宋奇叵

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082)

引言

給水排水工程結(jié)構(gòu)專業(yè)的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系源于《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 69 -84), 為了指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員正確理解與運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)編寫出版了《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》1984 版。 84 系列標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠性采取了單一綜合安全系數(shù)法的表達(dá)式, 安全系數(shù)數(shù)值依據(jù)建筑工程標(biāo)準(zhǔn)體系確定。

中國建筑科學(xué)研究院在20 世紀(jì)70 年代開始進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)范課題——“結(jié)構(gòu)安全度與荷載組合”的研究。 于1984 年發(fā)布了我國首部結(jié)構(gòu)安全性可靠度標(biāo)準(zhǔn), 即《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 68 -84), 與其配套的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GBJ 9 -87)、 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 10 -89)、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 17 -88)、 《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 7 -89)等相繼發(fā)布實(shí)施。 面對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的體系整體轉(zhuǎn)變, 為了完成《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》順暢轉(zhuǎn)型, 給水排水工程結(jié)構(gòu)專業(yè)的相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行了大量的分析對比工作。 首先總結(jié)GBJ 69 -84 的執(zhí)行情況和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 進(jìn)一步完善和落實(shí)規(guī)范參數(shù)的可靠性, 同時(shí)開展與建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的對比分析工作, 建立起以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ), 融合給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)安全可靠度設(shè)計(jì)參數(shù)框架體系。 在2002 年同時(shí)發(fā)布實(shí)施了《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50069-2002)和《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332 -2002)。

到目前為止, 《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 68 -84)經(jīng)歷了 2001 版、 2008 版和 2018 版修訂, 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》發(fā)布了2001 版、2006 局部修訂版、 2012 版, 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》也已修訂頒布了2002 版、 2010 版, 相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)其他標(biāo)準(zhǔn)均在89 系列基礎(chǔ)上經(jīng)歷過2 版以上的修訂工作。 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)版本的升級修訂, 對給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩本標(biāo)準(zhǔn)不可避免地會(huì)帶來影響, 或者不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。 本文希望通過對比分析, 說明現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所存在的差距, 提出修改建議。

1 給水排水工程結(jié)構(gòu)安全可靠性體系的建立

1.1 給水排水工程結(jié)構(gòu)首部規(guī)范GBJ 69 -84

GBJ 68 -84 頒布實(shí)施以前, 我國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系全盤套用前蘇聯(lián)多系數(shù)分析與單系數(shù)表達(dá)的安全指標(biāo)法, 《鋼筋混凝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ 10-74)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中具有特殊代表性, 其與《工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(TJ 9 -74)配套, 針對混凝土構(gòu)件、 鋼筋混凝土構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件分別規(guī)定了強(qiáng)度基本安全系數(shù),并按照結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件類型規(guī)定了附加安全系數(shù), 以及抗裂設(shè)計(jì)安全系數(shù)。 設(shè)計(jì)表達(dá)式通常為:

其中,K是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù),S是構(gòu)件各種荷載效應(yīng)函數(shù),R是構(gòu)件最大抗力函數(shù), 材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按平均強(qiáng)度值取用[1]。 構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)K由基本安全系數(shù)與附加安全系數(shù)的乘積組成, 設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值見表1。 對于鋼筋混凝土構(gòu)件, 當(dāng)一般要求不出現(xiàn)裂縫時(shí), 其正截面的抗裂設(shè)計(jì)安全系數(shù)Kf不應(yīng)小于1.25, 對抗裂有較高要求的構(gòu)件尚應(yīng)適當(dāng)提高抗裂設(shè)計(jì)安全系數(shù)。對于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件, 當(dāng)嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫時(shí), 正截面抗裂設(shè)計(jì)安全系數(shù)應(yīng)取1.25； 一般要求不出現(xiàn)裂縫時(shí)應(yīng)取1.15； 使用中允許出現(xiàn)裂縫, 且抗裂設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于0.7 時(shí), 可不進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。

表1 規(guī)范TJ 10 -74 中設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值[1]Tab.1 Safety factor value of design in TJ 10 -74[1]

