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對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度和規(guī)范修訂的幾點看法
對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度和規(guī)范修訂的幾點看法
陳肇元 教授清華大學(xué)土木工程系教授中國工程院院士中國土木工程學(xué)會副理事長 摘 要 對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度和規(guī)范的修訂,提出了以下三方面看法:①規(guī)范中的安全度設(shè)定水平需要大幅度提高;②關(guān)于可靠度設(shè)計理論;③關(guān)于設(shè)計規(guī)范的強制性。 關(guān)鍵詞 混凝上結(jié)構(gòu) 設(shè)計規(guī)范 可靠度設(shè)計 安全度設(shè)定水平對于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的安全度設(shè)置水平,我在1998年7月提交規(guī)范修訂組領(lǐng)導(dǎo)的一封信中和1999年年初刊出的一篇文章[1]中已經(jīng)表達(dá)了看法。 這篇題為《要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度》的文章,代表了一部分同志的看法,原本是應(yīng)約撰寫,從不同角度為規(guī)范修訂提供參考意見。這份材料中有兩處不妥,一是對抗震設(shè)計的“小震不壞”原則提出了質(zhì)疑而又未做詳細(xì)解釋。我在原稿寄出后不久就寫信通知要求刪去,但最后還是未能及時轉(zhuǎn)到雜志社并刊了出來。另外,這篇文章冠以“建筑結(jié)構(gòu)”的標(biāo)題也不合適,因為文中只論及混凝土結(jié)構(gòu),而鋼、木等結(jié)構(gòu)的安全度可能是另一回事。 1、規(guī)范中的安全度設(shè)定水平需要大幅度提高 我對規(guī)范低安全度的看法,最早源于從事高強混凝土結(jié)構(gòu)科研和推廣應(yīng)用工作中的感受。用現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計C50~C60級高強混凝土結(jié)構(gòu),其安全儲備比普通強度的混凝土還要低,給推廣造成困難和阻力,何況一項新技術(shù)的開始應(yīng)用會存在經(jīng)驗不足等問題,更需要有較為寬松的安全度環(huán)境;過低的安全度難免捉襟見肘,對新技術(shù)推廣不利。我國規(guī)范安全度與國外的差別已有不少資料作過報道,現(xiàn)在再看我國規(guī)范安全度從解放后的演變,以受彎構(gòu)件為例,將安全度統(tǒng)一折算成解放初期按破損階段設(shè)計方法時的總安全系數(shù)K,則在最早的東北人民政府設(shè)計規(guī)程中K等于2.0;后改為與當(dāng)時的蘇聯(lián)規(guī)范相同即1.8,但鋼材強度取值仍低于蘇聯(lián);約在1956年后,按三系數(shù)極限狀態(tài)方法的蘇聯(lián)規(guī)范設(shè)計,K降到約1.55~1.6,1965年我國頒布的BJG21-66規(guī)范與此相同;1974年頒布TJ10-74規(guī)范,受彎構(gòu)件K值又略有降低;1989年頒布的現(xiàn)行規(guī)范,K值大體保持在1965年規(guī)范的水平。這里需要指出的是,50年代設(shè)計時所用的樓層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值基本參照了蘇聯(lián)荷載規(guī)范的取值,而在1959年頒布我國的荷載規(guī)范后,不少類型建筑物的樓層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值都降低了,導(dǎo)致這類結(jié)構(gòu)安全儲備的進(jìn)一步降低。 橫向比較各國規(guī)范以及豎向縱觀我國規(guī)范的演變,可以深切體會到規(guī)范作為上層建筑,必然反映時代社會經(jīng)濟的特色和需要。在這次規(guī)范修訂中,除了必需從專業(yè)的技術(shù)角度對安全度作細(xì)致分析外,如何從社會經(jīng)濟的角度進(jìn)行深入探討可能更為重要。