GB T 50283-1999 公路工程结构可靠度设计统一标准.pdf

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1、中华人民共和国国家标准公路工程结构可靠度设计统一标准中华人民共和国建设部年月日中华人民共和国建设部公告第号关于发布国家标准公路工程结构可靠度设计统一标准的通知根据国家计委一九八七年工程建设标准规范制订修订计划计综号文附件八的要求由交通部会同有关部门共同制订的公路工程结构可靠度设计统一标准经有关部门会审批准为推荐性国家标准编号为自年月日起施行本标准由交通部负责管理交通部公路规划设计院负责具体解释工作建设部标准定额研究所组织中国计划出版社出版发行中华人民共和国建设部年月日前言本标准是根据国家计委计综号文的要求由交通部负责主编具体由交通部公路规划设计院会同交通部公路科学研究所等八个单位共同编制而成经

2、建设部年月日以建标号文批准发布在本标准编制过程中编制组在总结实践经验和科研成果的基础上主要对结构功能要求结构可靠度和结构设计安全等级结构极限状态设计状况目标可靠指标作用的分类统计特性代表值效应组合材料与岩土性能和结构几何参数的统计参数标准值结构分析与试验极限状态设计表达式分项系数质量管理和控制等方面作了规定并广泛征求了全国有关单位的意见最后由交通部会同有关部门审查定稿鉴于本标准系初次编制在执行过程中希望各单位结合工程实践和科学研究认真总结经验注意积累资料如发现需要修改和补充之处请将意见和有关资料寄交通部公路规划设计院地址北京东四前炒面胡同号邮政编码以供今后修订时参考本标准主编单位参编单位和主要

3、起草人主编单位交通部公路规划设计院参编单位交通部公路科研所同济大学交通部重庆公路科研所西安公路交通大学重庆交通学院湖南大学吉林省交通科研所福建师范大学主要起草人郑绍王圭沙庆林姚祖康林忠民李扬海郭修武鲍卫刚逯一新邹天一程翔云李玉良徐光辉邓卫东张书廷张士铎黄征宇陈祥宝谈至明李晓松唐伯明王旭东李正熔刘庆成陈谦应总则为了统一公路工程结构设计的基本原则使公路工程各类结构设计符合技术先进安全可靠适用耐久经济合理的要求制定本标准本标准适用于公路桥梁整体结构及结构构件高速一级和二级公路路面等结构的设计也适应于结构的施工阶段及使用阶段其他道路工程结构可参照执行本标准按照国家标准工程结构可靠度设计统一标准的基本原

4、则编制本标准规定的设计原则和方法是编制公路工程各类结构规范应遵守的共同准则结构在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的概率称为结构可靠度公路工程结构的设计基准期应采用桥梁结构年水泥混凝土路面结构不大于年沥青混凝土路面结构不大于年公路工程结构必须符合下列功能要求在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种作用在正常使用时具有良好的工作性能在正常维护下具有足够的耐久性能在预计的偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性公路工程结构的设计安全等级应根据结构破坏可能产生的后果的严重程度划分为三个等级并应符合表的规定表公路工程结构的设计安全等级安全等级路面结构桥涵结构一级高速公路路面特大桥重要大桥二

5、级一级公路路面大桥中桥重要小桥三级二级公路路面小桥涵洞对于有特殊要求的公路工程结构其安全等级可根据具体情况另行确定同一技术等级公路的路面结构宜取相同的安全等级当必要时部分地段的设计安全等级可降低一级公路桥梁结构构件的安全等级宜与整体结构相同当必要时也可作部分调整但调整后的级差不得超过一级公路工程结构均应具有规定的可靠度在勘察设计施工及使用阶段应根据设计可靠度进行有效的质量管理和控制相应的规范应按本标准的要求对质量管理和控制作出具体规定术语和符号术语可靠性结构在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的能力它包括结构的安全性适用性和耐久性设计基准期在进行结构可靠性分析时考虑持久设计状况下各项基本变

6、量与时间关系所取用的基准时间参数安全等级为使结构具有合理的安全性根据工程结构破坏所产生后果的严重程度而划分的设计等级设计状况代表一定时段的一组物理条件设计时必须做到使结构在该时段内不超越有关的极限状态极限状态方程在结构或构件处于极限状态时各有关基本变量的关系式基本变量影响结构可靠度的各主要变量它们一般是随机变量结构功能函数用来描述结构完成功能状况的以基本变量为自变量的函数校准法通过对现存结构或以往设计规范隐含可靠度水平的反演分析以确定结构设计时采用的目标可靠指标的方法可靠指标度量结构可靠性的一种由定义的数量指标其中为标准正态分布反函数标准规定的作为结构设计依据的可靠指标称为目标可靠指标随机过程

