铁路工程结构可靠性设计统一标准[附条文说明]GB50216-2019

 前言

中华人民共和国国家标准

铁路工程结构可靠性设计统一标准

Unified standard for reliability design of railway structures

GB 50216-2019

主编部门:国家铁路局

批准部门:中华人民共和国住房和城乡建设部

施行日期:2020年6月1日

中华人民共和国住房和城乡建设部公告

2019年 第322号

住房和城乡建设部关于发布国家标准《铁路工程结构可靠性设计统一标准》的公告

现批准《铁路工程结构可靠性设计统一标准》为国家标准,编号为GB 50216-2019,自2020年6月1日起实施。其中,第3.2.1、3.3.1条为强制性条文,必须严格执行。原《铁路工程结构可靠度设计统一标准》(GB 50216-94)同时废止。

本标准在住房和城乡建设部门户网站(www.mohurd.gov.cn)公开,并由住房和城乡建设部标准定额研究所组织中国计划出版社出版发行。

中华人民共和国住房和城乡建设部

2019年11月22日

前言

根据住房和城乡建设部《关于印发<2015年工程建设标准规范制订、修订计划>的通知》(建标[2014]189号)要求,标准编制组经过广泛调查研究,认真总结经验,参考有关国际标准和国外先进标准,并在广泛征求意见的基础上,对国家标准《铁路工程结构可靠度设计统一标准》GB 50216-94进行了全面修订。

本标准的主要技术内容是:总则、术语和符号、基本规定、极限状态设计原则、作用及环境影响、材料和岩土的性能及几何参数、结构分析和试验辅助设计、分项系数设计方法、可靠性管理及评定等。

本标准修订的主要技术内容是:1.适用范围调整为铁路桥涵、隧道、路基、轨道等工程结构和构件的设计及其既有结构的可靠性评定。2.增加了评估使用年限、疲劳极限状态、分位值、特征值、岩土作用、环境影响等术语,删除了脆性破坏、延性破坏、疲劳承载能力极限状态、疲劳正常使用极限状态等常识性或不再使用的术语。3.完善了铁路工程结构的安全等级划分和设计使用年限,给出了工程结构可靠性水平的设置、耐久性和维护的原则性规定。4.细化和完善了极限状态的分类,明确了铁路工程结构按承载能力极限状态、正常使用极限状态和疲劳极限状态进行设计。增加了地震设计状况的分类,给出了基于可靠指标设计的原则性规定。5.增加了列车竖向作用的相关规定。6.完善了材料性能的取值要求,明确了岩土性能标准值的确定方法。7.增加了试验辅助设计的相关规定。8.增加了铁路桥涵结构列车荷载作用分项系数的取值规定,完善了结构抗力和作用效应设计值的计算式,补充规定了结构重要性系数的取值。9.明确了全寿命周期的质量管理,增加了既有结构可靠性评定的原则性要求。

本标准中以黑体字标志的条文为强制性条文,必须严格执行。

本标准由住房和城乡建设部负责管理和对强制性条文的解释,由中国铁道科学研究院集团有限公司负责具体技术内容的解释。执行过程中如有意见或建议,请寄送中国铁道科学研究院集团有限公司(地址:北京市海淀区大柳树路2号,邮政编码:100081)。

本标准主编单位:中国铁道科学研究院集团有限公司

本标准参编单位:中国铁路经济规划研究院有限公司

中铁第一勘察设计院集团有限公司

中国中铁二院工程集团有限责任公司

中国铁路设计集团有限公司

中铁第四勘察设计院集团有限公司

中铁工程设计咨询集团有限公司

本标准主要起草人员:刘晓光 潘永杰 张玉玲 徐升桥 周诗广 杨常所 余鹏 许国平 王仲锦 林传年 刘华 杜宝军 费建波 苏伟 葛建军 高策 高志伟 赵东平 罗一农 孙立 蒋函珂 周勇政 简方梁 陈潇 霍建勋 乔晋飞

