結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度專題討論綜述

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度專題討論綜述結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度專題討論綜述1、關(guān)于可靠度設(shè)計理論可靠度理論是分析結(jié)構(gòu)安全性的一種有效手段。我國已頒布統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī) 范按可靠度理論設(shè)計。70年代的我國混凝土結(jié)構(gòu)、 木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī) 范分別采用不同的設(shè)計方法體系，在安全度的表達(dá)形式上互不相同，給設(shè) 計或教學(xué)都造成不便，80年代用可靠度理論率先加以統(tǒng)一。但是，對規(guī)范 采用可靠度理論，以及這一理論能否將各種結(jié)構(gòu)的安全度都統(tǒng)一在同一體 系中，專家們持不同意見：（1）認(rèn)為我國規(guī)范采用了先進(jìn)的可靠度理論， 用失效概率度量結(jié)構(gòu)的可靠性，通過將抗力和作用效應(yīng)相互獨立。將隨機 過程化為隨機變量并以經(jīng)驗為校準(zhǔn)點，成功地將這

2、一理論用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè) 計規(guī)范中，這是我國規(guī)范先進(jìn)性的一種表現(xiàn)。工程設(shè)計采用可靠度理論為 國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）所提倡，是國際上大勢所趨；多次國際安全度會議也傾向于采納 ISO 提出的在設(shè)計規(guī)范中采用可靠度理論的原則?？煽慷壤?論一樣重視經(jīng)驗，可靠度取值用校準(zhǔn)法確定。 （ 2）認(rèn)為可靠度理論是分析 和度量結(jié)構(gòu)安全性的一種先進(jìn)手段，但在應(yīng)用上還有其局限性，理論本身 也有一些方面未能突破，比如結(jié)構(gòu)可靠度分析的三個約束條件：將抗力與 作用效應(yīng)分離，將隨機過程變?yōu)殡S機變量，以及將截面承載力的安全指標(biāo)B作為結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)，隨著認(rèn)識的發(fā)展都值得質(zhì)疑。用概率可靠度理論需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，但不論荷載統(tǒng)計或抗力

3、統(tǒng)計都還存在一些問題， 規(guī)范安全度還需考慮將來可能出現(xiàn)的荷載變化。概率可靠度理論會有意或 無意地簡化、忽略本應(yīng)考慮但又無法用這一理論處理的因素，如一定程度 的人為失誤以及社會。經(jīng)濟(jì)因素等。可靠度理論強調(diào)三個正常，即正常設(shè) 計。正常施工和正常使用，但正常和不正常有時不易界定。匆忙地將可靠 度理論推廣于各種規(guī)范，會帶來一些不必要麻煩，比如地基基礎(chǔ)規(guī)范中， 地基承載力強度的設(shè)計值竟比標(biāo)準(zhǔn)值還高，抗震設(shè)計規(guī)范中不得不引入調(diào) 整系數(shù)。又如地下結(jié)構(gòu)的荷載與其作用效應(yīng)高度耦合，其不確定性遠(yuǎn)大于 荷載本身的不確定性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的不確定性。以及材料強度不確定性 的總和，而前者又難以估計，這時勉強采用可靠度設(shè)計

4、往往徒有形式而無實效。有的專家指出，水工結(jié)構(gòu)的大壩設(shè)計目前只有蘇聯(lián)用可靠度理論， 其它國家都用安全系數(shù) k 大壩在不同工作條件下的溫度。滲透壓力很難用 統(tǒng)計確定，影響壩基穩(wěn)定的地基軟弱夾層及其分布也很難憑少數(shù)鉆孔取樣 確定其統(tǒng)計特性，所以用可靠度理論估計不了壩體的安全度。將可靠度理 論用于鐵路工程結(jié)構(gòu)規(guī)范要確定火車的荷載譜，現(xiàn)在花了很大力氣已取得 上萬條荷載譜， 統(tǒng)計出了 50 年最大可能荷載， 可是今后鐵路上的火車荷載 及其變化，更多地由鐵路部門指令所確定，與那些統(tǒng)計多不相關(guān)。（ 3）認(rèn)為分項多安全系數(shù)設(shè)計方法要比可靠度方法更為靈活實用。在確定安全系 數(shù)時，同樣可以利用可靠度理論一起作分析，