這是因為我國正處在從短缺型的社會主義計劃經(jīng)濟體制過渡到社會主義市場經(jīng)濟體制的轉(zhuǎn)型期,而整個世界正面臨科技和生產(chǎn)飛速更新時代的到來。近十年來,我國的社會經(jīng)濟狀況發(fā)生了從未有過的根本性變化,而我們現(xiàn)在設(shè)計的建筑物又必需適應(yīng)今后幾十年乃至上百年內(nèi)生產(chǎn)和生活水平的發(fā)展。 規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)如何從短缺型計劃經(jīng)濟影響下走出來,使之更好地為社會主義市場經(jīng)濟基礎(chǔ)服務(wù),這是本次規(guī)范修訂不同于以往歷次修訂的主要區(qū)別,理應(yīng)作為本次修訂中首要考慮的問題。隨便舉例來說,我們對普通公寓住宅的層高標(biāo)準(zhǔn)作了限制,在北京地區(qū)規(guī)定為2.7m(凈空僅2.55m),也不準(zhǔn)設(shè)計人員或用戶提高房屋抗震設(shè)防等級,這些限制是否反映了過去短缺經(jīng)濟年代的特色?短缺經(jīng)濟的主要傾向是竭盡全力去約束消費和限制投資,并伴以過多的行政干預(yù)來加以保證。過去講節(jié)約,偏重于初期一次性投資和用料的節(jié)省,較少顧及長期和整體效益,更少考慮用戶的利益和要求;設(shè)計規(guī)范的低安全度和某些荷載標(biāo)準(zhǔn)值的過低取值,也是短缺經(jīng)濟造成的。在今天的市場經(jīng)濟體制下,如果只需花相對較少的錢,換得更為結(jié)實耐久的房子住,應(yīng)屬合理消費受到鼓勵,為此而必須多花一些鋼材也屬于合理使用,說不上有違節(jié)約原則。安全度的設(shè)置本來就是用來對付比較意外的情況,低安全度的房子盡管在一般情況下安全可靠,但是抵御外界不確定性作用的能力相對較弱。房子結(jié)實些,壽命長些,符合國家提高人民生活質(zhì)量的要求;萬一發(fā)生不測地震,可以減少生命財產(chǎn)損失;再說這種合理消費并不要政府掏錢,而且合理的多用些鋼材、水泥又能促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展,從眼前講,還多少能緩解通貨緊縮的困難。這些說法從短缺經(jīng)濟的立場上看是格格不入的,但符合眼前和長遠(yuǎn)利益以及市場經(jīng)濟的需要。 當(dāng)然,節(jié)約作為人類可持續(xù)發(fā)展的需要和一種美德,應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的重要守則。這里提出探討的只是計劃經(jīng)濟年代曾經(jīng)盛行一時的片面的節(jié)約,但即使是那種節(jié)約在過去短缺經(jīng)濟下仍是合理和必需的,問題是將它搬到今天的社會經(jīng)濟狀況和體制下,有時就不再適宜。 提高結(jié)構(gòu)的安全性能需要從結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)布置、材料選擇等多個方面作出努力,以加強結(jié)構(gòu)的整體性、延性和耐久性,提高其抗御不測之災(zāi)和防止倒塌、特別是抵抗連續(xù)倒塌的能力。也許基于概念設(shè)計的這些措施,對于增進(jìn)結(jié)構(gòu)安全更為有效且更符合經(jīng)濟節(jié)約的原則。比如這次規(guī)范修訂組提出的用新Ⅲ級鋼替代Ⅱ級或Ⅰ級鋼,就能帶來立竿見影的效果??墒菫榱嗽鰪娧有院头赖顾芰?,主要還得靠合理加大構(gòu)造用鋼量。上述與結(jié)構(gòu)安全性能有關(guān)的眾多因素較難用數(shù)值形式加以度量,而我們在這里所討論的安全度,則僅限于截面強度的安全度和與之有關(guān)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值和材料強度標(biāo)準(zhǔn)值等能夠用數(shù)值度量的那些參數(shù)。 提出要大幅度提高設(shè)計安全度,無非是基于客觀形勢變化和對現(xiàn)行安全度進(jìn)行初步分析比較后的一種宏觀的定性估計。究竟需要提高多少,則需經(jīng)過課題立項研究才能確定。對于規(guī)范修訂組這次提出的設(shè)計可靠度改進(jìn)意見[2],總的趨勢是往高處調(diào),對此我表示擁護;雖然幅度不夠大。