CN113673094A - 一种基于可靠指标的建筑自重荷载的评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可靠指标的建筑自重荷载的评定方法，属于建筑结构检测鉴定领域，解决自重荷载的评定问题；方法包括：分析建筑在设计阶段的自重荷载概率分布，计算适用于荷载设计预期状况的变异系数，建立变异系数与分项系数的关系式；确定出设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；用于评定既有建筑结构的安全性。本发明可以保证对单栋既有建筑抽样检测的顺利实施，实现单栋既有建筑自重荷载的评定。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构检测鉴定领域，尤其是一种基于可靠指标的建筑自重荷载的评定方法。
背景技术
《建筑结构可靠性设计统一标准》GB 50068-2018等按照国际标准ISO 2394和欧洲规范EN 1990的规定,将荷载分成持久设计状况、短暂设计状况、偶然设计状况和地震设计状况等4种状况。其中持久设计状况与《建筑结构可靠性设计统一标准》GB 50068-2018等持久设计状况的荷载持续期相当。但是，设计预期状况的内涵为：对于自重荷载的分项系数来说，只是建筑结构工程设计阶段预期的分项系数，荷载的实际使用状况自重荷载基于可靠指标的分项系数肯定与设计预期状况存在着差异。
《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012、美国的荷载规范(Minimum Design Loadfor Building and Other Structures ASCE 7-95)规定的永久荷载分项系数为1.2；欧洲规范EN 1990规定的永久荷载的分项系数为1.35；《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018把《建筑结构荷载规范》1.2的永久荷载分项系数提高到1.3。《建筑结构检测技术标准》GB/T 50344-2019虽然规定了基于可靠指标的荷载分项系数的基本表述形式，重点分析了风雪荷载基于可靠指标的分项系数，只是提及了楼面均布活荷载和永久荷载的分项系数并非基于可靠指标的分项系数。而我国的这两本鉴定标准都是按照《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012的规定确定永久荷载，并使用永久荷载的分项系数计算自重荷载的评定值。由于《建筑结构可靠性设计统一标准》GB 50068-2018已将永久荷载的分项系数提高到1.3，按照行业内的规则，这两本鉴定标准关于自重荷载的分项系数也应该由1.2提升至1.3。《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012明确规定，该规范适用于建筑工程的结构设计。也就是说该规范的规定不能用于短暂设计状况，也不宜用于既有建筑结构的评定。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于可靠指标的建筑结构自重荷载的评定方法；解决设计建筑结构的自重荷载的取值问题。
本发明公开了一种基于可靠指标的建筑结构自重荷载的评定方法，包括：
分析建筑在设计阶段的自重荷载的概率分布，计算适用于荷载设计预期状况的变异系数，建立变异系数与分项系数的关系式；确定出设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；
对于实际使用的既有建筑结构进行评定时，采集所述既有建筑的自重载荷的实测参数，结合所述既有建筑的自重载荷的设计参数进行统计分析，得到既有建筑的实际变异系数，根据建立的变异系数与分项系数的关系式，得到既有建筑自重荷载的分项系数，用于评定既有建筑结构的安全性。
进一步地，基于设计预期状况自重荷载概率分布对于自重荷载设计值的超越概率阈值，设定荷载设计预期状况的自重荷载的变异系数与分项系数之间的关系。
进一步地，建立的变异系数与分项系数的关系式为γG,i＝1+βSδG,i；γG,i为第i种自重荷载的分项系数；δG,i为第i种自重荷载的变异系数；βS为满足全国建筑结构工程设计预期状况自重荷载概率分布对于自重荷载设计值的超越概率阈值的可靠指标。
进一步地，第i种自重荷载的变异系数为δG,i＝σG,i/μG,i；σG,i为第i种自重荷载概率分布的标准差，μG,i为自重荷载概率分布的均值。
进一步地，基于可靠指标的自重荷载设计值Gd,i＝GK,i+βSσG,i；式中，Gd,i为第i种自重荷载的设计值，GK,i为第i种自重荷载的标准荷载，σG,i为第i种自重荷载概率分布的标准差。
进一步地，所述对于实际使用的既有建筑结构进行评定，具体包括：
对既有建筑的各类自重载荷使用状况进行现场实测获得实测数据；
计算既有建筑的各类自重载荷实测数据的统计参数，并根据统计参数获得各类自重载荷的变异系数；
将各类自重载荷的变异系数带入变异系数与分项系数的关系式，得到各类自重载荷的分项系数；
根据各类自重载荷的分项系数评定既有建筑结构的安全性。
进一步地，按照包括楼层和伸缩缝在内的条件将大面积建筑物划分成若干个评定区域；分别进行自重荷载的评定；