GBJ 69 -84 規(guī)范依從上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系的原則, 建立了給水排水工程鋼筋混凝土構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本安全體系框架。 對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的構(gòu)件基本安全系數(shù)和附加安全系數(shù)進(jìn)行了細(xì)致規(guī)定, 見表2, 成為未來鋼筋混凝土貯水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級的奠基石。 對比GBJ 69 -84 與TJ10 -74 中關(guān)于水池池壁構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的附加安全系數(shù)取值可以看出, 承受靜水壓的池壁構(gòu)件按照TJ 10 -74 規(guī)定強(qiáng)度附加安全系數(shù)為1.00 ～0.90 屬降低性附加。 而 GBJ 69 -84 規(guī)范的強(qiáng)度附加安全系數(shù)為1.00 ～1.05, 屬增強(qiáng)性附加, 兩者設(shè)計(jì)結(jié)果將相差出1.05 ～1.17 倍。

表2 規(guī)范GBJ 69 -84 中強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值[2]Tab.2 Safety factor value of strength design in GBJ69 -84[2]

1.2 建筑工程結(jié)構(gòu)概率理論為基礎(chǔ)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的建立

GBJ 68 -84 規(guī)范首次提出了建筑結(jié)構(gòu)在特定條件下的規(guī)定時(shí)間內(nèi), 必須滿足的四項(xiàng)基本功能, 明確了結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率被稱為是結(jié)構(gòu)可靠度的定義, 規(guī)定計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 年。 GBJ 68 -84 規(guī)范規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則, 定義結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不能滿足一項(xiàng)基本功能時(shí)的特定狀態(tài)為極限狀態(tài), 作為界定工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠的界定狀態(tài)條件。 當(dāng)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)僅有作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力兩個(gè)基本變量時(shí), 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列表達(dá)式要求:

其中:S為結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)；R為結(jié)構(gòu)的抗力；β為可靠指標(biāo)；μR、μS為平均值；σR、σS為標(biāo)準(zhǔn)差。 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí), 承載力極限狀態(tài)采用的可靠指標(biāo)根據(jù)破壞類型和安全等級按表3 確定。

表3 承載力極限狀態(tài)時(shí)可靠指標(biāo)[3]Tab.3 Reliability index of bearing capacity in ultimate state[3]

為了照顧設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣, GBJ 68 -84 規(guī)范中的可靠度設(shè)計(jì)方法采用了類似多安全系數(shù)的表達(dá)式方式。 其中多種荷載分項(xiàng)系數(shù)、 各種材料分項(xiàng)系數(shù)表面與多個(gè)安全系數(shù)相似, 但實(shí)質(zhì)上有著本質(zhì)區(qū)別, 多安全系數(shù)主要基于經(jīng)驗(yàn)相互獨(dú)立地確定, 而分項(xiàng)系數(shù)則從可靠度指標(biāo)道出, 表達(dá)式中每個(gè)分項(xiàng)系數(shù)都同時(shí)與荷載變異系數(shù)δS、 抗力變異系數(shù)δR以及可靠度指標(biāo)值β存在函數(shù)關(guān)系,所以荷載分項(xiàng)系數(shù)也取決于抗力中的材料變異性, 而對于材料強(qiáng)度的分項(xiàng)系數(shù)也與荷載變異性有關(guān)。 規(guī)范中分項(xiàng)系數(shù)已失去了原來安全系數(shù)的物理概念[4]。 對于荷載分項(xiàng)系數(shù)取值問題, 規(guī)范在編制過程中進(jìn)行了大量的對比優(yōu)化分析[5], 以各類構(gòu)件所具有的可靠指標(biāo)與規(guī)定可靠指標(biāo)之間總體差距最小為原則, 確定荷載分項(xiàng)系數(shù)統(tǒng)一取值為: 恒荷載荷載分項(xiàng)系數(shù)γG=1.2, 活荷載分項(xiàng)系數(shù)為γQ=1.4。

以GBJ 68 -84 規(guī)范的原則為基礎(chǔ), GBJ 9 -87 及GBJ 10 -89 等系列規(guī)范開始了我國工程建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)方法的變革, 即以概率理論為基礎(chǔ)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法替代單一安全系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的轉(zhuǎn)變。 對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),GBJ 10 -89 在確定材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)分別進(jìn)行了可靠度分析和工程經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn), 以新舊標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)件承載能力相等為原則, 采取先以軸拉構(gòu)件確定鋼筋材料分項(xiàng)系數(shù)γS, 再以軸壓構(gòu)件確定混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)γC, 并以此材料系數(shù)和各類構(gòu)件的可靠度指標(biāo)為基礎(chǔ), 確定極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式中相關(guān)設(shè)計(jì)系數(shù)。 在所進(jìn)行的工程經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)法中,新規(guī)范體系的活荷載與恒荷載比率采用ρ=0.5,平均荷載分項(xiàng)系數(shù)取值為1.27, 即1.2 ×2/3 +1.4/3≈1.27。 因此, 當(dāng)新規(guī)范體系的結(jié)構(gòu)綜合荷載分項(xiàng)系數(shù)大于1.27 時(shí), 其設(shè)計(jì)結(jié)果的材料用量均將比舊規(guī)范體系有所增加。

