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摘要：本文主要结合作者从事多年结构设计工作，对我国建筑结构设计安全度的现状和我国规范在构造规定、荷载设计值与标准值取值偏低、材料强度设计值取值偏高等间题与国外情况进行了比较, 认为我国现行建筑结构设计安全度标准已不能适应我国经济社会发展的需要, 应大幅度提高。结合近年来地震损失情况还提出应对“大震不倒、中震可修、小震不坏” 的抗震设计原则进行重新审议。此外, 还从市场经济的观点对安全度的确定原则提出了建议。
关键词：建筑结构设计；现状；标准；安全度
中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：
一、建筑结构设计安全度的现状
自50 年代以来, 我国建筑结构的设计方法有了很大的发展, 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。
现以混凝土结构为例, 比较一下我国混凝土结构设计规范GBJ10—89 与国外规范在设计安全度上的差别。
(1) 构造规定结构设计的构造要求是为了弥补强度计算的不足, 其中很多是用来保证结构有必需的延性, 因而往往与配筋量相联系。低用钢量是我国结构设计标准的特色, 这从表1 可看出。我国GBJ 10—89 规范规定柱子压筋最小配筋率为0.4 % ,比蘇联1949 年规范的0.5% 还要少, 当年苏联工业建筑研究院对低标号混凝土柱的试验研究表明, 少于0 .5% 的配筋率不能对混凝土柱的工作产生明显作用。如果以0. 4 % 配筋率用于C60 级混凝土设计成钢筋混凝土柱, 则钢筋对柱承载力的贡献只占4 % ,这种柱子的性能更象是素混凝土柱。
(2) 荷载的设计值与标准值荷载的设计值与荷载标准值及荷载分项系数有关。各国设计规范中的荷载标准值在统计时考虑的宽严程度大不一样。恒载的标准值相差不大, 而活载就有很大差异。表2是我国设计混凝土楼盖时采用的活载标准值与美国规范的对比。从总体看, 美国的楼层活载标准值平均竟比我国大5 0 % 。我国由于受历史条件的限制, 在确定荷载标准值时总是力求节约, 以符合最低要求为出发点。又如, 在确定风载时, 尽管我国规定的结构设计基准期为50 年, 却以30 年一遇的平均最大风速作为风压标准值的依据, 也比国外的标准值低。荷载的差异不仅反映在标准值上, 更重要的还体现在荷载分项系数上。(3) 材料强度的设计值与标准值 材料强度的设计值等于材料强度标准值除以材料分项系数。材料强度标准值是统计确定的, 各国多取95 % 保证率的强度作为标准值。看起来没有差别, 但各国对混凝土现场强度检验的标准不一样, 国外的比我国严格,所以材料强度标准值的实际保证率我国依然偏低。此外, 我国设计规范规定的材料分项系数又比国外低(表4), 因而同样的材料, 我国规定的材料强度设计值要比英美的高, 混凝土至少高5 % —10 % , 钢筋至少高3%—6 %。
材料强度分项系数表
注: 美国ACI 规范的设计表达式与我国及英国不一样,其中无分项系数。表中所列值为经过换算后得出的相当于分项系数的等效值。
(4) 构件承载力计算公式的精确度我国规范GBJ10—89 在正截面强度计算上采用了关。关的规定, 使得偏心距处于大小偏压界限附近的压弯构件偏于不安全, 也使配筋率较大并接近界限配筋率的受弯构件偏于不安全。当采用高强混凝土或高强钢筋时问题尤为严重。而国外在正截面强度计算中均取混凝土压区等效矩形应力图的应力为。我国规范的斜截面抗剪强度计算公式在一些情况下安全度不足是众所周知的, 与英美等国规范比较, 我国规范给出的抗剪承载力计算值有时竟高出一倍以上。可能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。
二、现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要
从80 年代以来, 我国的经济形势发生了根本的变化, 主要表现是:
(l) 结构造价占整个建筑造价的比例愈来愈小 过去, 建筑物的造价以结构造价为主, 因建筑装修和设备都比较简单, 更没有地价、拆迁、城市建设等大笔附加费。以商品房为例, 目前中小城市的瞥价约为2000元/ m2, 其中土建成本费仅70 0 —8 0 元/ m2, 而结构造价大概不到300元/ m2。多放一些钢筋, 将房子设计得更加结实些, 增加的费用极其有限。对大城市的高档办公楼和住宅, 提高结构安全度对建筑总造价影响更小。
(2) 对结构使用功能的要求愈来愈高现在建筑物内各种设施和财产愈来愈值钱, 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更新, 人们希望建筑物在使用过程中具有更大的灵活性, 能够适应功能变换的需要, 这也要求结构安全度有更大的储备。
