工业建筑可靠性鉴定可靠指标分级标准研究

作者：幸坤涛岳清瑞姚继涛惠云玲郭小华

单位：中冶建筑研究总院有限公司西安建筑科技大学土木工程学院

摘要：在对我国各阶段设计规范的可靠度水平比较基础上, 回顾了我国工业建筑可靠性鉴定分级标准的发展。2014年修订《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—2008) 过程中, 在总结我国两代《工业建筑可靠性鉴定标准》分级原则的基础上, 提出了基于可靠度理论的可靠指标分级标准和与之适应的抗力荷载效应之比分级标准。新修订的《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—201X) 在可靠指标分级标准和抗力荷载效应之比分级标准方面保持了连续性, 适应新的设计规范可靠度水平的提高, 更加符合建筑的实际情况。

关键词：工业建筑规范比较可靠性鉴定可靠度指标分级标准

作者简介：幸坤涛, 博士, 教授级高级工程师, Email:xingkuntao@163.com。
基金：国家重点研发计划资助 (2016YFC0701301)。 -页码-：69-73

0 引言

　　既有结构的可靠性鉴定就是对结构的安全性、适用性和耐久性进行检查测定、分析判断取得结论的过程。这样, 就有一个问题:按照什么尺度根据什么标准进行判断?因此, 鉴定分级标准的制定关系到结构可靠性尺度控制问题, 也是工业建筑可靠性鉴定的重要组成部分^[1]。

　　结构可靠度理论用于结构构件使用安全性 (即正常使用条件下的安全性) 的设计和评定在技术上是成熟的, 但计算分析十分复杂, 直接用于工程实践尚有不少难度。结构设计或可靠性评定多采用抗力与荷载效应之比来判断, 这种方法能粗略判断实际结构构件可靠度与设计规范要求之间的差距, 我国《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—2008) 采用的就是抗力与荷载效应之比表达的分级标准。但评定者需要掌握现行设计规范中各类构件的可靠度水准, 否则无法评判结构构件的实际可靠度水准。

　　本文首先对我国各阶段设计规范的可靠度水平进行比较, 回顾了我国工业建筑可靠性鉴定分级标准的发展。在2014年修订《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—2008) 过程中, 总结我国两代工业建筑可靠性鉴定标准分级原则, 提出了基于可靠度理论的可靠指标分级标准和与之适应的抗力与荷载效应之比分级标准。

1 我国各阶段设计规范的可靠度水平比较

　　我国最早的系列设计规范为74系列规范 (指20世纪70年代颁布的各类结构设计规范, 如砖石规范GBJ 3-73、混凝土规范TJ 10—74等) , 还采用的是安全系数设计方法。89系列规范 (指20世纪80年代颁布的各类结构设计规范, 如砌体规范GBJ 3—88、混凝土规范GBJ 10—89等) 首次采用以概率理论为基础的极限状态设计方法, 是设计理论和方法上具有革命性的一代规范, 而且经过大量工程实践特别是汶川地震的考验, 被普遍认为是能确保预期安全性能的一代规范。89系列规范的目标可靠度采用校准法确定, 即对74系列规范各类构件的实际可靠度进行校准, 对部分构件 (砌体偏心受压构件、混凝土受剪构件、混凝土大偏压构件) 的目标可靠指标进行调整, 然后确定目标可靠指标。89系列规范的目标可靠指标与当时国家标准《建筑结构设计统一标准》 (GBJ 68—84) 基本一致, 即延性破坏的目标可靠度为3.2, 脆性破坏的目标可靠度为3.7, 标准中规定“各类材料的结构设计规范中采用的可靠指标可对规定值做不超过±0.25幅度的调整”。

