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1、第1期建筑结构1999年l月编者按l安全度问题涉及到安全和经济的最佳选择,是建筑 结构工程设计中的一 个根本性问题,历来为工程界所重视。我国建国以来曾几 次进行大 范 围的讨论。作者在定量比较和宏观分析的基础上,认为我国“取用 了可 能是世界上最低的结构设计安全度”,并主张“建筑结构设计的安全度水平应 该 大幅度提高”。在我国进入新的经济建设发展时期后,新的规范修仃工作正在进行之中,应该如何正确处理这个问题,欢迎读者广 泛发表见解。要大幅度提高建筑结构设计的安全度陈 肇元提要 对我国建筑结构设计安全度的演变过程作了简要回顾。针对我国规范 在构造规定、荷载设计值与标准值取值偏低、材料强度设计值取
2、值偏高等间题与国外情况进行了 比较,认为我国现行建筑结构设计安全度标准已不能适应我国经济社会发展的需要,应大幅度提高。结合近年来地震损失情况还提出应对“大震不倒、中震可修、小震不坏”的抗震设计原则进行重新审议。此外,还从市场经济的观点对安全 度的确 定原则提出了建议。【关键词建筑结构安全度可靠性标准地震设 计原则T heevolutiono fbuil dingstr uctur edesi,sa f et yinChina15br ie助r eview ed.Compar ingwit hab r oa d,thee o n st r uetiona lpr ovisio nandtheva
3、 lu esO fde signloa dands ta nda rd loa da r elo we r,thed、ig nstr eng hofmater ia l15hig he r,whieh15notsuitab letoeir cumsta n eesn ow.Aut horputsf or wa记thepr opo sa ltha tthesta ndar dO fe ur r en tbuidings tr uetur edesig nsa f etyino u r eo untwsho uld ber aised脚atlyandthe西neiP leo fseism iede
4、signshoul dbereex a而n ed.K eywo rd s:buildingstr ueture;sa f ety:r elia bilit y:d esign;stan dard;s eis而e;pr ineiple一、建筑结构设计安 全度的现状自50年代以来,我 国建筑 结构 的设计方法有 了很大的发展,经历了容 许应力设计法、破损阶段设计法、极限状态设 计法和概率极限状态设计法的重大变化。但在结构设计安全度上一直没有大的变化,与国际通用设计标准相比始终处于低水平。结构设计安 全度的高低,是国家经济和资源状况、社会 财富积累程度以及设 计施工技术水平与材料质量水准的综合反 映
5、。提 高结构安全度必然会增加结构造价和耗 费更多材料,但能相应降低结构 的失效风险。所以,确定建筑的结构设计安全度,实际上是在结 构造价与结构风 险之间权衡得失,寻求较优的选择。我国最早 的建筑结构设 计标准是借鉴二战后苏联的设计规范而来,后者采用了低安全度 的设计原则,它适 应了当时饱受战争创伤的苏联为迅速恢 复经济的需要,也符合我国解放后的经济情况。直到改革开放以前,我国财政状况长期拮据,物资供应普遍厦乏,国家对外需要备战,对内需要统包城镇建设,建筑结 构设计标准 中的低安全 度正是 在这种钱少、料少又要尽量 多建设的历史背景下维持下来的。长期以来,在结 构的设计、施工和研究 中,似乎已经
