結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。
結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)的使用年限長短有關，《統(tǒng)一標準》所指的結(jié)構(gòu)可靠度或結(jié)構(gòu)失效概率，是對結(jié)構(gòu)的設計使用年限而言的，也就是說，規(guī)定的時間指的是設計使用年限；而規(guī)定的條件則是指正常設計、正常施工、正常使用，不考慮人為過失的影響，人為過失應通過其他措施予以避免。
為了保證建筑結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的可靠度，除了應進行必要的設計計算外，還應對結(jié)構(gòu)材料性能、施工質(zhì)量、使用與維護進行相應的控制。對控制的具體要求，應符合有關勘察、設計、施工及維護等標準的專門規(guī)定。
(三)結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)
整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，這個特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)可分為下列兩類：
1．承載能力極限狀態(tài)
這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。當結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：
(1)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆等)；
(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；
(3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；
(4)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如壓屈等)：
(5)地基喪失承載能力而破壞(如失穩(wěn)等)。
2．正常使用極限狀態(tài)
這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。當結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：
(1)影響正常使用或外觀的變形；
(2)影響正常使用或耐久性能的局部損壞(包括裂縫)；
(3)影響正常使用的振動；
(4)影響正常使用的其他特定狀態(tài)。
在建筑結(jié)構(gòu)設汁時，除了考慮結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)之外，還須根據(jù)結(jié)構(gòu)在施工和使用中的環(huán)境條件和影響，區(qū)分下列三種設計狀況：
(1)持久狀況，即在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)期很長的狀況，例如房屋結(jié)構(gòu)承受家具和正常人員荷載的狀況。持續(xù)期一般與設計使用年限為同一數(shù)量級。
(2)短暫狀況，即在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設計使用年限相比，持續(xù)期很短的狀況，如結(jié)拇施工和維修時承受堆料荷載的狀況。
(3)偶然狀況，即在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的狀況，如結(jié)構(gòu)遭受火災、爆炸、撞擊、罕遇地震等作用。
這三種設計狀況分別對應不同的極限狀態(tài)設計。對于持久狀況、短暫狀況和偶然狀況，都必須進行承載能力極限狀態(tài)設計；對于持久狀況，尚應進行正常使用極跟狀態(tài)設計；而對于短暫狀況，可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設計。
(四)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的設計表達式
建筑結(jié)構(gòu)設計應根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載(效應)組合，并應取各自的最不利的效應組合進行設計。
1．承載力極限狀態(tài)設計表達式
根據(jù)荷載規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設計應根據(jù)荷載效應的基本組合或偶然組合進行，其一般表達式為
γ0S≤R (7-1)
式中 γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；
S——結(jié)構(gòu)效應組合的設計值；
R--結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設計值，應按各有關建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的規(guī)定確定。
(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)γ0
根據(jù)《統(tǒng)一標準》，在建筑結(jié)構(gòu)設計時，根據(jù)破壞可能產(chǎn)生的后果(危及人的生命安全、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等)的嚴重性，采用不同的安全等級或設計使用年限按表7-3取值。
結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0 表7-3
安全等級 γ0 設計使用年限 γ0
一級 不應小于1.1 100年及以上 不應小于1.1
二級 不應小于1.0 50年 不應小于1.0
三級 不應小于0.9 5年 不應小于0.9
根據(jù)(統(tǒng)一標準》所確定的原則，應用我國現(xiàn)行規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設計時，采用的是以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法。
(一)設計基準期、設計使用年限、安全等級
1．設計基準期