5、最后選定合適的系數(shù)值。鑒 于現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已經(jīng)采用了可靠度理論，不足之處可繼續(xù)改進(jìn)， 而其設(shè)計公式的表達(dá)形式又與分項多安全系數(shù)基本相似，所以也不必再回 到老路上去?，F(xiàn)行可靠度設(shè)計規(guī)范中的分項系數(shù)，其含義可以模糊些，考 慮更多的經(jīng)驗因素，這在可靠度理論中也是說得過去的。規(guī)范采用可靠度 理論應(yīng)采取實事求是的態(tài)度，能用的盡量用，尚不成熟的將來再用，不宜 用行政手段一刀切去追求“統(tǒng)一”。（ 4）認(rèn)為可靠度理論是美國專家于 40 年代最早提出的，這方面的研究工作和成果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們，可是到現(xiàn)在為止，他們大部分的重要規(guī)范都還沒有用可靠度方法。在西方，主張可靠度理論用于規(guī)范的主要是可靠度理論家們的觀點

6、，搞工程實踐的人多持 反對或懷疑態(tài)度。所請國際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)可靠性總原則，主要也是一些理 論工作者提出的、是參考性的，并無約束力。前不久，曾長期擔(dān)任過美國 混凝上設(shè)計規(guī)范 ACI-318 委員會主席的國際著名學(xué)者 Siess 教授，就在 Concretelnternational 雜志上談了為什么不用可靠度設(shè)計理論的見 解。可靠度理論是否己完善到可以用于規(guī)范的程度，這個問題在國際上是 有爭論的。確定工程的安全度在一定程度上需以概率和統(tǒng)計為基礎(chǔ)，但更 多的須依靠經(jīng)驗、 工程判斷及綜合考慮。 所以在可靠度用于規(guī)范這一點上， 我們大可不必去爭天下先。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范還是用安全系數(shù)方法好，對 于工程設(shè)計人員

7、來說用分項安全系數(shù)表達(dá)安全度要比可靠指標(biāo)B更直觀。更明白?？煽恐笜?biāo)雖然有一個相應(yīng)的失效概率，可是這個所謂的失效概率 其實也不是真實的， 但在一定程度上可用于相對比較。2、多大的安全度才算夠多大的安全度才算夠？這是一個探討已久的國際性課題。 所謂“安全”， 包括保證人員財產(chǎn)不受損失和保證結(jié)構(gòu)功能的正常運行， 即所謂的 “強度” 和“功能”二原則，結(jié)構(gòu)安全度還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)有修復(fù)的可能，加上“可修復(fù)”則為三原則。與國際上一些通用標(biāo)準(zhǔn)相比，我國混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)定 的安全度水平偏低，有的偏低較多。由于不同標(biāo)準(zhǔn)對安全度的表示方法不一樣，所采用的抗力計算公式也不一致，要準(zhǔn)確估計不同標(biāo)準(zhǔn)之間安全程 度的差異比較

8、困難。有的專家認(rèn)為，我國規(guī)范與歐洲模式規(guī)范相比，可靠 度只是偏低一些，并在可接受的范圍內(nèi)；另有專家認(rèn)為，我國規(guī)范的安全度要比歐美規(guī)范低20 %40 %;也有專家認(rèn)為，如果再考慮到荷標(biāo)準(zhǔn)值的 差異，對于有些建筑物樓層，安全儲備相差遠(yuǎn)不止40。解放后，我國結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度歷次變更， 現(xiàn)在的安全度低于 50 年代。確定結(jié)構(gòu)的安全儲備 或安全度水平，應(yīng)考慮到國家和社會的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平，結(jié)構(gòu)的生命周期， 結(jié)構(gòu)的功能需求，以及增加安全度與增加費用之間的關(guān)系。在當(dāng)前歷史條 件下，如何對規(guī)范的設(shè)計安全度進(jìn)行調(diào)整，專家們有不同的見解： （1）認(rèn) 為現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計安全度在總體上是合適的，只要施工質(zhì)量保證，設(shè)計不 出

9、錯誤，安全程度已能滿足要求。所以不必作出全面的變更，個別地方有 不夠的，則可作局部修補。規(guī)范對安全度的要求只是最低值，設(shè)計人員完 全可以根據(jù)不同的工程對象，必要時采用高于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。我國是發(fā) 展中的國家，還是要盡量提倡節(jié)約，即使在美國，省鋼也是受表揚的。我國規(guī)范中的構(gòu)造要求，并非都比外國低。有的已經(jīng)超過。外國大企業(yè)在北 京買了按我國規(guī)范設(shè)計的大樓，說明我國規(guī)范不是進(jìn)不了國際市場?，F(xiàn)在 對安全度進(jìn)行討論，應(yīng)注意不要引起誤導(dǎo)，以為規(guī)范安全度不夠而在設(shè)計 中盲目加大構(gòu)件截面，造成不必要的浪費。 （2 ）認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)范安全度與國 際相比雖然偏低，但使用十年來已成功建成約 100 億 m2 的建筑物，

