摘 要:安全度作為建筑結構設計中的核心部分,不僅關系著建筑結構的整體安全性,同時還關系著建筑工程的整體投資建設,因而在建筑結構設計中有著極其重要的作用。本文首先分析了影響結構設計安全度的有關因素以及我國現(xiàn)階段結構設計的現(xiàn)狀,然后提出了合理選擇結構設計安全度的方法,最后探討了提高結構設計安全度的新概念。
關鍵詞:結構設計; 安全度; 構件承載力; 荷載設計值; 荷載標準值;
前言
從事建筑結構設計的基本目的, 是在一定的經(jīng)濟條件下, 賦予結構以適當?shù)陌踩? 使結構在預定的使用期限內, 能滿足所預期的各種功能要求, 一般來說, 建筑結構必須滿足的功能要求是:( 1) 能承受在正常施工和使用時可能出現(xiàn)的各種作用, 且在偶發(fā)事件中, 仍能保持必須的整體穩(wěn)定性, 即建筑結構需具有的安全性;( 2) 在正常使用時具有良好的工作性能, 即建筑結構需具有的適用性;( 3) 在正常維護下具有足夠的耐久性。上述安全性、適用性和耐久性, 是建筑結構可靠( 或安全) 與否的標志, 總稱為結構的可靠性, 對這些性能的度量, 即結構在規(guī)定的時間內, 在規(guī)定的條件下, 完成預定功能的概率, 稱為結構的可靠度( 或稱安全度) 。
一、我國結構設計安全度的現(xiàn)狀
自 20 世紀 50 年代以來, 我國建筑結構的設計方法, 經(jīng)歷了容許應力設計法、破損階段設計法、極限狀態(tài)設計法和概率極限狀態(tài)設計法的重大變化。但在結構設計安全度上一直沒有大的變化, 與國際通用設計標準相比始終處于低水平的安全度。在結構設計標準中, 安全度主要表現(xiàn)為安全系數(shù)( 容許應力法、破損階段法) 、分項系數(shù)( 極限狀態(tài)法) 和可靠指標( 概率極限狀態(tài)法) 同時還與其它許多因素有關, 如結構的構造規(guī)定、荷載標準值與材料強度標準值的取值、構件承載力計算公式及結構內力分析的精度等。以混凝土結構為例, 比較一下我國《混凝土結構設計規(guī)范》( GBJ10- 89) 與國外規(guī)范在設計安全度上的差別, 就可看出其安全度偏低。例如: 在構造規(guī)定上, 我國規(guī)范規(guī)定柱子壓筋的最小配筋率為 0.4% ,比前蘇聯(lián) 1949 年的規(guī)范 0.5% 還要少, 從總體上看,我國規(guī)范中梁的拉筋和柱壓筋的最小配筋率比國外約低 50%以上。國外對梁的壓筋大都有最小配筋率要求, 而我國無此規(guī)定。其它諸如箍筋最小配筋率、箍筋間距、配筋最小直徑、混凝土保護層厚度等構造要求也普遍比國外標準所要求的低。在荷載取值上, 與國外相比, 恒載的標準值相差不大, 而活載就有很大差異。國外對混凝土現(xiàn)場強度檢驗的標準比我國嚴格, 所以材料強度標準值的實際保證率我國依然偏低, 而我國設計規(guī)范規(guī)定的材料分項系數(shù)又比國外低, 因而同樣的材料, 我國規(guī)定的材料設計值偏高, 造成結構安全度偏低。另外, 在構件承載力計算公式的精確度上, 也有一些值得探討的問題, 例如在“規(guī)范(GBJ10- 89)” 中, 整截面強度計算上采用了 fcm=1.1fc的規(guī)定, 使得偏心距處于大小偏壓界限附近的壓彎構件偏于不安全; 配筋率較大并接近界限配筋率的受彎構件偏于不安全。當采用高強度混凝土或高強度鋼筋時問題尤為嚴重。對于斜截面抗剪強度承載力計算公式, 在一些情況下安全度不足是眾所周知的, 與英美等國的規(guī)范比較, 我國規(guī)范給出的抗剪承載計算值竟高出一倍以上??赡艹藳_切承載力以外, 我國規(guī)范各種承載力計算公式的安全裕度都比國外差。綜上所述, 我國建筑結構安全度的現(xiàn)狀是: 設計規(guī)范取用的荷載值比國外低, 材料強度的取值比國外高, 所用結構承載力計算公式的安全裕度比國外低, 甚至在個別情況下偏于不安全, 對結構的構造規(guī)定又遠比國外要求低。也就是說, 在設計結構安全度的各個環(huán)節(jié)中, 幾乎沒有一個環(huán)節(jié)比國外更偏于安全的。
二、選擇結構設計安全度的有關因素
結構設計安全度的高低, 是國家經(jīng)濟和資源狀況、社會財富積累程度以及設計施工技術水平與材料質量水準的綜合反映。具體來說, 選擇結構設計安全度要處理好與工程直接造價、維修費用以及投資風險( 包括生命及財產損失) 之間的關系。顯然,提高結構設計安全度時, 結構的直接造價將有所提高, 而維修費用將減少, 投資風險亦將減少; 如果降低工程造價, 則維修費用和投資風險都將提高。所以, 確定建筑的結構設計安全度, 實際上是在結構造價( 包括維修費用在內) 與結構風險之間權衡得失,尋求較優(yōu)的選擇。那種單純以建造時的材料消費用量和經(jīng)濟指標來評價結構安全度的觀點, 將導致片面的結論, 實際上, 結構設計安全度的選擇, 不僅涉及生命財產的損失, 有時還會產生嚴重的社會影響,對某些結構, 還將可能產生嚴重的政治后果; 而且還涉及到國家的經(jīng)濟基礎和技術經(jīng)濟政策。