设计基准期、设计使用年限、重现期

Yan

本文转自公众号：CABR建筑抗风研究所

设计基准期、设计使用年限和重现期，是结构工程师常常碰到的三个时间概念。虽然《工程结构可靠性设计统一标准》（简称“统标”）第2章“术语”列出了设计基准期和设计使用年限的定义，不过它们到底有什么区别，估计不少人还是有点迷惑。

1. 重现期

在开展讨论之前，我们先回顾一下“重现期”。我们在上一篇文章50年一遇=50年遇一次？——结构工程师应当知道的风速常识之四中讲过，荷载的重现期是指“某事件出现或发生的平均时间间隔”，以“年”为单位度量的重现期和荷载的年超越概率成反比。比如50年重现期的风荷载，年超越概率是2%；而100年重现期的风荷载，年超越概率则为1%。

对于年超越概率为p的风荷载，某一年不超过该风速的概率就是1-p，则N年都不超过的概率是(1-p)的N次方。所以该风速在N年内的超越概率可以用下式计算：

按照这个公式：50年重现期的风荷载，年超越概率为p=2%，则在50年内的超越概率是：

100年的超越概率增加为

而200年的超越概率将达到

2. 设计基准期

从上面的例子我们可以发现，对于可变荷载，只说超越概率而不提对应的时间长度，是没有意义的。毕竟，长远来看人是会死的、可变荷载的超越概率是会接近100%的、建筑也是会塌的（除非塌之前就被拆了）。所以为了统一衡量标准，就必须规定一个统一的时间尺度，作为可变荷载取值的时间参数。这个时间尺度，就是“设计基准期”。

《建筑结构荷载规范》第3.1.3条规定“确定可变荷载代表值时应采用50年设计基准期。”这是一条强制条文。之所以要强制，就是因为“没有规矩，不成方圆”，不把时间基准定下来，讨论荷载的超越概率以及结构的可靠指标（失效概率）就失去意义。

3 设计使用年限调整系数

这就带来一个问题，按照50年设计基准期确定的可变荷载大小是确定的，而当一栋建筑的设计使用年限分别为50年和100年时，它的可变荷载超越概率就不一样了，那怎么办呢？《工程结构可靠性设计统一标准》和《建筑结构荷载规范》引入了“设计使用年限调整系数”来解决这个问题。《建筑结构荷载规范》第3.2.5条规定：

以风荷载为例，对于设计使用年限为50年的结构，其基本风压应按照规范要求取50年重现期；而对设计使用年限为100年的结构，则应按照荷载规范的规定，将风荷载重现期取为100年。

前面已经说过，50年重现期的风荷载在50年内的超越概率是63%，而100年重现期的风荷载在100年内的超越概率也正好是

这样就保证了两种不同设计使用年限的结构，在设计使用年限内的风荷载的超越概率是相同的。

4 一把杆秤

其实，“重现期和设计使用年限取为相同”的规定可以用上面的超越概率计算公式推导出来（为了突出本文的高大上，公式是必须的……看见公式就头晕的童鞋可以直奔结论了）。假定设计基准期内可变荷载的超越概率为PT，荷载重现期为R年，设计使用年限为L年，则这3个参数满足：

两边取对数，并根据Taylor公式，当重现期较长时，有

从而得出

根据这个公式，当给定了设计基准期内的超越概率PT后，对于不同的设计使用年限L，都可以得出对应的荷载重现期R的取值。当设计基准期内可变荷载超越概率定为63%时，上式即为：

所以，对于设计基准期内可变荷载的超越概率取63%的情况，只要把重现期取为和设计使用年限相同，就可以保证超越概率的一致性了。

如果用杆秤来打比方，设计基准期就好比秤砣（固定不变的基准值），当设计使用年限变长或变短时（要称的东西更重或者更轻），就必须相应的增长或缩短可变荷载重现期（调整秤砣的位置），杆秤才能平衡（如下图）。

5 调整系数的补充说明

楼面和屋面活荷载的设计使用年限调整系数，其原理和风荷载、雪荷载类似，都是为了保证荷载在不同设计使用年限内的超越概率相同。它们的取值，也是根据概率分布算出来的。

那么为什么可变作用要考虑调整，而永久作用和偶然作用不需要考虑调整呢？这是因为，永久作用指的是在设计考虑的时间范围内，其量值变化与平均值相比可以忽略不计的作用，所以不需要根据设计使用年限进行调整。而偶然作用是在设计使用年限内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间很短的作用。换句话说，偶然作用本来就难得一见，即使设计使用年限有所调整，偶然作用仍然是“稀有事件”，所以也不需要根据设计使用年限对其量值进行调整。

6 小结

当然，结构设计使用年限除了考虑可变作用的调整之外，其实对于结构耐久性也有重要影响；而决定可靠指标的除了作用、还有抗力因素。因为本文重点想说明的是三个时间概念的区别，所以这里就不另做展开了。

简单小结下：

1. 设计基准期是可变作用取值选用的时间参数，也是我们衡量结构可靠性的时间基准，是不能随便更改的。

2. 结构设计使用年限是业主或设计人员根据使用需要和国家标准规范，主观确定的结构预定的使用期限。它是可以根据情况人为设定的。

3. 可变荷载的年重现期和年超越概率成反比，代表了荷载的取值水平高低。