6、形成了一种倾向,即以节省钢材为荣,将节省钢材等同于“技术先进”,从没听说过以多用钢材换取更好的长期效益而得到奖励的。在结构设计标准中,安全度主要表现为安 全系数 ( 容许应力法、破损阶段法)、分项系数(极限状态法)和可靠指标(概率极限状态法),同时还与其它许多因素相关,如结 构的构造规定,荷载标准值与材料强度标准值的取值,构件承载力计算公式 的精度及结构内力分析的精度等。现以混凝土结构为例,比较一下我 国混凝土结构设 计规范GB J1 0一8 9与国外规范 在设计安全度上的差别。(1)构造 规定结构设计的构造要求是 为了弥*清华大学土木系教授、中国工程院院士。补强度计算的不 足,其中很 多是用
7、来保证结 构有必需 的延性,因而往往与配筋量相联 系。低用钢量是我国结构设 计标准 的特色,这从表1可看出。我国GB J1 0一8 9规范规定 柱 子压 筋最 小 配筋率为0.4%,比苏 联 1 94 9年规范的0.5%还要少,当年苏联工业建筑研究院对低 标号混凝土 柱的试验研究表明,少于0.5%的配筋率不能对混凝土柱的工作产 生明显作用。如果以0.4%配筋率用于C6 0级混凝土设计 成钢筋混凝土柱,则钢 筋对柱承载力的贡献只占4%,这种柱子的性能更象是素混凝土柱。从总体上看,我国规范 中梁拉筋和柱压筋的最小配 筋率比国外差不多要低一倍以上。国外 对梁的压筋 多有最小配筋 率要求,而我国无 此
8、规定。其它诸如箍筋最小配筋率、箍筋间距、配筋最小直径、混凝土保护层 最小厚度等构造要求也普遍比国外标准所 要求的低。( 2 )荷载的设计值与标准值荷载的设计值 与荷载标 准值及荷载分项系数有关。各国设计规范中的荷载标准值在统计时考虑的宽严程度大不一样。恒载的标准值相差不大,而活载就有很大差异。表2是我国设计混凝土楼盖时采用的活载标准值与美国规范的对比。从总体看,美国的楼层活载标准值平均竟比我国大5 0%。我国由于受历史条件的限制,在确定荷载标准值时总是 力求节 约,以符合最低 要求为出发点。又如,在 确定风载时,尽管我国规定的结构设计 基准期为5 0年,却以3 0年一遇 的平 均最大风速作为风
9、压标准值的依据,也比国外 的标准值低。荷载 的差异不仅反 映在标准值上,更重要 的还体现在活载约低巧%一2 0%,从而设计钢筋混凝土楼层时,荷 载设计值平均比英、美等国低 8 0%左右。(3 )材料强度的设计 值与标准值材料强度的设 计值等于材料强度标准值除以材料分项系数。材料强度标准值是统计确定的,各国多取9 5%保证率的强度作为标准值。看起来没有差别,但各国对混凝土现场强度检验的标准不一样,国外的比我国严格,所以材料强度标准值的实际保 证率我国依然偏低。此外,我国设 计规范规定的材 料分项系数又比国外低(表 4 ),因而同样的材料,我国规定的材料强度设计值要比英美的高,混凝土至少高5%一1
10、 0%,钢筋至少高3%一6%。材料强度分项系数表4材材料料中国国英国国美国国混混凝土土:. ; ; ;:. : : :1.4 1(轴压、偏压构件),1.1 1( 受弯构件) ) )钢钢筋(“级钢筋) ) ) ) ) ) )1. 4 1(轴压、偏压构件),1.n( 受弯构件) ) )混凝土结构最小配 筋率(%)表1构构件件中国GB J J J美国AC I I I英国B S S S日本JIS S S柱柱压筋筋0 .4_ _ _1.0 0 01.0 0 00.8 8 8梁梁拉筋 (I级钢筋) ) )0.15 5 50.5 5 5.2 4,0.3 二二0.4 4 4楼层活载标准值 k pa)衰2国国别
11、别住宅宅办公室室办公楼门厅厅厅教室走廊廊 商店店 仓库库秋秋秋秋秋秋至至至至至中中国国1.5 5 51.5 5 52.0 0 02.0 0 02.5 5 53. 5 5 5乙 .2 2 2美美国国1.9 9 92.4 4 44.8 8 81.9 9 93.8 8 84.8 8 8 8 8恒载和活载组合后的荷载设计值衰3 舜荷载分项系数上。以恒载标准值G和活载标准值口组合后的荷 载设 计值为例 (表3):恒载的分项 系数 我国约低20%,注:美国AC I 规范 的设计表达式与我国及英国不一样,其 中无分项系数。表 中所列值为经过换算后得出的相当于分项系数的等效值。(4 )构件承载力计算公式的精确
