第一章 建筑结构概论 1.4 荷载组合

本节聚焦于建筑结构设计的全局控制性指标（设计状况、安全等级、设计使用年限）、不同极限状态下的荷载效应组合 以及抗震设计的基本原理与标准。

一、 结构设计状况与基本设计控制

为了确保结构在全寿命周期内的安全与正常使用，设计时需要考虑以下四种设计状况，其极限状态设计要求各不相同：

1. 持久设计状况：在结构使用过程中一定出现且持续期很长（与设计使用年限等长），适用于结构使用的正常情况。设计要求：必须进行承载能力极限状态设计与正常使用极限状态设计。
2. 短暂设计状况：出现的概率较大，但持续时间很短（如施工和维修），适用于结构的临时情况。设计要求：必须进行承载能力极限状态设计，正常使用极限状态设计则视需要进行。
3. 偶然设计状况：出现的概率很小，且持续时间很短（如火灾、爆炸、撞击等），适用于结构的异常情况。设计要求：仅进行承载能力极限状态设计。
4. 地震设计状况：结构遭遇地震时的状况，适用于处于抗震设防区的结构。设计要求：必须进行承载能力极限状态设计，正常使用极限状态设计视需要而定。

控制结构安全度的两大核心指标：

• 建筑结构安全等级：根据破坏后果的严重程度划分为一级（设计要求相应提高）、二级、三级（设计要求可适当降低）三个等级。其安全度通过结构重要性系数 ($\gamma_0$) 体现在承载能力基本组合中（一级取 $\gamma_0 \ge 1.1$，二级取 $\gamma_0 \ge 1.0$，三级取 $\gamma_0 \ge 0.9$，地基基础取 $\gamma_0 \ge 1.0$）。
• 设计使用年限：是设计预期的、建筑物不需大修即可正常使用的年限（临时结构为 5 年，易替换构件为 25 年，普通房屋为 50 年，纪念性及特别重要建筑为 100 年）。在基本组合中，可变荷载需乘以设计使用年限调整系数 ($\gamma_L$)（5年、50年、100年分别对应 0.9、1.0、1.1）。

二、 荷载效应组合设计值 ($S_d$) 的计算规范

根据不同的设计状况与极限状态性质，荷载效应需要采用不同的组合方式进行计算：

1. 承载能力极限状态下的组合（考虑分项系数与重要性系数）

• 基本组合（持久与短暂状况）：
  $S_d = \sum_{j=1}^{m} \gamma_{Gj} S_{Gjk} + \gamma_{Q1} \gamma_{L1} S_{Q1k} + \sum_{i=2}^{n} \gamma_{Qi} \gamma_{Li} \psi_{ci} S_{Qik}$
  • 代表值取值：主导可变荷载采用标准值；伴随可变荷载采用组合值（标准值乘以组合值系数 $\psi_{ci}$）。
  • 分项系数：永久荷载分项系数 $\gamma_{Gj}$ 不利时取 1.3（有利时取 $\le 1.0$）；可变荷载分项系数 $\gamma_{Qi}$ 取 1.5。
• 偶然组合（偶然状况）：
  • 偶然事件发生时承载力计算：$S_d = \sum S_{Gjk} + S_{Ad} + \psi_{f1} S_{Q1k} + \sum \psi_{qi} S_{Qik}$。
  • 偶然事件发生后受损结构的整体稳固性计算：$S_d = \sum S_{Gjk} + \psi_{f1} S_{Q1k} + \sum \psi_{qi} S_{Qik}$（用以确保结构遭受异常荷载时不发生与起因不相匹配的大范围连续倒塌）。
  • 代表值取值：不考虑重要性系数和荷载分项系数；主导可变荷载采用频遇值 ($\psi_{f1}$)，伴随可变荷载采用准永久值 ($\psi_{qi}$)。
• 地震组合（地震状况）：
  • 设计表达式为 $S_d \le R_d/\gamma_{RE}$，不考虑结构重要性系数 $\gamma_0$。
  • 组合设计值：$S_d = \gamma_G S_{GE} + \gamma_{Eh} S_{Ehk} + \gamma_{Ev} S_{Evk} + \gamma_w \psi_w S_{wk}$。其中重力荷载分项系数 $\gamma_G$ 一般取 1.2；水平地震作用分项系数 $\gamma_{Eh}$ 取 1.3；风荷载组合系数 $\psi_w$ 在一般结构中取 0，高层建筑取 0.2。

2. 正常使用极限状态下的组合（不考虑重要性系数和分项系数，即各系数取 1.0）

• 标准组合（用于不可逆极限状态）：$S_d = \sum S_{Gjk} + S_{Q1k} + \sum \psi_{ci} S_{Qik}$。主导可变荷载取标准值，伴随可变荷载取组合值。
• 频遇组合（用于可逆极限状态）：$S_d = \sum S_{Gjk} + \psi_{f1} S_{Q1k} + \sum \psi_{qi} S_{Qik}$。主导可变荷载取频遇值，伴随可变荷载取准永久值。
• 准永久组合（长期效应是决定性因素时采用）：$S_d = \sum S_{Gjk} + \sum \psi_{qi} S_{Qik}$。所有可变荷载均采用准永久值。

三、 建筑抗震设计基本原理

• 震级与烈度的区别：震级 ($M_E$) 衡量一次地震释放能量的大小，一次地震只有一个震级；地震烈度衡量地震对某具体地方的影响程度，在不同地点烈度不同（与震中距、震源深度及场地相关）。
• “三水准”抗震设防目标：即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。
  • 遭受低于设防烈度的地震（小震）时，结构不受损坏或不需修理可继续使用；
  • 遭遇设防烈度的地震（中震）时，可能损坏，经一般修理后仍可继续使用；
  • 遭遇高于设防烈度预估的地震（大震）时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。
• 设防类别与设防标准：建筑划分为**甲（特殊设防）、乙（重点设防）、丙（标准设防）、丁（适度设防）**四类。
  • 甲类：按高于本地区设防烈度一度的要求加强抗震措施和确定地震作用。
  • 乙类（如医院生命线工程）：按高于本地区设防烈度一度的要求加强抗震措施（如配筋构造），但地震作用（水平力计算）仍按本地区设防烈度确定。
• 设计的三大板块：包括抗震概念设计（方案阶段选择对抗震有利的场地和布置方案）、结构抗震计算（承载力计算和地震作用下的变形验算）以及抗震构造措施（用以增加结构延性，防止大震脆性坍塌）。

思考题

结合上述总结，请思考以下关于偶然状况组合的问题：

在进行“偶然设计状况”下的承载力计算时，规范要求不考虑结构重要性系数 ($\gamma_0$)，且永久荷载与可变荷载的分项系数（如基本组合中的 $1.3$ 和 $1.5$）也全部不考虑（均取为 $1.0$）。同时，参与组合的可变荷载也不采用其最基本的“标准值”，而是降低到“频遇值”甚至“准永久值”。

请问：既然偶然事件（如爆炸或撞击）是一种极其危险和极端的状况，为什么在组合计算中反而要“拿掉”这些用于安全储备的放大系数（重要性系数和分项系数），并且将可变荷载的代表值进行折减？这背后的概率安全逻辑和工程经济性权衡是什么？

🤔 偶然组合这种看似“降低安全度”的参数取值方法，其实蕴含着可靠度科学中“多重极端事件极难同时发生”的概率乘积逻辑。