1.3 給水排水工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)行規(guī)范GB 50069 -2002、 GB 50332 -2002

21 世紀(jì)給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 是以GBJ 68 -84 的修訂版 GB 50068 -2001 為依據(jù),與以概率理論為基礎(chǔ)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的規(guī)范新體系相協(xié)調(diào), 對GBJ 69 -84 進(jìn)行修訂的新體系規(guī)范。 在這次規(guī)范修訂中, 首先對GBJ 69 -84的使用范圍進(jìn)行了拆分, 即《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50069 -2002)和《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332 -2002),分別針對給水排水工程混凝土構(gòu)筑物或各類管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中, 有關(guān)材料性能要求、 各種作用的標(biāo)準(zhǔn)值、 作用的分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)、 承載能力和正常使用極限狀態(tài)等共性要求進(jìn)行明確規(guī)定, 對于單一類型的構(gòu)筑物或管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)方法, 采用協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)程形式進(jìn)行規(guī)定[6,7]。

給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系列規(guī)范修訂中, 主要采取工程經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)法, 在與GBJ 69 -84 對比分析的基礎(chǔ)上, 借鑒國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 確定各相關(guān)設(shè)計(jì)系數(shù)。 針對荷載作用的分類和作用標(biāo)準(zhǔn)值, 系列規(guī)范主要遵循GB 50068 -2001[8]和GB 50009 -2001[9]所規(guī)定原則取值。 其中荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值的取值計(jì)算與GBJ 69 -84 基本一致, 荷載作用的分類定義與GB 50009 -2001 相同。 對于給水排水工程結(jié)構(gòu)特有荷載作用, 如埋地土壓力、 構(gòu)筑物內(nèi)水壓力、 管道內(nèi)水壓力, 規(guī)范進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定。 即盛水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)水位應(yīng)取正常運(yùn)行條件下的最高水位, 而構(gòu)筑物內(nèi)水壓力應(yīng)按設(shè)計(jì)水位的靜水壓力計(jì)算荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值, 并將構(gòu)筑物內(nèi)盛水壓力歸屬于永久作用。 管道內(nèi)水壓力荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)依據(jù)管道正常運(yùn)行條件下可能出現(xiàn)的最高工作壓力確定, 雖然該荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值取值基本為上限, 具有較高的保證率, 但實(shí)際運(yùn)行過程中數(shù)值變化與平均數(shù)相比差異較大,且在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)隨時(shí)都在改變, 因此管道內(nèi)水壓力的荷載作用類型被歸屬于可變作用。 關(guān)于埋地土壓力和地下水壓力的荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值在建筑工程系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒有明確規(guī)定, 在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中, 水土壓力主要涉及重力式擋墻的穩(wěn)定驗(yàn)算, 不同于構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系列規(guī)范則明確規(guī)定, 土壓力標(biāo)準(zhǔn)值按工程實(shí)際埋置深度與回填土密度(18kN/m3)的乘積取值, 其荷載作用類型屬于永久作用； 地表水或地下水壓力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)水文資料的1%概率統(tǒng)計(jì)值的最高或最低水位的靜水壓力計(jì)算確定, 其荷載作用類型屬于可變作用。