　　 1999年, 陈肇元院士^[2]提出应大幅提高我国建筑结构设计的安全度观点, 引起广大学者、专家和管理部门的高度关注, 经过多次讨论, 多数专家认为按89系列规范正常设计、正常施工和正常使用的建筑结构安全性是有保证的, 而我国多数安全事故是由于设计失误、严重施工质量缺陷或使用不当造成的。考虑到我国经济水平和保持规范连续性, 不必大幅提高结构设计的安全度水平。最后2001系列规范 (指21世纪初颁布的各类结构设计规范, 如砌体规范GB 50003—2001、混凝土规范GB 50010—2002等) 采用了可靠度适当提高的处理方式, 在当时新修订的《建筑结构可靠度设计统一标准》 (GB 50068—2001) 中取消了《建筑结构设计统一标准》 (GBJ 68—84) 中±0.25幅度的调整的规定。经校核检验, 这一代设计规范的目标可靠度指标比89系列规范提高了0.5～1.0。74系列规范、89系列规范和2001系列规范的可靠度水平的比较见表1^[3,4]。

　　 各阶段设计规范的可靠度水平比较 (S_G+S_L) 表1

结构构件	74系列	89系列	2001系列	备注
钢筋混凝土结构	3.45	3.72	4.76	钢筋:Ⅱ级; 混凝土:C20～C40
钢结构	3.20	3.28	3.98	Q235, Q345
砌体结构	3.46	3.76	4.29	无筋砌体

　　注:S_G为永久荷载效应;S_L为可变作用效应。

　　 2010系列规范 (21世纪10年代颁布的各类结构设计规范, 如砌体规范GB 50003—2011、混凝土规范GB 50010—2010等) 可靠度基本维持在与2001系列规范相同的水平, 其安全性提高主要通过主导材料的强化、提高最低材料强度来实现。另外, 明确列入抗震性能化设计和整体稳固性设计的内容和要求。

　　从以上分析可以看出, 我国近几代设计规范修订在可靠度方面基本保持了连续性, 其结构可靠度水平也有很大提高, 89系列规范的目标可靠指标与现行《工程结构可靠性设计统一标准》 (GB 50153—2008) 基本一致, 2001系列设计规范的目标可靠度指标比89系列规范提高了0.5～1.0。2010系列规范的可靠度指标基本维持在与2001系列规范相同的水平。

　　对我国近几代建筑结构设计规范的可靠度在统一的尺度标准下进行校核, 有助于掌握我国现行设计规范中各类构件的实际可靠度水准, 如超过统一标准规定的目标可靠度则可以加以利用, 在此基础上制定的可靠度分级标准就具有更科学的理论基础。这对既有结构可靠性评定而言是一项基础性的研究工作。

2 《工业厂房可靠性鉴定标准》 (GBJ 144—1990) ^[5]制定分级标准

　　原国家标准GBJ 144—1990在制定原鉴定分级标准的过程中, 分析整理了大量工程鉴定实例和事故处理资料, 特别是对国内外数百例重大结构倒塌和工程事故的资料, 开展了专题研究, 对倒塌结构进行了垮塌原因分析和可靠指标较全面复核;走访了设计院、高等院校、科学院所、企业单位的数百位专家, 开展了七次有关结构可靠性尺度标准方面的国内专家意见调查, 见表2。

　　 构件承载能力评级专家意见汇总表2

同意者占比/%	方案	评级
同意者占比/%	方案	a级	b级	c级	d级
34.8	方案一	符合现行规范可靠度要求	降低10% 以内	降低20% 以内	降低20% 以上
45.7	方案二	符合现行规范可靠度要求	降低5% 以内	降低15% 以内	降低15% 以上
15.2	方案三	符合现行规范可靠度要求	降低5% 以内	降低10% 以内	降低10% 以上
4.3	方案四	符合现行规范可靠度要求	降低10%～15%		降低25% 以上

　　同时分析了我国各个历史时期建筑结构标准规范可靠度的设置水准与发展变化, 考虑了新旧规范的差异, 提出了以抗力与荷载效应之比表达的结构构件承载能力分级标准。并按拟定的鉴定分级标准对我国工业建筑十余种典型结构构件的可靠度进行了校核, 给出了结构构件各等级评定标准相应的可靠度水准, 各构件承载能力分级标准和相对应的可靠指标见表3和表4。