我國幅員廣闊,各地經(jīng)濟發(fā)展很不平衡,象京、滬、穗等國際性大都市,建筑結(jié)構(gòu)的安全度應(yīng)高些,經(jīng)濟不發(fā)達(dá)的邊緣地區(qū)允許適當(dāng)?shù)托?。?guī)范修訂時是否尚可通過結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),或者荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值,或地方性標(biāo)準(zhǔn)予以區(qū)別對待,大城市的結(jié)構(gòu)安全儲備是否能再高些,當(dāng)然也可以分步漸進(jìn)。鋼材的分項系數(shù)過去偏低,似不宜再低于1.1。梁的最小配筋率一般根據(jù)截面抗彎屈服能力不低于截面拉區(qū)混凝上抗裂能力的原則來定,具體計算時所用的材料強度似宜采用平均值而不是標(biāo)準(zhǔn)值,否則從概率保證的角度不能符合要求。 2、關(guān)于可靠度設(shè)計理論 將可靠度設(shè)計理論用于設(shè)計規(guī)范,不論在學(xué)術(shù)或工程界一直有分歧意見[3]。我傾向于多安全系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計法,因為其中對安全度的表示比較靈活又易于理解,而且在確定各項安全系數(shù)時并不排斥利用可靠度理論手段進(jìn)行分析對比,然后再綜合考慮其它因素加以修正。 由于現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范業(yè)已采用了可靠度設(shè)計理論,其在規(guī)范中的計算表達(dá)形式又與多安全系數(shù)方法相似,在實用上姑且將它理解為多安全系數(shù)也并無不可。在這種情況下,我贊成承認(rèn)現(xiàn)實,在這次修訂中還是保留現(xiàn)有的設(shè)計方法體系為好??煽慷壤碚搶τ诓煌愋凸こ探Y(jié)構(gòu)的適用程度肯定會有很大差別,用于混凝土建筑結(jié)構(gòu)尚沒有解決不了的大問題,所以不宜再變。至于尚未使用的規(guī)范似宜適當(dāng)放慢“統(tǒng)一”步伐,實在難以使用的更不宜通過行政手段去統(tǒng)一??煽慷壤碚撨€在發(fā)展,這方面的學(xué)術(shù)討論希望能夠深入開展下去。 結(jié)構(gòu)安全度需要考慮的因素過于綜合,尤其是規(guī)范中的結(jié)構(gòu)安全度,它不同于某個具體工程,需要考慮和照顧的方面更多,包括非技術(shù)性的社會經(jīng)濟因素、政策因素等等??煽慷仍O(shè)計理論有其先進(jìn)的一面,也有其不足之處;可靠度理論也有某些假定和約束條件,會有意或無意地省略某些本應(yīng)考慮而用這一理論又難以處理的一些因素。技術(shù)科學(xué)理論一般擅長于分析,而規(guī)范安全度的設(shè)定除了要用分析外更需要綜合,因此經(jīng)驗和判斷更為重要。 可靠度理論強調(diào)三個“正常”作為前提,即正常設(shè)計、正常施工和正常使用。這三個正常帶有較大的模糊性,有時甚難界定。比如野蠻施工絕非正常,很容易確認(rèn);可是針對我國施工中的上千萬農(nóng)民隊伍以及管理水平薄弱的現(xiàn)狀,這種狀況是否正常?這個問題帶有普遍性,而且要改變這一狀況需有較長的過程。如果在設(shè)定規(guī)范安全度水平時完全不予理采,不考慮它會增加某種程度人為失誤的可能性及其對工程質(zhì)量的影響,顯然是不合適的。規(guī)范面對的是群體而不是某個具體建筑的施工現(xiàn)場。我們不能因為不好統(tǒng)計、不好用理論分析處理,就將某些應(yīng)該考慮的問題列入不正常。再舉居民裝修房屋用地板磚壓裂了預(yù)制混凝土樓板的事例,有的同志認(rèn)為這是不正常使用,因為設(shè)計時并沒有考慮過裝修地面;或者認(rèn)為這是不正常設(shè)計,因為設(shè)計人員在設(shè)計時漏掉了地板磚這項恒載,而規(guī)范則無責(zé)任。但是用戶則認(rèn)為現(xiàn)在城市里家家搞裝修,不裝修才是不正常使用。而設(shè)什人員也說地面裝修應(yīng)屬活載,因為今天地板磚,明天拆掉改成木地板,不能作為恒載,仍反正常設(shè)計。這個問題其實出在規(guī)范荷載標(biāo)準(zhǔn)值的統(tǒng)計上,規(guī)范的荷載統(tǒng)計樣本取自過去不搞裝修的短缺經(jīng)濟年代里。所以單憑過去或現(xiàn)有樣本所得出的荷載統(tǒng)計值,理論上看來完整無缺,但用到規(guī)范仍需通過經(jīng)驗和判斷加以修正,因為這些數(shù)據(jù)尚不能代表未來可能的發(fā)展。但如規(guī)范的安全度比較寬裕,就不至于出現(xiàn)這種問題。