GB 50199-2013 水利水电工程结构可靠性设计统-标准 （完整版）

1 总 则

1.0.1 为统一水利水电工程结构可靠性设计的基本原则和设计标准，使水工结构设计符合安全适用、经济合理、技术先进的要求，制定本标准。

1.0.2 本标准适用于各类水工建筑物整体结构、结构构件以及地基基础的设计，也适用于施工阶段和使用阶段的结构设计及既有结构的可靠性评定。
1.0.3 水工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，结构设计可根据可靠的工程经验或必要的试验研究进行，也可采用容许应力法或单一安全系数法等方法进行。
1.0.4 各类水工结构设计规范应共同遵守本标准规定的基本准则，并对计算分析、细部构造设计、材料性能、施工质量、运行条件及维护等提出相应的规定。

1.0.5 水利水电工程结构可靠性设计，除应执行本标准外，尚应符合国家现行有关标准的规定。

2 术语和符号

3 基本规定

4 极限状态设计原则

5 结构上的作用和环境影响

6 材料和岩土性能及几何参数

7 结构分析和试验辅助设计

8 分项系数概率极限状态设计方法

9 可靠性管理

9.0.1 为保证结构具有规定的可靠性，除应进行必要的设计计算外，还应对结构的材料性能、施工质量、使用和维护等提出相应的技术要求。

9.0.2 水工结构的设计应由具有相应资格的单位和技术人员进行。
9.0.3 水工结构的设计应符合有关荷载、抗震、地基基础等国家现行标准的规定。
9.0.4 水工结构的设计应对结构可能受到的偶然作用、环境影响等采取必要的防护措施。
9.0.5 水工结构应按设计规定的用途使用，并应定期检查结构状况，进行必要的维护和维修；当需变更使用用途时，应进行设计复核和采取必要的安全措施。

9.0.6 水工结构在达到设计使用年限后，应按本标准附录G进行既有结构的可靠性评定。

附录A 随机变量的统计参数和概率分布

附录B 结构可靠指标的计算方法和目标可靠指标的确定

附录C 作用的统计参数和概率分布

C.0.1 水工结构上若干作用随时间的变化可按表C.0.1进行分类。

C.0.2 作用的标准值可按下列公式计算：
1 当作用为正态分布时，作用的标准值可按下列公式计算：

式中：F_k——作用的标准值；
μ_f——作用的平均值；
δ_f——作用的变异系数；
K_f2——作用标准值在标准正态分布概率p_f2的反函数。
2 当作用为极值Ⅰ型分布时，作用的标准值可按下式计算：

C.0.3 在设计基准期内最大值的概率分布，对于风、雪压力以及天然河道、湖泊的静水压力等无人为控制的可变作用，当用极值统计法确定时，可变作用可按下列步骤进行计算：
1 应将设计基准期分为n个时段，时段τ的选择宜使每时段的作用最大值相互独立。每个时段长度可用下式计算：

式中：τ——每个时段的长度；
T——设计基准期；
n——时段数。
2 对时段τ内的作用最大值进行调查统计，每个时段选一个作用最大值Q_i，可取得Q_i的数据样本。

表C.0.1 水工结构作用随时间变化的分类

注：G、Q、A分别代表永久作用、可变作用和偶然作用。
3 可对Q_i的样本进行统计分析，计算统计参数估计值，作出样本的频数直方图，估计概率分布，并经概率分布拟合优度检验，选定时段τ内的作用最大值概率分布函数F_τ(Q_i)。
4 根据时段内的作用最大值概率分布函数F_τ(Q_i)，可按下式计算设计基准期内作用最大值Q_T的概率分布函数：

式中：F_T(Q_T)——设计基准期内作用最大值Q_T的概率分布函数；
F_τ(Q_i)——时段τ内的作用最大值概率分布函数。
5 由时段概率分布函数F_τ(Q_i)的统计参数μ_Qi、σ_Qi推求设计基准期内作用最大值Q_T的统计参数μ_QT、σ_QT。
当F_τ(Q_i)符合极值Ⅰ型分布时，F_T(Q_T)也符合极值Ⅰ型分布，其统计参数应按下列公式计算：

式中：μ_QT——设计基准期内作用最大值Q_T的均值；
μ_Qi——时段τ内的作用最大值Q_i的均值；
σ_Qi——时段τ内的作用最大值Q_i的标准差；
σ_QT——设计基准期内作用最大值Q_T的标准差。

C.0.4 可变作用的标准值也可由可变作用在设计基准期T内最大值概率分布中指定概率p的分位值。此时，对标准值Q_k在设计基准期内最大值分布上的超越概率应为1—P。

C.0.5 一般情况下，可采用重现期T_R来表达可变作用的标准值Q_k。重现期是指连续两次超过作用值Q_k的平均间隔时间，Q_k的概率分布函数可按下式计算：

式中：F(Q_k)——可变作用标准值Q_k的概率分布函数；
T_R——重现期。
重现期T_R、概率p和确定标准值的设计基准期T可按下式计算：

在重现期较长的情况下，还可用下式进行近似计算：

附录D 结构抗力的统计参数和概率分布

D.0.1 影响结构抗力不定性的因素应包括结构材料、岩、土、地基等的性能以及几何参数和计算模式的不定性等。

D.0.2 结构材料、岩、土和地基的性能应符合下列规定：
1 结构材料、岩、土和地基性能的不定性应符合下列规定：
1)结构材料、岩、土和地基性能的不定性K M应按下列公式计算：