7、随连续时间参数变化的随机变量可用随机过程概率模型来描述概率分布随机变量统计规律的描述一般用概率密度函数或概率分布函数表示统计参数一般指随机变量的数字特征如平均值标准差变异系数等分位值与随机变量分布函数的某一概率相应的变量值作用代表值结构或结构构件设计时针对不同设计目的所采用的作用规定值它包括作用标准值准永久值频遇值等作用效应组合结构上几种作用分别产生的效应的随机叠加几何参数附加值实际结构或结构构件的几何参数因与标准值存在偏差而采用的调整值抗力结构或结构构件承受作用效应的能力包括承载能力刚度抗裂度等结构重要性系数对不同安全等级的结构为使其具有规定的可靠度而采用的分项系数作用效应组合系数在作用效应

8、组合中由于几个独立可变作用效应最不利值同时出现的概率较小而对作用采用的折减系数分项系数用概率极限状态设计法设计时为保证所设计的结构具有规定的可靠度而在设计表达式中采用的系数分为作用分项系数和抗力分项系数两类可靠度系数用概率极限状态设计法设计时为保证所设计的结构具有规定的可靠度而在设计表达式中采用的单一综合系数符号结构可靠性有关符号结构的失效概率结构可靠度可靠概率结构或结构构件的抗力作用效应结构的设计基准期第个基本变量结构的功能函数结构的可靠指标结构或结构构件抗力的平均值结构或结构构件抗力的标准差结构或结构构件抗力的变异系数作用效应的平均值作用效应的标准差作用效应的变异系数作用及作用效应有关符号

9、结构上的作用永久作用永久作用标准值可变作用可变作用标准值作用标准值效应作用设计值效应材料岩土性能和几何参数有关符号结构或结构构件的几何参数结构或结构构件几何参数标准值结构或结构构件几何参数设计值结构材料岩土性能材料岩土性能标准值材料岩土性能设计值材料岩土性能的平均值材料岩土性能的变异系数结构或结构构件的几何参数附加值结构或结构构件的几何参数平均值结构或结构构件几何参数的变异系数结构极限状态设计式有关符号第个永久作用标准值的效应第个永久作用设计值的效应含有冲击系数的汽车荷载标准值的效应含有冲击系数的汽车荷载设计值的效应除汽车荷载外第个其他可变作用标准值的效应除汽车荷载外第个其他可变作用设计值的效

10、应第个可变作用标准值的效应结构重要性系数结构或结构构件几何参数的分项系数作用的分项系数结构材料岩土性能的分项系数第个永久作用的分项系数汽车荷载的分项系数除汽车荷载外第个其他可变作用的分项系数作用效应计算模式不定性系数结构或结构构件抗力计算模式不定性系数路面结构的可靠度系数除汽车荷载外其他可变作用效应组合时的组合系数作用短期效应组合设计值作用长期效应组合设计值第个可变作用的频遇值系数第个可变作用的准永久值系数极限状态设计原则一般规定整体结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时此特定状态为该功能的极限状态对结构的各种极限状态均应有明确的限制或规定公路工程结构宜按承载能力

11、极限状态和正常使用极限状态进行设计这两种极限状态应符合下列规定承载能力极限状态是指对应于结构结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态当结构或结构构件出现下列状态之一时应认为超过了承载能力极限状态结构或结构的一部分作为刚体失去平衡结构结构构件或其连接因超过材料强度而破坏或因过度的塑性变形而不能继续承载结构转变为机动体系结构或结构构件丧失稳定正常使用极限状态是指对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态当结构或结构构件出现下列状态之一时应认为超过了正常使用极限状态影响正常使用或外观的变形影响正常使用或耐久性的局部损坏影响正常使用的振动影响正常使用的其他特定状态公

12、路工程结构宜根据不同种类的作用及其对结构的影响和结构所处环境条件分为以下三种设计状况持久状况结构建成后承受自重车辆荷载等持续时间很长的状况短暂状况结构施工过程中承受临时性作用的状况偶然状况在结构使用过程中偶然出现的状况公路工程结构应按各自情况确定设计状况并据此选定极限状态和相应的结构计算模式作用和材料性能设计值及结构目标可靠指标进行设计当需要考虑偶然设计状况时可仅按承载能力极限状态对主要承重结构采用下列原则之一进行设计或采取防护措施主要承重结构不致因非主要承重结构发生破坏而导致丧失承载能力允许主要承重结构发生局部破坏但其剩余部分在一段时间内不发生连续倒塌极限状态方程结构的极限状态采用下列极限状

13、态方程来描述式中影响结构的基本变量或结构的功能函数结构极限状态方程中的基本变量包括作用材料和岩土性能结构几何参数计算模式不定性等随机变量极限状态方程中的若干变量也可组合为作用效应和结构抗力两个综合变量此时极限状态方程可表达为式中结构或结构构件的抗力作用的效应结构按极限状态设计时应符合下列要求或结构的可靠指标结构不能完成预定功能的概率称为失效概率结构的失效概率可以下列公式表达结构的可靠度即可靠概率与失效概率有以下关系结构的可靠指标与失效概率有以下关系式中标准正态分布的反函数结构和结构构件的可靠指标应根据基本变量的概率分布类型和统计参数进行计算当极限状态方程仅含有作用效应和结构抗力两个相互独立的综

