关于建筑结构设计安全的探讨

作者：刘剑 (郴州市水利水电勘察设计研究院郴州市423000)

【摘要】文章分析了影响结构设计安全的有关因素,以及我国现阶段结构设计的现状,提出

了合理选择结构设计安全度的方法,探讨提高结构设计安全度的新概念。

【关键词】建筑结构设计安全

1建筑结构设计安全度的概念

从事建筑结构设计的基本目的,就是在一定的经济条件下,赋予结构以适当的安全度,使结构在预定的使用期限内,能满足所预期的各种功能要求,一般来说,建筑结构必须满足的功能要求是:

(1)能承受在正常施工和使用时可能出现的各种作用,且在偶发事件中,仍能保持必须的整体稳定性,即建筑结构需具有的安全性;

(2)在正常时具有良好的工作性能,即建筑结构需具有的适用性;

(3)在正常维护下具有足够的耐久性。

上述安全性、适用性和耐久性是建筑结构可靠(或安全)与否的标志,总称为结构的可靠性,对这些性能的度量,即结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率,称为结构的可靠度(或称安全度)。

2选择结构设计安全度的有关因素

结构设计安全度的高低,是国家经济和资源状况,社会财富积累以及设计施工技术水平与材料质量水准的综合反映。具体来说,选择结构设计安全度要处理好与工程直接造价、维修费用以及投资风险(包括生命及财产损失)之间的关系。显然,提高结构设计安全度时,结构的直接造价将有所提高,而维修费用将减少,投资风险亦将减少;如果降低工程造价,则维修费用和投资风险都将提高。所以,确定建筑的结构设计安全度,实际上是在结构造价(包括维修费用在内)与结构风险之间权衡得失,寻求较优的选择。那种单纯以建造时的材料消费用量和经济指标来评价结构安全度的观点,将导致片面的结论。实际上,结构设计安全度的选择,不仅涉及生命财产的损失,有时还会产生严重的社会影响,对某些结构来说,还将可能产生严重的政治后果,而且还涉及到国家的经济基础和技术经济政策。

3我国结构设计安全度现状

自20世纪50年代以来,我国建筑结构的设计方法,经历了容许应力设计法、破损阶段设计法、极限状态设计法和概率极限状态设计法的重大变化。但在结构设计安全度上一直没有大的变化,与国际通用设计标准相比始终处于低水平。在结构设计标准方面,安全度主要表现为安全系数(容许应力法,破损阶段法)、分项系数(极限状态法)和可靠指标(概率级限状态法);同时还与其它许多因素有关,如结构的构造规定,荷载标准值与材料强度标准值的取值,构件承载力计算公式及结构内力分析的精度等。

以混凝土结构为例,比较一下我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)与国外规范在设计安全度上的差别,就可看出其安全度偏低。例如:在构造规定上,我国规范规定柱子压筋的最小配筋率为0.4%,比前苏联1949年的规范0.5%还要少,从总体上看,我国规范中梁的拉筋和柱压筋的最小配筋率比国外约低50%以上。国外对梁的压筋大都有最小配筋率的要求,而我国无此规定。其它诸如箍筋最小配筋率,箍筋间距,配筋最小直径,混凝土保护层厚度等构造要求也普遍比国外标准所要求的低。在荷载取值上,与国外相比,恒载的标准值相差不大,而活载就有很大的差异。从总体来看,美国的楼层活载标准值竟比我国大50%。这是由于我国历史条件限制,在确定荷载标准时总是力求节约,以符合最低要求为出发点,荷载的差异不仅反映在标准值上,更重要的还体现在荷载设计值上,具体来说反映在荷载分项系数上。以恒载标准值G和活载标准值Q组合后的计值为例:中国的计算式为1.2 G+1.4 Q,而美国为1.4 G+1.7 Q,英国为1.4 G+1.6 Q,即恒载G的分项系数我国约低20%,荷载约低15%~20%,从而设计钢筋混凝土楼盖时,荷载设计值平均比英、美等国家低80%左右。而在材料强度设计值上比英美两国的取值高。混凝土至少要高5%~10%,钢筋至少要高3%~6%。这是因为国外对混凝土现场强度检验的标准比我国严格,所以在材料强度标准值的实际保证率上在我国依然偏低,而我国设计规范规定的材料分项系数又比国外低,因而同样的材料,我国规定的材料设计值偏高,造成结构安全度偏低。另外,在构件承载力计算公式的精确度上,也有一些值得探讨的问题。例如对于斜截面抗剪强度承载力计算公式,在一些情况下安全度不足是众所周知的,与英美等国的规范比较,我国规范给出的抗承载计算值竟高出1倍以上。除了冲切承载力以外,我国规范各种承载力计算公式的安全裕度都比国外差。