從給水排水工程構(gòu)筑物運(yùn)行條件分析, 通常構(gòu)筑物側(cè)壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力極限狀態(tài)可分為兩種荷載作用工況, 即閉水驗(yàn)收期間的池外無覆土池內(nèi)最大滿水狀態(tài)——內(nèi)水外空工況, 以及運(yùn)行期間檢修的池外堆土和地下水位達(dá)到設(shè)計(jì)限制池內(nèi)空池?zé)o水的狀態(tài)——外土內(nèi)空工況。 這兩種工況對于地埋式構(gòu)筑物通常屬于特殊狀態(tài)的短時(shí)作用工況。 當(dāng)構(gòu)筑物側(cè)壁按純彎曲構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí), 構(gòu)件自重的荷載作用效應(yīng)影響可被忽略, 從表4 分析可以看出, 對側(cè)壁構(gòu)件承載力極限狀態(tài)起控制作用的荷載作用效應(yīng)比較單一。 遵循建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范工程經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)法的原則和方法, GB 50069-2002 規(guī)定了表4 所列的荷載作用分項(xiàng)系數(shù)。 因?yàn)镚BJ 69 -84 規(guī)范對水池池壁和底板的附加安全系數(shù)規(guī)定取值為1.05, 按設(shè)計(jì)承載力等量原則, 池壁結(jié)構(gòu)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)為1.27 ×1.05≈1.33。 由于土壓力、 地下水壓力的荷載作用分項(xiàng)系數(shù)均取值為1.27, 池內(nèi)水壓力取值為1.40,所以, 對于以外土和地下水壓力荷載為主的外土內(nèi)空工況, GB 50069 -2002 規(guī)范的設(shè)計(jì)材料用量將低于GBJ 69 -84。

表4 構(gòu)筑物池壁構(gòu)件荷載作用工況組合的荷載作用分項(xiàng)系數(shù)[6]Tab.4 Load partial factor of structure pool wall[6]

對于給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 拆分后的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系歸屬于國標(biāo)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332 -2002), 以及鋼管道、鑄鐵管道、 預(yù)制混凝土圓管道、 預(yù)應(yīng)力管道和矩形管道的中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)技術(shù)規(guī)程。 其中GB 50332 -2002 規(guī)定了管道荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值取值方法和荷載分項(xiàng)系數(shù)等相關(guān)參數(shù)的取值原則, 管道材料抗力的相關(guān)參數(shù)則主要在協(xié)會(huì)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定。 按照剛性管道與柔性管道設(shè)計(jì)方法分開的技術(shù)路線, 混凝土管道材料性能設(shè)計(jì)參數(shù)均遵照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 10 -89)取值[10], 鋼管道材料性能設(shè)計(jì)參數(shù)均遵照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 17 -87)取值[11]。 鑄鐵管道材料性能設(shè)計(jì)參數(shù)則綜合國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn), 以荷載作用分項(xiàng)系數(shù)綜合值取1.27 為基礎(chǔ), 采取校驗(yàn)法確定[12]。 管道材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對應(yīng)的材料分項(xiàng)系數(shù), 見表5。

表5 管道材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對應(yīng)的材料分項(xiàng)系數(shù)[10-12]Tab.5 Material partial factor corresponding to design parameters of pipe strength[10-12]

2 國際標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定

2.1 貯水構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于貯水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn), 歐洲標(biāo)準(zhǔn)中英國標(biāo)準(zhǔn)早期為《Design of concrete structures for retaining aqueous liquids》 (BS 8007: 1987) 和《Structural use of concrete—Code of practice for design and construction》(BS 8110 -1: 1985), 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)則為《Eurocode 2: Design of concrete structures—Part 4: Liquid retaining and containing structures》(DD ENV 1992 -4)、 《Eurocode 2—Design of concrete structures—Part 3: Liquid retaining and containment structures》(BS EN 1992 -3)和《Eurocode 2: Design of concrete structures-Part 1 -1:General rules and rules for buildings》(BS EN 1992 -1 -1)。 美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)則未區(qū)分貯水構(gòu)筑物分冊, 均被納入到混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)體系。 即《Building code requirements for structural concrete and commentary》(ACI 318)。 從 20 世紀(jì)末到現(xiàn)在,歐美相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)版本更迭, 但結(jié)構(gòu)安全可靠性指標(biāo)未進(jìn)行調(diào)整, 荷載作用組合的類型和分項(xiàng)系數(shù)取值均未改變。 其中美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)將荷載類型分類出永久荷載(D)、 通?？勺兒奢d(L)、 土壓力和地下水壓力(H)、 液體自重和壓力作用(F)、 溫度和不均勻沉降(T)和其他荷載作用。 歐洲標(biāo)準(zhǔn)中則將土壓力和水壓力設(shè)置為可變荷載的一部分, 在荷載工況組合中, 明確規(guī)定土和水壓力的荷載作用分項(xiàng)系數(shù)。 從各標(biāo)準(zhǔn)分項(xiàng)系數(shù)取值(表6)可以看出, 土壓力和地下水壓力均歸屬可變荷載作用, 荷載作用分項(xiàng)系數(shù)較大； 水自重和水重力產(chǎn)生的壓力可歸屬于可變荷載作用, 但荷載作用分項(xiàng)系數(shù)可與永久荷載作用取值相同。