　　国家标准GBJ 144—1990中给出的分级标准采用校准法的方式建立, 即首先根据工程经验和专家征询意见拟定抗力与荷载效应之比分级标准, 然后校准确定其各等级界限值对应的可靠指标;通过对可靠度控制水平的评判和对分级标准的调整, 最终确定分级标准和相应的可靠指标分级标准。

　　 国家标准GBJ 144—1990结构构件承载能力分级标准表3

结构种类	构件分类	抗力与荷载效应之比
结构种类	构件分类	a级	b级	c级	d级
混凝土结构	重要构件	>1.0	>0.92	>0.87	<0.87
混凝土结构	次要构件	>1.0	>0.90	>0.85	<0.85
钢结构	重要构件	>1.0	>0.95	>0.90	<0.90
钢结构	次要构件	>1.0	>0.92	>0.87	<0.87
砌体结构	重要构件	>1.0	>0.92	>0.87	<0.87

　　 国家标准GBJ 144—1990分级标准可靠指标β表4

破坏类型	不同分级标准下的β平均值
破坏类型	a级	b级	c级	d级
延性破坏	3.2	2.9	2.7	<2.7
脆性破坏	3.7	3.4	3.2	<3.2

　　国家标准《建筑结构设计统一标准》 (GBJ 68—84) 分别对一、二、三级建筑结构规定了统一的可靠度水准, 见表5。

　　 国家标准GBJ 68—84中规定的目标可靠指标[β] 表5

破坏类型	安全等级
破坏类型	一级	二级	三级
延性破坏	3.7	3.2	2.7
脆性破坏	4.2	3.7	3.2

　　注:当有充分根据时, 各类结构构件设计采用的可靠指标可按本表的规定值作不超过±0.25幅度的调整。

　　由表4和表5可以看出国家标准GBJ 144—1990的分级标准的原则如下:

　　 a级:可靠指标符合国家标准GBJ 68—84安全等级为二级的规定值, 其可靠度水准满足国家现行规范要求 (当时现行标准规范为89系列规范) 。

　　 b级:可靠指标约相当于国家标准GBJ 68—84安全等级为二级的规定值降一档 (0.25) , 其可靠度水准略低于国家现行规范要求, 但基本上仍在允许范围内, 可不必采取措施。这是根据我国工业建筑实际情况, 总结工程鉴定经验, 在征求专家意见的基础上制定的。

　　 c级:可靠指标约相当于国家标准GBJ 68—84安全等级为三级的规定值, 其可靠度水准不满足国家现行规范要求, 虽不至于随时发生事故, 但影响正常使用, 应采取措施。

　　 d级:可靠指标低于国家标准GBJ 68—84安全等级为三级的规定值, 其可靠度水准相当于不满足国家现行规范规定的最低标准要求, 随时有发生事故的可能, 必须立即采取措施, 这是综合工程事故倒塌分析结果、专家意见和总结工程鉴定经验制定的。

　　经过十几年的工程鉴定应用和实践检验, 原鉴定分级标准所采用的分级评定的方法是可行的, 规定的鉴定分级标准总体上是合理的, 是符合我国当时综合国力和工业建筑实际的。

3 《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—2008) ^[6]制定分级标准

　　国家标准GB 50144—2 008分级标准是在回顾总结和调整修订原国家标准GBJ 144—1990的鉴定分级标准的基础上提出来的, 考虑我国综合国力的提高和2001系列规范修订对结构可靠度设置水准的调整, 对原鉴定分级标准进行调整和修订。分级标准调整、修订的原则, 即:适当提高鉴定评级标准的水准, 适当扩大处理面。按照上述确定的调整、修订原则, 首先, 在基础层次即结构构件的鉴定评级标准中, 先后考虑了八种调整方案, 分别按新调整的评级标准对工业建筑十余种典型结构构件在不同分级标准下的可靠度 (可靠指标) 进行了校核, 经过对比分析和征求专家意见, 最后确定了一种提高标准水准和扩大处理面相对比较合适的调整方案, 见表6。分级标准对应的可靠度水平见表7。