本标准主要审查人员:李承根 史志华 薛吉岗 刘燕 杨鹏健 江成 赵万强 王召祜 李安洪 吴少海 张红旭 周四思 曾长贤 郜永杰 杜文山 柳墩利 李纹京 季文玉 杨剑 宋玉香 杨彦海 范佳 刘建瑞 吴川 朱尔玉 徐伟 韩晓强 王伟华 卢朝辉

1总则

1      

1.0.1  为统一铁路工程结构可靠性设计的基本原则、基本要求和基本方法,使铁路工程符合可持续发展的要求,并做到安全可靠、技术先进、经济合理、确保质量,制定本标准。

▼ 展开条文说明

1.0.2  本标准适用于铁路桥涵、隧道、路基、轨道等工程结构和构件的设计及其既有结构的可靠性评定。

▼ 展开条文说明

1.0.3  铁路工程结构设计宜采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法;当缺乏统计资料时,可根据可靠的工程经验或必要的试验研究,采用其他设计方法进行设计。

▼ 展开条文说明

1.0.4  制定铁路工程结构的可靠性设计相关标准时,应符合本标准的规定。

▼ 展开条文说明

1.0.5  铁路工程结构的勘察设计、施工、使用与维护应进行有效的质量管理与控制,使结构满足规定的可靠性要求。

▼ 展开条文说明

1.0.6  铁路工程结构可靠性设计除应符合本标准要求外,尚应符合国家现行有关标准的规定。

▼ 展开条文说明

2术语和符号

2.1 术语

2  术语和符号

▼ 展开条文说明

2.1      

2.1.1  可靠性    reliability

   结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力。

2.1.2  可靠度  degree of reliability

   结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率。

2.1.3  失效概率  probability of failure

   结构在规定的时间内,在规定的条件下,不能完成预定功能的概率。

2.1.4  可靠指标    reliability index

   度量结构可靠度的数值指标,可靠指标β与失效概率Pf的关系为β=—Φ-1(Pf),其中Φ-1(·)为标准正态分布函数的反函数。

2.1.5  设计使用年限  design working life

   正常使用和维护条件下,设计规定的结构或构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限。

2.1.6  设计基准期  design reference period

   为确定可变作用等的取值而选用的时间参数。

2.1.7  评估使用年限  assessed working life

   可靠性评定所预估的既有结构在规定条件下可继续使用的年限。

2.1.8  安全等级    safety class

   根据工程结构破坏所产生后果的严重性划分的具有不同可靠度设置水平的设计等级。

2.1.9  设计状况  design situation

   代表一定时段内实际情况的一组设计条件,设计应做到在该组条件下结构不超越有关的极限状态。

2.1.10  极限状态  limit state

   结构或构件超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求,此特定状态为该功能的极限状态。

2.1.11  极限状态方程    limit state equation

   结构或构件处于极限状态时,各有关基本变量的关系式。

2.1.12  承载能力极限状态    ultimate limit state

   结构或构件达到最大承载力或产生不适于继续承载的变形的状态。

2.1.13  正常使用极限状态    serviceability limit state

   结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态。

2.1.14  可逆正常使用极限状态    reversible serviceability limit state