14、合变量时结构和结构构件的可靠指标应按下列公式计算式中结构或结构构件综合抗力的平均值与标准差作用效应的平均值与标准差公路工程结构设计应以规定的目标可靠指标为依据目标可靠指标按照校准法并结合工程经验和经济优化原则判断确定按持久状况进行承载能力极限状态设计时公路桥梁结构的目标可靠指标应符合表的规定路面结构的目标可靠指标应符合表的规定当有特殊要求时结构的目标可靠指标可不受本条规定的限制按偶然状况进行承载能力极限状态设计时公路桥梁结构的目标可靠指标应符合有关规范的规定表公路桥梁结构的目标可靠指标结构安全等级构件破坏类型一级二级三级延性破坏脆性破坏注表中延性破坏系指结构构件有明显变形或其他预兆的破坏脆性破

15、坏系指结构构件无明显变形或其他预兆的破坏当有充分依据时各种材料桥梁结构设计规范采用的目标可靠指标值可对本表的规定值作幅度不超过的调整表路面结构的目标可靠指标结构安全等级一级二级三级目标可靠指标注与表中目标可靠指标安全等级一级二级三级相应的目标可靠度分别为按正常使用极限状态设计时公路工程结构的目标可靠指标可根据不同类型结构的特点和工程经验确定结构上的作用一般规定结构上的作用应分为直接作用和间接作用直接作用为直接施加于结构上的集中力或分布力间接作用为引起结构外加变形或约束变形的地震基础变位温度和湿度变化混凝土收缩和徐变等直接作用又称为荷载结构上的各种作用若在时间上或空间上可认为相互随机独立则每一种

16、作用都可按对结构单独的作用分别考虑若某些作用是随机相关的且经常以它们的最大值同时出现则可将它们按一种作用考虑作用的分类作用按随时间变化可分为永久作用可变作用和偶然作用三类并应符合下列规定永久作用在设计基准期内量值不随时间而变化或其变化值与平均值比较可忽略不计包括结构自重土重和土侧压力混凝土收缩和徐变水位不变的水压力浮力基础变位预加应力等可变作用在设计基准期内量值随时间而变化且变化值与平均值比较不可忽略包括车辆荷载及其冲击力离心力和制动力人群荷载车辆荷载产生的土侧压力风荷载温度和湿度变化水位变化的水压力和冰压力等偶然作用在设计基准期内出现的概率很小一旦出现其值很大且持续时间很短例如罕遇地震车辆或

17、船舶撞击力等作用按空间位置变化可分为固定作用和自由作用两类并应符合下列规定固定作用在结构空间上具有固定位置的作用包括结构自重固定设备自重等自由作用在结构空间的一定范围内可改变位置的作用包括车辆荷载人群荷载等作用按对结构的反应可分为静态作用和动态作用两类并应符合下列规定静态作用在结构上不产生加速度或产生的加速度可忽略不计的作用包括结构自重等动态作用在结构上产生不可忽略加速度的作用包括汽车荷载地震等作用的随机特性和基本设计参数结构上的可变作用随时间变化的规律宜用随机过程概率模型来描述汽车荷载随机过程可模型化为滤过泊松过程或伽马更新过程其他作用则可采用等时段的矩形波函数或合适的其他随机过程概率模型在

18、结构的概率极限状态设计中均可将随机过程概率模型转化为随机变量概率模型来描述作用的各种统计参数和概率分布类型应以实际观测或试验数据为基础运用参数估计和概率分布假设检验方法确定当受条件限制而统计资料不足时也可结合工程经验分析判断确定结构应根据不同极限状态的设计要求选用不同的作用代表值永久作用的代表值采用标准值可变作用的代表值应采用标准值频遇值或准永久值当设计上有特殊要求时公路工程各类结构的设计规范尚可规定作用的其他代表值结构按承载能力极限状态设计时应采用作用标准值在一般情况下结构自重标准值可由设计尺寸与材料重力密度标准值的乘积计算对于某些自重变异较大的材料或结构构件其自重标准值应经统计分析并取概率

19、分布的某一分位值确定当自重增大对结构不利时取概率分布的高分位值当自重减小对结构不利时取概率分布的低分位值汽车队荷载的标准值可用具有一定压力强度的分布力和集中力图式表示按该图式计算的荷载效应应与汽车车队经统计所得的荷载效应设计基准期最大值概率分布的分位值等效设计路面结构时应采用标准轴载作为标准值结构按正常使用极限状态下长期效应组合设计时可变作用应采用准永久值其值可根据作用在足够长的观测期内达到或超过该值的总持续时间与观测期的某一比值确定该比值可取不大于或按超过该值的平均跨越率确定结构按正常使用极限状态下短期效应组合设计时可变作用应采用频遇值其值可根据作用在足够长的观测期内达到或超过该值的总持续时