10、實踐 已經(jīng)證明，現(xiàn)行規(guī)范安全度是可以接受的，這是重要的經(jīng)驗，不能輕易放 棄。但考慮到客觀形勢變化，國家經(jīng)濟(jì)實力增強和住宅制度改革現(xiàn)狀，可 以將現(xiàn)行設(shè)計可靠度水平適當(dāng)提高一點，這樣投入不大，卻對國家總體和 長遠(yuǎn)利益有利。 （ 3）認(rèn)為設(shè)計安全度應(yīng)大幅度提高。由于環(huán)境變了，對結(jié) 構(gòu)功能和安全程度的需求增強了，比如現(xiàn)在出現(xiàn)事故造成的損失已非昔日 可比。規(guī)范要適應(yīng)從計劃經(jīng)濟(jì)體制到市場經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)變，從短缺經(jīng)濟(jì)年 代的影響下走出來?，F(xiàn)在，建筑物商品化，結(jié)構(gòu)造價在建筑物售價中的比 例愈來愈低，用相對較少的錢換得更為可靠和更為好用的房子，應(yīng)屬合理 消費，為此而多用一些鋼筋也屬合理使用，說不上有違節(jié)約。如果既

11、不要 國家出錢，又能刺激生產(chǎn)，也不浪費資源，就不要限制合理消費，限制對 商品高質(zhì)量和高標(biāo)準(zhǔn)的追求。所謂“大幅度”提高，只是一個宏觀估計我國幅員廣闊，各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展很不平衡，提高幅度可區(qū)別對待。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá) 的大城市，建筑物功能要求和售價都高，設(shè)計安全度應(yīng)相對高些。（ 4）認(rèn)為設(shè)計安全度水平應(yīng)盡量與國際接軌，比如混凝土結(jié)構(gòu)能夠與美國混凝土 學(xué)會（ ACI ）的規(guī)范接近。即使達(dá)到相同的安全度水平， 由于施工和材料的 管理水平尚與國外有較大差距，結(jié)構(gòu)的實際安全儲備仍會偏低。我國現(xiàn)行 規(guī)范的低安全度水平是歷史條件造成的， 在 60 年代初編制我國混凝土規(guī)范 時，對當(dāng)時工程事故頻繁狀況，不少專家曾提出增大安全

12、度，但限于當(dāng)時 政治形勢和經(jīng)濟(jì)狀況而未能實現(xiàn)?，F(xiàn)在條件變了，安全度應(yīng)該提高。（5）我國目前的建筑業(yè)隊伍有 3500 萬人，其中 2000 萬來自農(nóng)村，在確定結(jié) 構(gòu)設(shè)計安全度時，確實不能不考慮施工隊伍平均受教育水平低的現(xiàn)狀。對 于設(shè)計和施工，也不能不考慮難以避免的一定程度的人為差錯（ humanerror ）。要提高施工質(zhì)量和管理水平，牽涉到人員素質(zhì)和技術(shù) 的發(fā)展，需有一個長期的過程。不能認(rèn)為這些問題完全是施工的而在設(shè)定 規(guī)范的安全度水平時不予理睬。也有專家指出：一些有經(jīng)驗的設(shè)計人員， 能夠針對具體工程和施工的特點， 需要時能選用高于規(guī)范規(guī)定的最低要求， 可是沒有經(jīng)驗的設(shè)計人員就不一樣， 還要提

13、防故意鉆規(guī)范最低要求空子的確定規(guī)范的設(shè)計安全度水平時，應(yīng)該考慮這些現(xiàn)實6）關(guān)于工程事故與設(shè)計安全度的關(guān)系，專家們一致認(rèn)為：當(dāng)前頻繁的工程事故主要是野蠻施 工和管理腐敗所致。有些專家認(rèn)為，國內(nèi)發(fā)生的工程事故與現(xiàn)行規(guī)范的安 全度沒有關(guān)系，規(guī)范的安全度是夠的。不過也有專家指出，一些工程事故 往往由多種因素綜合造成，施工質(zhì)量差、設(shè)計有毛病、結(jié)構(gòu)安全儲備又偏 低，加在一起終于釀成大禍，這類情況不是由于野蠻施工和管理腐敗，較 高的安全度總是與較低的失效概率相聯(lián)系，這是客觀規(guī)律；例如鐵路工程 結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較保守，安全度大，施工管理也比較嚴(yán)格，到現(xiàn)在沒有發(fā)生 一例倒塌事故。建筑工程安全事故由來已久，只是不象現(xiàn)