(3 )对可持续性发展愈来愈重视 可持续发展对建筑结构的耐久性提出了更高的要求。建造建筑结构所需的砂、石、水泥、钢材都取自宝贵的资源, 生产水泥、钢材等既消耗能源又造成污染, 所以延长建筑结构寿命是节约资源和保护环境的重要措施。设计时如安全储备大一些, 对耐久性和使用寿命无疑是有利的。
(4 )建筑物已成为商品现在建筑物业已成为商品, 国家不再是城镇物业的唯一投资者和拥有者.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, 百姓买房总认为结实些好, 何况提高结构设计安全度不会过多增加费用。
三、关于建筑结构的抗瓜设计标准
我国绝大多数城镇处于地震区, 国家制定了“ 大震不倒、中震可修、小震不坏” 的抗震设计原则。我国现行抗震设防标准是比较低的, 中震相当于在规定的设计基准期内(50 年) 超越概率为10 %的地震烈度。根据国家颁布的中国地震烈度表, 烈度为7 度时地震水平加速度参考值平均为125 cm/s2 , 8度时为250 cm/s2 , 而在建筑抗震设计标准中又分别将其降低为100 和200 cm/s2 。设防标准低的根本原因, 还在于从国家财力、物力有限的状况考虑。
我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外,具体抗震计算方法和构造规定的安全裕度也不如国外, 在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。
四、需要从商品的角度粉待建筑结构设计安全度
有一种观点认为, 提高建筑结构的设计安全度只能微调, 否则就无法对已建工程作出交待。这个问题其实并不存在, 象汽车、飞机等各种产品在不断提高其安全性能时从来不需要照顾过去, 为什么在提高建筑物的安全度时就得向后看呢? 它们都是商品,商品质量的提高在资源和用户财力能够承受的前提下应该受到鼓励, 而不是限制, 这样才会有生产的发展和进步。在建筑结构的抗震要求上, 国家需要规定的是抗震设防的最低标准, 而不需限制业主提高设防能力的要求。
五 、结束语：
最后, 笔者要声明, 本文的看法实无新颖之处,更不是通过专题研究后的总结, 现在写出来无非是希望引起有关部门的注意, 并求教于同行们。为撰写本文, 笔者要感谢建筑工程界前辈杜拱辰先生的鼓励, 要感谢建设部科学技术委员会委员邵卓民研究员和中国建筑科学研究院白生翔、徐有邻研究员的支持。由于时间仓促, 一些数字未及核对, 错误和不当之处敬请读者指正。
关键词：建筑结构设计；现状；标准；安全度
中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：
一、建筑结构设计安全度的现状
自50 年代以来, 我国建筑结构的设计方法有了很大的发展, 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。
现以混凝土结构为例, 比较一下我国混凝土结构设计规范GBJ10—89 与国外规范在设计安全度上的差别。
(1) 构造规定结构设计的构造要求是为了弥补强度计算的不足, 其中很多是用来保证结构有必需的延性, 因而往往与配筋量相联系。低用钢量是我国结构设计标准的特色, 这从表1 可看出。我国GBJ 10—89 规范规定柱子压筋最小配筋率为0.4 % ,比蘇联1949 年规范的0.5% 还要少, 当年苏联工业建筑研究院对低标号混凝土柱的试验研究表明, 少于0 .5% 的配筋率不能对混凝土柱的工作产生明显作用。如果以0. 4 % 配筋率用于C60 级混凝土设计成钢筋混凝土柱, 则钢筋对柱承载力的贡献只占4 % ,这种柱子的性能更象是素混凝土柱。
(2) 荷载的设计值与标准值荷载的设计值与荷载标准值及荷载分项系数有关。各国设计规范中的荷载标准值在统计时考虑的宽严程度大不一样。恒载的标准值相差不大, 而活载就有很大差异。表2是我国设计混凝土楼盖时采用的活载标准值与美国规范的对比。从总体看, 美国的楼层活载标准值平均竟比我国大5 0 % 。我国由于受历史条件的限制, 在确定荷载标准值时总是力求节约, 以符合最低要求为出发点。又如, 在确定风载时, 尽管我国规定的结构设计基准期为50 年, 却以30 年一遇的平均最大风速作为风压标准值的依据, 也比国外的标准值低。荷载的差异不仅反映在标准值上, 更重要的还体现在荷载分项系数上。(3) 材料强度的设计值与标准值 材料强度的设计值等于材料强度标准值除以材料分项系数。材料强度标准值是统计确定的, 各国多取95 % 保证率的强度作为标准值。看起来没有差别, 但各国对混凝土现场强度检验的标准不一样, 国外的比我国严格,所以材料强度标准值的实际保证率我国依然偏低。此外, 我国设计规范规定的材料分项系数又比国外低(表4), 因而同样的材料, 我国规定的材料强度设计值要比英美的高, 混凝土至少高5 % —10 % , 钢筋至少高3%—6 %。