对于高层建筑则将若干楼层划分为一个评定区域进行自重荷载的评定。
进一步地，既有建筑载自重载荷的使用状况现场实测包括全数检测和抽样检测；所述抽样检测至少包括梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载。
进一步地，计算梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载的检测数据的统计参数包括实测尺寸参数与设计尺寸参数比值ζ的平均值mζ和标准差sζ，并根据公式δζ＝sζ/mζ计算梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载变异系数δζ。
进一步地，将计算变异系数δζ带入变异系数与分项系数的关系式γG1＝1+βSδζ得到梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载基于可靠指标的分项系数γG1；通过比较梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载基于可靠指标的分项系数γG1与设计预期状况的基于可靠指标的自重荷载分项系数或设计预期状况的经过安全裕量调整后的自重荷载分项系数进行比较，对既有建筑结构的自重载荷的安全性进行评定。
进一步地，对于按楼层和区域划分检测批的面积较大的既有建筑，按检测批分别进行梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载安全性进行评定；
对于按若干楼层划分检测批的高层既有建筑，按检测批分别进行梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载安全性评定。
本发明的有益效果如下：
本发明把建筑的自重荷载从国际上通行的永久荷载分离出来，单独确定基于可靠指标的自重荷载设计值和分项系数；确定了设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；
本发明把设计预期状况基于可靠指标荷载分项系数及其规定的超越概率用于单栋既有建筑自重荷载的抽样检测，保证抽样检测了顺利实施，实现了单栋既有建筑自重荷载的评定。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的基于可靠指标的建筑结构自重荷载的评定方法流程图；
图2本发明实施例中的设计预期状况自重荷载分项系数确定方法流程图；
图3本发明实施例中的对于实际使用的既有建筑结构评定方法流程图。
图4为本发明实施例中的构件承载能力的随机变量概率密度分布图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本实施例公开了一种基于可靠指标的建筑结构自重荷载的评定方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、分析建筑在设计阶段的自重荷载的概率分布，计算适用于荷载设计预期状况的变异系数，建立变异系数与分项系数的关系式；确定出设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；
步骤S2、对于实际使用的既有建筑结构进行评定时，采集所述既有建筑的自重载荷的实测参数，结合所述既有建筑的自重载荷设计参数进行统计分析，得到既有建筑的实际变异系数，根据建立的变异系数与分项系数的关系式，得到既有建筑自重荷载的分项系数，用于评定既有建筑结构的安全性。
具体的，步骤S1中的设计预期状况与国际上通行的持久设计状况存在基本对应关系。持久设计状况体现出的自重荷载的标准值是固定不变的概念。但本设施例的设计预期状况的内涵为：对于建筑的自重荷载来说，建筑结构工程设计阶段与既有建筑的实际使用状况肯定存在着明显的差别。
具体的，如图2所示，步骤S1中具体包括以下步骤：
步骤S101、分析建筑在设计阶段的自重荷载的概率分布；
步骤S102、计算适用于荷载设计预期状况的变异系数；
步骤S103、建立变异系数与分项系数的关系式；
步骤S104、确定出设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；
具体的，步骤S101中设计阶段(即设计预期状况)的自重荷载的概率分布采用正态概率分布，以使设计预期状况参数符合自重荷载客观分布事实。
具体的，步骤S102中，从统计学的角度得到的第i种自重荷载的变异系数：δG,i＝σG,i/μG,i；σG,i为第i种自重荷载概率分布的标准差，μG,i为自重荷载概率分布的均值。
具体的，步骤S103中，将基于设计预期状况自重荷载概率分布对于自重荷载设计值的超越概率阈值，设定荷载设计预期状况的自重荷载的变异系数与分项系数之间的关系。
更具体的，超越概率阈值为2％。基于该超越概率阈值，建立的变异系数与分项系数的关系式为γG,i＝1+βSδG,i；γG,i为第i种自重荷载的分项系数；δG,i为第i种自重荷载的变异系数；βS为满足全国建筑结构工程设计预期状况自重荷载概率分布对于自重荷载设计值的超越概率阈值的可靠指标。
对于标准正态分布来说，βS＝-Ф-1(pfs)；也就是说，βS＝2.05对应于荷载超越概率为2％。
