結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度專題討綜述

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度專題討綜述    1999年5月14日。中國土木工程學(xué)會(huì)邀請?jiān)诰┑牟糠謱＜?，舉行了為期一天的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度專題討論會(huì)。來自設(shè)計(jì)、科研，高校。政府部門等16個(gè)單位共28名專家參加了會(huì)議。中國土木工程學(xué)會(huì)秘書長唐美樹，常務(wù)副理事長。國家建設(shè)部總工姚兵。建設(shè)部科技司司長李先逵先后在會(huì)上致詞，強(qiáng)調(diào)了對安全度問題展開討論的重要性，中國土木工程學(xué)會(huì)并將于明年5月在杭州召開第九次年會(huì)，結(jié)構(gòu)安全度將作為年會(huì)的主要議題。 討論會(huì)由中國土木工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任劉西拉教授主持。與會(huì)專家各抒已見，其中既有共識(shí)，也有不同乃至對立的意見。以下是討論發(fā)言的簡要?dú)w納。

2、 1、關(guān)于可靠度設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范按可靠度理論設(shè)計(jì)。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(jì)規(guī)范分別采用不同的設(shè)計(jì)方法體系，在安全度的表達(dá)形式上互不相同，給設(shè)計(jì)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(dú)立。將隨機(jī)過程化為隨機(jī)變量并以經(jīng)驗(yàn)為校準(zhǔn)點(diǎn)，成功地將這一理論用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，這是我國規(guī)范先進(jìn)性的一種表現(xiàn)。工

3、程設(shè)計(jì)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(huì)議也傾向于采納ISO提出的在設(shè)計(jì)規(guī)范中采用可靠度理論的原則?？煽慷壤碚撘粯又匾暯?jīng)驗(yàn)，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(gè)約束條件：將抗力與作用效應(yīng)分離，將隨機(jī)過程變?yōu)殡S機(jī)變量，以及將截面承載力的安全指標(biāo)作為結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)，隨著認(rèn)識(shí)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(jì)，但不論荷載統(tǒng)計(jì)或抗力統(tǒng)計(jì)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(huì)有

4、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(huì)。經(jīng)濟(jì)因素等?？煽慷壤碚搹?qiáng)調(diào)三個(gè)正常，即正常設(shè)計(jì)。正常施工和正常使用，但正常和不正常有時(shí)不易界定。匆忙地將可靠度理論推廣于各種規(guī)范，會(huì)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(qiáng)度的設(shè)計(jì)值竟比標(biāo)準(zhǔn)值還高，抗震設(shè)計(jì)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(qiáng)度不確定性的總和，而前者又難以估計(jì)，這時(shí)勉強(qiáng)采用可靠度設(shè)計(jì)往往徒有形式而無實(shí)效。有的專家指出，水工結(jié)構(gòu)的大壩設(shè)計(jì)目前只有蘇聯(lián)用可靠度理論，其它國家都用安全系數(shù)

5、k大壩在不同工作條件下的溫度。滲透壓力很難用統(tǒng)計(jì)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(jì)特性，所以用可靠度理論估計(jì)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(jì)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(jì)多不相關(guān)。 （3）認(rèn)為分項(xiàng)多安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法要比可靠度方法更為靈活實(shí)用。在確定安全系數(shù)時(shí)，同樣可以利用可靠度理論一起作分析，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(jì)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(jì)公式的表達(dá)形式又與分項(xiàng)多安全系

6、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(jì)規(guī)范中的分項(xiàng)系數(shù)，其含義可以模糊些，考慮更多的經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)，搞工程實(shí)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

7、國混凝上設(shè)計(jì)規(guī)范ACI-318委員會(huì)主席的國際著名學(xué)者Siess教授，就在Concrete lnternational雜志上談了為什么不用可靠度設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)為基礎(chǔ)，但更多的須依靠經(jīng)驗(yàn)、工程判斷及綜合考慮。所以在可靠度用于規(guī)范這一點(diǎn)上，我們大可不必去爭天下先。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范還是用安全系數(shù)方法好，對于工程設(shè)計(jì)人員來說用分項(xiàng)安全系數(shù)表達(dá)安全度要比可靠指標(biāo)更直觀。更明白。可靠指標(biāo)雖然有一個(gè)相應(yīng)的失效概率，可是這個(gè)所謂的失效概率其實(shí)也不是真實(shí)的，但在一定程度上可用于相對比較。&

8、#160; 2、多大的安全度才算夠 多大的安全度才算夠？這是一個(gè)探討已久的國際性課題。所謂“安全”，包括保證人員財(cái)產(chǎn)不受損失和保證結(jié)構(gòu)功能的正常運(yùn)行，即所謂的“強(qiáng)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(jì)算公式也不一致，要準(zhǔn)確估計(jì)不同標(biāo)準(zhǔn)之間安全程度的差異比較困難。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2040；也有專家認(rèn)為，如果再考

