淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度

摘 要:本文分析了影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的有關(guān)因素以及我國(guó)現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，提出了合理選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的方法，探討提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的新概念。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 可靠度 構(gòu)件承載力 荷載設(shè)計(jì)值 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的概念

一般來(lái)說(shuō)，建筑結(jié)構(gòu)，必須滿足下列功能要求:能承受在正常施工和使用時(shí)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:在正常使用時(shí)具有良好的工作性能;

在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性。上述可靠性、適用性和耐久性，是建筑結(jié)構(gòu)可靠{或安全)與否的標(biāo)志，總稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的可靠性，對(duì)這些性能的度量，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的可靠度(或稱(chēng)安全度)。

2 選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的意義

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的高低，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)和資源狀況、社會(huì)財(cái)富積累程度以及設(shè)計(jì)施工技術(shù)水平與材料質(zhì)量水準(zhǔn)的綜合反映。具體來(lái)說(shuō)，選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度要處理好與工程直接造價(jià)、維修費(fèi)用以及投資風(fēng)險(xiǎn)(包括生命及財(cái)產(chǎn)損失)之間的關(guān)系。顯然，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度，工程造價(jià)將有所提高，而維修費(fèi)用將減少，投資風(fēng)險(xiǎn)亦將減少:如果降低工程造價(jià)，則維修費(fèi)用和投資風(fēng)險(xiǎn)都將提高。所以，確定建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度，實(shí)際上是在結(jié)構(gòu)造價(jià)(包括維修費(fèi)用在內(nèi))與結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)之間權(quán)衡得失，尋求最優(yōu)的選擇。

3 我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的現(xiàn)狀

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)歷了容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法、破損階段設(shè)計(jì)法、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的重大變化，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度上一直沒(méi)有大的變化，與國(guó)際通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相比始終處于低水平的可靠度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，可靠度主要表現(xiàn)為:可靠系數(shù)(容許應(yīng)力法、破損階段法)、分項(xiàng)系數(shù)(極限狀態(tài)法)和可靠指標(biāo)(概率極限狀態(tài)法)，同時(shí)還與其它許多因素有關(guān)，如結(jié)構(gòu)的構(gòu)造規(guī)定、荷載標(biāo)準(zhǔn)值與材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的取值、構(gòu)件承載力計(jì)算公式及結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的精度等。以混凝土結(jié)構(gòu)為例，比較一下我國(guó)<混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》{GB50010-2002)與國(guó)外規(guī)范在設(shè)計(jì)可靠度上的差別，就可看出其可靠度偏低。例如:在結(jié)構(gòu)要求上，我國(guó)規(guī)范中梁的拉筋和柱壓筋的最小配筋率比國(guó)外約低50%以上，箍筋最小配筋率、箍筋間距、配筋最小直徑、混凝土保護(hù)層厚度等構(gòu)造要求也普遍比國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)所要求的低。在荷載取值上，美國(guó)的樓層荷載標(biāo)準(zhǔn)值平均比我國(guó)大50%，在荷載設(shè)計(jì)值上，以恒載標(biāo)準(zhǔn)值G和荷載標(biāo)準(zhǔn)值Q組合后的設(shè)計(jì)值為例，中國(guó)的計(jì)算式為1.2G+1.0Q，而，美國(guó)為1.4G+1.7Q，英國(guó)為1.4G+1.6Q，從而設(shè)計(jì)鋼筋混凝土樓蓋時(shí)，荷載設(shè)計(jì)值平均比英、美等國(guó)家低81%左右。而在材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值上比莢美兩國(guó)的取值高。這是因?yàn)閲?guó)外對(duì)混凝土現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)比我國(guó)嚴(yán)格，所以材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的實(shí)際保證率我國(guó)依然偏低，而我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的材料分項(xiàng)系數(shù)又比國(guó)外低，因而同樣的材料，我國(guó)規(guī)定的材料設(shè)計(jì)值偏高，造成結(jié)構(gòu)可靠度偏低。另外，在構(gòu)件承載力計(jì)算公式的精確度上，也有一些值得探討的問(wèn)題，當(dāng)采用高強(qiáng)度混凝土或高強(qiáng)度鋼筋時(shí)問(wèn)題尤為嚴(yán)重。綜上所述，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)可靠度的現(xiàn)狀不太好。