　　 国家标准GB 50144—2008结构构件承载能力分级标准表6

结构种类	构件分类	抗力与荷载效应之比
结构种类	构件分类	a级	b级	c级	d级
混凝土结构	重要构件	>1.0	>0.9	>0.85	<0.85
混凝土结构	次要构件	>1.0	>0.87	>0.82	<0.82
钢结构	重要构件	>1.0	>0.95	>0.90	<0.90
钢结构	次要构件	>1.0	>0.92	>0.87	<0.87
砌体结构	重要构件	>1.0	>0.9	>0.85	<0.85
砌体结构	次要构件	>1.0	>0.87	>0.82	<0.82

　　 国家标准GB 50144—2008分级标准可靠指标表7

破坏类型	不同分级标准下的β平均值
破坏类型	a级	b级	c级	d级
延性破坏	3.6	3.2	3.0	<2.7
脆性破坏	4.1	3.7	3.4	<3.2

　　国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》 (GB 50068—2001) 中对一、二、三级建筑结构规定的目标可靠指标见表8。

　　 国家标准GB 50068—2001中规定的目标可靠指标[β] 表8

破坏类型	安全等级
破坏类型	一级	二级	三级
延性破坏	3.7	3.2	2.7
脆性破坏	4.2	3.7	3.2

　　由表7和表8可以看出, 国家标准GB 50144—2008的分级标准的原则如下:

　　 a级: 可靠度水准满足国家现行设计规范的要求 (2001系列规范) , 其水准随着现行结构设计规范设置水准的提高而提高。

　　 b级:可靠度水准略低于国家现行规范要求, 可靠指标总体水准 (平均β值) 符合现行国家标准GB 50068—2001对安全等级为二级构件的规定值 (相当于满足89系列规范要求) , 可不必采取措施。

　　 c级:可靠度水准不满足国家现行规范要求, 可靠指标总体水准 (平均β值) 约相当于GB 50068—2001安全等级为三级的规定值, 虽不至于随时发生事故, 但影响正常使用, 应采取措施。

　　 d级:可靠度水准相当于不满足国家现行规范规定的最低标准要求, 可靠指标低于GB 50068—2001安全等级为三级的规定值, 其随时有发生事故的可能, 必须立即采取措施。

　　从国家标准GB 50144—2008, GBJ 144—1990分级标准的比较可以看出, 这两代工业建筑可靠性鉴定标准在分级标准和可靠度分级控制方面基本保持了连续性, a级的可靠度控制水平随着设计规范可靠度水平的提高而提高;b级的可靠度控制水平基本满足当时国家标准GB 50068—2001的最低要求, 可不必进行处理的界限比90系列规范略有提高 (10%) ;c级和d级的界限比90系列规范略有提高 (7%) , 此外, 适当提高了鉴定评级标准的水准, 适当扩大了处理面。

4 《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—201X) 分级标准

　　为保持工业建筑可靠性鉴定标准在分级标准和可靠度分级控制方面的连续性, 总结国家标准GB 50144—2008, GBJ 144—1990这两代鉴定标准分级标准中可靠指标分级原则, 根据现行各类设计规范和国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》 (GB 50153—2008) ^[7]中的可靠度控制水平和“最小处理原则”提出可靠指标表达的分级标准, 见表9。可靠指标分级标准是以度量结构可靠性的可靠指标为评定指标, 以可靠指标表达的分级标准。