表6 歐美典型荷載作用組合下荷載作用分項(xiàng)系數(shù)[13-16]Tab.6 Load partial factor of typical load combinations in Europe and America[13-16]

歐美國家在建筑工程中, 永久荷載作用的分項(xiàng)系數(shù)通常取值為1.35, 可變荷載作用的分項(xiàng)系數(shù)則為1.50, 高于我國采用的荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取值。 但如前所述, 荷載作用分項(xiàng)系數(shù)的取值的大小并不反映可靠度指標(biāo)的高低, 其分項(xiàng)系數(shù)是由永久荷載、 可變荷載、 預(yù)應(yīng)力作用、 設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)間等多系數(shù)組成的系統(tǒng)參數(shù)組。 由于各種結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在相同荷載作用條件下產(chǎn)生的效應(yīng)不同, 造成每一種系統(tǒng)參數(shù)組都會(huì)更適應(yīng)某個(gè)特定范圍荷載效應(yīng)。 GBJ 68 -84 則以適用各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)抗力計(jì)算結(jié)果的可靠指標(biāo)偏差量最小為條件, 經(jīng)過多組取值對比分析后, 綜合評價(jià)確定了我國建筑工程荷載作用的分項(xiàng)系數(shù), 即永久荷載作用的分項(xiàng)系數(shù)γG=1.2, 可變荷載作用的分項(xiàng)系數(shù)γQ=1.4。 在GBJ 68 -84 附件四對此有專項(xiàng)論證, 見圖1。

圖1 三種簡單組合下I 與γG、 γQ 取值關(guān)系Fig.1 Relationship between I and γG、 γQ in three simple combinations

2.2 管道工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 我國在采取概率理論為基礎(chǔ)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法后, 即GB 50332-2002 版以后, 從參考前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)體系轉(zhuǎn)向?yàn)橹饕c英標(biāo) BS、 國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 和美國協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)AWWA 對比的方式。 由于國內(nèi)化學(xué)管材的材料標(biāo)準(zhǔn)主要等效于國際標(biāo)準(zhǔn), 因此相應(yīng)的工程標(biāo)準(zhǔn)與歐標(biāo)具有更強(qiáng)的可比性。

歐美國際標(biāo)準(zhǔn)中, 管道工程與建筑工程的設(shè)計(jì)方法沒有關(guān)聯(lián), 除美國AWWA 標(biāo)準(zhǔn)體系中混凝土管道采取了類似多系數(shù)荷載作用組合的表達(dá)式外, 其他管材管道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采取不同極限狀態(tài)的單一綜合安全系數(shù)表達(dá)式。 關(guān)于管道工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的界限, 歐美標(biāo)準(zhǔn)通常采用材料極限強(qiáng)度, 如鋼管道和球墨鑄鐵管道均采用極限抗拉強(qiáng)度, 化學(xué)管道均采用指定年限的長期靜液壓強(qiáng)度等。

國內(nèi)現(xiàn)行管道工程技術(shù)規(guī)程在編制過程中,均進(jìn)行了與歐美標(biāo)準(zhǔn)安全度的對比設(shè)計(jì), 在嚴(yán)格執(zhí)行《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332 -2002)規(guī)定的荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值、 分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)等相關(guān)規(guī)定條件下, 考慮各類管道在工程使用過程中的常見狀態(tài), 通常荷載作用分項(xiàng)系數(shù)綜合平均值按1.27 取值, 分析對比確定材料抗力分項(xiàng)系數(shù)。 如《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 142: 2002)條文說明中指出, 灰口鑄鐵管綜合安全系數(shù)為2.5, 作用分項(xiàng)系數(shù)與組合系數(shù)經(jīng)綜合分析后可取值為1.27, 則以極限抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn), 所對應(yīng)的材料抗力分項(xiàng)系數(shù)為γR=2.5/1.27≈2.0； 球墨鑄鐵管綜合安全系數(shù)為2.3, 所對應(yīng)的材料抗力分項(xiàng)系數(shù)為γR=2.3/1.27≈1.81。 對于熱塑性材料的管道, 材料抗力分項(xiàng)系數(shù)則以國標(biāo)《熱塑性塑料壓力管材和管件用材料分級和命名總體使用(設(shè)計(jì))系數(shù)》(GB/T 18475 - 2001)[17](等效采用ISO12162: 1995)為基礎(chǔ), 將總體使用(設(shè)計(jì))系數(shù)最小值C定義為材料抗力分項(xiàng)系數(shù)。 按此原則制定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 雖然存在隨可變荷載作用(如工作壓力、 地面車輛荷載等)數(shù)量值提高, 標(biāo)準(zhǔn)對比設(shè)計(jì)結(jié)果偏差增大的現(xiàn)象, 但從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布運(yùn)行效果看, 由于適用范圍確定合理, 其工程安全性和經(jīng)濟(jì)合理性被廣泛認(rèn)可。

