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摘要：近年来，建筑工程的结构设计方法已经逐渐走向了成熟，建筑工程结构可靠度设计也取得了实质的变化和突破性的进展。本文阐述了建筑工程结构可靠度设计的方法、步骤，并针对不同时期影响建筑结构可靠度设计的原因进行比较，仅供参考。
关键词：建筑结构设计；可靠度；发展比较
中图分类号：G267
一、建筑结构设计可靠度概述
工程结构可靠度习称安全度。在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率，是工程结构可靠性的概率度量。工程结构可靠性，是指在规定时间和条件下，工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而且这些影响因素是随机的，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率；结构不能完成预定功能的概率，称为失效概率。工程结构设计的目的，就是力求最佳的经济效益，将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，两者是互补的。
二、建筑结构设计可靠度的分析步骤及方法
1、进行结构可靠度分析一般分三个步骤：一是收集与结构可靠度有关的随机变量（如风荷载、波浪荷载、地震荷载等）的试验、观测资料，进行统计分析，得出各随机变量的统计量（均值、标准差和分布类型）。二是计算结构的荷载效应，确定抗力，建立极限状态方程。荷载效应S可以是结构的应力、应变、内力、位移等，它们可用力学分析方法求得。结构抗力 R是结构抗御破坏或变形的能力，如材料的屈服极限、构件截面的承载能力、容许的位移或变形等。S和R都是随机变量。它们的均值和标准差分别为┢S、┢R和σS、σR。设功能函数Z=R-S。当Z 0，表示结构失效；Z 0，表示结构可靠；Z=0，表示结构处于极限状态。此式称为极限状态方程。三是根据随机变量的统计量和极限状态方程可以计算；Z 0的失效概率Pf；Z≥0的可靠概率PS，即可靠度。Pf和PS两者是互补的，即Pf+PS=1。工程上采用可靠指标β作为设计的依据。对于S、R都是正态分布的情况有：
β与Pf有一一对应的关系。Pf=Ф （-β ），Ф （-β ）为-β 的标准化正态分布函数。在设计规范中，一般规定了适用于各种条件下的目标可靠指标值。
2、结构可靠度分析方法主要有三种：一是一次二阶矩法：采用随机变量的均值和方差作统计参数，并对极限状态方程在某点用泰勒级数展开近似地取一次项，来求结构可靠度。此法只适用于各个随机变量都是正态分布或对数正态分布的情况。二是JC法：即结构安全度联合委员会提出的近似方法，可用于随机变量为任意分布情况下的可靠度分析，其基本点是通过当量正态化处理，用正态分布来代替原来的任意分布，然后再用一次二阶矩法求解可靠度。此法在国际上应用较为广泛。三是蒙特卡罗法：又称统计试验法或概率模拟法，属渐近法。此法通过对随机变量进行随机抽样，代入功能函数式中考察结构是否失效，从而求得结构的失效概率和可靠度。此法需进行大量随机取样，计算工作量很大，需要编制程序在电子计算机上计算。
三、影响建筑结构设计可靠度的原因比较
工程结构可靠度习称安全度。结构的可靠度通常受各种荷载、材料性能、几何参数、计算公式精确性等因素的影响。这些因素，一般具有随机性，称为基本变量。其处理方法随着实践经验的积累和工程力学、材料试验、设计理论等各种学科的发展而不断地演变，由直接经验阶段、以经验为主的安全系数阶段而开始进入了以概率理论为基础的定量分析阶段。在不断地演变过程中，建筑结构设计的可靠度也在不断提高。
1、直接经验阶段。早期对工程结构的建造，不倒不垮就认为安全可靠；后来通过经验累积，进一步按结构构件的尺寸比例规定结构安全度。这阶段主要依靠工匠们代代相传的经验而进行营建活动。