設計基準期是為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數(shù)，它不等同于建筑結(jié)構(gòu)的設計使用年限。《統(tǒng)一標準》—所考慮的荷載統(tǒng)計參數(shù)，都是按設計基準期為50年確定的，如設計時需采用其他設計基準期，則必須另行確定在設計基準期內(nèi)荷載的概率分布及相應的統(tǒng)計參數(shù)。
2．設計使用年限
設計使用年限是設計規(guī)定的一個時期，在這一規(guī)定時期內(nèi)，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進行大修即可按預期目的使用，完成預定的功能，即房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和維護下所應達到的使用年限，如達不到這個年限則意味著在設計、施工、使用與維護的某一環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了非正常情況。這里指的“正常維護”包括必要的檢測、防護及維修。
設刊—使用年限是房屋建筑的地基基礎工程和主體結(jié)構(gòu)工程“合理使用年限”的具體化。根據(jù)《統(tǒng)—標準》的規(guī)定，結(jié)構(gòu)的設計使用年限應按表7-1采用，如建設單位提出更高要求，也可按建設單位的要求確定。
表7-1 設計使用年限分類
類別 設計使用年限 示例 類別 設計使用年限 示例
1 5 臨時性結(jié)構(gòu) 3 50 普通房屋和構(gòu)筑物
2 25 易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件 4 100 紀念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)
3．安全等級
根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果(危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等)的嚴重性，《統(tǒng)一標準》將建筑物劃分為三個安全等級，見表7-2。建筑結(jié)構(gòu)設計時，應采用不同的安全等級。
表7-2 建筑結(jié)構(gòu)的安全等級
安全等級 破壞后果 建筑物類型
一級 很嚴重 重要的房屋
二級 嚴重 一般的房屋
三級 不嚴重 次要的房屋
注：1．對特殊的建筑物，其安全等級應根據(jù)具體情況另行確定、，
2．地基基礎設計安全等級及抗震要求設計時建筑結(jié)構(gòu)的安全等級，尚應符合國家現(xiàn)行有關規(guī)范的規(guī)定。
大量的一般建筑物列人中間等級，重要的建筑物提高一級；次要的建筑物降低一級。設計部門可根據(jù)工程實際情況和設計傳統(tǒng)習慣選用。大多數(shù)建筑物的安全等級均屬二級。
同一建筑物內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件宜與整個結(jié)構(gòu)采用相同的安全等級，但允許對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)其重要程度和綜合經(jīng)濟效果進行適當調(diào)整。如提高某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級所需額外費用很少，又能減輕整個結(jié)構(gòu)的破壞，從而大大減少人員傷亡和財物損失，則可將該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級比整個結(jié)構(gòu)的安全等級提高一級；相反，如某一結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞并不影響整個結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件，則可將其安全等級降低一級。
《荷載規(guī)范》在荷載效應組合中新增一項由永久荷載效應控制的組合，使承受恒載為主的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度有所提高，(混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范)(CBS0010--2002)(以后簡稱《混凝土規(guī)范》)取消了原規(guī)范彎曲抗壓強度fcm，統(tǒng)一取用抗壓強度fc，使以混凝土受壓為主的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度有所提高，所以取消了原規(guī)范“對屋架、托架、承受恒載為主的軸心受壓柱、小偏心受壓柱安全等級應提高一級”的規(guī)定。
工程實踐表明，由于混凝土結(jié)構(gòu)在施工階段容易發(fā)生質(zhì)量問題，因此取消了原規(guī)范 “對施工階段預制構(gòu)件安全等級可降低一級”的規(guī)定。
(二)結(jié)構(gòu)的功能要求及可靠度
1．結(jié)構(gòu)的功能要求
結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設計使用年限內(nèi)應滿足下列功能要求：
(1)安全性
在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用。在設計規(guī)定的偶然事件(如地震、爆炸)發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。
所謂整體穩(wěn)定性，系指在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，建筑結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。
(2)適用性
在正常使用時具有良好的工作性能。如不產(chǎn)生影響使用的過大的變形或振幅，不發(fā)生足以讓使用者產(chǎn)生不安的過寬的裂縫。
(3)耐久性
在正常維護下具有足夠的耐久性能。
所謂足夠的耐久性能，系指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的工作環(huán)境中，在預定時期內(nèi)，其材料性能的惡化不致導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的失效概率。從工程概念上講，足夠的耐久性能就是指在正常維護條件下結(jié)構(gòu)能夠正常使用到規(guī)定的設計使用年限。
