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1、第 15 卷 第 5 期 建 筑 科 学 BUILDING SCIENCE1999 年对建筑结构可靠度的我见容柏生* (广东省建筑设计研究院 广州 510010)摘 要 针对我国现行建筑结构设计标准, 讨论了以下问题: 对现行规范可靠度的看法; 结构可靠度水平设定的标准问题; 目前我国建筑结构可靠度的实际情况; 目前建筑结构可靠度水平有必要作适当提高; 关于设计质量和施工质量问题; 建筑结构的抗震标准问题。关键词 建筑结构 结构可靠度 抗震标准我国国家标准5建筑结构设计统一标准6GBJ 68-84( 以下简称标准) 颁发已经十多年, 目前执行的和正在进行修订的建筑结构各专业规范都是以此为依据的
2、。这些规范已经形成一个较完整的规范体系, 是我国建筑结构设计的准则。标准采用以概率理论为基础的极限状态设计方法, 设计表达式采用分项系数表达式。在制定过程中,对影响结构安全度的主要因素进行了大量的调查、 统计和分析, 运用校准法优选出延性破坏时和脆性破坏时的可靠指标 B 以及相应的分项系数。因此, 该标准的理论基础是科学的和先进的, 而有关规定是符合我国实际情况的。可靠度大小用失效概率 pf来度量, 而可靠指标 B与失效概率在数值上相对应, B越大pf就越小, 即结构就越可靠(可靠度越大) 。标准规定结构构件承载能力极限状态设计时采用的可靠指标 B 值, 在安全等级为一、 二、 三级时, 延性
3、破坏为 317、 312、 217; 脆性破坏为412、 317、 312。相当于失效概率分别约为 11110- 4、61910- 4、 31510- 3和11310- 5、 11110- 4、 61910- 4, 这就是我国建筑结构设计中构件承载能力的可靠度水平。这个可靠度水平究竟是高还是低, 要不要调整? 最近有些不同的见解。这里略谈个人不成熟的看法, 不当之处尚望赐教。1 对现行可靠度的看法标准制定的时间是 70 80 年代, 为制订该标准而* 容柏生, 广东省建筑设计研究院总工, 中国工程院院士进行调查所得的数据仅反映了当时及其以前的情况,而可靠度指标则是按当时的结构构件可靠度 (以普
4、通办公楼和住宅为对象; 在三种简单荷载效应组合下;取 14 种结构构件) 通过 / 校准法0 用反演计算和综合分析确定的。近十年来, 我国经济水平有了很大的提高, 建筑标准、类型、规模和使用要求, 甚至于作为商品的价值都发生了变化。因此, 现在看来, 当时确定的 B 值会显得偏低一些, 不太适应目前的情况。例如受当时条件影响, 对某些活荷载标准值定得偏低或考虑不够周到, 不符合现在的实际; 以 30 年一遇10分钟平均最大风速作为风压标准值的依据, 从而造成基本风压偏低; 在计算荷载效应和结构抗力的变异性时, 不考虑主观不定性对变异性的影响等。其表现就是失效概率偏高, 结构抵抗不定性因素的能力
5、不强, 也就是结构风险较大。1998 年版国际标准 5结构可靠性总原则6(ISO 2394) 校准举例中, 采用的安全等级为 B= 311、318、413, 其相应的失效概率, 低值约为我国低值 (217) 的 1/ 4, 而高值则约为我国高值 (412) 的 2/ 3 ( 不过, 这是国际 90 年代末的水平和我国 80 年代中的水平之比。即使如此, 其实除低值相差较大外, 高值也并不相差很大) 。上述的 B 值设定偏低, 造成我国建筑结构实际的可靠度水平偏低这是事实, 与国际标准相比有一定的距离。2 结构可靠度水平设定的标准问题关于是否需要提高我国现有建筑结构可靠度的水平, 首先要解决结构
