結構設計安全度專題討論綜述
結構設計安全度專題討論綜述1、關于可靠度設計理論可靠度理論是分析結構安全性的一種有效手段。我國已頒布統(tǒng)一標準，要求結構設計規(guī)范按可靠度理論設計。70年代的我國混凝土結構、木結構和鋼結構設計規(guī)范分別采用不同的設計方法體系，在安全度的表達形式上互不相同，給設計或教學都造成不便，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構的安全度都統(tǒng)一在同一體系中，專家們持不同意見：（1）認為我國規(guī)范采用了先進的可靠度理論，用失效概率度量結構的可靠性，通過將抗力和作用效應相互獨立。將隨機過程化為隨機變量并以經驗為校準點，成功地將這一理論用于建筑結構設計規(guī)范中，這是我國規(guī)范先進性的一種表現(xiàn)。工程設計采用可靠度理論為國際標準組織（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提出的在設計規(guī)范中采用可靠度理論的原則。可靠度理論一樣重視經驗，可靠度取值用校準法確定。（2）認為可靠度理論是分析和度量結構安全性的一種先進手段，但在應用上還有其局限性，理論本身也有一些方面未能突破，比如結構可靠度分析的三個約束條件：將抗力與作用效應分離，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β作為結構的可靠指標，隨著認識的發(fā)展都值得質疑。用概率可靠度理論需要進行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，但不論荷載統(tǒng)計或抗力統(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。經濟因素等�？煽慷壤碚搹娬{三個正常，即正常設計、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，比如地基基礎規(guī)范中，地基承載力強度的設計值竟比標準值還高，抗震設計規(guī)范中不得不引入調整系數(shù)。又如地下結構的荷載與其作用效應高度耦合，其不確定性遠大于荷載本身的不確定性、結構構件尺寸的不確定性。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計往往徒有形式而無實效。有的專家指出，水工結構的大壩設計目前只有蘇聯(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構規(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。（3）認為分項多安全系數(shù)設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，最后選定合適的系數(shù)值。鑒于現(xiàn)行建筑結構設計規(guī)范已經采用了可靠度理論，不足之處可繼續(xù)改進，而其設計公式的表達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遠超過我們，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，搞工程實踐的人多持反對或懷疑態(tài)度。所請國際標準《結構可靠性總原則》，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，曾長期擔任過美國混凝上設計規(guī)范ACI-318委員會主席的國際著名學者 Siess教授，就在《Concrete lnternational》雜志上談了為什么不用可靠度設計理論的見解�？煽慷壤碚撌欠窦和晟频娇梢杂糜谝�(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，但更多的須依靠經驗、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。建筑結構設計規(guī)范還是用安全系數(shù)方法好，對于工程設計人員來說用分項安全系數(shù)表達安全度要比可靠指標β更直觀。更明白�？煽恐笜穗m然有一個相應的失效概率，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”，包括保證人員財產不受損失和保證結構功能的正常運行，即所謂的“強度”和“功能”二原則，結構安全度還應保證結構有修復的可能，加上“可修復”則為三原則。與國際上一些通用標準相比，我國混凝土結構規(guī)范設定的安全度水平偏低，有的偏低較多。由于不同標準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，要準確估計不同標準之間安全程度的差異比較困難。有的專家認為，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；另有專家認為，我國規(guī)范的安全度要比歐美規(guī)范低20％～40％；也有專家認為，如果再考慮到荷標準值的差異，對于有些建筑物樓層，安全儲備相差遠不止40％。解放后，我國結構設計安全度歷次變更，現(xiàn)在的安全度低于50年代。確定結構的安全儲備或安全度水平，應考慮到國家和社會的經濟、技術水平，結構的生命周期，結構的功能需求，以及增加安全度與增加費用之間的關系。在當前歷史條件下，如何對規(guī)范的設計安全度進行調整，專家們有不同的見解：（1）認為現(xiàn)行規(guī)范的設計安全度在總體上是合適的，只要施工質量保證，設計不出錯誤，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)范中的構造要求，并非都比外國低。有的已經超過。外國大企業(yè)在北京買了按我國規(guī)范設計的大樓，說明我國規(guī)范不是進不了國際市場。現(xiàn)在對安全度進行討論，應注意不要引起誤導，以為規(guī)范安全度不夠而在設計中盲目加大構件截面，造成不必要的浪費。（2）認為現(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，實踐已經證明，現(xiàn)行規(guī)范安全度是可以接受的，這是重要的經驗，不能輕易放棄。但考慮到客觀形勢變化，國家經濟實力增強和住宅制度改革現(xiàn)狀，可以將現(xiàn)行設計可靠度水平適當提高一點，這樣投入不大，卻對國家總體和長遠利益有利。（3）認為設計安全度應大幅度提高。