20、间与观测期的较小比值确定该比值可取或按超过该值的平均跨越率确定偶然作用的标准值可根据历史记载现场观测和试验并结合工程经验经综合分析判断确定作用效应及其组合结构对所受作用的反应称为作用效应作用效应应包括由作用产生的结构的轴力弯矩剪力扭矩应力变形裂缝位移等作用效应组合时可根据作用的统计规律近似确定作用效应的统计规律汽车车队荷载效应及其统计特征可在该荷载的统计基础上通过计算分析确定公路工程结构设计时应按各种设计状况对可能同时产生的作用效应进行组合并取其最不利组合的设计值互不相容的作用其效应不应进行组合多个同时出现的可变作用效应可采用塔克斯特拉规则进行组合以确定其在设计基准期最大值的统计特征公路工程结

21、构按承载能力极限状态设计时应根据各自的情况选用以下一种或两种作用效应组合基本组合永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合偶然组合永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应一种偶然作用标准值效应相组合对于持久状况下承载能力极限状态设计当有多个可变作用效应参与组合时应根据可变作用的性质和数量采用不同的分项系数和效应组合系数公路工程结构当需要按正常使用极限状态设计时应根据结构不同的设计要求选用以下一种或两种效应组合短期效应组合永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合长期效应组合永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合材料与岩土的性能和结构的几何参数材料与岩土的性能材料与岩土的性能系指

22、其强度弹性模量变形模量压缩模量粘聚力内摩擦角等物理力学性能各种性能应按标准试验方法经试验确定材料性能应采用随机变量的概率模型来描述其概率分布类型和统计参数应以试验数据为基础运用参数估计和概率分布的假设检验方法确定按标准试验方法确定的材料性能应通过换算系数或函数转换为实际结构的材料性能结构中材料性能的不定性可根据标准试验方法确定的材料性能不定性和换算系数或函数的不定性经计算确定材料性能的标准值应根据符合规定质量的材料性能的概率分布的某一分位值确定当受条件限制而试验数据不足时材料性能标准值可采用有关的规定值也可结合工程经验分析判断确定当材料性能与时间因素有关或因环境条件而变化时确定材料性能标准值宜

23、考虑这些因素的影响岩土性能宜根据现场取样的试验结果用随机变量概率模型来描述其标准值应根据概率分布的某一分位值确定当试验数据不足时可采用有关的规定值结构的几何参数当几何参数的变异对作用效应和结构抗力的影响不可忽略时可采用随机变量概率模型来描述其概率分布类型和统计参数应以正常生产的结构几何尺寸的测试数据为基础运用参数估计和概率分布假设检验确定当几何参数的变异对作用效应和结构抗力的影响可忽略时可将其作为常量处理当测试数据不足时几何参数的概率分布类型可采用正态分布其统计参数可根据有关标准规定的公差经分析确定几何参数的标准值应采用设计文件的规定值结构分析与试验结构分析应包括确定结构及其连结中的作用效应及

24、结构结构构件的抗力和其他性能结构分析可采用计算模型试验或原型试验等方法来完成结构分析采用的计算模式和基本假定应考虑结构型式支承条件材料性能作用情况施工方法等特点并应较确切地描述结构在所考虑的极限状态下的反应结构可根据具体情况按一维二维或三维的计算模型分析对于承载能力极限状态可根据材料岩土和结构对作用的反应采用线性非线性塑性或粘弹性理论进行分析对于正常使用极限状态可采用线性理论必要时也可采用非线性理论进行分析当结构承受自由作用时应考虑每一作用可能出现的空间位置确定作用对结构的最不利布置当结构按极限状态设计时计算模式的不定性可在极限状态方程中引进一个或几个附加的基本变量来反映其概率分布类型和统计参

25、数可通过按计算模式的计算结果与按精确模式的计算结果或试验结果相比较经统计分析估计或根据工程经验判断确定计算模式不定性亦可在可靠度系数或分项系数中反映若环境条件对材料或岩土结构和结构构件性能的影响不能忽略时这种影响应在结构分析中考虑结构或结构的一部分可根据模型试验或原型试验进行设计模型或原型试验应接近实际所采用的试验和分析方法应能正确地预测实际结构的性能极限状态设计方法一般规定公路工程结构的极限状态设计表达式可根据各类结构的设计要求采用分项系数模式或可靠度系数模式表达极限状态设计表达式中的各分项系数应根据基本变量的概率分布类型和统计参数以及规定的目标可靠指标按优化原则通过计算分析并结合工程经验确