步骤S104、确定出设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；
从步骤S103中的变异系数与分项系数的关系式可知，只要得到某种荷载(自重荷载)统计数据概率分布的变异系数δG,i就可以分析确定该项荷载基于可靠指标的分项系数。并且可以对自重荷载分项系数根据安全裕量进行调整得到，调整后的自重荷载分项系数。
自重荷载概率分布的变异系数δG,i与覆土荷载概率分布的变异系数差异较大，因此，本实施例通过单独分析确定出基于可靠指标的自重荷载的分项系数。
本实施例还给出了设计预期状况自重荷载的设计值，基于可靠指标的自重荷载设计值Gd,i＝GK,i+βSσG,i；式中，Gd,i为第i种自重荷载的设计值，GK,i为第i种自重荷载的标准荷载，σG,i为第i种自重荷载概率分布的标准差。
对于自重荷载为正态概率分布来说，自重荷载设计值的表达式表示的基于可靠指标的自重荷载设计值对应于自重荷载统计数据概率分布的超越概率为2％。
本实施例的步骤S1中，把建筑的自重荷载从国际上通行的永久荷载分离出来，单独确定基于可靠指标的自重荷载设计值和分项系数；确定了设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；可用于对建筑设计人员进行设计指导，并且考虑到建筑结构工程的设计阶段，也就是设计预期的状况，这种状况需要考虑全国各类待建结构的特殊情况。
因此，更优选的，可将设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数适当扩大，以满足《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012规定的永久荷载分项系数，提高建筑的可靠性。
更具体的，在《建筑结构设计统一标准》(草案)和《工业与民用建筑荷载规范》(试行)中对自重荷载的现场调研中，现场调研的对象包括2667块大型屋面板、空心板、槽形板、平板等预制构件(估计是在预制构件厂进行的实际称量)的自重荷载，以及20000多平方米找平层、垫层、保温层和防水层等10000个测点的厚度和部分重量。
经过检验，得到自重荷载服从正态分布N(1.06GK,0.074GK)。实际上，自重荷载调研数据的分布规律可以用正态概率分布近似描述。在N(1.06GK,0.074GK)中，1.06GK为统计数据正态概率分布的均值，0.074GK为统计数据正态概率分布的标准差，GK为自重荷载实测值的均值。
根据实施例一中的变异系数公式，可以得到自重荷载统计数据正态概率分布的变异系数为0.07。
按基于可靠指标的荷载分项系数的表述形式，计算得到自重荷载基于可靠指标的自重荷载分项系数γG,i等于1.14。
此外，还可以通过另一种分析方法验证自重荷载基于可靠指标的自重荷载分项系数γG,i；
该方式是直接将0.074视为自重荷载调研统计数据正态概率分布的变异系数γG,i，按照βS等于2.05计算分项系数；按照此法计算得到的基于可靠指标的自重荷载分项系数γG,i等于1.15。
通过这两种方法分析确定出的自重荷载分项系数相差很小。
考虑到基于可靠指标的自重荷载分项系数对应于建筑结构工程的设计阶段，也就是设计预期的状况，这种状况需要考虑全国各类待建结构的特殊情况。因此，建议设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数γG,i适当扩大，例如取为1.20，以符合《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定的永久荷载分项系数，使广大结构设计人员容易得到认可。
具体的，如图3所示，步骤S2中具体包括以下步骤：
步骤S201、对既有建筑的各类自重载荷使用状况进行现场实测获得实测数据；
步骤S202、计算既有建筑的各类自重载荷实测数据的统计参数，并根据统计参数获得各类自重载荷的变异系数；
步骤S203、将各类自重载荷的变异系数带入变异系数与分项系数的关系式，得到各类自重载荷的分项系数；
步骤S204、根据各类自重载荷的分项系数评定既有建筑结构的安全性。
具体的，在步骤S201中对既有建筑自重荷载实际使用状况现场的实测可以分成全数检测和抽样检测两种方法；
其中，全数检测是对该既有建筑的全部自重荷载进行逐个检测，规模较小的既有建筑宜进行自重荷载的全数检测。
抽样检测是对体量较大的既有建筑进行的，例如，各楼层的墙柱的自重荷载或梁板的自重荷载，抽样的数量不宜小于各类构件的1/3。
此外，除了特定的目的外，抽样检测宜采用随机抽样的方法。
更具体的，现场实测结果宜表示成实测尺寸与设计要求尺寸的比值ζ的方式：
其中，当结构构件单位体积的重力值与其装饰层单位体积的重力值接近时，可以将装饰层计入构件的自重荷载(例如砌筑墙体和混凝土构件的表面抹灰等，可将抹灰等计入砌筑墙体或混凝土构件)；
钢结构表面的较薄的有机涂层也可按照上述方法进行简化处理(不必斤斤计较)；
楼面和屋面板上厚度较大质量较轻的保温层可以折算成楼面板或屋面板的厚度，也可单独进行计算(也不必斤斤计较)。
墙体上的门窗等应该检测或估算自重荷载。
本实施例中，实际使用状况自重荷载值具有以下限定：