2、安全系数阶段。由于17世纪材料力学的兴起和相继的发展，结构设计进入了弹性的力学分析时期，从而开始采用容许应力设计法，以凭经验判断决定的单一安全系数度量结构的安全度。到20世纪30年代，由于对结构材料与结构破坏性能的研究逐步深入，在结构设计上考虑结构的破坏阶段工作状况，随之出现了破坏强度设计法，亦称极限荷载设计法。实际上仍采用凭经验判断的单一荷载系数度量结构的安全度。进入50年代后，苏联学者提出了极限状态设计法，用多系数（超载系数、材料匀质系数、工作条件系数）代替单一安全系数度量结构的安全度，并订入国家设计规范。接着，欧洲一些国家也采用了类似的方法，并相互作了改进。60年代，美国和加拿大钢筋混凝土结构设计规范也采用类似方法处理结构的安全度。由于这些方法仅对荷载和材料强度的特征值分别采用概率取值而未将荷载和抗力进行联合的概率分析，所以也称“半概率法”。其荷载系数和抗力系数本质上仍然是一种以经验确定的安全系数。
3、以概率理论为基础的阶段。早在20世纪40年代，美国A.M.弗罗伊登塔尔将统计数学概念引入可靠度理论的研究。同时，苏联学者也在进行这方面类似的研究。直至60年代，美國一些学者对建筑结构可靠度分析，提出了一个比较实用的方法，并为国际结构安全度联合委员会（JCSS）所采用。这种方法只须考虑随机变量的平均值和方差（方差又称为二阶中心矩），并在计算中对结构非线性功能函数取一次近似，故其全称为一次二阶矩法，简称一次概率法。一次概率法含有“可靠指标β”的概念，而β为结构功能函数这一随机变量的平均值与标准差的比值。从理论上讲，只要分布一定，β与失效概率便有一一对应的关系。即根据一定的计算原则，可由β求出相应的失效概率，从而对结构可靠度进行定量分析。中国在70年代已将基于概率的设计方法引入了各种设计规范。它们在设计表达式上尽管形式不同，但其基本原则皆为多系数分析单一系数表达的极限状态设计方法。70年代末，以一次概率法为基础，制订了《建筑结构设计统一标准》，作为各设计规范修订或制订的准则。
结束语：
总之，结构可靠度分析方法已在建筑工程结构的设计规范编制中广为应用。结构可靠度分析正朝着结构动力可靠度、结构疲劳可靠度、结构断裂可靠度、结构体系可靠度、基于可靠度的结构优化设计，以及考虑模糊因素的广义可靠度等方向发展。
参考文献：
【1】叶仲林《浅析建筑结构设计的可靠度》[J]建材与装饰（中旬刊）2007（7）
【2】王仲庆 陈春芳《对提高建筑结构设计可靠度问题的看法》[J]山西建筑2003（12）
【3】欧进萍，段宇博；高层建筑结构的抗震可靠度分析与优化设计[J]；地震工程与工程振动；1995年01期
关键词：建筑结构设计；可靠度；发展比较
中图分类号：G267
一、建筑结构设计可靠度概述
工程结构可靠度习称安全度。在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率，是工程结构可靠性的概率度量。工程结构可靠性，是指在规定时间和条件下，工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而且这些影响因素是随机的，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率；结构不能完成预定功能的概率，称为失效概率。工程结构设计的目的，就是力求最佳的经济效益，将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，两者是互补的。
二、建筑结构设计可靠度的分析步骤及方法
1、进行结构可靠度分析一般分三个步骤：一是收集与结构可靠度有关的随机变量（如风荷载、波浪荷载、地震荷载等）的试验、观测资料，进行统计分析，得出各随机变量的统计量（均值、标准差和分布类型）。二是计算结构的荷载效应，确定抗力，建立极限状态方程。荷载效应S可以是结构的应力、应变、内力、位移等，它们可用力学分析方法求得。结构抗力 R是结构抗御破坏或变形的能力，如材料的屈服极限、构件截面的承载能力、容许的位移或变形等。S和R都是随机变量。它们的均值和标准差分别为┢S、┢R和σS、σR。设功能函数Z=R-S。当Z 0，表示结构失效；Z 0，表示结构可靠；Z=0，表示结构处于极限状态。此式称为极限状态方程。三是根据随机变量的统计量和极限状态方程可以计算；Z 0的失效概率Pf；Z≥0的可靠概率PS，即可靠度。Pf和PS两者是互补的，即Pf+PS=1。工程上采用可靠指标β作为设计的依据。对于S、R都是正态分布的情况有：