式中：K_M——反映结构材料、岩、土和地基性能不定性的参数；
K₀——反映结构中材料、岩、土和地基试件性能与材料、岩、土和地基试件性能差异的系数；
K_f——反映材料、岩、土地和地基试件的性能值与性能标准值差异的系数；
f_c——结构中材料、岩、土和地基试件的性能值；
f_s——材料、岩、土和地基试件的性能值；
f_k——材料性能的标准值；
w₀——考虑材料缺陷、施工质量、尺寸效应、加荷速度、试验方法、时间效应等因素影响的系数。
2)结构材料、岩、土和地基性能不定性K_M的平均值μ_KM和变异系数δ_KM可按下列公式计算：

式中：μ_KM——结构材料、岩、土和地基性能不定性K_M的平均值；
δ_KM——结构材料、岩、土和地基性能不定性K_M的变异系数；
μ_K0——K₀的平均值；
μ_m——材料性能的平均值；
δ_K0——K₀的变异系数；
δ_m——材料性能的变异系数。
2 试件材料、岩、土和地基强度性能标准值宜符合下列规定：
1)当概率分布为正态分布时，可按下式计算：

式中：K_m2——见式(8.4.4-3)。
2)当概率分布为对数正态分布时，可按下式计算：

D.0.3 结构几何参数应符合下列规定：
1 结构几何参数的不定性反映结构实际尺寸与其标准值的差异。几何参数的不定性用K_a表示，应按下式计算：

式中：K_a——反映结构几何参数不定性的参数；
a、a_k——结构的几何参数实际值和标准值。
2 几何参数不定性K_a的平均值和变异系数可按下列公式计算：

式中：μ_Ka——几何参数不定性K_a的平均值；
μ_a——结构几何参数实际值的平均值；
δ_Ka——结构几何参数不定性的变异系数；
δ_a——结构几何参数实际值的变异系数。
3 当结构截面最小尺寸大于3m时，其制作尺寸偏差与截面尺寸相比可忽略不计，几何参数可视为常量。

D.0.4 结构抗力的统计参数和概率分布应符合下列规定：
1 综合抗力不定性附加变量可按下式计算：

式中：K_R——结构抗力不定性附加变量；
R——结构或结构构件中的真实抗力；
R_K——以规范规定的材料性能和几何参数标准值及抗力计算公式求得的综合抗力值；
K_p——结构抗力计算不定性附加变量，可按工程经验判断确定。
2 单一材料的结构或结构构件综合抗力不定性附加变量K_R的平均值及其变异系数可按下列公式计算：

式中：μ_KR——K_R的平均值。
δ_KR——K_R的变异系数。
3 复合材料的结构或结构构件及非线性函数表示的综合抗力可用误差传递方法计算。
4 结构综合抗力R的概率分布可假定为对数正态。

附录E 试验辅助设计

附录F 结构系数的计算方法

F.0.1 结构系数计算应具备下列条件：
1 应已知结构的分项系数极限状态设计表达式、结构重要性系数γ₀和设计状况系数ψ。
2 应已知作用的概率分布模型、平均值、变异系数以及作用效应计算模式不定性的统计参数和作用的标准值及分项系数。
3 应已知结构材料性能的概率分布模型、平均值、变异系数以及抗力的计算模式不定性的统计参数和材料性能的标准值及分项系数。
4 应已确定结构目标可靠指标β_t。

F.0.2 结构系数的计算可按下列步骤进行：
1 可假设结构系数γ_d的初始值γ_d0，利用已知的作用和材料性能的标准值、分项系数，根据分项系数极限状态设计式计算出结构的几何尺寸。
2 利用求得的结构几何尺寸、作用和结构材料性能的统计参数和作用效应与抗力的计算模式不定性统计参数，可计算出抗力和作用效应的相应参数，并可依据概率极限状态方程按本标准附录B的方法计算β_i。
3 算得的可靠指标与目标可靠指标可按下式进行比较：

式中：β_i——第i步计算得到的可靠指标；
β_t——目标可靠指标；
ε——允许误差。
4 当本条第3款不能满足时，重复上述1～3各步骤。γ_d可按下式计算：

式中：△γ_d——计算γ_d时采用的步长。
5 当本条第3款能满足时，则假定的γ_d即为所求。

F.0.3 选定规范采用的结构系数的方法和步骤：
1 对于同类结构，应根据影响结构系数计算的各种因素对工程造价大小的影响程度，确定各种因素的加权系数。
2 已知目标可靠指标β_t、相应的结构重要性系数γ₀、材料性能分项系数γ_m、作用分项系数γ_f、设计状况系数ψ，可按分项系数设计式计算各种设计状况下的结构系数γ_di、。
3 可根据各种因素的加权系数对结构系数γ_di加权平均，求得γ_d。也可从各种设计状况下算得的一系列γ_di中，综合分析选出一个γ_d。
4 利用上述得出的结构系数γ_d和相应的各种其他分项系数，可进行试设计，并可根据试设计成果和工程设计经验分析判断，最终确定规范选用的γ_d值。

附录G 既有结构的可靠性评定