   当产生超越正常使用要求的作用卸除后,该作用产生的超越状态可以恢复的正常使用极限状态。

2.1.15  不可逆正常使用极限状态    irreversible serviceability limit state

   当产生超越正常使用要求的作用卸除后,该作用产生的超越状态不可恢复的正常使用极限状态。

2.1.16  疲劳极限状态  fatigue limit state

   重复荷载作用导致结构或构件失效,不适于继续承载的极限状态。

2.1.17  结构重要性系数  importance factor of structure

   根据结构安全等级所规定的对作用效应附加的调整系数。

2.1.18  基本变量  basic variable

   代表物理量的一组规定的变量,用于表示作用和环境影响、材料和岩土的性能以及几何参数的特征。

2.1.19  功能函数  performance function

   关于基本变量的函数,该函数表征一种结构功能。

2.1.20  概率分布  probability distribution

   随机变量取值的统计规律,一般采用慨率密度函数或概率分布函数表示。

2.1.21  统计参数    statistical parameter

   在概率分布中用来表示随机变量取值的平均水平和离散程度等的数字特征。

2.1.22  分位值    fractile

   与随机变量概率分布函数的某一概率对应的值。

2.1.23  特征值    characteristic value

   用统计方法确定的一定保证率或跨阈率下的值。

2.1.24  名义值    nominal value

   用非统计方法确定的值。

2.1.25  校准法    calibration method

   通过对现存结构或构件安全储备的反演分析,确定设计采用的目标可靠指标的方法。

2.1.26  作用    action

   施加在结构上的集中力或分布力(直接作用,也称为荷载)和引起结构外加变形或约束变形的原因(间接作用)。

2.1.27  岩土作用  geotechnical action

   围岩、地基、坡体、地下水或地表水等传递到结构上的作用。

2.1.28  作用效应    effect of action

   作用引起的结构或构件的反应。

2.1.29  作用的标准值    characteristic value of an action

   作用的主要代表值,可根据对观测数据的统计、作用的自然界限或工程经验确定。

2.1.30  可变作用的组合值    combination value of a variable action

   使组合后的作用效应的超越概率与该作用单独出现时其标准值作用效应的超越概率趋于一致的作用值;或组合后使结构具有规定可靠指标的作用值。可通过组合值系数(ψc≤1)对作用标准值的折减来表示。

2.1.31  可变作用的频遇值    frequent value of a variable ac-tion

   在设计基准期内被超越的总时间占设计基准期的比率较小的作用值;或被超越的频率限制在规定频率内的作用值。可通过频遇值系数(ψf≤1)对作用标准值的折减来表示。

2.1.32  可变作用的准永久值    quasi-permanent value of a variable action

   在设计基准期内被超越的总时间占设计基准期的比率较大的作用值。可通过准永久值系数(ψq≤1)对作用标准值的折减来表示。

2.1.33  作用的代表值    representative value of an action

   极限状态设计所采用的作用值,它可以是作用的标准值、组合值、频遇值或准永久值。

2.1.34  作用的设计值  design value of an action

   作用代表值与作用分项系数的乘积。

2.1.35  作用组合(荷载组合)    combination of actions(load combination)