　　 构件安全性评定的可靠指标分级标准表9

构件类型	不同分级标准下的β平均值
构件类型	a级	b级	c级	d级
重要构件	β₀	[β]	[β]-0.5	<[β]-0.5
次要构件	β₀	[β]-0.25	[β]-0.75	<[β]-0.75

　　注:1) β₀为现行设计规范可靠度水平;[β]为国家标准GB 50153—2008中目标可靠指标。2) 给出的是各种情况可靠指标平均值应满足的要求。

　　相对应的新修订的《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—201X) 可靠指标分级标准, 如表10所示。

　　 国家标准GB 50144—201X可靠指标分级标准表10

构件类型	破坏类型	不同分级标准下的β平均值
构件类型	破坏类型	a级	b级	c级	d级
重要构件	延性破坏	满足现行设计规范要求	3.2	2.7	<2.7
重要构件	脆性破坏	满足现行设计规范要求	3.7	3.2	<3.2
次要构件	延性破坏	满足现行设计规范要求	2.95	2.45	<2.45
次要构件	脆性破坏	满足现行设计规范要求	3.45	2.95	<2.95

　　根据表10可知, 工业建筑可靠性鉴定可靠指标分级标准的原则如下:

　　 a级:可靠指标下限应满足现行设计规范中可靠度水平, 其水准随着现行结构设计规范设置水准的提高而提高。

　　 b级:可靠指标虽不满于现行设计规范的要求, 但平均值也满足国家标准GB 50153—2008中规定的目标可靠指标[β], 可靠指标最小值不低于[β] 所对应的极限质量水平 (89系列规范的可靠度最低要求) , 可不采取加固等提高构件可靠度的措施。

　　 c级:可靠指标较国家标准GB 50153—2008的要求最多低一个安全等级的数值, 至少具有二级或三级安全等级的可靠度水平, 虽需采取提高构件可靠度的措施, 但不至于发生严重的事故。

　　 d级:可靠指标不满足国家标准GB 50153—2008三级安全等级的最低要求, 随时有发生事故的可能, 必须立即采取措施, 这是在大量工程倒塌分析的基础上, 根据我国工业建筑实际情况, 总结工程鉴定经验提出的。

　　表9 和表10可靠指标分级标准是在总结国家标准GB 50144—2008, GBJ 144—1990这两代工业建筑可靠性鉴定标准中可靠指标分级原则, 根据现行各类设计规范的可靠度控制水平和“最小处理原则”基础上确定的, 符合我国工业建筑实际情况, 反映了构件地位、破坏形式等因素的影响, 能够更准确地控制各类构件的可靠度水平。在此基础上, 进一步提出与新的可靠指标分级标准相符的抗力荷载效应分级标准, 见表11。以可靠指标分级标准为基础建立抗力荷载效应的分级标准, 使可靠度理论和可靠性评定实践相统一。各抗力与荷载效应之比分级标准下的可靠度范围见表12。

　　 国家标准GB 50144—201X 结构构件承载能力分级标准表11

结构种类	构件分类	抗力与荷载效应之比
结构种类	构件分类	a级	b级	c级	d级
混凝土结构	重要构件	>1.0	>0.90	>0.83	<0.83
混凝土结构	次要构件	>1.0	>0.87	>0.80	<0.80
钢结构	重要构件	>1.0	>0.95	>0.88	<0.88
钢结构	次要构件	>1.0	>0.92	>0.85	<0.85
砌体结构	重要构件	>1.0	>0.90	>0.83	<0.83
砌体结构	次要构件	>1.0	>0.87	>0.80	<0.80