由于環(huán)境變了，對結構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)范要適應從計劃經濟體制到市場經濟體制的轉變，從短缺經濟年代的影響下走出來�，F(xiàn)在，建筑物商品化，結構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。如果既不要國家出錢，又能刺激生產，也不浪費資源，就不要限制合理消費，限制對商品高質量和高標準的追求。所謂“大幅度”提高，只是一個宏觀估計。我國幅員廣闊，各地經濟發(fā)展很不平衡，提高幅度可區(qū)別對待。經濟發(fā)達的大城市，建筑物功能要求和售價都高，設計安全度應相對高些。（4）認為設計安全度水平應盡量與國際接軌，比如混凝土結構能夠與美國混凝土學會（ACI）的規(guī)范接近。即使達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，結構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，對當時工程事故頻繁狀況，不少專家曾提出增大安全度，但限于當時政治形勢和經濟狀況而未能實現(xiàn)�，F(xiàn)在條件變了，安全度應該提高。（5）我國目前的建筑業(yè)隊伍有3500萬人，其中2000萬來自農村，在確定結構設計安全度時，確實不能不考慮施工隊伍平均受教育水平低的現(xiàn)狀。對于設計和施工，也不能不考慮難以避免的一定程度的人為差錯（human error）。要提高施工質量和管理水平，牽涉到人員素質和技術的發(fā)展，需有一個長期的過程。不能認為這些問題完全是施工的而在設定規(guī)范的安全度水平時不予理睬。也有專家指出：一些有經驗的設計人員，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，可是沒有經驗的設計人員就不一樣，還要提防故意鉆規(guī)范最低要求空子的。確定規(guī)范的設計安全度水平時，應該考慮這些現(xiàn)實。（6）關于工程事故與設計安全度的關系，專家們一致認為：當前頻繁的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所致。有些專家認為，國內發(fā)生的工程事故與現(xiàn)行規(guī)范的安全度沒有關系，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，施工質量差、設計有毛病、結構安全儲備又偏低，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；例如鐵路工程結構的設計比較保守，安全度大，施工管理也比較嚴格，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、設計要從多個方面來保證結構的安全性結構設計的首要任務是選用經濟合理的結構方案，其次是結構分析與構件和連接的設計，并取用規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)或可靠指標以保證結構的安全性。結構的安全度通常指安全系數(shù)或可靠指標，實際上只是對結構截面強度安全的一種度量，與此相關的還有荷載和材料強度標準值的取值。影響結構安全性的因素大多，安全度是保證結構安全性的重要方面但不是全部。有些設計人員往往只滿足于規(guī)范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視從結構體系。結構構造。結構材料、結構維護、結構耐久性、以及從設計，施工到使用全過程中經常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性。有的結構整體性和延性不足，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、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過薄，消弱了結構耐久性；這些都會嚴重影響結構的安全性；有的城市橋梁雖然滿足設計規(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構安全。結構耐久性不足已成為最現(xiàn)實的一個安全問題，設計時要從構造、材料等角度采取措施加強結構耐久性，并要對施工單位提出具體要求�，F(xiàn)在有這樣的傾向：設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。設計人員不能只套規(guī)范，應該根據(jù)不同的設計對象，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)范再詳細也不能包羅本來應由設計人員自己去解決的各種問題。此外，不同的結構體系針對其特點需有特殊的布局與構造，例如預制預應力多孔空心板的樓面結構，板端應考慮墻的嵌固約束，并配置負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。新技術應用中，有許多專門技術需有專業(yè)公司合作配合，如有特殊防腐蝕要求的后張預應力筋或混凝土等。4、關于設計規(guī)范的操作和管理國際上的結構設計規(guī)范有二種體制，一種是推薦性的，另一種是強制性的。發(fā)達國家的規(guī)范多是推薦性的，對設計人員只起幫助指導作用，結構工程千變萬化，規(guī)范不可能取代設計人員所必需的理論知識、經驗和判斷，設計人員必須自己承擔設計的全部責任，可以不受推薦性規(guī)范的約束。我國的設計規(guī)范則是強制性的，是設計人員必須遵守的法律，如有違反，一切責任由設計人自負，而出了事故，設計人員也可憑規(guī)范推卸責任。幾十年來，這種做法已在工程設計界深入人心，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，不能靈活適應設計中遇到的各種情況，難以照顧到設計者可能遇到的各種特殊問題，而且客觀上不利于發(fā)揮調動甚至限制設計人員的創(chuàng)造性。強制性規(guī)范的利弊值得仔細探討。長期以來，我國規(guī)范由政府部門管理，隨著政府機構精簡和政府功能轉變，有人擔心在規(guī)范管理的力度上會否削弱。今后可否借助各種學會、協(xié)會的積極性，委托學會、協(xié)會來編制和管理，而政府部門則起批準監(jiān)督作用。如果將規(guī)范的課題研究，規(guī)范的編制和規(guī)范的批準分成獨立的不同層次，是否會更好一些。在規(guī)范的編訂和管理上，如何能更好地適應既是社會主義。又是市場經濟的體制，有必要作細致的研究。