26、定结构极限状态设计表达式中各基本变量应采用设计值其值应按下列公式计算作用的设计值式中作用的设计值作用的标准值作用的分项系数结构或构件材料岩土性能的设计值式中材料岩土性能的设计值材料岩土性能的标准值材料岩土性能的分项系数几何参数的设计值式中几何参数的设计值几何参数的标准值几何参数的附加值公路工程结构设计在极限状态设计表达式中可引入结构重要性系数其值按结构安全等级确定极限状态设计表达式公路工程结构的承载能力极限状态设计表达式应按下列规定采用作用效应基本组合或对于路面结构可采用下式式中结构重要性系数对于公路桥梁安全等级为一级二级三级时分别取作用效应计算模式不定性系数如已在作用分项系数中体现可取结构或

27、结构构件抗力计算模式不定性系数如已在抗力分项系数中体现可取第个永久作用的分项系数对于恒荷载结构及附加物自重取第个永久作用标准值和设计值的效应汽车荷载分项系数对于公路桥梁根据作用效应的组合情况取或含有冲击系数的汽车荷载标准值和设计值的效应除汽车荷载外第个其他可变作用的分项系数除汽车荷载外第个其他可变作用标准值和设计值的效应除汽车荷载外其他可变作用效应的组合系数结构材料岩土性能的分项系数材料岩土性能的标准值和设计值结构或结构构件几何参数的标准值和设计值路面结构的可靠度系数路面结构第个可变作用标准值的效应结构或结构构件的抗力函数对于作用效应的偶然组合极限状态设计表达式应按以下原则确定偶然作用取标准值

28、效应其分项系数取与偶然作用同时出现的可变作用可根据观测资料和工程经验取适当的代表值效应设计表达式及各项系数的取值可按公路工程有关规范的规定采用采用分项系数表达式的结构承载能力极限状态设计当永久作用效应的增大对结构的承载能力有利时则其荷载分项系数应取不大于对由结构及附加物自重组成的恒载可取公路工程结构按正常使用极限状态时作用效应组合设计值应按下列规定采用作用短期效应组合式中作用短期效应组合设计值第个可变作用的频遇值系数作用长期效应组合式中作用长期效应组合设计值第个可变作用的准永久值系数质量管理和控制对公路工程结构必须严格实施质量管理和控制以保证结构在设计基准期内具有规定的可靠度达到预定的安全性适

29、用性和耐久性要求同时应重视保护环境以符合环保要求在质量管理和控制中应及时收集各种质量信息和数据进行统计分析和判断对存在的问题采取措施公路工程结构质量管理和控制的范围应包括勘察设计施工使用和养护以及所涉及的材料和制品各有关的质量标准保证措施和本标准的要求均应在各相关的标准规范中作出明确规定对公路工程勘察设计的质量管理和控制应贯穿于工程项目可行性研究和各设计阶段应建立明确的责任制和严格的检查校核制度每个项目均应执行与技术业务有关的质量管理规定或办法以保证工程方案经济合理方法正确无误数据准确完整结论全面可靠公路工程结构的施工质量应通过政府监督社会监理和施工单位自检的多层次质量管理体系予以保证质量管理

30、和控制应符合下列要求工程结构的施工质量应按准备阶段施工阶段和竣工阶段实行分阶段管理和控制应对各阶段的合格质量水平控制标准和具体实施办法提出要求并作经常性检验或合格性验收在施工验收规范和质量检验评定标准规定的结构工程材料制品等的合格质量水平应以保证结构符合设计采用的目标可靠指标为依据材料制品的质量检验可采用抽样或全数检验的方法当采用抽样方法检验时其质量验收标准应按数理统计的方法制定对抽样办法样本容量验收批量和验收界限等均应有明确的规定当采用全数检验方法时应规定符合质量要求的特征指标和容许偏差等结构的使用应符合设计文件给定的使用条件工程管理部门应对使用状况进行必要的监测和检查当结构的实际使用状况需

31、超越设计给定的使用条件时有关部门应预先组织进行专门验算和评定在结构使用期内应有规定的检查和养护制度定期对结构的退化或损坏情况进行监测结构不应长期存在削弱承载能力和妨碍正常使用的缺陷本标准用词说明为便于在执行本标准条文时区别对待对于要求严格程度不同的用词说明如下表示很严格非这样做不可的用词正面词采用必须反面词采用严禁表示严格在正常情况下均应这样做的用词正面词采用应反面词采用不应或不得表示允许稍有选择在条件许可时首先应这样做的用词正面词采用宜反面词采用不宜表示有选择在一定条件下可以这样做的用词采用可标准中指定应按其他有关标准规范执行时写法为应符合的规定或应按执行中华人民共和国国家标准公路工程结构可