综上所述,我国建筑结构安全度的现状是:设计规范取用的荷载值比国外低,材料强度的取值比国外高,所用结构承载力计算公式的安全裕度比国外低,甚至在个别情况下偏于不安全,对结构的构造规定又远比国外要求低。也就是说,在设计结构安全度的各个环节中,几乎没有一个环节比国外更偏于安全的。

4根据国情合理选择结构设计安全度

我国在解放初期,物资供应很紧张,国家对外需要备战,对内需要建设,我国从事建筑结构设计、施工和研究的科技人员在非常困难的历史条件下,为我国建设事业作出了巨大的贡献。他们在材料供应和投资经费均很困难的情况下采用了可能是世界上最低的结构设计安全度,为国家建起了尽可能多的建筑结构物。而且这些结构已经受了几十年的考验,这是应该肯定的。但是从20世纪80年代以来,我国的经济形势和综合国力发生了根本的变化,现行的建筑结构设计安全度是否适应国情的需要,值得探讨。目前情况是:

(1)结构造价占整个建筑造价的比例愈来愈小。过去,因为建筑装修和设备都比较简单,没有地价、拆迁、城建等大笔附加费。建筑物的造价以结构造价为主,而目前以商品房为例,中小城市市面上的售价约为2 000元/m2,其中土建成本费仅(700～800)元/m2,结构造价大约不到400元/m2。

(2)对结构使用功能的要求越来越高。现在建筑物内各种设施和财产的价值愈来愈高,对结构的安全度自然会提出更高的要求。随着生产和生活方式的改变,人们要求建筑物在使用过程中具有更大的灵活性,更能适应功能变换的需要,因此,也要求结构安全度有更大的储备。

(3)建筑物已成为商品。国家不再是城镇物业的唯一投资者和拥用者,这是一个重要的变化。过去业主只是国家,国家不堪统建城镇房屋的重负,只能采取低安全度的设计原则。现在业主中有了普通百姓,百姓买房时总希望安全性能好,更何况提高结构设计安全度又不会过多增加费用。

(4)结构材料已能充分供应。钢材、水泥的供应并不紧张,合理地多用一些钢材不仅可提高结构性能,而且还能带动国民经济发展。

综上所述可知:根据目前我国国情,历史遗留下来的结构设计低安全度已不能适应当前和今后的需要,如果继续执行低安全度政策既不符合国家眼前和长远利益,也违背了投资者意愿。从国际上来看,我国现有的结构设计标准由于安全度太低而不能进入国际市场,有损我国的形象。从商品质量的观点来看,既然建筑物是商品,安全度高低应该是商品质量的一个标志,而不能把低于安全度的建筑物说成是高质量商品。

5转变设计思想,全面提高安全度水平

(1)建筑结构作为特殊商品,确定其设计安全度的高低不再是纯政府行为,目前至少会有房屋开发商、保险业和用户参与。开发商应该对其出售建筑物的安全质量负责,在影响售价不多的情况下应尽可能提高安全度,更高的安全性能应作为房屋开发商促销和竞争的一个热点。

(2)我国现行结构设计标准的低安全度原则已不能适用当前的国情,提高我国建筑结构的安全度水平将有利于生产、生活水准的改善,有利于国民经济发展,也符合建筑物业主的利益和要求。

(3)从提高结构安全度出发,为了改善结构物的安全性,要提倡合理地多用钢材,而不再是挖空心思地节约钢材。

参考文献

1陈肇元.要大幅度提高建筑结构设计的安全度[J].建筑结构,1999(1).

2黄兴棣.工程结构可靠性设计[M].北京:人民交通出版社,1989.

3王兴远.抗震结构的最优设防裂度与可靠度[M].北京:科学出版社,1999.