中外港口規(guī)范對(duì)比研究Ⅰ：設(shè)計(jì)使用年限與波浪重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)

陳漢寶，王 瞇2,，耿寶磊*，劉海源

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456; 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

隨著“一帶一路”倡儀的提出，港口工程國(guó)際化程度日益提高，由于各個(gè)國(guó)家的地域環(huán)境、經(jīng)濟(jì)水平和設(shè)防思想存在差異，因而各國(guó)港口規(guī)范具體規(guī)定也不盡相同，這始終是海外工程設(shè)計(jì)人員面臨的一大挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確理解國(guó)內(nèi)外規(guī)范異同，有益于減少國(guó)外港口工程設(shè)計(jì)的彎路，進(jìn)而降低設(shè)計(jì)和施工中不可預(yù)見(jiàn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)外港口相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了比較研究：周劍等[1]對(duì)國(guó)內(nèi)外港口工程水位確定方法進(jìn)行了對(duì)比分析；侯慷等[2]對(duì)比了中美日航道設(shè)計(jì)規(guī)范中波浪富裕水深的確定方法；楊國(guó)平等[3]總結(jié)了世界各國(guó)深度基準(zhǔn)面的分類和演變歷程，并分析了國(guó)內(nèi)外港口工程碼頭面高程計(jì)算方法的差異；李峰等[4]對(duì)中國(guó)與歐洲相關(guān)規(guī)范中目標(biāo)可靠指標(biāo)取值進(jìn)行了比較研究；陳紅軍等[5]綜合比較了中、歐、英、日、美等國(guó)規(guī)范中設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定；安翔等[6]比較了國(guó)內(nèi)外主要規(guī)范中船舶航行中的計(jì)算問(wèn)題。但對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范中重現(xiàn)期及其與設(shè)計(jì)使用年限的關(guān)聯(lián)性的全面性研究未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

沿海港口設(shè)計(jì)中，建筑物的設(shè)計(jì)使用年限確定后，可以根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，確定該建筑物的水文要素重現(xiàn)期。重現(xiàn)期的定義為大于等于一定量級(jí)的水文要素值出現(xiàn)一次的平均間隔年數(shù)。由此可見(jiàn)，重現(xiàn)期的大小決定了水文要素的大小，即環(huán)境荷載的大小。一般情況下，設(shè)計(jì)使用年限越長(zhǎng)，則設(shè)計(jì)水文要素的重現(xiàn)期越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)采用的環(huán)境荷載越大，結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，工程投資越高。因此，正確理解重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)使用年限的關(guān)系顯得尤為重要。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范在沿海港口建筑物等的重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)使用年限上的差異進(jìn)行系統(tǒng)的比較研究，為涉外工程設(shè)計(jì)者提供參考。

1 各國(guó)規(guī)范對(duì)建筑物的設(shè)計(jì)使用年限要求

設(shè)計(jì)使用年限是指：“設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的時(shí)期”。在決定設(shè)計(jì)使用年限時(shí)，應(yīng)考慮下列因素[7]：

(1)對(duì)影響結(jié)構(gòu)安全性的因素進(jìn)行評(píng)估，包括疲勞載荷、腐蝕、海生物和土體強(qiáng)度的降低。因此，在設(shè)計(jì)的早期階段，應(yīng)該確定結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)可接受的破壞概率或破壞程度。

(2)評(píng)估特定極限狀態(tài)在使用年限內(nèi)將發(fā)生的概率。

(3)評(píng)估經(jīng)濟(jì)可行性、發(fā)展和相關(guān)事項(xiàng)的必要性。因此，應(yīng)提前估算修理費(fèi)用，并納入對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)可行性的評(píng)估中。

1.1 中國(guó)規(guī)范

2011年實(shí)施的《水運(yùn)工程設(shè)計(jì)通則》[8]適用于新建、改建和擴(kuò)建的港口工程、航道工程和船廠水工建筑物工程設(shè)計(jì)，并作為水運(yùn)工程設(shè)計(jì)的通用標(biāo)準(zhǔn)。通則第2.1.8～2.1.10條對(duì)建筑物設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定如下。

(1)港口工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限不得低于以下標(biāo)準(zhǔn)：

①永久性建筑物：50 a。

②臨時(shí)性建筑物：建筑物的使用年限或5～10 a。

(2)通航建筑物工程、渠化樞紐工程和船廠工程的水工建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限不得低于以下標(biāo)準(zhǔn)：

表1 日本港口相關(guān)規(guī)范中建筑物設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定Tab.1 The design working life in Japanese standard

①永久性建筑物：50 a。

②臨時(shí)性建筑物：建筑物的使用年限。

(3)航道整治建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)根據(jù)工程目的、工程規(guī)模和使用要求等確定。