6、可靠度水平设定的标准问题。把可靠度水平定得高些, 等于减小失效概率, 提高结构抵8抗不定性因素的能力, 也可弥补一些主观不定性对变异性的影响, 减少结构风险, 这当然是好事。但是却要为此付出相应的经济代价( 用材料换来较大的结构抗力) 。因此它是与国家经济条件和人民生活水准紧密相关的, 必须与国家经济条件和人民生活水准相协调,不应太高也不可太低。这个标准很难做到具体的量化, 但归根结底主要是根据国家的发达程度而定, 是带有政策性的标准。其原则应该是: 在经济条件许可下尽可能地把可靠度水平设得高些, 并做到安全与经济之间的平衡。3 目前我国建筑结构可靠度的实际情况这里先分析一下与我国目前建筑结构
7、可靠度水平相对应的建筑结构的实际情况。我国近十年建造的/ 正规0建筑, 都是根据现行标准 GBJ 68-84 设计的。虽然标准规定的可靠度水平偏低, 但据我所知, 并没有是由于可靠指标偏低而破坏的情况。当然, 这包括在正常情况下结构具有预定的可靠度, 而在一些并不严重的非正常情况下可靠度已经低于预定值, 但尚能维持而未出现破坏。但是, 建筑破坏和倒塌的确时有发生, 不过我认为这并不是由于可靠指标偏低造成的。破坏和倒塌的原因一般说来是由于:设计错误, 如原则性错误, 输入计算机数据错误, 漏荷, 构造处理不当, 基础选型及计算失误等;施工质量不合格, 如材料强度没有达到要求, 不按设计图纸施工,
8、 偷工减料, 野蛮操作等;不合理使用, 如超载使用, 不合理改造等。所有这些都属于人为的非正常情况, 是与标准所要求的正常设计与施工相违背的, 其结果造成结构可靠度达不到标准所设定的水平, 甚至完全没有可靠度可言, 已经不属于可靠度本身的问题。根据上述状况, 可以认为在要求不高和正常情况下, 现有的可靠度水平是基本可行的。4 对目前建筑结构可靠度水平有必要作适当提高如上所述, 现有的可靠度水平是建立在 1980 年前工程实践的基础上的, 虽然目前仍基本可行, 但由于国家经济水平以及人民生活水准已有较大的提高, 在安全与经济相平衡的基础上, 予以一定的提高是有必要的, 问题是提到多高和怎样提法。
9、我国经济实力虽有很大的提高, 但毕竟还是发展中国家, 与发达国家相比还有一定差距, 因此似无必要把可靠度水平设定到与先进国家同样的水平。但是原有水平事实偏低, 考虑到目前的实际情况和条件, 我认为适当提高是合适的。提高的做法, 采取全面提高似操之过急, 大幅度提高更不适宜。因为全面提高涉及到一系列的调查、 统计和分析工作, 在未有较成熟的结果之前, 依据不足,难以落墨。大幅度提高, 对物力财力要求过大: 高的可靠度等于要求高的构件抗力, 这将导致一系列的反应,构件截面增大, 多耗材料, 建筑物重量增加, 导致较大的地震反应, 基础工程量也增加等。虽然换来更大的安全, 但代价很高, 可靠度与经济
10、能力似不平衡。因此, 个人认为比较恰当的做法是: 先作局部的调整, 同时组织力量, 为较全面调整提高工作进行调查研究。其中局部调整方面, 可以考虑如下一些内容: 对比较明显的, 已掌握的资料说明的确偏低的某些标准荷载予以一定的提高, 如写字楼及一些公共建筑的楼面活载、风荷载等; 适当提高某些活荷载的分项系数; 对于一些变异性较大的材料, 如混凝土等, 适当提高材料的分项系数。此外, 对于一些特别重要的结构构件或工程项目, 允许设计单位或业主适当提高其重要性系数( 1101 1109)。5 关于设计质量和施工质量问题在讨论可靠度水平的同时, 我认为必须提及与之有密切关系的另一个问题, 就是设计质
11、量和施工质量问题。上文已经提及, 目前由于设计错误, 施工质量低劣, 从而导致工程质量事故的情况并不鲜见, 但这些都是人为的非正常情况, 已经不属于可靠度水平控制的范畴, 不过它却实实在在地存在并威胁安全, 是可靠度问题的大敌。我国现行可靠度水平已经偏低, 如再让这些情况存在, 安全确实难以保证。因此, 我认为当务之急是要抓好设计和施工质量, 如制定严格的管理办法, 提高设计和施工的素质, 加强设计和施工监理等。如果这方面解决了, 那怕偏低的可靠度水平, 对安全也有相应地保证; 否则, 纵使把可靠度提得很高, 也起不了作用。对建筑物来说, 设定的可靠度较低, 但设计和施工质量有保证; 或者设定
