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来源:CABR建筑抗风研究所。

设计基准期、设计使用年限和重现期,是结构工程师常常碰到的三个时间概念。虽然《工程结构可靠性设计统一标准》(简称“统标”)第2章“术语”列出了设计基准期和设计使用年限的定义,不过它们到底有什么区别,估计不少人还是有点迷惑。

1. 重现期


在开展讨论之前,我们先回顾一下“重现期”。我们在上一篇文章50年一遇=50年遇一次?结构工程师应当知道的风速常识之四中讲过,荷载的重现期是指“某事件出现或发生的平均时间间隔”,以“年”为单位度量的重现期和荷载的年超越概率成反比。比如50年重现期的风荷载,年超越概率是2%;而100年重现期的风荷载,年超越概率则为1%。

对于年超越概率为p的风荷载,某一年不超过该风速的概率就是1-p,则N年都不超过的概率是(1-p)的N次方。所以该风速在N年内的超越概率可以用下式计算:

按照这个公式:50年重现期的风荷载,年超越概率为p=2%,则在50年内的超越概率是:

100年的超越概率增加为

而200年的超越概率将达到


2. 设计基准期


从上面的例子我们可以发现,对于可变荷载,只说超越概率而不提对应的时间长度,是没有意义的。毕竟,长远来看人是会死的、可变荷载的超越概率是会接近100%的、建筑也是会塌的(除非塌之前就被拆了)。所以为了统一衡量标准,就必须规定一个统一的时间尺度,作为可变荷载取值的时间参数。这个时间尺度,就是“设计基准期”。

《建筑结构荷载规范》第3.1.3条规定“确定可变荷载代表值时应采用50年设计基准期。”这是一条强制条文。之所以要强制,就是因为“没有规矩,不成方圆”,不把时间基准定下来,讨论荷载的超越概率以及结构的可靠指标(失效概率)就失去意义。


3 设计使用年限调整系数


这就带来一个问题,按照50年设计基准期确定的可变荷载大小是确定的,而当一栋建筑的设计使用年限分别为50年和100年时,它的可变荷载超越概率就不一样了,那怎么办呢?《工程结构可靠性设计统一标准》和《建筑结构荷载规范》引入了“设计使用年限调整系数”来解决这个问题。《建筑结构荷载规范》第3.2.5条规定:

以风荷载为例,对于设计使用年限为50年的结构,其基本风压应按照规范要求取50年重现期;而对设计使用年限为100年的结构,则应按照荷载规范的规定,将风荷载重现期取为100年。

前面已经说过,50年重现期的风荷载在50年内的超越概率是63%,而100年重现期的风荷载在100年内的超越概率也正好是

这样就保证了两种不同设计使用年限的结构,在设计使用年限内的风荷载的超越概率是相同的。

4 一把杆秤


其实,“重现期和设计使用年限取为相同”的规定可以用上面的超越概率计算公式推导出来(为了突出本文的高大上,公式是必须的……看见公式就头晕的童鞋可以直奔结论了)。假定设计基准期内可变荷载的超越概率为PT,荷载重现期为R年,设计使用年限为L年,则这3个参数满足:

两边取对数,并根据Taylor公式,当重现期较长时,有

从而得出

根据这个公式,当给定了设计基准期内的超越概率PT后,对于不同的设计使用年限L,都可以得出对应的荷载重现期R的取值。当设计基准期内可变荷载超越概率定为63%时,上式即为:

所以,对于设计基准期内可变荷载的超越概率取63%的情况,只要把重现期取为和设计使用年限相同,就可以保证超越概率的一致性了。

如果用杆秤来打比方,设计基准期就好比秤砣(固定不变的基准值),当设计使用年限变长或变短时(要称的东西更重或者更轻),就必须相应的增长或缩短可变荷载重现期(调整秤砣的位置),杆秤才能平衡(如下图)。

5 调整系数的补充说明


楼面和屋面活荷载的设计使用年限调整系数,其原理和风荷载、雪荷载类似,都是为了保证荷载在不同设计使用年限内的超越概率相同。它们的取值,也是根据概率分布算出来的。

那么为什么可变作用要考虑调整,而永久作用和偶然作用不需要考虑调整呢?这是因为,永久作用指的是在设计考虑的时间范围内,其量值变化与平均值相比可以忽略不计的作用,所以不需要根据设计使用年限进行调整。而偶然作用是在设计使用年限内不一定出现,而一旦出现其量值很大,且持续时间很短的作用。换句话说,偶然作用本来就难得一见,即使设计使用年限有所调整,偶然作用仍然是“稀有事件”,所以也不需要根据设计使用年限对其量值进行调整。

6 小结


当然,结构设计使用年限除了考虑可变作用的调整之外,其实对于结构耐久性也有重要影响;而决定可靠指标的除了作用、还有抗力因素。因为本文重点想说明的是三个时间概念的区别,所以这里就不另做展开了。

简单小结下:

1. 设计基准期是可变作用取值选用的时间参数,也是我们衡量结构可靠性的时间基准,是不能随便更改的。

2. 结构设计使用年限是业主或设计人员根据使用需要和国家标准规范,主观确定的结构预定的使用期限。它是可以根据情况人为设定的。

3. 可变荷载的年重现期和年超越概率成反比,代表了荷载的取值水平高低。

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