1.2 日本規(guī)范

日本港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[9]第一部分第二章提到，建筑物設(shè)計(jì)使用年限的確定應(yīng)分別考慮建筑物的使用環(huán)境條件和建設(shè)目的，此外結(jié)構(gòu)性能和工程材料都會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)使用年限的選擇產(chǎn)生影響。表1給出了不同類別建筑的設(shè)計(jì)使用年限，通常港口設(shè)施的設(shè)計(jì)使用年限采用表中第3項(xiàng)規(guī)定，即50 a。

表2 英國(guó)港口相關(guān)規(guī)范中建筑物設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定Tab.2 The design working life in British standard

注：①可拆卸重復(fù)利用的建筑物或者部分結(jié)構(gòu)不屬于臨時(shí)性建筑物。

1.3 美國(guó)規(guī)范

船舶靠泊、系泊和維修的海港工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《Design of Marine Facilities for the Berthing, Mooring, and Repair of Vessels》[10]第3.1節(jié)規(guī)定主要港口設(shè)施和大部分公共設(shè)施的設(shè)計(jì)使用年限為50～80 a。美國(guó)海軍軍港和許多商業(yè)港口一般設(shè)計(jì)使用年限為25 a，但是在定期維護(hù)和升級(jí)改造情況下實(shí)際的使用年限一般可以達(dá)到50 a或更久。

1.4 英國(guó)規(guī)范

英國(guó)海工建筑物標(biāo)準(zhǔn)《Maritime works-Part 1-1: General-Code of practice for planning and design for operations》[11]第17條對(duì)建筑物的設(shè)計(jì)使用年限具體規(guī)定如表2所示，且明確提出此表僅作為指示性標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員必須結(jié)合建設(shè)項(xiàng)目具體情況來(lái)確定最終的設(shè)計(jì)使用年限。

表3 國(guó)際港口工程設(shè)計(jì)手冊(cè)中建筑物設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定Tab.3 The design working life in Port designer′s handbook

1.5 國(guó)際港口工程手冊(cè)

國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)(PIANC)編著的港口工程設(shè)計(jì)手冊(cè)《Port Designer′s Handbook》[7]第6.2條指出，建筑物的預(yù)期設(shè)計(jì)使用年限與計(jì)劃維修后結(jié)構(gòu)的使用壽命相當(dāng)，它對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生重大影響。一般商業(yè)港口的設(shè)計(jì)使用年限至少50 a；護(hù)岸和防波堤的設(shè)計(jì)使用年限一般為100 a；對(duì)于某些服務(wù)于集裝箱、石油運(yùn)輸?shù)奶厥飧劭冢紤]到現(xiàn)代貨物裝卸發(fā)展迅猛，可能導(dǎo)致較早地超過(guò)設(shè)計(jì)泊位(例如集裝箱裝卸技術(shù)對(duì)泊位結(jié)構(gòu)的影響)，因而其設(shè)計(jì)使用年限一般不超過(guò)30 a。

港口結(jié)構(gòu)和設(shè)備的設(shè)計(jì)使用年限將取決于維修的程度、時(shí)間和費(fèi)用，表3所列數(shù)值僅作為一個(gè)非常粗略的準(zhǔn)則。

1.6 各國(guó)規(guī)范匯總

將國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)建筑物設(shè)計(jì)使用年限的要求匯總列入表4。

表4 各國(guó)規(guī)范中建筑物設(shè)計(jì)使用年限規(guī)定匯總Tab.4 Summary of design working life in national standards

如表4所示，各國(guó)規(guī)范對(duì)一般港口建筑物和臨時(shí)性建筑物的設(shè)計(jì)使用年限規(guī)定基本一致，但是對(duì)某些特殊港口建筑物的規(guī)定略有差異，如許多國(guó)家對(duì)于可更換的結(jié)構(gòu)單元、能源類專用碼頭設(shè)施和特別重要港口設(shè)施、紀(jì)念性建筑物等均提出了特殊要求。對(duì)于可更換的結(jié)構(gòu)單元，日本、英國(guó)、國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)指出其設(shè)計(jì)使用年限一般為25 a；對(duì)于能源類專用碼頭設(shè)施，例如單獨(dú)建設(shè)的油碼頭、LNG碼頭等的設(shè)計(jì)使用年限，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中采用50 a的偏保守值，而歐美國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)使用年限一般為15～30 a，然后通過(guò)維護(hù)和升級(jí)延長(zhǎng)實(shí)際的使用年限。國(guó)外規(guī)范對(duì)于特別重要的建筑物的設(shè)計(jì)使用年限要求至少100 a，略高于中國(guó)規(guī)范。

2 各國(guó)規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期要求

2.1 中國(guó)規(guī)范

《港口與航道水文規(guī)范》第6.2.2條指出設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期應(yīng)按下列規(guī)定確定[12]。

(1)直墻式、墩柱式、樁基式和一般斜坡式建筑物的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算，設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期應(yīng)采用50 a。

(2)破壞后不致造成重大損失的斜坡式護(hù)岸等非重要建筑物，其設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期可采用25 a。