⑴进行自重荷载全数检测的单栋既有建筑，可以按实测情况确定每个构件的自重荷载值。该值可以作为构件承载能力极限状态和正常使用极限状态分析评定时的自重荷载组合值使用(与其他可变荷载组合)。
⑵所有自重荷载都通过现场检测确定，除特殊情况外，自重荷载不会出现明显的变化。这也就是设计预期状况自重荷载不定性转化成荷载实际使用状况可准确确定的典型例证。
⑶对于该栋建筑来说，所有的自重荷载都进行了检测，而且是略微保守的，因此可以说，该建筑自重荷载的超越概率约为零。
⑷这种评定值结论，仅适用于评定后建筑不进行改造和结构构件的加固。
优选的，本实施例适用于体量较大且采用抽样检测的既有建筑，在所述既有建筑的抽样检测中，
抽样检测至少应该分成梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载两个大类；
其中，墙体自重荷载还可以分成承重墙体、自承重墙体和隔墙等；
墙体上的门窗等可单独进行分析；
当建筑物的面积较大时，可按楼层和伸缩缝等划分成若干个评定区域；
高层建筑可以将若干楼层划分为一个评定区域。
在步骤S202中计算既有建筑的各类自重载荷实测数据的统计参数，包括：
计算梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载的检测数据的统计参数包括实测尺寸参数与设计尺寸参数比值ζ的平均值mζ和标准差sζ，并根据公式δζ＝sζ/mζ计算梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载变异系数δζ。
并且，
对于按楼层和区域划分检测批的面积较大的既有建筑，可以按检测批分别计算梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载的平均值mζ和标准差sζ，并根据公式δζ＝sζ/mζ计算梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载变异系数δζ。
对于按若干楼层划分检测批的高层既有建筑，可以按检测批分别计算梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载的平均值mζ和标准差sζ，并根据公式δζ＝sζ/mζ计算梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载变异系数δζ。
在步骤S203中将各类自重载荷的变异系数带入变异系数与分项系数的关系式，得到各类自重载荷的分项系数；
即，将计算变异系数δζ带入变异系数与分项系数的关系式γG1＝1+βSδζ得到梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载基于可靠指标的分项系数γG1。
本实施例把设计预期状况基于可靠指标荷载分项系数及其规定的超越概率用于单栋既有建筑自重荷载的抽样检测，保证抽样检测了顺利实施，
具体的，步骤S204中，通过比较梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载基于可靠指标的分项系数γG1与设计预期状况的基于可靠指标的自重荷载分项系数或设计预期状况的经过安全裕量调整后的自重荷载分项系数进行比较，对既有建筑结构的自重载荷的安全性进行评定。
优选的，对于按楼层和区域划分检测批的面积较大的既有建筑，按检测批分别进行梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载安全性进行评定；
对于按若干楼层划分检测批的高层既有建筑，按检测批分别进行梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载安全性评定。
通过评定，达到可靠保证该栋既有建筑自重荷载的超越概率小于2％。
此外，为进一步保证该栋既有建筑自重荷载的安全性，当自重荷载实测尺寸参数与设计尺寸参数比值ζ的最大比值接近于大于《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012规定的永久荷载分项系数且明显大于于可靠指标的分项系数γG1应该适当增大检测数量。并且，也可查找所有尺寸超标的自重荷载，单独计算这些自重荷载的评定值。
综上所述，本实施例具有以下有益效果：
1、把建筑的自重荷载从国际上通行的永久荷载分离出来，单独确定基于可靠指标的自重荷载设计值和分项系数；确定了设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；并且，把设计预期状况基于可靠指标荷载分项系数及其规定的超越概率用于单栋既有建筑自重荷载的抽样检测，保证抽样检测的顺利实施，实现了单栋既有建筑自重荷载的评定。
2、基于可靠指标的自重荷载分项系数明显小于《建筑结构可靠性设计统一标准》GB 50068-2018规定1.3的永久荷载分项系数和欧洲规范EN 1990规定1.35的永久荷载分项系数,其经济效益十分明显。这里需要提示的是，即便是欧洲规范EN 1990的永久荷载分项系数1.35，对于设计预期状况的覆土荷载和土水压力来说也显得偏小。提出了基于可靠指标的荷载分项系数是正态概率分布基于可靠指标荷载设计值标准正态分布的表述形式的概念。