這次規(guī)范修訂組提出了今后要加列裝修荷載,對于這一規(guī)定,似乎還可商榷,因為隨著生產(chǎn)、生活水平的發(fā)展,類似裝修荷載那樣的其它小型荷載,在今后幾十年內(nèi)還有可能出現(xiàn)。我們現(xiàn)在很難加以充分想象和估計,這類小型荷載應(yīng)該通過提高活載的標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的分項系數(shù)來解決。國外規(guī)范的樓板荷載中還考慮偶然撞擊的影響。作出這些改進(jìn)其實都容易辦到,因為每平米造價可能增加不了5元錢。 前些時候有報紙報道,有些房管部門給住戶發(fā)通知,規(guī)定住戶室內(nèi)荷載不許超過1.5kPa,即規(guī)范確定的標(biāo)準(zhǔn)值。這種做法損害了住戶的利益,荷載標(biāo)準(zhǔn)值是按正常使用情況統(tǒng)計出來的,統(tǒng)計對象中有的就超過標(biāo)準(zhǔn)值,否則就用不到荷載分項系數(shù)。這一房管部門的做法不知出于何種考慮,也給住戶帶來心理壓力。但是這種現(xiàn)象是否從另一個側(cè)面反映了設(shè)計安全度過低所帶來的不必要麻煩。 3、關(guān)于設(shè)計規(guī)范的強制性 我國的設(shè)計規(guī)范是強制性的。對于設(shè)計人員來說,規(guī)范就是法律,只要不違反規(guī)范要求,即使設(shè)計出了問題,設(shè)計人就有可能不負(fù)任何法律責(zé)任。而國外發(fā)達(dá)國家的許多設(shè)計規(guī)范則是指導(dǎo)推薦性的,設(shè)計出了問題得自己負(fù)責(zé),休想將責(zé)任推向規(guī)范。所以我國規(guī)范的編制工作有著更高的要求,同時也會遇到一些不好解決的困難。以往的最小配筋率為例,國外規(guī)范中是0.8%~1%,這個數(shù)值作為指導(dǎo)值是比較適宜的,而設(shè)計人員可以根據(jù)具體情況取用更低的配筋率。例如國際知名的芝加哥Water Tower大廈,其上層柱的軸力甚小,而截面和承載力很大,所以一些柱的配筋率就遠(yuǎn)低于ACI規(guī)范的最小配筋率,但如換成我國規(guī)范,也采用0.8%~1%的最小配筋率,遇到這一情況就不能合理降低配筋率??墒侨鐚⒅淖钚∨浣盥识ǖ玫土?,當(dāng)柱的軸力與承載力相比業(yè)已達(dá)到相近的程度,那么0.4%的最小配筋率顯然偏低,因而出現(xiàn)高也不是、低也不是的困難。又如我國規(guī)范并沒有明文規(guī)定設(shè)計人員不準(zhǔn)采用高于規(guī)范設(shè)定的安全度水平,但在過去計劃經(jīng)濟時代的影響下,缺乏經(jīng)驗的設(shè)計人員有時還是不善于針對具體工程對象的需求和具體的施工環(huán)境條件,必要時加以靈活運用;而與此相反,某些故意鉆規(guī)范空子的人則會沿著規(guī)范允許的最低邊緣路線行事,以達(dá)到其不良目的并推卸責(zé)任。 要解決這些難題,根本的辦法是逐漸淡化規(guī)范的強制性質(zhì)。強制性規(guī)范還不利于人們發(fā)揮創(chuàng)造性。在今天市場經(jīng)濟體制下,尤其要求設(shè)計人員有更強的創(chuàng)新精神,去適應(yīng)日益豐富多彩和功能千奇百怪的工程建筑物以及迅速發(fā)展變化的生產(chǎn)和生活方式。一本比較簡明的規(guī)范,再加上各種各樣正規(guī)的指導(dǎo)性專題技術(shù)文件(指南、建議等)與之配套,對設(shè)什人員來說可能更為好用和更有幫助。不過這又會牽涉到規(guī)范管理體制上的改革,已是超出這次規(guī)范修訂的題外話了。 參考文獻(xiàn) 1 陳肇元,要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度,建筑結(jié)構(gòu),1999年第1期 2 李明順、胡德炘,我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度設(shè)定水平的分析與改進(jìn)意見,1999年7月 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度專題討論會的討論發(fā)言綜述(1999年5月14日).中國土木工程學(xué)報,待發(fā)表 (摘自《建筑科學(xué)》第15卷第5期pp23-pp25,1999年10月)- 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