4.3  极限状态设计4.3.1  持久设计状况是贯穿结构全寿命周期的设计情况,要满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求;承受重复荷载作用的构件或构造细节,还应考虑疲劳极限状态。    短暂状况在结构施工和使用过程中一定出现,根据性能要求不同考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态。    偶然状况主要涉及偶然事件,只进行承载能力极限状态验算,主要承载结构应采用下列原则之一进行设计:    (1)按作用效应的偶然组合进行设计或采取保护措施,使主要承载结构不致因偶然事件而丧失承载能力。    (2)允许主要承载结构因偶然事件而局部破坏,但结构的剩余部分仍应具有在一段时间内不发生继发性破坏的可靠性。    地震状况按承载能力极限状态进行设计,使主要承载结构不致因出现设计的地震状况而丧失承载力;按照多遇地震设计的工程结构,还需要满足正常使用极限状态要求。4.3.2、4.3.3  承载能力极限状态的荷载组合有基本组合、偶然组合和地震组合,分别对应持久设计和短暂设计状况、偶然设计状况和地震设计状况。当考虑偶然事件产生的作用(如列车脱轨)时,此时采用的结构可靠指标适当降低。    正常使用极限状态分为不可逆极限状态和可逆极限状态,荷载组合有标准组合、频遇组合和准永久组合。    标准组合用于不可逆正常使用极限状态,当超越极限状态时将产生永久性不可逆损坏。如有抗裂要求的构件,一旦产生裂缝会造成不可逆的损坏。    频遇组合用于可逆正常使用极限状态,如构件的变形、振动等情况。    准永久组合用于当长期效应为决定性因素的正常使用极限状态设计。4.3.5、4.3.6  极限状态方程是当结构处于极限状态时各有关基本变量的关系式。当结构设计问题中仅包含两个基本变量时,在以基本变量为坐标的平面上,极限状态方程为直线(线性问题)或曲线(非线性问题);当结构设计问题中包含多个基本变量时,在以基本变量为坐标的空间中,极限状态方程为平面(线性问题)或曲面(非线性问题)。    功能函数g(R,S)描述结构某一功能所处的状态,g(R,S)>0表示结构处于可靠状态;g(R,S)=0表示结构处于极限状态;g(R,S)<0表示结构处于失效状态;计算结构可靠度就是计算功能函数g(R,S)>0的概率。    结构极限状态方程中的基本变量包括作用、环境影响、材料和岩土性能、结构几何参数、计算模式不定性等随机变量。若将结构设计问题中基本变量归结为抗力和作用项,进行极限状态设计即要求抗力不小于作用,即g(R,S)≥0。    结构功能函数中主要基本变量可用设计基准期内概率分布函数的最大值(最小值)随机变量描述,其他基本变量可用任意时点分布函数的随机变量描述。4.3.7  为了统一我国铁路工程结构可靠性设计标准的基本原则,促进结构设计理论的发展,本标准采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法。    以往采用的半概率极限状态设计方法,仅在荷载和材料强度的设计取值上考虑了各自的统计变异性,没有对结构或构件的可靠度给出科学的定量描述。这种方法常常使人误认为只要设计中采用了某一给定安全系数,结构就能百分之百的可靠,将设计安全系数与结构可靠度简单地进行等同。而以概率理论为基础的极限状态设计方法则是以结构失效概率来定义结构可靠度,并以与结构失效概率Pf相对应的可靠指标β 来度量结构可靠度,从而能较好地反映结构可靠度的实质,使设计概念更为科学和明确。    表3为可靠指标β与失效概率Pf的对应关系。表3  可靠指标β与失效概率Pf对照表    表3中可靠指标β与失效概率Pf的对应关系是在功能函数服从正态分布情况下而来,当功能函数不服从正态分布时,要先转化为正态分布再进行计算。4.3.8  根据极限状态方程是否为线性方程以及综合基本变量R和S概率分布的不同,根据《铁路工程结构极限状态设计通用方法及专业参数处理分析研究》[合同编号:铁建科字(2009)-2)]的科研成果,推荐了计算可靠指标的JC法,JC法也是国际结构安全度联合委员会(JCSS)推荐的方法。分位值法是原国家《铁路工程结构可靠度设计统一标准》GB 50216-94中推荐使用的方法。JC法和分位值法都属于一次二阶矩法,两者皆能考虑非正态随机变量,岩土工程领域采用蒙特卡罗法相对较多,因此本标准推荐JC法、分位值法、蒙特卡罗法计算可靠指标,根据具体情况不同,可靠指标的计算也可选用数值积分法、响应面法等其他方法。4.3.9  铁路工程结构设计要保证结构的计算可靠指标不小于目标可靠指标,只有这样,才能保证结构在设计使用年限的安全性和可靠性,即目标可靠指标与设计使用年限是紧密相关的。根据规范科研《铁路工程结构目标可靠指标制定研究》(专项编制2012-02)的研究成果,给出了铁路工程结构极限状态法转轨时目标可靠指标的参考:    (1)桥梁结构目标可靠度指标建议值:承载能力极限状态,按结构安全等级不同,延性破坏为4.2、4.7、5.2,脆性破坏为4.7、5.2、5.7;正常使用极限状态为1.5~3.0。    (2)铁路隧道二次衬砌、明洞目标可靠度指标建议值:承载能力极限状态,按结构安全等级不同,延性破坏为3.2、3.7、4.2,脆性破坏为3.7、4.2、4.7;正常使用极限状态为1.0~2.5。    (3)铁路路基目标可靠度指标建议值:承载能力极限状态,抗滑、倾覆和地基应力按结构安全等级不同分为2.7、3.2、3.7;正常使用极限状态为1.0~2.5。    (4)轨道目标可靠度指标建议值:承载能力极限状态,按结构安全等级不同,延性破坏为3.2、3.7、4.2,脆性破坏为3.7、4.2、4.7;正常使用极限状态为1.0~2.5。4.3.10  针对承载能力极限状态,不同安全等级和失效模式的可靠指标要适当拉开档次。国外计算分析表明,由于重要性系数取值不同,相邻安全等级的结构或构件可靠指标有0.5的级差,基于此,参照国内外目标可靠指标的分级,规定安全等级每相差一级,可靠指标取值宜相差0.5,安全等级相同,脆性破坏结构或构件的设计可靠指标与延性破坏相差0.5。当然,也可以根据实际综合分析确定。4.3.11  为照顾原有设计习惯,结构可靠性设计是通过多个分项系数组成的表达式来实现,而分项系数的获取则是通过结构的计算可靠指标与目标可靠指标最佳一致性优化而定。    概率极限状态设计式中的分项系数不同于多系数极限状态设计法中的分项系数,前者是通过统计分析优化而得,后者是简单地将单一安全系数K分解为多个系数,没有涉及结构的可靠性。当统计资料足够多或者社会生产技术条件发生大的飞跃时,可以适当调整分项系数,体现概率极限状态设计法的生命力。

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