9、慮到荷標(biāo)準(zhǔn)值的差異，對于有些建筑物樓層，安全儲(chǔ)備相差遠(yuǎn)不止40。解放后，我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǔ)備或安全度水平，應(yīng)考慮到國家和社會(huì)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(fèi)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(jì)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(jì)安全度在總體上是合適的，只要施工質(zhì)量保證，設(shè)計(jì)不出錯(cuò)誤，安全程度已能滿足要求。所以不必作出全面的變更，個(gè)別地方有不夠的，則可作局部修補(bǔ)。規(guī)范對安全度的要求只是最低值，設(shè)計(jì)人員完全可以根據(jù)不同的工程對象，必要時(shí)采用高于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。我國是發(fā)

10、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(yáng)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(jì)的大樓，說明我國規(guī)范不是進(jìn)不了國際市場。現(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(jì)中盲目加大構(gòu)件截面，造成不必要的浪費(fèi)。 （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，實(shí)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(yàn)，不能輕易放棄。但考慮到客觀形勢變化，國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)和住宅制度改革現(xiàn)狀，可以將現(xiàn)行設(shè)計(jì)可靠度水平適當(dāng)提高一點(diǎn)，這樣投入不大，卻對國家總體和長遠(yuǎn)利益有利。 （

11、3）認(rèn)為設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)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(jià)在建筑物售價(jià)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(fèi)，為此而多用一些鋼筋也屬合理使用，說不上有違節(jié)約。如果既不要國家出錢，又能刺激生產(chǎn)，也不浪費(fèi)資源，就不要限制合理消費(fèi)，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(gè)宏觀估計(jì)。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(jià)都高，設(shè)

12、計(jì)安全度應(yīng)相對高些。 （4）認(rèn)為設(shè)計(jì)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(huì)（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(shí)際安全儲(chǔ)備仍會(huì)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(shí)，對當(dāng)時(shí)工程事故頻繁狀況，不少專家曾提出增大安全度，但限于當(dāng)時(shí)政治形勢和經(jīng)濟(jì)狀況而未能實(shí)現(xiàn)。現(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(duì)伍有3500萬人，其中2000萬來自農(nóng)村，在確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度時(shí)，確實(shí)不能不考慮施工隊(duì)伍平均受教育水平低的現(xiàn)狀。對于設(shè)計(jì)和施工，也不能不考慮難以避免的一定程度

13、的人為差錯(cuò)（human error）。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(gè)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(shí)不予理睬。也有專家指出：一些有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，能夠針對具體工程和施工的特點(diǎn)，需要時(shí)能選用高于規(guī)范規(guī)定的最低要求，可是沒有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員就不一樣，還要提防故意鉆規(guī)范最低要求空子的。確定規(guī)范的設(shè)計(jì)安全度水平時(shí)，應(yīng)該考慮這些現(xiàn)實(shí)。 （6）關(guān)于工程事故與設(shè)計(jì)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

14、，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(jì)有毛病、結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)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(jì)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)在這樣可以爆光而已。3、設(shè)計(jì)要從多個(gè)方面來保證結(jié)構(gòu)的安全性 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，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(shí)際上只是對結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度安全的一種度量，與此相關(guān)的

15、還有荷載和材料強(qiáng)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(jì)人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)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(jì)，施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，抗偶然作用和防倒塌能力差；或者計(jì)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(qiáng)度等級(jí)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(huì)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(jì)規(guī)范的強(qiáng)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

16、。結(jié)構(gòu)耐久性不足已成為最現(xiàn)實(shí)的一個(gè)安全問題，設(shè)計(jì)時(shí)要從構(gòu)造、材料等角度采取措施加強(qiáng)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(jì)中考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少，重視強(qiáng)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(jì)人員不能只套規(guī)范，應(yīng)該根據(jù)不同的設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)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(jì)而出現(xiàn)端部裂縫，造成大面

17、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(jì)規(guī)范的操作和管理 國際上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范有二種體制，一種是推薦性的，另一種是強(qiáng)制性的。發(fā)達(dá)國家的規(guī)范多是推薦性的，對設(shè)計(jì)人員只起幫助指導(dǎo)作用，結(jié)構(gòu)工程千變?nèi)f化，規(guī)范不可能取代設(shè)計(jì)人員所必需的理論知識(shí)。經(jīng)驗(yàn)和判斷，設(shè)計(jì)人員必須自己承擔(dān)設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范則是強(qiáng)制性的，是設(shè)計(jì)人員必須遵守的法律，如有違反，一切責(zé)任由設(shè)計(jì)人自負(fù)，而出了事故，設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)制性規(guī)