14、在這樣可以爆光 而已。3、設(shè)計要從多個方面來保證結(jié)構(gòu)的安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是選 用經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，其次是結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件和連接的設(shè)計，并取用規(guī) 范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠指標(biāo)以保證結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)構(gòu)的安全度通常指 安全系數(shù)或可靠指標(biāo)，實際上只是對結(jié)構(gòu)截面強度安全的一種度量，與此 相關(guān)的還有荷載和材料強度標(biāo)準(zhǔn)值的取值。影響結(jié)構(gòu)安全性的因素大多， 安全度是保證結(jié)構(gòu)安全性的重要方面但不是全部。有些設(shè)計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系。 結(jié)構(gòu)構(gòu)造結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性、以及從設(shè)計，施工到使用全過程中經(jīng) 常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)

15、整體性和 延性不足， 抗偶然作用和防倒塌能力差； 或者計算圖形和受力路線不明確， 造成局部受力過大：或者混凝土強度等級過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直 徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄，消弱了結(jié)構(gòu)耐久性；這些都會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安 全性；有的城市橋梁雖然滿足設(shè)計規(guī)范的強度要求僅用了 5-10 年就因耐 久性出了毛病影響結(jié)構(gòu)安全。結(jié)構(gòu)耐久性不足已成為最現(xiàn)實的一個安全問 題，設(shè)計時要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強結(jié)構(gòu)耐久性，并要對施工 單位提出具體要求。現(xiàn)在有這樣的傾向：設(shè)計中考慮強度多而考慮耐久性 少，重視強度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)，重視新建筑的建造而不重 視舊建筑的維護(hù)。設(shè)計人員不能只套規(guī)范，應(yīng)該根據(jù)不同

16、的設(shè)計對象，不 同的環(huán)境和使用條件，發(fā)揮自己的才智和創(chuàng)造性；規(guī)范再詳細(xì)也不能包羅 本來應(yīng)由設(shè)計人員自己去解決的各種問題。此外，不同的結(jié)構(gòu)體系針對其 特點需有特殊的布局與構(gòu)造，例如預(yù)制預(yù)應(yīng)力多孔空心板的樓面結(jié)構(gòu)，板 端應(yīng)考慮墻的嵌固約束，并配置負(fù)鋼筋以防止端部開裂而造成脆性剪切破 壞，可是過去多按簡支設(shè)計而出現(xiàn)端部裂縫，造成大面積隱患。在新材料新工藝。新技術(shù)應(yīng)用中，有許多專門技術(shù)需有專業(yè)公司合作配合，如有特 殊防腐蝕要求的后張預(yù)應(yīng)力筋或混凝土等。 4、關(guān)于設(shè)計規(guī)范的操作和管理 國際上的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范有二種體制， 一種是推薦性的， 另一種是強制性的 發(fā)達(dá)國家的規(guī)范多是推薦性的，對設(shè)計人員只起幫助指導(dǎo)

17、作用，結(jié)構(gòu)工程 千變?nèi)f化，規(guī)范不可能取代設(shè)計人員所必需的理論知識。經(jīng)驗和判斷，設(shè) 計人員必須自己承擔(dān)設(shè)計的全部責(zé)任，可以不受推薦性規(guī)范的約束。我國 的設(shè)計規(guī)范則是強制性的，是設(shè)計人員必須遵守的法律，如有違反，一切 責(zé)任由設(shè)計人自負(fù)，而出了事故，設(shè)計人員也可憑規(guī)范推卸責(zé)任。幾十年 來，這種做法已在工程設(shè)計界深入人心，因而對規(guī)范的制訂工作也就提出 了很高的要求。強制性規(guī)范的不足之處是，不能靈活適應(yīng)設(shè)計中遇到的各 種情況，難以照顧到設(shè)計者可能遇到的各種特殊問題，而且客觀上不利于 發(fā)揮調(diào)動甚至限制設(shè)計人員的創(chuàng)造性。強制性規(guī)范的利弊值得仔細(xì)探討。 長期以來， 我國規(guī)范由政府部門管理， 隨著政府機構(gòu)精簡和政府功能轉(zhuǎn)