結構設計中的設計使用年限、設計基準期、重現期

  設計使用年限、設計基準期、重現期都是時間上的概念,三者有什么區別和聯系呢?

《建筑結構可靠性設計統一標準,2018》給出了相關解釋。所謂設計使用年限(即設計壽命)是指設計規定的結構或結構構件不需要進行大修即可按其預定目的使用的時期,它不是一個固定值,與結構的用途和重要性有關。設計使用年限長短對結構設計的影響要從荷載和耐久性兩個方面考慮。設計使用年限越長,結構使用中荷載出現“大值”的可能性越大,所以設計中應提高荷載標準值;相反,設計使用年限越短,結構使用中荷載出現“大值”的可能性越小,設計中可降低荷載標準值,以保持結構安全和經濟的一致性。耐久性是決定結構設計使用年限的主要因素,這方面應在結構設計規范中考慮。

設計基準期是為確定可變作用取值而選用的時間參數,通常是一個固定值。由于可變荷載是一個隨機過程,應在一個確定的設計基準期內T,對荷載隨機過程作一次連續觀測,獲得依賴于觀測時間的數據,即隨機過程的一個樣本。對于永久荷載,其值在設計基準期內基本不變。而可變荷載,我們可以采用其標準值用于設計,即在結構設計基準期內可能出現的可變荷載最大值,由設計基準期最大荷載概率分布的某個分位值來確定。

可變作用的標準值Qk,也可以通過平均重現期TR定義。重現期是指“連續兩次超過作用值Qk的平均時間間隔”,以“年”為單位度量的重現期和荷載的年超越概率p成反比。兩者之間的關系為:Qk的分布函數F(Qk)=1-1/TR。重現期、概率p和確定標準值的設計基準期T存在下述近似關系: TR=1/ln(1/p)*T。如地震作用的代表值相當于設計基準期為50年最大烈度90%的分位值。如果采用重現期表示,基本烈度相當于重現期為475年的地震烈度。

當結構的設計使用年限與設計基準期不同時,應對可變作用的標準值進行調整,這是因為結構上的各種可變作用均是根據設計基準期確定其標準值的。以房屋建筑為例,結構的設計基準期為50年,即房屋建筑結構上的各種可變使用的標準值取其50年一遇的最大值分布的“某一分位值”,對設計使用年限為100年的結構,要保證結構在100年時具有設計要求的可靠度水平,理論上要求結構上的各種可變作用應采用100年一遇的最大值分布上的相同分位值作為可變作用的標準值。為此,《建筑結構可靠性設計統一標準,2018》提出設計使用年限對設計的影響通過荷載調整系數γL體現,并對相應數值給出規定。

在海洋平臺設計中,設計使用年限一般由業主指定,通常為20-35年,由于其作業環境惡劣,將γL取為1.0(對于設計壽命50年的結構,房屋建筑取γL為1.0)。另一方面,設計使用年限影響著防腐設計、疲勞設計;由于結構構件設計需要考慮腐蝕余量(冰區還要考慮冰的磨蝕余量),所以也影響著整個結構的強度設計。我國固定平臺結構設計考慮極端工況時,風、浪流等可變荷載的重現期通常取為50年或100年。 

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