对混凝土结构设计安全度和规范修订的几点看法

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 对混凝土结构设计安全度和规范修订的几点看法

陈肇元 教授清华大学土木工程系教授中国工程院院士中国土木工程学会副理事长 摘 要 对混凝土结构设计安全度和规范的修订，提出了以下三方面看法：①规范中的安全度设定水平需要大幅度提高；②关于可靠度设计理论；③关于设计规范的强制性。 关键词 混凝上结构 设计规范 可靠度设计 安全度设定水平对于混凝土结构设计规范中的安全度设置水平，我在1998年7月提交规范修订组领导的一封信中和1999年年初刊出的一篇文章[1]中已经表达了看法。 　　这篇题为《要大幅度提高建筑结构设计安全度》的文章，代表了一部分同志的看法，原本是应约撰写，从不同角度为规范修订提供参考意见。这份材料中有两处不妥，一是对抗震设计的“小震不坏”原则提出了质疑而又未做详细解释。我在原稿寄出后不久就写信通知要求删去，但最后还是未能及时转到杂志社并刊了出来。另外，这篇文章冠以“建筑结构”的标题也不合适，因为文中只论及混凝土结构，而钢、木等结构的安全度可能是另一回事。 1、规范中的安全度设定水平需要大幅度提高 　　我对规范低安全度的看法，最早源于从事高强混凝土结构科研和推广应用工作中的感受。用现行规范设计C50～C60级高强混凝土结构，其安全储备比普通强度的混凝土还要低，给推广造成困难和阻力，何况一项新技术的开始应用会存在经验不足等问题，更需要有较为宽松的安全度环境；过低的安全度难免捉襟见肘，对新技术推广不利。我国规范安全度与国外的差别已有不少资料作过报道，现在再看我国规范安全度从解放后的演变，以受弯构件为例，将安全度统一折算成解放初期按破损阶段设计方法时的总安全系数K，则在最早的东北人民政府设计规程中K等于2.0；后改为与当时的苏联规范相同即1.8，但钢材强度取值仍低于苏联；约在1956年后，按三系数极限状态方法的苏联规范设计，K降到约1.55～1.6，1965年我国颁布的BJG21-66规范与此相同；1974年颁布TJ10-74规范，受弯构件K值又略有降低；1989年颁布的现行规范，K值大体保持在1965年规范的水平。这里需要指出的是，50年代设计时所用的楼层活荷载标准值基本参照了苏联荷载规范的取值，而在1959年颁布我国的荷载规范后，不少类型建筑物的楼层活荷载标准值都降低了，导致这类结构安全储备的进一步降低。 　　横向比较各国规范以及竖向纵观我国规范的演变，可以深切体会到规范作为上层建筑，必然反映时代社会经济的特色和需要。在这次规范修订中，除了必需从专业的技术角度对安全度作细致分析外，如何从社会经济的角度进行深入探讨可能更为重要。这是因为我国正处在从短缺型的社会主义计划经济体制过渡到社会主义市场经济体制的转型期，而整个世界正面临科技和生产飞速更新时代的到来。近十年来，我国的社会经济状况发生了从未有过的根本性变化，而我们现在设计的建筑物又必需适应今后几十年乃至上百年内生产和生活水平的发展。 　　规范和标准如何从短缺型计划经济影响下走出来，使之更好地为社会主义市场经济基础服务，这是本次规范修订不同于以往历次修订的主要区别，理应作为本次修订中首要考虑的问题。随便举例来说，我们对普通公寓住宅的层高标准作了限制，在北京地区规定为2.7m（净空仅2.55m），也不准设计人员或用户提高房屋抗震设防等级，这些限制是否反映了过去短缺经济年代的特色？短缺经济的主要倾向是竭尽全力去约束消费和限制投资，并伴以过多的行政干预来加以保证。过去讲节约，偏重于初期一次性投资和用料的节省，较少顾及长期和整体效益，更少考虑用户的利益和要求；设计规范的低安全度和某些荷载标准值的过低取值，也是短缺经济造成的。在今天的市场经济体制下，如果只需花相对较少的钱，换得更为结实耐久的房子住，应属合理消费受到鼓励，为此而必须多花一些钢材也属于合理使用，说不上有违节约原则。