32、靠度设计统一标准条文说明总则以往我国公路工程结构曾采用过多种设计方法不论它们属于弹性理论的还是非弹性理论的都把影响结构可靠性的各种参数视为确定性的量结构设计的安全系数一般依据经验或主要依据经验来确定这些方法统称为定值设计法然而影响结构可靠性的诸如荷载材料性能结构几何参数等因素无一不是随机变化的不确定的量公路工程结构可靠度设计统一标准以下简称统一标准引入了结构可靠性理论把影响结构可靠性的各种因素均视为随机性变量以大量调查实测资料和试验数据为基础运用统计数学的方法寻求各随机性变量的统计规律确定结构的失效概率或可靠度来度量结构的可靠性这种方法可称为可靠度设计法用于结构的极限状态设计也可称为概率极限状

33、态设计法制订统一标准的一个主要意义就在于它提供的原则和方法把我国公路工程结构设计由长期沿用的不甚合理的定值设计法转变为概率极限状态设计法即在度量结构可靠性上由经验方法转变为运用统计数学的方法这无疑是设计思想和设计理论的一大进步使结构设计更符合客观实际情况本条规定的适用范围仅指结构目标可靠指标而言公路桥梁和路面结构这里指水泥混凝土路面和沥青混凝土路面都曾经进行过结构可靠性研究统一标准中规定的目标可靠指标就是经研究得到的没有参与可靠性研究的其他类型的结构则不能普遍地适用作为公路工程结构之一的路基路堤稳定和沉降也曾做了可靠性研究做了大量调查实测试验分析工作求得了结构的目标可靠指标但由于路基属岩土工程

34、具有很强的区域特点情况非常复杂目前尚很难取得适用于全国的目标可靠指标值所以在统一标准审查会上专家意见暂不列入路基的目标可靠指标作为参考资料写进条文说明中除结构的目标可靠指标外本标准在各章节中所体现的一些基本原则例如结构可靠性的分析方法极限状态设计原则和表达式结构作用和抗力的有关规定结构分析与试验的要求质量控制准则等对于所有公路工程结构都是适用的也适用于结构的施工阶段及使用阶段这些基本原则对于其他道路工程结构也是适用的长期以来我国公路工程结构即使是同类结构在一些设计原则上也存在不统一的问题尤其表现在公路桥梁设计上例如不同材料结构其设计理论和方法不统一不同材料结构其荷载效应分项系数和组合系数不统一

35、材料性能代表值的取值原则不统一极限状态设计表达式不统一等等这就给设计人员的应用和理解造成困难特别在进行不同材料的组合结构设计时更是如此统一标准作为编制公路工程结构规范的指导性文件为新一代规范制定了一个共同遵守的准则使同类规范多年来未能统一的诸多问题可望在统一标准的基础上逐步实现基本统一这必将对提高设计水平和质量促进规范的合理性和先进性起到直接的推动作用本条给出了结构可靠度的定义定义中所说的规定的时间是指结构的设计基准期规定的条件是指正常设计正常施工和正常使用更具体地说是指具备了本章条要求的条件人为的过失在结构可靠度中是不被考虑的预定功能则随各类结构而异例如对于公路桥梁结构是指结构构件的强度变形

36、抗裂度等对于路面是指疲劳断裂或表面最大弯沉和层底最大弯拉应力总之预定功能是指结构的安全性适用性和耐久性也可统称为结构的可靠性由此可见结构可靠度就是度量结构完成预定功能的概率它是建立在统计数学的基础上并经计算分析确定的能给结构可靠性以统一定量的描述以可靠性理论为基础的极限状态设计都需有一个确定的设计基准期例如在结构可靠度分析中公路桥梁的可变荷载一般是按随机过程概率模型来描述的随机过程的时间域一般就取为设计基准期路面结构设计规定的设计累计标准轴载作用次数也可视为时间参数设计基准期只是结构可靠度计算的一个参考时间坐标可结合结构使用寿命的要求适当选定但设计基准期不能简单地理解为结构的使用寿命两者是有联

37、系而不全等同当结构的使用年限越过设计基准期时表明它的可靠指标将可能低于目标可靠指标而不是结构全部报废公路桥梁的设计基准期统一取为年这是根据我国公路桥梁使用现状和以往设计经验确定的国际桥梁的设计基准期多取年我国取年也属适中时域车辆荷载的统计分析表明当设计基准期定为年时该荷载效应最大值分布的分位值接近于现行规范规定的汽车荷载标准值人群荷载也有如此结论这说明公路桥梁设计基准期选为年就可避免规范主要荷载的取值出现过大的变动对保持今后设计的连续性是有利的一般认为桥梁的大小和重要程度不同应给予不同的设计基准期但如果给出不同的设计基准期就有不同的荷载统计参数及其代表值这样不但给统计分析工作和设计使用带来麻烦