   结构或构件设计时,预计可能同时出现的几种不同作用(效应)的集合。

2.1.36  主导可变作用  leading variable action

   在同一作用组合中,作用效应设计值最不利情况下起控制作用的可变作用。

2.1.37  标准组合  characteristic combination

   正常使用极限状态设计时,采用永久作用标准值、主导可变作用的标准值和(或)非主导可变作用的组合值的组合。

2.1.38  频遇组合    frequent combination

   正常使用极限状态设计时,采用永久作用标准值、主导可变作用的频遇值和(或)非主导可变作用的准永久值的组合。

2.1.39  准永久组合  quasi-permanent combination

   正常使用极限状态设计时,采用永久作用的标准值和可变作用的准永久值的组合。

2.1.40  环境影响  environmental influence

   环境对结构产生的各种机械的、物理的、化学的或生物的不利影响。

2.1.41  抗力    resistance

   结构或构件承受作用效应的能力。

2.1.42  材料性能的标准值    characteristic value of a material property

   符合规定质量的材料性能概率分布的某一分位值或材料性能的名义值。

2.1.43  材料性能的设计值  design value of a material prop-erty

   材料性能的标准值除以材料性能分项系数所得的值。

2.1.44  几何参数的标准值  characteristic value of a geomet-rical parameter

   设计规定的几何参数公称值或几何参数概率分布的某一分位值。

2.1.45  几何参数的设计值  design value of a geometrical pa-rameter

   几何参数的标准值增加或减少一个几何参数的附加量所得的值。

2.1.46  限值    constraint value

   结构或构件设计时,作为极限状态标志的应力、变形等的约束值。

2.1.47  疲劳荷载谱  fatigue load spectrum

   反映结构设计使用年限内在指定列车运量条件下,在列车疲劳荷载作用下材料或连接的作用效应和频次的关系,可用表格或直方图表达。

2.1.48  等效等幅重复应力法    method of equivalent constant amplitude stress range

   结构或构件在疲劳检算中,根据线性累积损伤法则或其他适当方法,将变幅重复应力转换为等幅重复应力进行设计的方法。

2.1.49  极限损伤度法  cumulative damage method

   结构或构件在疲劳检算中,根据线性损伤理论,将累积损伤度作为检算内容的设计方法。

2.2 符号

2.2

2.2.1 结构可靠度:

Pf——结构或构件失效概率的运算值;

R——结构或构件的抗力;

S——结构或构件的作用效应;

T——设计基准期;

wi——第i种结构的权系数;

Xi——第i个基本变量;

X*i——基本变量Xi在分位概率为Φ(βXi)处的分位值;

X*i——基本变量Xi在分位概率为Φ(βXi)处的分位值导数;

Z——结构或构件的功能函数;

αXi——基本变量Xi的灵敏度系数;

β——结构或构件的可靠指标;

βXi——基本变量Xi的分项可靠指标;

σR——抗力的标准差;

σS——作用效应的标准差;

σXi——基本变量Xi的标准差。

2.2.2 作用和作用效应:

F——作用;

Fk——作用的标准值;

Fr——作用的代表值;

G——永久作用;

Gk——永久作用的标准值;

SGk——永久作用标准值的效应;

Q——可变作用;

Qk——可变作用的标准值;

Qr——可变作用的代表值;

SQk——可变作用标准值的效应;

ψc——可变作用的组合值系数;

ψf——可变作用的频遇值系数;

ψq——可变作用的准永久值系数;

ψcQk——可变作用的组合值;

ψfQk——可变作用的频遇值;

ψqQk——可变作用的准永久值。

2.2.3 材料性能和几何参数:

a——几何参数;

anom——几何参数的标准值或名义值;

f——结构材料性能;

fk——结构材料性能f的标准值;

δf——结构材料性能f的变异系数。

2.2.4 结构极限状态设计式:

ad——几何参数a的设计值;

Cd——设计对结构达到正常使用(如变形、裂缝等)所规定的相应限值;

Fd——作用F的设计值;

fd——材料性能f的设计值;

Gd——永久作用G的设计值;

Qd——可变作用Q的设计值;

Rd——结构抗力R的设计值;

Sd——作用效应的设计值;

AEk——地震作用的标准值;

βnom——结构的目标可靠指标;

γ0——结构重要性系数;

γ——地震作用重要性系数;

γF——作用的分项系数;

γsd——计算模型不定性系数;

γm——材料或产品性能的分项系数;

γRd——抗力模型不定性系数;

γM——材料或产品性能的分项系数,考虑模型不定性和(或)几何参数偏差等影响;

γL——考虑结构设计使用年限的荷载调整系数;

γR——抗力分项系数;

γG——永久作用G的分项系数;

γQ——可变作用Q的分项系数;

△a——几何参数a的附加量。

2.2.5 结构疲劳极限状态验算式:

γfat——钢结构疲劳作用分项系数;

△σe——钢结构验算部位等效等幅重复应力幅标准值(计入运营动力系数、离心力);

△σ0——钢结构验算部位疲劳设计强度;

△faek——钢结构验算部位材料(或构造细节)的等幅疲劳强度标准值;

γaf——钢结构验算部位材料(或构造细节)的疲劳抗力分项系数;

γcek、γpek、γsek——分别为混凝土、预应力钢筋、钢筋的疲劳作用分项系数;

γcf、γpf、γsf——分别为混凝土、预应力钢筋、钢筋的疲劳抗力分项系数;