4 根據(jù)國(guó)情合理選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度

我國(guó)在解放初期，財(cái)政狀況和物資供應(yīng)均很困難，國(guó)家對(duì)外需要備戰(zhàn)，對(duì)內(nèi)需要建設(shè)，我國(guó)從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和研究的科技人員在過(guò)去非常困難的歷史條件下，為我國(guó)建設(shè)事業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn)。他們?cè)诓牧瞎?yīng)和投資經(jīng)費(fèi)均很困難的情況下采用了可能是世界上最低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度，為國(guó)家建起了盡可能多的建筑結(jié)構(gòu)物。而且這些結(jié)構(gòu)已經(jīng)受了幾十年的考驗(yàn)。這是應(yīng)該肯定的。但是從20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和綜合國(guó)力發(fā)生了根本的變化，現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度是否適應(yīng)國(guó)情的需要，值得探討。目前的情況是:

①結(jié)構(gòu)造價(jià)占整個(gè)建筑造價(jià)的比例愈來(lái)愈小。②對(duì)結(jié)構(gòu)使用功能的要求愈來(lái)愈高。現(xiàn)在建筑物內(nèi)各種設(shè)施和財(cái)產(chǎn)的價(jià)值愈來(lái)愈高，對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠度自然會(huì)提出更高的要求。隨著生產(chǎn)和生活方式的更新，人們要求建筑物在使用過(guò)程中具有更大的靈活性，更能適應(yīng)功能變換的需要，因此，也要求結(jié)構(gòu)可靠度有更大的儲(chǔ)備。⑨建筑物已成為商品，國(guó)家不再是城鎮(zhèn)物業(yè)的惟一投資者和擁有者。這是一個(gè)重要的變化。過(guò)去業(yè)主只是國(guó)家，國(guó)家不堪統(tǒng)建城鎮(zhèn)房屋的重負(fù)，只能采取低可靠度的設(shè)計(jì)原則。現(xiàn)在業(yè)主中有了普通百姓，百姓買(mǎi)房時(shí)總希望可靠些好，更何況提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度又不會(huì)過(guò)多增加費(fèi)用。④結(jié)構(gòu)材料已能充分供應(yīng)。鋼材、水泥的供應(yīng)并不緊張，合理地多用一些鋼材不僅可提高結(jié)構(gòu)性能，而且還能帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，如果繼續(xù)執(zhí)行低可靠度的政策既不符合國(guó)家眼前和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，也違背了投資者的意愿。①建筑結(jié)構(gòu)作為特殊商品。確定其設(shè)計(jì)可靠度的高低不再是純政府行為，開(kāi)發(fā)商應(yīng)該對(duì)其出售建筑物的安全品質(zhì)負(fù)責(zé)，在影響售價(jià)不大的情況下應(yīng)盡可能提高可靠度。更高的可靠性應(yīng)作為房屋開(kāi)發(fā)商促銷(xiāo)和競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)熱點(diǎn)。②我國(guó)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的低可靠度原則已不能適應(yīng)當(dāng)前國(guó)情，提高我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度水平將有利于生產(chǎn)、生活水準(zhǔn)的改善，有利于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也符合建筑物業(yè)主的利益和要求。③從提高結(jié)構(gòu)可靠度出發(fā)，為了改善結(jié)構(gòu)物的可靠性，要提倡合理地多用鋼材，而不再是挖空心思地節(jié)約鋼材。

參考文獻(xiàn):

[1]王亞勇，白雪霜;臺(tái)灣921地震中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)震害特征;工程抗震

[2]岡尹之潛，李樹(shù)禎，楊淑文;高層建筑的P-△效應(yīng)和變形計(jì)算方法:地震工程與工程振動(dòng):1992，

[3]高小旺:地震作用下多層剪切型結(jié)構(gòu)彈塑性位移反應(yīng)的實(shí)用計(jì)算方法;土木工程學(xué)報(bào)

[4]童岳生，錢(qián)國(guó)芳;底層加抗震墻的框架結(jié)構(gòu)房屋抗震計(jì)算:西安冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，1987

[5]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)，北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社;2001

[6]陸浩亮，金國(guó)芳，李思明梁柱節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩取值的探討，工程抗震.