38、也增加了规范表达的复杂性是不可取的统一标准采用了统一的设计基准期而以不同的结构安全等级去体现不同状况的桥梁在可靠度上的差异水泥混凝土路面的设计基准期规定不大于年是与现行公路水泥混凝土路面设计规范相适应的具体地说高速公路和一级公路路面确定为年相当于现行规范按交通等级划分的特重和重的设计使用年限二级公路路面取为年则与交通等级中等和轻的设计使用年限相对应为了统一起见水泥混凝土路面的设计基准期由原规范按交通等级划分改为按交通功能等级划分沥青混凝土路面的设计基准期不大于年也基本沿用现行的公路沥青路面设计规范设计年限的规定高速公路和一级公路路面采用年二级公路路面采用年本条对结构的安全等级做出了规定这是为满

39、足公路工程结构设计和现实需要而首次提出的表明处于不同情况的同类结构其可靠度应有的差异公路桥梁结构按其重要性和跨径大小及破坏后果的影响程度划分为三个安全级别每一级都有其相应的目标可靠指标二级用于大桥中桥与重要的小桥它的目标可靠指标相当于按现行规范校准的可靠度水平安全等级一级用于特大桥与重要大桥三级用于小桥与涵洞它们的目标可靠指标相应于年设计基准期内在二级基础上增加或减小约一个数量级其值为在设计中从结构可靠度的角度考虑可按现行的公路工程技术标准单孔跨径判定现实中的特大桥大中小桥对于多跨不等跨桥梁以其中最大跨径为准设计工程师也可根据桥梁的具体情况按照自己的经验确定安全级别表中冠以重要的大桥和小桥一般

40、系指高速公路上城市附近交通繁忙的城郊公路上以及国防公路上的桥梁路面结构的安全等级基本按设计要求划分水泥混凝土路面分为三个安全等级与现行规范规定的在各交通等级作用下计算荷载疲劳应力相对应安全等级一级相应于特重用于高速公路二级三级分别对应于重中等用于一级公路和二级公路沥青路面的安全等级则与现行设计规范计算容许弯沉值的分级相适应为了确保公路工程结构具有规定的可靠度本条规定了对结构工程从勘察设计施工直到使用的全过程都要进行有效的质量管理和控制并按本标准第章的要求对质量管理和控制在各相应的规范中作出具体的规定这样就能使设计规范与其他规范得以在统一标准统一要求下相互配套设计预期的可靠度可通过上述的质量管理

41、和控制在工程的各个环节得到保证本条的规定突出地表明结构可靠度不是仅对设计而言而是对整体工程全过程而言的这是它的一个主要特点术语和符号本章仅针对本标准中出现的术语和符号作了说明术语基本按出现的先后顺序列出符号则按结构可靠性作用材料性能和几何参数等分类列出有关公路工程结构专业性术语本标准未予编入可参看有关标准的规定本章给出的术语的解释只是术语的概括性涵义并非国际公认的定义遇有国际上已定义的术语本标准都将其定义列入条文中如结构可靠度极限状态等对于作为标准的重要内容并从结构设计意义上已在标准中加以说明的术语如有关三种设计状态的有关作用分类的等本章均不再重复列出本章给出的对应于术语中文名称的英文名称不是

42、标准化名称仅供引用时参考本标准的符号根据现行国家标准的规定采用当现行国家标准无统一规定时则尽量采用国际上通用的符号或现行相近标准的符号极限状态设计原则一般规定按照本标准第条的规定公路工程结构必须满足的各项功能要求归结起来为结构的安全性适用性和耐久性前者属于承载能力极限状态后两者统属于正常使用极限状态承载能力极限状态关系到结构的破坏和安全问题例如桥梁结构整体或局部是否失稳构件或连接是否破坏路面是否疲劳断裂等是设计必须解决的结构的主要问题正常使用极限状态仅涉及结构的工作条件和性能例如桥梁结构的变形或振动是否过大构件裂缝是否过宽路面的不平整度是否过大等这些现象并不引起结构的破坏不造成生命和国家财产的

43、严重损失因此结构的正常使用极限状态设计其可靠度水平一般要低于承载能力极限状态设计根据结构在施工和使用过程中面临的不同情况本条规定了公路工程结构的三种设计状况即持久状况短暂状况和偶然状况持久状况是指结构的使用阶段这个阶段持续的时间很长一般取与设计基准期相同的时间在这期间结构可能承受的作用结构设计时均需加以考虑短暂状况所对应的是结构的施工阶段这个阶段的持续时间相对于使用阶段是短暂的结构体系结构所受作用等与使用阶段也不同结构设计时要根据具体情况而定偶然状况是指结构可能遇到的罕遇地震等状况这种状况出现的概率极小且持续的时间极短结构在极短时间内承受的作用以及结构可靠度水平等在设计中都需特殊考虑公路工程结