12、度我国规范GB JI林9在正截面强度计 算上 采用了关。=1.1关的规定,使得偏心距处于大小偏压界 限附近的压弯构件偏于不安全,也使配筋率较大并接近界限配筋率的受弯构件偏于不 安全。当采用高强混 凝土或高强钢筋时问题尤为严重。而国外在正截面强度计算中均取混凝土压区等效矩形应力图的应力关二为不。我国规范的斜截面抗 剪强度计算公式在一些情况下安全度不 足是众所周 知的,与英美等国规范比较,我国规范 给 出的抗剪 承载 力计 算 值有 时竟 高出一倍以上。可能除了冲切承载力以外,我国规范各种承载力计算公 式的安全裕度都比国外差。综 上所述,我国混凝土结构设计 规范取用的荷载值比国外低,材料强度值比国
13、外高,估计结构承载和所用计算公式的安全裕度低于国外,甚至在个别情况下偏于不安全,对结构的构造规定又远比国外要求低。也就是说,在涉及结构安全度的各个环节中,几乎没有一个比别人更偏安全的。应该说,参与我国建筑结 构标准编 制的科技人员在过去困难的历史条件下为我国建设事业作出了巨大的贡献。他们在材料供应和投资经费均不足的情况下取用了可能 是世 界上最 低 的结构设计安全度,为国家建起了尽可能多的建筑结构物,而且这些结构已经受了几十年的考验。结构的设计安全度,应该保证结构在规定的设计基准期 内能 够抵御可能出现的各种作用,并在偶然事件发生时及发生后仍能保 持必 需的整体性。显然,较低的安全度尚不 致影
14、 响结构 抵御一般荷载的能力,问题在于如何 考虑非一般荷载以及偶发事 件。与低安全度相 应的必然是相对较高的结构失效概率,并降低结构抵御各种不测事件的能力,也 降低结构在使用过程中适应功能变换的能力。1 968年,英国伦敦一幢23层公寓 在1 8层角部发生煤气爆炸,造成公寓的一角从上到下连 续倒塌,这就是著名的Ro na nP oin t事件。此后,结构的延性及防止倒塌(特别是连续倒塌)的坚固性得到工程界极大重视,并在英国结构设计规范中对 结构构造 提出了苛刻的要 求。与这种尽量设法保证结构安全 的努力相比,我国这方面的考虑显然是比较欠缺的。二、现行 的建筑结构设计安全度已不能 适应国情的需要
15、从80年代以来,我国的经济形势发生了根本的变化,主要表现是:(l ) 结构造价占整个建筑 造价的比例愈来愈小过去,建筑物的造价以结构造价为主,因建筑装修和设备都比较简单,更没有地价、拆迁、城市建设等大笔附加 费。以商品房为例,目前中小城 市的瞥价约为200 0元/m 2,其 中土建成本费仅7 00一80 0元/扩,而结构造价大概不到30 0元/耐。多放一些钢筋,将 房子设计得更加 结实些,增加的费用极其有限。对大城市 的高档办公楼和住宅,提高结 构安全度对建筑总造价影 响更小。(2 )对结构使用功能的要求愈来愈高现在建筑物 内各种设施和财产愈来愈值钱,对结构的安全度 自然会 提出更高的要求。随
16、着生产和生活方式的更新,人 们希望建 筑物在使用过程中具有更大 的灵活性,能够适应功能变换的需要,这也要求结构安全度有更大的储备。(3)对可持 续性发展 愈来愈重视可持续发展对建筑结 构的耐久 性提出了更高的要求。建造建筑结构所需的砂、石、水泥、钢材都取自宝贵的资源,生产水泥、钢材等既消耗 能源又造成污染,所以延长建筑结 构寿命是节约资源和保护环境的重要措施。设计时如安全储备大一些,对耐久性和使用寿命无疑是有利 的。(4)建筑物已成为 商品现在建筑物 业已成为商品,国家不再是城镇物 业的唯一投资者和拥有者.这是一个重要的变化。过去业主只是 国家,国家不堪统建城镇房屋的重负,只能采取低安全度的设计原则。现在业主中有了普通百姓,百姓买房总认为结实些好,何况提高结构设计安全度不会过多增加费用。(5 )结构材料已能充分供应长期 紧缺的钢材、水泥等现在已生产过剩,合理地多用一些钢材不仅可提高结构性 能,而且还能带动国 民经济发展。显然,历史遗留下来的建筑结构低安全度已不能适应当前和今后的需要,为提高安全度所需 的付出现在已经降到 了比较次要的地步,而且继续执行低安全度的政策