3 建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性指標(biāo)的逐步調(diào)整

按照我國工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的標(biāo)準(zhǔn)體系,《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》 ( GB 50153)[18,19]應(yīng)為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn), 其適用工程范圍涵蓋了建筑工程、 鐵路工程、 公路工程、 港口工程、水利水電工程等土木工程各領(lǐng)域工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共性問題。 該標(biāo)準(zhǔn)于1992 年10 月開始實(shí)施第一版, 2009 年 7 月頒布實(shí)施第二版(2008 版)。2008 版標(biāo)準(zhǔn)增加了可與結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生同等效應(yīng)的環(huán)境影響要素, 并定義環(huán)境影響是指環(huán)境對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各種機(jī)械的、 物理的、 化學(xué)或生物的不利影響； 增加了考慮設(shè)計(jì)使用年限的荷載調(diào)整系數(shù)γL； 附錄 A 針對建筑工程、 鐵路工程、 公路工程和港口工程提出了專門規(guī)定。 與該標(biāo)準(zhǔn)配套實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)包括: 《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068 -2001), 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012), 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010 -2010), 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017 -2017),《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007 -2011),《港口工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50158-2010), 《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50199 -2013), 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 -2015)。 另外, 《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50283 -1999)和《鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50216 -1994)正在修訂過程中。

在我國工程結(jié)構(gòu)可靠性標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程中,《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的系列規(guī)范一直走在最前列, 成為反映國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力, 與國際工

程安全性能接軌的先行探路者, 先后頒布了GBJ 68 -84、 GB 50068 -2001 版和 GB 50068 -2018版。 在2001 版修訂過程中, 針對永久荷載起控制作用時(shí), 荷載分項(xiàng)系數(shù)取值1.2 和1.35 進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度分析, 得出荷載分項(xiàng)系數(shù)取值1.2 時(shí)可靠度指標(biāo)偏低的結(jié)論, 因此將承載能力基本組合分為第一可變荷載作用控制的不利組合表達(dá)式(4), 以及新增加的永久荷載控制的設(shè)計(jì)基本組合表達(dá)式(5), 并規(guī)定表達(dá)式(5)中的荷載作用分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取值γG=1.35, 此項(xiàng)修改屬于該版本修訂的重要內(nèi)容之一。

2018 版已于2019 年4 月開始實(shí)施, 荷載作用分項(xiàng)系數(shù)全部取值調(diào)整, 當(dāng)荷載作用效應(yīng)不利時(shí)永久荷載作用分項(xiàng)系數(shù)由1.2 調(diào)整為1.3, 可變荷載作用分項(xiàng)系數(shù)由1.4 調(diào)整為1.5, 與歐美混凝土結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)相近。 取消了2001 版中關(guān)于永久荷載作用控制時(shí), 荷載作用分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)提高為取值γG=1.35 的規(guī)定。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)8.2.2 條文說明中的結(jié)論, 不同的分項(xiàng)系數(shù)取值方案其安全可靠指標(biāo)可以是完全等價(jià)的, 取γG=1.3、γQ=1.5、γS=1.1 與γG=1.2、γQ=1.4、γS=1.2具有相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度指標(biāo)。 在標(biāo)準(zhǔn)8.2.9條文說明中也指出, 本標(biāo)準(zhǔn)對分項(xiàng)系數(shù)的調(diào)整主要是為我國標(biāo)準(zhǔn)體系與國際主流標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致奠定基礎(chǔ)。 因此不難看出, 建筑結(jié)構(gòu)安全可靠性指標(biāo)的改變是荷載系數(shù)與材料系數(shù)協(xié)調(diào)的結(jié)果, 兩類系數(shù)在一定范圍內(nèi)是可以互換的。 在2018 版標(biāo)準(zhǔn)中, 與國際接軌是本次調(diào)整分項(xiàng)系數(shù)取值體系的主要原因。 當(dāng)然, 如果與其配套的荷載標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在修訂過程中, 在材料抗力分項(xiàng)系數(shù)與材料性能設(shè)計(jì)值體系不變條件下, 工程材料用量的增加就會(huì)在所難免。