44、构的三种设计状况由于它们的结构体系所处环境经历的时间长短都有所不同所以设计时采用的结构计算模式承受的作用和材料性能的取值以及结构的可靠度水平等方面也都是不同的各类结构要根据各自的具体条件分别加以确定尽管所有结构都要经历施工和使用阶段但作为设计要求不是所有公路工程结构都考虑这三种设计状况持久状况是结构设计的主要对象各类结构均需考虑但是有些结构或者由于本身的特点或者采取一些措施最终回避了短暂状况或偶然状况的设计一般地说公路桥梁结构需要考虑三种设计状况在确定了设计状况以后每一种设计状况还有一个极限状态设计的选择问题持久状况的承载能力极限状态是考验结构是否完成其主要功能的能力所有结构均需进行设计至于正

45、常使用极限状态设计是否需要进行要视各类结构具体情况而定公路桥梁结构必须考虑当需要考虑短暂状况设计时承载能力极限状态设计必须进行除特殊情况一般不再做正常使用极限状态设计偶然状况只需按承载能力极限状态设计不必考虑正常使用极限状态设计极限状态方程公路工程结构的可靠度通常受各种作用效应材料或岩土性能结构几何参数计算模式准确程度等诸多因素的影响在进行结构可靠性分析时针对所要求的结构各种功能把这些有关因素均作为基本变量来考虑建立极限状态方程其中或为结构的功能函数也可将若干基本变量组合成综合的作用效应和综合的结构抗力则结构的极限状态方程变为在公路工程结构中在建立各自的结构可靠度模型时应依据不同结构的特点和所

46、采用的设计标准对其极限状态方程中的综合变量给予不同的含义例如当路面结构采用疲劳概率模型时其极限状态方程中相当于作用效应的综合变量以用设计基准期内预期的标准轴载累计作用次数表示而相当于综合抗力的变量以路面结构所能承受的标准轴载作用次数路面疲劳寿命表示其他各类结构其极限状态方程中的综合变量各有其一定的意义结构可靠性设计可能出现三种状态可靠状态极限状态和失效状态这三种结果可用图示意图中直线表示结构处于极限状态此时的极限状态方程为作用效应等于结构抗力即图中位于直线上方的表示结构可靠即位于直线下方的表示结构失效即结构可靠性设计的目的就是要使结构处于可靠状态至少也应处于极限状态用功能函数表示时应符合以下要

47、求或图结构所处状态结构的可靠指标按照本标准第条的规定结构可靠度即可靠概率定义为在规定的时间内在规定的条件下结构能完成预定功能的概率结构的失效概率则为结构不能完成预定功能的概率也就是结构的功能函数小于零的概率根据概率论结构可靠度与失效概率有互补关系即如果结构功能函数服从正态分布按第条说明公式失效概率与可靠指标的关系为取反函数则为式中为标准正态分布函数本条给出的结构可靠指标的计算公式是假定综合变量和均为正态分布得到的根据概率论定理此时结构的功能函数也服从正态分布的平均值为标准差为式中分别为的平均值分别为的标准差图给出了随机变量的密度函数分布曲线结构失效概率由至阴影面积给出则由至曲线包围的面积给出了

48、结构可靠度的失效概率为引入标准正态变量即令以便于利用现成的标准正态分布表所以式中为标准正态分布函数由此可知结构可靠指标值为结构可靠度可用同样方法求得图结构失效概率与可靠指标的关系式表明结构可靠指标不仅与结构抗力和荷载效应有关而且与它们的变异性和也有关结构抗力和荷载效应变异性减小可使值提高即结构可靠度提高失效概率降低而传统的设计法按中心安全系数表达为只考虑抗力和荷载效应的相对位置没有计及和的离散程度此外还与基本变量的概率类型有关概括了基本变量的统计特征较全面地反映了各影响因素的变异性显然概率设计法比之以往的传统设计法更具科学性和合理性若将极限状态方程原坐标系条文说明图中的分别除以标准差形成的新坐

49、标系见图再将此坐标系平移原点由移至处则得到另一个新坐标系见图公式表明前面坐标系的变换实质上是正态分布标准化为标准正态变量原坐标系与新坐标系之间的关系由公式得到此时极限状态方程变为或图两个变量时可靠指标与极限状态方程的关系将上式除以成为令则上式变为由解析几何可知公式正是坐标系中标准型法线式直线方程常数项是原点到极限状态直线的法线长度和是法线对坐标向量的方向余弦也就是说可靠指标的几何意义就是标准正态坐标系中原点到极限状态直线的最短距离见图是极限状态直线上的一点称为设计验算点这一几何意义可推广应用于多个基本变量和非线性的极限状态方程由图可知法线垂足的坐标为由公式设计验算点在原坐标系中的坐标为因为在坐标系中极限状态方程为所以在这条极限状态直线上的点坐标也必然满足以下条件以上讨论的是极限状态方程只含两个正态基本变量的情况但在实际工程中往往有两个以上基本变量此时的极限状态方程为方程可能是线性也可能是非线性的它表达为以基本变量为坐标的维空间上的一个曲面作标准正态化变换则极限状态方程在坐标系中表达为类似两个正态变量的情况此时的可靠指标是标准正态空间坐标系中原点到