淺論關(guān)于提高建筑結(jié)構(gòu)安全度的幾點看法

徐維柱

摘 要：本文就建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計理論及對提高建筑結(jié)構(gòu)安全性提出幾點看法。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；可靠度；安全性；提高

分析結(jié)構(gòu)安全性的一種有效手段是可靠度理論。我國已頒布統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范按可靠度理論設(shè)計。20世紀(jì)80年代用可靠度理論率先加以統(tǒng)一。對規(guī)范采用可靠度理論，以及這一理論能否將各種結(jié)構(gòu)的安全度都統(tǒng)一在同一體系中，專家們持不同意見：

1）認(rèn)為我國規(guī)范采用了先進(jìn)的可靠度理論，用失效概率度量結(jié)構(gòu)的可靠性，通過將抗力和作用效應(yīng)相互獨立。將隨機(jī)過程化為隨機(jī)變量并以經(jīng)驗為校準(zhǔn)點，成功地將這一理論用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，這是我國規(guī)范先進(jìn)性的一種表現(xiàn)。工程設(shè)計采用可靠度理論為國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）所提倡，是國際上大勢所趨；多次國際安全度會議也傾向于采納ISO 提出的在設(shè)計規(guī)范中采用可靠度理論的原則?？煽慷壤碚撘粯又匾暯?jīng)驗，可靠度取值用校準(zhǔn)法確定。

2）認(rèn)為可靠度理論是分析和度量結(jié)構(gòu)安全性的一種先進(jìn)手段，但在應(yīng)用上還有其局限性，理論本身也有一些方面未能突破，比如結(jié)構(gòu)可靠度分析的三個約束條件：將抗力與作用效應(yīng)分離，將隨機(jī)過程變?yōu)殡S機(jī)變量，以及將截面承載力的安全指標(biāo)β作為結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)，隨著認(rèn)識的發(fā)展都值得質(zhì)疑。用概率可靠度理論需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，但不論荷載統(tǒng)計或抗力統(tǒng)計都還存在一些問題，規(guī)范安全度還需考慮將來可能出現(xiàn)的荷載變化。概率可靠度理論會有意或無意地簡化、忽略本應(yīng)考慮但又無法用這一理論處理的因素，如一定程度的人為失誤以及社會。經(jīng)濟(jì)因素等?？煽慷壤碚搹?qiáng)調(diào)三個正常，即正常設(shè)計。正常施工和正常使用，但正常和不正常有時不易界定。匆忙地將可靠度理論推廣于各種規(guī)范，會帶來一些不必要麻煩，比如地基基礎(chǔ)規(guī)范中，地基承載力強(qiáng)度的設(shè)計值竟比標(biāo)準(zhǔn)值還高，抗震設(shè)計規(guī)范中不得不引入調(diào)整系數(shù)。又如地下結(jié)構(gòu)的荷載與其作用效應(yīng)高度耦合，其不確定性遠(yuǎn)大于荷載本身的不確定性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的不確定性。以及材料強(qiáng)度不確定性的總和，而前者又難以估計，這時勉強(qiáng)采用可靠度設(shè)計往往徒有形式而無實效。

3）認(rèn)為分項多安全系數(shù)設(shè)計方法要比可靠度方法更為靈活實用。在確定安全系數(shù)時，同樣可以利用可靠度理論一起作分析，最后選定合適的系數(shù)值。鑒于現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已經(jīng)采用了可靠度理論，不足之處可繼續(xù)改進(jìn)，而其設(shè)計公式的表達(dá)形式又與分項多安全系數(shù)基本相似，所以也不必再回到老路上去。現(xiàn)行可靠度設(shè)計規(guī)范中的分項系數(shù)，其含義可以模糊些，考慮更多的經(jīng)驗因素，這在可靠度理論中也是說得過去的。規(guī)范采用可靠度理論應(yīng)采取實事求是的態(tài)度，能用的盡量用，尚不成熟的將來再用，不宜用行政手段一刀切去追求“統(tǒng)一”。

4）認(rèn)為可靠度理論是美國專家于20世紀(jì)40年代最早提出的，這方面的研究工作和成果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們，可是到現(xiàn)在為止，他們大部分的重要規(guī)范都還沒有用可靠度方法。在西方，主張可靠度理論用于規(guī)范的主要是可靠度理論家們的觀點，搞工程實踐的人多持反對或懷疑態(tài)度。所請國際標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》，主要也是一些理論工作者提出的、是參考性的，并無約束力。前不久，曾長期擔(dān)任過美國混凝上設(shè)計規(guī)范ACI-318 委員會主席的國際著名學(xué)者 Siess 教授，就在《Concretelnternational》雜志上談了為什么不用可靠度設(shè)計理論的見解?？煽慷壤碚撌欠褚淹晟频娇梢杂糜谝?guī)范的程度，這個問題在國際上是有爭論的。確定工程的安全度在一定程度上需以概率和統(tǒng)計為基礎(chǔ)，但更多的須依靠經(jīng)驗、工程判斷及綜合考慮。所以在可靠度用于規(guī)范這