安全度的设置本来就是用来对付比较意外的情况，低安全度的房子尽管在一般情况下安全可靠，但是抵御外界不确定性作用的能力相对较弱。房子结实些，寿命长些，符合国家提高人民生活质量的要求；万一发生不测地震，可以减少生命财产损失；再说这种合理消费并不要政府掏钱，而且合理的多用些钢材、水泥又能促进生产发展，从眼前讲，还多少能缓解通货紧缩的困难。这些说法从短缺经济的立场上看是格格不入的，但符合眼前和长远利益以及市场经济的需要。 　　当然，节约作为人类可持续发展的需要和一种美德，应该是结构设计人员的重要守则。这里提出探讨的只是计划经济年代曾经盛行一时的片面的节约，但即使是那种节约在过去短缺经济下仍是合理和必需的，问题是将它搬到今天的社会经济状况和体制下，有时就不再适宜。 　　提高结构的安全性能需要从结构选型、结构构造、结构布置、材料选择等多个方面作出努力，以加强结构的整体性、延性和耐久性，提高其抗御不测之灾和防止倒塌、特别是抵抗连续倒塌的能力。也许基于概念设计的这些措施，对于增进结构安全更为有效且更符合经济节约的原则。比如这次规范修订组提出的用新Ⅲ级钢替代Ⅱ级或Ⅰ级钢，就能带来立竿见影的效果。可是为了增强延性和防倒塌能力，主要还得靠合理加大构造用钢量。上述与结构安全性能有关的众多因素较难用数值形式加以度量，而我们在这里所讨论的安全度，则仅限于截面强度的安全度和与之有关的荷载标准值和材料强度标准值等能够用数值度量的那些参数。 　　提出要大幅度提高设计安全度，无非是基于客观形势变化和对现行安全度进行初步分析比较后的一种宏观的定性估计。究竟需要提高多少，则需经过课题立项研究才能确定。对于规范修订组这次提出的设计可靠度改进意见[2]，总的趋势是往高处调，对此我表示拥护；虽然幅度不够大。我国幅员广阔，各地经济发展很不平衡，象京、沪、穗等国际性大都市，建筑结构的安全度应高些，经济不发达的边缘地区允许适当低些。规范修订时是否尚可通过结构重要性系数，或者荷载标准值取值，或地方性标准予以区别对待，大城市的结构安全储备是否能再高些，当然也可以分步渐进。钢材的分项系数过去偏低，似不宜再低于1.1。梁的最小配筋率一般根据截面抗弯屈服能力不低于截面拉区混凝上抗裂能力的原则来定，具体计算时所用的材料强度似宜采用平均值而不是标准值，否则从概率保证的角度不能符合要求。 2、关于可靠度设计理论 　　将可靠度设计理论用于设计规范，不论在学术或工程界一直有分歧意见[3]。我倾向于多安全系数的极限状态设计法，因为其中对安全度的表示比较灵活又易于理解，而且在确定各项安全系数时并不排斥利用可靠度理论手段进行分析对比，然后再综合考虑其它因素加以修正。 　　由于现行建筑结构设计规范业已采用了可靠度设计理论，其在规范中的计算表达形式又与多安全系数方法相似，在实用上姑且将它理解为多安全系数也并无不可。在这种情况下，我赞成承认现实，在这次修订中还是保留现有的设计方法体系为好。可靠度理论对于不同类型工程结构的适用程度肯定会有很大差别，用于混凝土建筑结构尚没有解决不了的大问题，所以不宜再变。至于尚未使用的规范似宜适当放慢“统一”步伐，实在难以使用的更不宜通过行政手段去统一。可靠度理论还在发展，这方面的学术讨论希望能够深入开展下去。 　　结构安全度需要考虑的因素过于综合，尤其是规范中的结构安全度，它不同于某个具体工程，需要考虑和照顾的方面更多，包括非技术性的社会经济因素、政策因素等等。可靠度设计理论有其先进的一面，也有其不足之处；可靠度理论也有某些假定和约束条件，会有意或无意地省略某些本应考虑而用这一理论又难以处理的一些因素。技术科学理论一般擅长于分析，而规范安全度的设定除了要用分析外更需要综合，因此经验和判断更为重要。 　　可靠度理论强调三个“正常”作为前提，即正常设计、正常施工和正常使用。这三个正常带有较大的模糊性，有时甚难界定。比如野蛮施工绝非正常，很容易确认；可是针对我国施工中的上千万农民队伍以及管理水平薄弱的现状，这种状况是否正常？这个问题带有普遍性，而且要改变这一状况需有较长的过程。