σcek、△σpek、△σsek——分别为混凝土结构验算部位的混凝土等效疲劳应力标准值、预应力钢筋等效疲劳应力幅标准值、钢筋等效疲劳应力幅标准值(计入运营动力系数、离心力);

fcek、△fpek、△fsek——分别为混凝土结构验算部位的混凝土、预应力钢筋、钢筋的等幅疲劳强度标准值。

3基本规定

3.1 基本要求

3  基本规定

3.1  基本要求

3.1.1  铁路工程结构的设计、施工和维护应使其在设计使用年限内以规定的可靠度满足规定的各项功能要求。

▼ 展开条文说明

3.1.2  铁路工程结构应达到规定的可靠性水平,并满足下列功能要求:

   1  承受在施工和使用期间可能出现的各种作用,即满足承载能力极限状态或疲劳极限状态要求;

   2  保持良好的使用性能,并具有足够的耐久性能,即满足正常使用极限状态要求;

   3  发生洪水、非正常撞击、列车脱轨等偶然事件时,结构保持必要的整体稳固性,不出现与起因不相称的破坏后果;发生火灾时,在规定的时间内可保持足够的承载力。

▼ 展开条文说明

3.1.3  铁路工程结构设计时,应选择适宜的计算模型和合理的基本变量值,并按下列要求采取适当措施:

   1  应避免、消除或减少结构可能受到的危害;

   2  应采用对可能受到的危害反应不敏感的结构类型;

   3  应采用当单个构件或结构的有限部分被意外移除或结构出现可接受的局部破坏时,结构其他部分仍能保存的结构类型;

   4  不宜采用无破坏预兆的结构体系。

3.1.4  铁路工程结构的勘察设计、施工、使用与维护等应采取相应的可靠性管理措施。

▼ 展开条文说明

3.2 安全等级和可靠度

3.2  安全等级和可靠度

3.2.1  铁路工程结构的设计根据结构破坏可能产生后果的严重程度,应采用表3.2.1规定的安全等级。

表3.2.1  铁路工程结构的安全等级

▼ 展开条文说明

3.2.2  铁路工程结构安全等级应按表3.2.2的规定划分。

表3.2.2  铁路工程结构安全等级划分

   注:对于有特殊要求的铁路工程结构,其设计安全等级可根据具体情况确定。

▼ 展开条文说明

3.2.3  铁路工程结构各类构件的安全等级宜与结构的安全等级相同,必要时可对部分构件的安全等级进行调整。

▼ 展开条文说明

3.2.4  可靠性水平的设置应根据结构或构件的安全等级、失效模式和经济因素等确定。

3.2.5  有充分的统计数据时,结构或构件的可靠性宜采用可靠指标β度量。结构或构件设计采用的可靠指标,可根据对现有结构或构件的可靠度分析,并结合使用经验和经济因素等确定。

▼ 展开条文说明

3.2.6  铁路工程结构的破坏类型可分为延性破坏和脆性破坏,其中脆性破坏的可靠度应高于延性破坏的可靠度。

▼ 展开条文说明

083'>《铁路工程结构可靠性设计统一标准[附条文说明]》GB 50216-2019

 本标准用词说明

本标准用词说明

1 为便于在执行本标准条文时区别对待,对要求严格程度不同的用词说明如下:

1)表示很严格,非这样做不可的:

正面词采用“必须”,反面词采用“严禁”;

2)表示严格,在正常情况下均应这样做的:

正面词采用“应”,反面词采用“不应”或“不得”;

3)表示允许稍有选择,在条件许可时首先应这样做的:

正面词采用“宜”,反面词采用“不宜”;

4)表示有选择,在一定条件下可以这样做的,采用“可”。

2 条文中指明应按其他有关标准执行的写法为:“应符合……的规定”或“应按……执行”。

 引用标准名录

引用标准名录

《铁路工程抗震设计规范》GB 50111

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