3、在美国规范的地震作用和《建筑结构检测技术标准》GB/T 50344-2019的风雪荷载之后，提出了基于可靠指标的自重荷载设计值和分项系数超越概率的概念，为荷载设计值超越概率的概念向永久荷载和楼面均布活荷载等方面的发展创造了条件。
4、当建筑结构设计预期状况主要荷载(自重荷载、楼面均布活荷载和风雪荷载)的基于可靠指标的设计值和分项系数都可以满足βS＝2.05的要求后，便于依据式
和图4等从构件承载能力极限状态的可靠指标β中分解出构件承载力的可靠指标βR。而βR是分析确定基于可靠指标的构件承载力分项系数分项关键的参数，式中βS＝2.05，β为3.2或3.7。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于可靠指标的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，包括：
分析建筑在设计阶段的自重荷载的概率分布，计算适用于荷载设计预期状况的变异系数，建立变异系数与分项系数的关系式；确定出设计预期状况基于可靠指标的自重荷载分项系数；
对于实际使用的既有建筑结构进行评定时，采集所述既有建筑的自重载荷的实测参数，结合所述既有建筑的自重载荷设计参数进行统计分析，得到既有建筑的实际变异系数，根据建立的变异系数与分项系数的关系式，得到既有建筑自重荷载的分项系数，用于评定既有建筑结构的安全性。
2.根据权利要求1所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，
基于设计预期状况自重荷载概率分布对于自重荷载设计值的超越概率阈值，设定荷载设计预期状况的自重荷载的变异系数与分项系数之间的关系。
3.根据权利要求2所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，建立的变异系数与分项系数的关系式为γG,i＝1+βSδG,i；γG,i为第i种自重荷载的分项系数；δG,i为第i种自重荷载的变异系数；βS为满足全国建筑结构工程设计预期状况自重荷载概率分布对于自重荷载设计值的超越概率阈值的可靠指标。
4.根据权利要求3所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，
第i种自重荷载的变异系数为δG,i＝σG,i/μG,i；σG,i为第i种自重荷载概率分布的标准差，μG,i为自重荷载概率分布的均值。
5.根据权利要求4所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，
基于可靠指标的自重荷载设计值Gd,i＝GK,i+βSσG,i；式中，Gd,i为第i种自重荷载的设计值，GK,i为第i种自重荷载的标准荷载，σG,i为第i种自重荷载概率分布的标准差。
6.根据权利要求1所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，
所述对于实际使用的既有建筑结构进行评定，具体包括：
对既有建筑的各类自重载荷使用状况进行现场实测获得实测数据；
计算既有建筑的各类自重载荷实测数据的统计参数，并根据统计参数获得各类自重载荷的变异系数；
将各类自重载荷的变异系数带入变异系数与分项系数的关系式，得到各类自重载荷的分项系数；
根据各类自重载荷的分项系数评定既有建筑结构的安全性。
7.根据权利要求6所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，
按照包括楼层和伸缩缝在内的条件将大面积建筑物划分成若干个评定区域；分别进行自重荷载的评定；
对于高层建筑则将若干楼层划分为一个评定区域进行自重荷载的评定。
8.根据权利要求6所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，
既有建筑自重载荷的使用状况现场实测包括全数检测和抽样检测；所述抽样检测至少包括梁板类自重荷载和墙柱类自重荷载。
9.根据权利要求8所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，
计算梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载的检测数据的统计参数包括实测尺寸参数与设计尺寸参数比值ζ的平均值mζ和标准差sζ，并根据公式δζ＝sζ/mζ计算梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载变异系数δζ。
10.根据权利要求9所述的建筑自重荷载的评定方法，其特征在于，
将计算变异系数δζ带入变异系数与分项系数的关系式γG1＝1+βSδζ得到梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载基于可靠指标的分项系数γG1；
通过比较梁板类自重荷载或墙柱类自重荷载基于可靠指标的分项系数γG1与设计预期状况的基于可靠指标的自重荷载分项系数或设计预期状况的经过安全裕量调整后的自重荷载分项系数进行比较，对既有建筑结构的自重载荷的安全性进行评定。
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