12、的可靠度很高, 但设计和施工质量不保证, 我宁愿选择前者。6 建筑结构的抗震标准问题建筑结构的抗震标准的确也是值得探讨的问题。我国目前的抗震设计原则是/ 小震( 超越概率 63%) 不9坏、 中震(超越概率 10%) 可修、 大震( 超越概率 2%3%) 不倒0。具体设计分两阶段, 首先是按小震进行计算, 使结构处于弹性阶段以保证不坏, 然后进行构造设计以保证大震不倒。由此, 在理论上说, 当地震烈度超过小震, 就有些构件进入塑性, 经一定过程发展至损坏, 此时结构处于非弹性工作状态; 到中震时, 相当一部分构件处于塑性发展阶段或已经损坏; 随着地震烈度的再增加, 破坏逐步加剧, 直到大震,
13、建筑物损坏非常严重, 并且有较大的非弹性变形, 但不倒塌。小震( 众值烈度) 的超越概率为 63%, 一旦发生地震, 烈度超过它的可能性还是比较大的; 而中震( 基本烈度) 的超越概率为 10%, 烈度大于它的可能性就很小。这就是说, 建筑物遭受的地震, 其烈度大多数在中震烈度以下。根据上段所述, 此时建筑物大概处于较轻或中等损坏状态, 经过修理( 要付出经济代价) 是可以使用的。当然, 与此同时, 人员可能受到一定的伤害;建筑物内的设施也会遭到一定的破坏, 至于是否可修, 就要看是什么样的设施, 不能一概而论。上面所述就是在我国抗震设计原则下, 一旦遭受地震时可能出现的情况。个人认为, 这个
14、标准基本是合理和符合我国国情的。把抗震标准提高, 发生地震时可以减少经济损失和人员伤亡这是显然的, 提得越高越是如此。但我们应该考虑两个问题:其一, 威协建筑物安全的地震发生的机率是较低的, 而较大地震的重现期往往超过建筑物的设计寿命。因此, 抗震标准与风险率是紧密联系的, 标准越高风险率就越低, 反则反之。我们要在这两者之间权衡决定;其二, 标准越高建筑造价( 结构部分)就越高。目前按小震进行设计, 在设防烈度为 7 度且基本风压较小以及设防烈度大于 7 度的地区, 构件的强度基本上是地震作用控制的。假如把设防烈度提高一度或按基本烈度进行弹性设计, 由地震作用造成的构件内力, 前者将增加至
15、2 倍而后者增加至约 3 倍, 这不仅仅是钢筋而且构件截面都要增加。由于刚度的需要, 大量构件截面也要加大, 从而引起其他相关部分的加强。这些都要付出相当的经济代价。我们也要在这两者之间取得平衡。综上所述, 抗震标准与国家经济实力和风险率有关, 既要考虑国家经济负担, 又要考虑地震发生的机率, 还要考虑财产的损失和人民的安全, 带有很强的政策性, 需要由有关部门慎重考虑决定。建筑抗震能力除与抗震标准有关外, 也与设计和施工质量有密切关系, 而抗震设计中概念设计是首要的。我国国家标准5建筑抗震设计规范6(GBJ 11- 89)中列出了一系列抗震设计的基本要求, 就是概念设计很好的依据。可是目前不
16、少设计人员对抗震概念设计的观念比较淡薄, 没能把握好从抗震原则方面来保证建筑物的抗震能力。在这样的情况下, 纵使通过提高抗震标准使各个构件的抗震能力很高, 对建筑总体的抗震效果也不会有很大的帮助。有抗震要求的细部构造一般比较复杂, 要是在施工中马虎对待, 达不到质量标准, 也会大大的削弱建筑的抗震能力。因此, 抓好抗震设计和施工质量也是目前首先要解决的问题。只有在这样的基础上去提高抗震标准才有意义。参考文献1 国家标准. 建筑结构设计统一标准(GBJ 68- 84)2 国际标准. 结构可靠性总原则 ISO 2394: 1998( 上接第 3 页)可靠度的研究。应提倡优质高性能材料的应用, 逐步淘汰低劣材料, 要把可靠度的提高与采用优质新材料联系起来。规范的修订常常滞后于新技术的发展, 如果我们再不通过规范约束落后技术和劣质材料, 那落后的东西何时才能从建筑市场上灭绝? 我们规范的编制者要对国家承担起责任, 提倡和鼓励采用新的高性能材料。有些同志担心小直径变形钢筋买不到, 这点我们已与国家冶金局达成一致意见, 我们需要什么样的材料, 他们就生产供应什么