β与Pf有一一对应的关系。Pf=Ф （-β ），Ф （-β ）为-β 的标准化正态分布函数。在设计规范中，一般规定了适用于各种条件下的目标可靠指标值。
2、结构可靠度分析方法主要有三种：一是一次二阶矩法：采用随机变量的均值和方差作统计参数，并对极限状态方程在某点用泰勒级数展开近似地取一次项，来求结构可靠度。此法只适用于各个随机变量都是正态分布或对数正态分布的情况。二是JC法：即结构安全度联合委员会提出的近似方法，可用于随机变量为任意分布情况下的可靠度分析，其基本点是通过当量正态化处理，用正态分布来代替原来的任意分布，然后再用一次二阶矩法求解可靠度。此法在国际上应用较为广泛。三是蒙特卡罗法：又称统计试验法或概率模拟法，属渐近法。此法通过对随机变量进行随机抽样，代入功能函数式中考察结构是否失效，从而求得结构的失效概率和可靠度。此法需进行大量随机取样，计算工作量很大，需要编制程序在电子计算机上计算。
三、影响建筑结构设计可靠度的原因比较
工程结构可靠度习称安全度。结构的可靠度通常受各种荷载、材料性能、几何参数、计算公式精确性等因素的影响。这些因素，一般具有随机性，称为基本变量。其处理方法随着实践经验的积累和工程力学、材料试验、设计理论等各种学科的发展而不断地演变，由直接经验阶段、以经验为主的安全系数阶段而开始进入了以概率理论为基础的定量分析阶段。在不断地演变过程中，建筑结构设计的可靠度也在不断提高。
1、直接经验阶段。早期对工程结构的建造，不倒不垮就认为安全可靠；后来通过经验累积，进一步按结构构件的尺寸比例规定结构安全度。这阶段主要依靠工匠们代代相传的经验而进行营建活动。
2、安全系数阶段。由于17世纪材料力学的兴起和相继的发展，结构设计进入了弹性的力学分析时期，从而开始采用容许应力设计法，以凭经验判断决定的单一安全系数度量结构的安全度。到20世纪30年代，由于对结构材料与结构破坏性能的研究逐步深入，在结构设计上考虑结构的破坏阶段工作状况，随之出现了破坏强度设计法，亦称极限荷载设计法。实际上仍采用凭经验判断的单一荷载系数度量结构的安全度。进入50年代后，苏联学者提出了极限状态设计法，用多系数（超载系数、材料匀质系数、工作条件系数）代替单一安全系数度量结构的安全度，并订入国家设计规范。接着，欧洲一些国家也采用了类似的方法，并相互作了改进。60年代，美国和加拿大钢筋混凝土结构设计规范也采用类似方法处理结构的安全度。由于这些方法仅对荷载和材料强度的特征值分别采用概率取值而未将荷载和抗力进行联合的概率分析，所以也称“半概率法”。其荷载系数和抗力系数本质上仍然是一种以经验确定的安全系数。
3、以概率理论为基础的阶段。早在20世纪40年代，美国A.M.弗罗伊登塔尔将统计数学概念引入可靠度理论的研究。同时，苏联学者也在进行这方面类似的研究。直至60年代，美國一些学者对建筑结构可靠度分析，提出了一个比较实用的方法，并为国际结构安全度联合委员会（JCSS）所采用。这种方法只须考虑随机变量的平均值和方差（方差又称为二阶中心矩），并在计算中对结构非线性功能函数取一次近似，故其全称为一次二阶矩法，简称一次概率法。一次概率法含有“可靠指标β”的概念，而β为结构功能函数这一随机变量的平均值与标准差的比值。从理论上讲，只要分布一定，β与失效概率便有一一对应的关系。即根据一定的计算原则，可由β求出相应的失效概率，从而对结构可靠度进行定量分析。中国在70年代已将基于概率的设计方法引入了各种设计规范。它们在设计表达式上尽管形式不同，但其基本原则皆为多系数分析单一系数表达的极限状态设计方法。70年代末，以一次概率法为基础，制订了《建筑结构设计统一标准》，作为各设计规范修订或制订的准则。
结束语：
总之，结构可靠度分析方法已在建筑工程结构的设计规范编制中广为应用。结构可靠度分析正朝着结构动力可靠度、结构疲劳可靠度、结构断裂可靠度、结构体系可靠度、基于可靠度的结构优化设计，以及考虑模糊因素的广义可靠度等方向发展。
参考文献：
【1】叶仲林《浅析建筑结构设计的可靠度》[J]建材与装饰（中旬刊）2007（7）
【2】王仲庆 陈春芳《对提高建筑结构设计可靠度问题的看法》[J]山西建筑2003（12）
【3】欧进萍，段宇博；高层建筑结构的抗震可靠度分析与优化设计[J]；地震工程与工程振动；1995年01期