如果在设定规范安全度水平时完全不予理采，不考虑它会增加某种程度人为失误的可能性及其对工程质量的影响，显然是不合适的。规范面对的是群体而不是某个具体建筑的施工现场。我们不能因为不好统计、不好用理论分析处理，就将某些应该考虑的问题列入不正常。再举居民装修房屋用地板砖压裂了预制混凝土楼板的事例，有的同志认为这是不正常使用，因为设计时并没有考虑过装修地面；或者认为这是不正常设计，因为设计人员在设计时漏掉了地板砖这项恒载，而规范则无责任。但是用户则认为现在城市里家家搞装修，不装修才是不正常使用。而设什人员也说地面装修应属活载，因为今天地板砖，明天拆掉改成木地板，不能作为恒载，仍反正常设计。这个问题其实出在规范荷载标准值的统计上，规范的荷载统计样本取自过去不搞装修的短缺经济年代里。所以单凭过去或现有样本所得出的荷载统计值，理论上看来完整无缺，但用到规范仍需通过经验和判断加以修正，因为这些数据尚不能代表未来可能的发展。但如规范的安全度比较宽裕，就不至于出现这种问题。这次规范修订组提出了今后要加列装修荷载，对于这一规定，似乎还可商榷，因为随着生产、生活水平的发展，类似装修荷载那样的其它小型荷载，在今后几十年内还有可能出现。我们现在很难加以充分想象和估计，这类小型荷载应该通过提高活载的标准值和相应的分项系数来解决。国外规范的楼板荷载中还考虑偶然撞击的影响。作出这些改进其实都容易办到，因为每平米造价可能增加不了5元钱。 　　前些时候有报纸报道，有些房管部门给住户发通知，规定住户室内荷载不许超过1.5kPa，即规范确定的标准值。这种做法损害了住户的利益，荷载标准值是按正常使用情况统计出来的，统计对象中有的就超过标准值，否则就用不到荷载分项系数。这一房管部门的做法不知出于何种考虑，也给住户带来心理压力。但是这种现象是否从另一个侧面反映了设计安全度过低所带来的不必要麻烦。 3、关于设计规范的强制性 　　我国的设计规范是强制性的。对于设计人员来说，规范就是法律，只要不违反规范要求，即使设计出了问题，设计人就有可能不负任何法律责任。而国外发达国家的许多设计规范则是指导推荐性的，设计出了问题得自己负责，休想将责任推向规范。所以我国规范的编制工作有着更高的要求，同时也会遇到一些不好解决的困难。以往的最小配筋率为例，国外规范中是0.8％～1％，这个数值作为指导值是比较适宜的，而设计人员可以根据具体情况取用更低的配筋率。例如国际知名的芝加哥Water Tower大厦，其上层柱的轴力甚小，而截面和承载力很大，所以一些柱的配筋率就远低于ACI规范的最小配筋率，但如换成我国规范，也采用0.8％～1％的最小配筋率，遇到这一情况就不能合理降低配筋率。可是如将柱的最小配筋率定得低了，当柱的轴力与承载力相比业已达到相近的程度，那么0.4％的最小配筋率显然偏低，因而出现高也不是、低也不是的困难。又如我国规范并没有明文规定设计人员不准采用高于规范设定的安全度水平，但在过去计划经济时代的影响下，缺乏经验的设计人员有时还是不善于针对具体工程对象的需求和具体的施工环境条件，必要时加以灵活运用；而与此相反，某些故意钻规范空子的人则会沿着规范允许的最低边缘路线行事，以达到其不良目的并推卸责任。 　　要解决这些难题，根本的办法是逐渐淡化规范的强制性质。强制性规范还不利于人们发挥创造性。在今天市场经济体制下，尤其要求设计人员有更强的创新精神，去适应日益丰富多彩和功能千奇百怪的工程建筑物以及迅速发展变化的生产和生活方式。一本比较简明的规范，再加上各种各样正规的指导性专题技术文件（指南、建议等）与之配套，对设什人员来说可能更为好用和更有帮助。不过这又会牵涉到规范管理体制上的改革，已是超出这次规范修订的题外话了。   参考文献 　1 陈肇元，要大幅度提高建筑结构设计的安全度，建筑结构，1999年第1期 　2 李明顺、胡德炘，我国建筑结构设计可靠度设定水平的分析与改进意见，1999年7月 3 结构设计安全度专题讨论会的讨论发言综述（1999年5月14日）．中国土木工程学报，待发表 　(摘自《建筑科学》第15卷第5期pp23-pp25,1999年10月)