材料强度分项系数表
注: 美国ACI 规范的设计表达式与我国及英国不一样,其中无分项系数。表中所列值为经过换算后得出的相当于分项系数的等效值。
(4) 构件承载力计算公式的精确度我国规范GBJ10—89 在正截面强度计算上采用了关。关的规定, 使得偏心距处于大小偏压界限附近的压弯构件偏于不安全, 也使配筋率较大并接近界限配筋率的受弯构件偏于不安全。当采用高强混凝土或高强钢筋时问题尤为严重。而国外在正截面强度计算中均取混凝土压区等效矩形应力图的应力为。我国规范的斜截面抗剪强度计算公式在一些情况下安全度不足是众所周知的, 与英美等国规范比较, 我国规范给出的抗剪承载力计算值有时竟高出一倍以上。可能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。
二、现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要
从80 年代以来, 我国的经济形势发生了根本的变化, 主要表现是:
(l) 结构造价占整个建筑造价的比例愈来愈小 过去, 建筑物的造价以结构造价为主, 因建筑装修和设备都比较简单, 更没有地价、拆迁、城市建设等大笔附加费。以商品房为例, 目前中小城市的瞥价约为2000元/ m2, 其中土建成本费仅70 0 —8 0 元/ m2, 而结构造价大概不到300元/ m2。多放一些钢筋, 将房子设计得更加结实些, 增加的费用极其有限。对大城市的高档办公楼和住宅, 提高结构安全度对建筑总造价影响更小。
(2) 对结构使用功能的要求愈来愈高现在建筑物内各种设施和财产愈来愈值钱, 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更新, 人们希望建筑物在使用过程中具有更大的灵活性, 能够适应功能变换的需要, 这也要求结构安全度有更大的储备。
(3 )对可持续性发展愈来愈重视 可持续发展对建筑结构的耐久性提出了更高的要求。建造建筑结构所需的砂、石、水泥、钢材都取自宝贵的资源, 生产水泥、钢材等既消耗能源又造成污染, 所以延长建筑结构寿命是节约资源和保护环境的重要措施。设计时如安全储备大一些, 对耐久性和使用寿命无疑是有利的。
(4 )建筑物已成为商品现在建筑物业已成为商品, 国家不再是城镇物业的唯一投资者和拥有者.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, 百姓买房总认为结实些好, 何况提高结构设计安全度不会过多增加费用。
三、关于建筑结构的抗瓜设计标准
我国绝大多数城镇处于地震区, 国家制定了“ 大震不倒、中震可修、小震不坏” 的抗震设计原则。我国现行抗震设防标准是比较低的, 中震相当于在规定的设计基准期内(50 年) 超越概率为10 %的地震烈度。根据国家颁布的中国地震烈度表, 烈度为7 度时地震水平加速度参考值平均为125 cm/s2 , 8度时为250 cm/s2 , 而在建筑抗震设计标准中又分别将其降低为100 和200 cm/s2 。设防标准低的根本原因, 还在于从国家财力、物力有限的状况考虑。
我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外,具体抗震计算方法和构造规定的安全裕度也不如国外, 在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。
四、需要从商品的角度粉待建筑结构设计安全度
有一种观点认为, 提高建筑结构的设计安全度只能微调, 否则就无法对已建工程作出交待。这个问题其实并不存在, 象汽车、飞机等各种产品在不断提高其安全性能时从来不需要照顾过去, 为什么在提高建筑物的安全度时就得向后看呢? 它们都是商品,商品质量的提高在资源和用户财力能够承受的前提下应该受到鼓励, 而不是限制, 这样才会有生产的发展和进步。在建筑结构的抗震要求上, 国家需要规定的是抗震设防的最低标准, 而不需限制业主提高设防能力的要求。
五 、结束语：
最后, 笔者要声明, 本文的看法实无新颖之处,更不是通过专题研究后的总结, 现在写出来无非是希望引起有关部门的注意, 并求教于同行们。为撰写本文, 笔者要感谢建筑工程界前辈杜拱辰先生的鼓励, 要感谢建设部科学技术委员会委员邵卓民研究员和中国建筑科学研究院白生翔、徐有邻研究员的支持。由于时间仓促, 一些数字未及核对, 错误和不当之处敬请读者指正。