一點上，我們大可不必去爭天下先。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范還是用安全系數(shù)方法好，對于工程設(shè)計人員來說用分項安全系數(shù)表達(dá)安全度要比可靠指標(biāo)β更直觀、更明白?？煽恐笜?biāo)雖然有一個相應(yīng)的失效概率，可是這個所謂的失效概率其實也不是真實的，但在一定程度上可用于相對比較。

如何提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度，下面淡一下幾點看法：

1）當(dāng)前的建筑物安全事故，與結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度無關(guān)。20世紀(jì)50年代的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，與現(xiàn)在近似，當(dāng)時所用的混凝土強(qiáng)度很低，只有110~140號，比現(xiàn)在的C15 還低。50 年代初期施工手段也很落后，混凝土用體積配合比，人工攪拌，沒有振搗器……而當(dāng)時施工發(fā)生安全事故的較少。有一些建筑物，如王府井百貨大樓、北京飯店等，使用至今已逾45年，而且經(jīng)過了唐山地震影響的考驗。因此可以說，現(xiàn)在的安全事故，與結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度是沒有連帶關(guān)系的。

2） 結(jié)構(gòu)設(shè)計，仍宜提倡節(jié)約。作為一個結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師，重要職責(zé)之一，就是以較少的材料去完成建筑物各種功能的要求。如果將構(gòu)件截面任意加大，材料用量任意增多，這個工作，建筑師也能做。

在發(fā)達(dá)國家，節(jié)約材料也是工程師所追求的。1998年美國《商業(yè)周刊》登載由美國建筑師學(xué)會（AIA）舉辦的最佳建筑設(shè)計競賽“，節(jié)省材料”是該次競賽的主題之一。紐約時報新印刷廠的設(shè)計，因采用規(guī)則的矩形平面和常規(guī)材料，節(jié)約五千萬美元而獲獎：又如香港中國銀行（貝聿銘設(shè)計）因其結(jié)構(gòu)方案布置得當(dāng)，比同樣高度的其他結(jié)構(gòu)大量節(jié)約鋼材，所以若干個雜志上都發(fā)表文章加以表揚。

3） 我國規(guī)范中的構(gòu)造規(guī)定，并非都比別國低。我國規(guī)范規(guī)定的是最低用鋼量，設(shè)計者一般根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性，予以適當(dāng)提高，所以不能以此來判定我們在工程中的材料用量，更不能以我們的最低值來與人家比。我國規(guī)范規(guī)定的柱子最小含鋼量為0.4％，是不考慮抗地震時的數(shù)量，我們大多數(shù)城市設(shè)計時都考慮抗震，高層建筑更是都要考慮，這時柱子的最小含鋼量就是0.5%~1.0%。而且設(shè)計單位在設(shè)計高層建筑的柱子時,用鋼量常比規(guī)范要求的還大,因此與國外相比，實際用鋼量并不太小。

我們有些構(gòu)造要求，已與國外持平，如剪力墻的最小配筋率為0.25%，與美國相同。至于墻的暗柱配筋量，在許多方面已是世界領(lǐng)先。

我國規(guī)范對于梁受壓鋼筋的配筋率，有明確規(guī)定。且數(shù)值與美國基本相等，并非“無此規(guī)定”。至于受拉鋼筋的最小配筋率，有設(shè)計經(jīng)驗的人都知道，在一般梁板構(gòu)件中，此值并不起作用，有影響的是在類似基礎(chǔ)厚板一類構(gòu)件中。這種構(gòu)件中，我國規(guī)范與國外規(guī)范相比，在某些情況下配筋更多。因為如美國或新西蘭規(guī)范，對于控制最小配筋量還有一些放松要求的措施，可使配筋減少，所以在一定情況下，配筋可以比我們更少。因此也不能一概而論，說我國的構(gòu)造配筋比國外如何的少。

4） 規(guī)范要根據(jù)國家政策而定。一個國家的規(guī)范，不僅僅是技術(shù)性的，還有很強(qiáng)的政策性，許多方面，是一個國家經(jīng)濟(jì)條件的直接反映。因此，我國規(guī)范的材料用量，當(dāng)然應(yīng)該比發(fā)達(dá)國家低,也即安全度應(yīng)該低一些。這方面我們完全可以理直氣壯地說，我們過去的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，是符合我國國情的，是安全的。當(dāng)然某些局部有不足，要不斷修改。國外的規(guī)范也不是十全十美，也在不斷的修改。我們過去的結(jié)構(gòu)成功地經(jīng)受了幾十年的考驗，那就是說，我們的規(guī)范,基本是正確的，安全度基本是能滿足要求的。

現(xiàn)在這種關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度的討論，是正常的，但我擔(dān)心會不會引起誤導(dǎo)，使一些設(shè)計人員誤以為按我國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計會造成不安全，以致盲目加大構(gòu)件截面，增加用鋼量，造成不必要的浪費。這種可能性，是不能不防的。

參考文獻(xiàn)：

【1】 林皋,梁青槐 地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計[J];土木工程學(xué)報;2006年01期

【2】 宋子煜 論高層建筑設(shè)計原理[J];消費導(dǎo)刊;2010年01期

【3】 孫友波;結(jié)構(gòu)體系的再造與重構(gòu)——高層建筑結(jié)構(gòu)的探索[J];南方建筑;2004年05期