在我國標(biāo)準(zhǔn)體系中, 各行業(yè)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系中均編制了可靠度標(biāo)準(zhǔn)、 荷載作用標(biāo)準(zhǔn)和系列工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 在各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系之間的分項(xiàng)系數(shù)取值體系存在差異。 因此, 雖然在相同工程材料或相似結(jié)構(gòu)體系條件下, 會(huì)存在不同的分項(xiàng)系數(shù)取值。 其原因就在于每一組分項(xiàng)系數(shù)均很難完美體現(xiàn)和涵蓋復(fù)雜工程的各種工況。 在采取相同可靠度指標(biāo)條件下, 是否需要采用統(tǒng)一分項(xiàng)系數(shù)取值還有待研究。 建筑結(jié)構(gòu)可靠性體系為了實(shí)現(xiàn)與國際接軌的目標(biāo), 建立規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間更為直觀的可對比性, 將以《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068 -2018)為新的起點(diǎn), 調(diào)整《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009 -2012), 以及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010 -2010)等相關(guān)結(jié)構(gòu)系列規(guī)范, 為更好服務(wù)于我國工程技術(shù)走出去夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

4 給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)體系的建議

綜上所述可以看出:

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)體系是正確反映結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的系列組, 其數(shù)值的大小并不能直接體現(xiàn)構(gòu)件安全可靠性高低；

(2)規(guī)范中分項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)取值是多系列參數(shù)組, 在多種相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對比條件下, 經(jīng)離散性分析與優(yōu)化的結(jié)果；

(3)給水排水工程現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系中, 荷載分項(xiàng)系數(shù)參照《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 68 -84)確定, 建筑結(jié)構(gòu)所涉及的材料分項(xiàng)系數(shù)均依照執(zhí)行, 除此之外則按荷載綜合分項(xiàng)系數(shù)取值1.27, 經(jīng)工程校驗(yàn)法分析確定。 現(xiàn)行規(guī)范及規(guī)程所采用的分項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)成果安全運(yùn)行良好；

(4)由于與國際標(biāo)準(zhǔn)的分項(xiàng)系數(shù)取值不同,造成在相同工況和結(jié)構(gòu)條件下, 相同構(gòu)件可靠度指標(biāo)存在差異；

(5)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068 -2018)已開啟與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌進(jìn)程。

對于給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系與建筑工程有著不可分割的聯(lián)系和淵源。 從國際標(biāo)準(zhǔn)體系看, 市政工程水處理構(gòu)筑物的混凝土結(jié)構(gòu)均納入混凝土工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系, 因此, 給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)體系執(zhí)行《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068 -2018)是合理可行的。

對于給水排水工程管道結(jié)構(gòu)采用多種材料和各種結(jié)構(gòu)形式, 已經(jīng)超出建筑工程結(jié)構(gòu)材料類型和結(jié)構(gòu)形式范圍, 具有其獨(dú)特的荷載作用效應(yīng)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)破壞典型分類。 管道工程涉及市政行業(yè)以外各種領(lǐng)域, 雖然特定功能要求、 安全程度要求和工程技術(shù)路線存在差異, 但基本工程技術(shù)理論具有一致性。 因此, 給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50153)為依據(jù), 采取概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式, 表達(dá)式中設(shè)計(jì)參數(shù)理念應(yīng)與相關(guān)行業(yè)管道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào), 必要時(shí)將抗力分項(xiàng)系數(shù)分解為材料分項(xiàng)系數(shù)和結(jié)構(gòu)分項(xiàng)系數(shù)。 而分項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)值應(yīng)與《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068 -2018)基本一致。

為了建立與國際主流標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)平臺(tái), 給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)設(shè)置和取值盡量與國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào), 除與《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068 -2018)一致修改永久荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取值1.30, 可變荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取值1.50 外, 還應(yīng)增加池內(nèi)靜水壓力荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取值1.20, 回歸規(guī)范(TJ 10 -74)的池壁構(gòu)件安全度等級。