　　 构件承载能力 (R/γ₀S) 在各等级界限下的平均值表12

破坏类型		a级和b级界限	b级和c级界限	c级和d级界限
重要构件	延性破坏	$\frac{3.24 - 4.08}{3.64}$	$\frac{2.95 - 3.67}{3.22}$	$\frac{2.45 - 3.39}{2.95}$
重要构件	脆性破坏	$\frac{3.84 - 4.35}{4.11}$	$\frac{3.45 - 4.12}{3.70}$	$\frac{2.95 - 3.65}{3.22}$
次要构件	延性破坏	$\frac{3.24 - 4.08}{3.64}$	$\frac{2.72 - 3.45}{2.98}$	$\frac{2.28 - 2.84}{2.45}$
次要构件	脆性破坏	$\frac{3.84 - 4.35}{4.11}$	$\frac{3.22 - 4.05}{3.45}$	$\frac{2.70 - 3.42}{2.95}$

　　注:分子数值表示十余种典型构件在各等级界限下的可靠指标β值, 分母数值为相应的β平均值。

5 结论

　　 (1) 我国近几代设计规范修订在可靠度方面基本保持了连续性, 其结构可靠度水平也有很大提高, 89系列规范目标可靠指标与现行国家标准GB 50153—2008基本一致, 2001系列规范的目标可靠度指标比89系列规范提高了0.5～1.0。2010系列规范可靠度基本维持在与2001系列规范相同的水平。

　　 (2) 结合我国现行设计标准和规范建立的可靠指标分级标准, 总结国家标准GB 50144—2008, GBJ 144—1990这两代工业建筑可靠性鉴定标准中可靠指标分级原则, 是在现行各类设计规范的可靠度控制水平和“最小处理原则”基础上确定的, 符合我国工业建筑实际情况, 反映了构件地位、破坏形式等因素的影响, 能够更准确地控制各类构件的可靠度水平。以可靠指标分级标准为基础建立抗力与荷载效应之比的分级标准, 实现可靠度理论和可靠性评定实践相统一。

　　 (3) 新修订的《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—201X) 在可靠指标分级标准和抗力与荷载效应之比分级标准方面保持了连续性。适应新的设计规范可靠度水平的提高, 更加符合建筑的实际情况。

参考文献[1] 林志伸.工业建筑可靠性鉴定标准的编制及有关可靠性尺度问题[C]//中国土木工程学会桥梁及结构学会结构可靠度委员会《工程结构可靠性》全国第二届学术交流会.重庆, 1989.
[2] 陈肇元.要大幅度提高建筑结构设计安全度[J].建筑结构, 1999, 29 (1) :1-5.
[3] 史志华, 胡德炘, 陈基发.钢筋混凝土结构安全度水准修订评估[J].建筑科学, 2002, 18 (S2) :50-57.
[4] 将利学, 王卓琳.我国近几代混凝土结构和砌体结构设计规范的可靠度比较[J].结构工程师, 2015, 31 (2) :80-88.
[5] 工业厂房可靠性鉴定标准:GBJ 144—1990[S].北京:中国建筑工业出版社, 1990.
[6] 工业建筑可靠性鉴定标准:GB 50144—2008[S].北京:中国计划出版社, 2009.
[7] 工程结构靠性设计统一标准:GB 50153—2008[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008.

Study on grading criteria of reliability indicators for industrial building reliability appraisal

Xing Kuntao Yue Qingrui Yao Jitao Hui Yunling Guo Xiaohua

(Central Research Institute of Building and Construction Co., Ltd. School of Civil Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology)

Abstract: On the basis of comparing the reliability levels of design codes at different stages in China, the development of reliability appraisal and grading standards for industrial buildings in China was reviewed. In the revision of Standard for reliability appraisal of industrial buildings and structures (GB 50144—2008) in 2014, on the basis of summarizing the grading principles of two generations of Standard for reliability appraisal of industrial buildings and structures in China, the grading standards of reliability indexes based on reliability theory and the corresponding grading standards of resistance load effect were put forward. The newly revised Standard for reliability appraisal of industrial buildings and structures (GB 50144—201 X) maintains continuity in terms of reliability index grading standards and resistance load effect grading standards, adapts to the improvement of reliability level of new design codes, and is more in line with the actual situation of buildings.

Keywords: industrial building; standard comporison; reliability appraisal; reliability index; grading criteria

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