2．結(jié)構(gòu)的可靠度
上述對結(jié)構(gòu)安全性、適用性、耐久性的要求可概括為結(jié)構(gòu)可靠性的要求。結(jié)構(gòu)的可靠性指的是，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力。結(jié)構(gòu)可靠度是對結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。
結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)的使用年限長短有關，《統(tǒng)一標準》所指的結(jié)構(gòu)可靠度或結(jié)構(gòu)失效概率，是對結(jié)構(gòu)的設計使用年限而言的，也就是說，規(guī)定的時間指的是設計使用年限；而規(guī)定的條件則是指正常設計、正常施工、正常使用，不考慮人為過失的影響，人為過失應通過其他措施予以避免。
為了保證建筑結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的可靠度，除了應進行必要的設計計算外，還應對結(jié)構(gòu)材料性能、施工質(zhì)量、使用與維護進行相應的控制。對控制的具體要求，應符合有關勘察、設計、施工及維護等標準的專門規(guī)定。
(三)結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)
整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，這個特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)可分為下列兩類：
1．承載能力極限狀態(tài)
這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。當結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：
(1)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆等)；
(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；
(3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；
(4)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如壓屈等)：
(5)地基喪失承載能力而破壞(如失穩(wěn)等)。
2．正常使用極限狀態(tài)
這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。當結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：
(1)影響正常使用或外觀的變形；
(2)影響正常使用或耐久性能的局部損壞(包括裂縫)；
(3)影響正常使用的振動；
(4)影響正常使用的其他特定狀態(tài)。
在建筑結(jié)構(gòu)設汁時，除了考慮結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)之外，還須根據(jù)結(jié)構(gòu)在施工和使用中的環(huán)境條件和影響，區(qū)分下列三種設計狀況：
(1)持久狀況，即在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)期很長的狀況，例如房屋結(jié)構(gòu)承受家具和正常人員荷載的狀況。持續(xù)期一般與設計使用年限為同一數(shù)量級。
(2)短暫狀況，即在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設計使用年限相比，持續(xù)期很短的狀況，如結(jié)拇施工和維修時承受堆料荷載的狀況。
(3)偶然狀況，即在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的狀況，如結(jié)構(gòu)遭受火災、爆炸、撞擊、罕遇地震等作用。
這三種設計狀況分別對應不同的極限狀態(tài)設計。對于持久狀況、短暫狀況和偶然狀況，都必須進行承載能力極限狀態(tài)設計；對于持久狀況，尚應進行正常使用極跟狀態(tài)設計；而對于短暫狀況，可根據(jù)需要進行正常使用極限狀態(tài)設計。
(四)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的設計表達式
建筑結(jié)構(gòu)設計應根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載(效應)組合，并應取各自的最不利的效應組合進行設計。
1．承載力極限狀態(tài)設計表達式
根據(jù)荷載規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設計應根據(jù)荷載效應的基本組合或偶然組合進行，其一般表達式為
γ0S≤R (7-1)
式中 γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；
S——結(jié)構(gòu)效應組合的設計值；
R--結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設計值，應按各有關建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的規(guī)定確定。
(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)γ0
根據(jù)《統(tǒng)一標準》，在建筑結(jié)構(gòu)設計時，根據(jù)破壞可能產(chǎn)生的后果(危及人的生命安全、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等)的嚴重性，采用不同的安全等級或設計使用年限按表7-3取值。
結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0 表7-3
安全等級 γ0 設計使用年限 γ0
一級 不應小于1.1 100年及以上 不應小于1.1
二級 不應小于1.0 50年 不應小于1.0
三級 不應小于0.9 5年 不應小于0.9