(3)對(duì)于大水深的重要建筑物，重現(xiàn)期100 a的波高大于或等于重現(xiàn)期50 a的同一波列累積頻率的波高1.15倍時(shí)，其設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期可采用100 a，且其極端高水位的重現(xiàn)期可相應(yīng)調(diào)整為100 a。

2.2 日本規(guī)范

日本港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[9]第二部分第二章對(duì)設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期規(guī)定如下。

(1)隨機(jī)波的重現(xiàn)期。

主導(dǎo)作用為隨機(jī)波的正常狀態(tài)下，在確定波浪重現(xiàn)期時(shí)，必須滿足結(jié)構(gòu)的用途和性能要求，此外，還應(yīng)適當(dāng)考慮建筑物的設(shè)計(jì)使用年限、重要性以及自然條件。

(2)極端波浪的重現(xiàn)期。

主導(dǎo)作用為大浪的極端狀態(tài)時(shí)，設(shè)計(jì)波浪可采用目標(biāo)海域出現(xiàn)的最嚴(yán)重海浪或重現(xiàn)期大于等于100 a的波浪。

(3)觀測(cè)值或估計(jì)值的周期。

長(zhǎng)期觀測(cè)值或估計(jì)值的周期不小于30 a。

2.3 英國(guó)規(guī)范

英國(guó)海工建筑物標(biāo)準(zhǔn)《Maritime structures-Part 1: code of practice for general criteria》[13]第21.3.8條指出，在對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行外推以估計(jì)其極值時(shí)，就產(chǎn)生了設(shè)計(jì)條件使用何種重現(xiàn)期的問(wèn)題。一般而言，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期將超過(guò)成本優(yōu)化給定的期間。成本優(yōu)化只有在已知設(shè)計(jì)條件造成的損壞程度的情況下才可以使用，因此最適用于堆石防波堤等可通過(guò)物模試驗(yàn)協(xié)助確定損壞率的建筑物。相反，如直立堤等建筑物，在超出設(shè)計(jì)條件后，幾乎會(huì)完全毀壞，則不適用。對(duì)于破壞的后果非常嚴(yán)重的建筑物，其重現(xiàn)期至少1 000 a。

2.4 國(guó)際港口工程手冊(cè)

國(guó)際港口工程設(shè)計(jì)手冊(cè)《Port Designer′s Handbook》[7]第二部分第2.3.4條指出一般建筑物設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期為50～100 a，且應(yīng)根據(jù)建筑物類型選擇重現(xiàn)期。對(duì)于破壞程度較小或易于修復(fù)的建筑物，其重現(xiàn)期可取較小(如某些工程采用25 a)。對(duì)于破壞后造成重大經(jīng)濟(jì)損失或?qū)θ松戆踩珮?gòu)成威脅的建筑物，其重現(xiàn)期至少100 a。港口不同功能的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用不同重現(xiàn)期。

3 重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)使用年限的關(guān)系

圖1 重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)使用年限及概率的關(guān)系Fig.1 The relationship among return period,design working life and probability

重現(xiàn)期T定義為設(shè)計(jì)波浪兩次出現(xiàn)之間的平均間隔期，但這并非意味著兩次出現(xiàn)之間正好相隔Ta。實(shí)際上，如果事件可看作是在統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的，則重現(xiàn)期Ta的設(shè)計(jì)波浪在na的時(shí)段內(nèi)將出現(xiàn)的概率由下式確定

(1)

式中：T為重現(xiàn)期；n為設(shè)計(jì)使用年限；P為建筑物在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)遭遇大于設(shè)計(jì)波高的波浪的概率。三者關(guān)系如圖1所示[7]。

由上圖可知，設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期、建筑物設(shè)計(jì)使用年限和其在使用年限內(nèi)遭遇設(shè)計(jì)波浪的概率之間存在確定的關(guān)系，三者相互牽制，為了便于理解，下面將兩兩關(guān)系列述如下。

(1)建筑物在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)遭遇設(shè)計(jì)波浪的概率一定時(shí)，重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)使用年限的關(guān)系如表5所示。

表5 重現(xiàn)期與設(shè)計(jì)使用年限的關(guān)系Tab.5 The relationship between return period and design working life

(2)設(shè)計(jì)使用年限一定時(shí)，重現(xiàn)期與建筑物在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)遭遇設(shè)計(jì)波浪的概率的關(guān)系如表6所示。

表6 重現(xiàn)期與概率的關(guān)系Tab.6 The relationship between return period and probability of wave

(3)重現(xiàn)期一定時(shí)，建筑物設(shè)計(jì)使用年限與其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)遭遇設(shè)計(jì)波浪的概率的關(guān)系如表7所示。

表7 設(shè)計(jì)使用年限與概率的關(guān)系Tab.7 The relationship between design working life and probability of wave

由上述數(shù)據(jù)可知，當(dāng)建筑物的設(shè)計(jì)使用年限與重現(xiàn)期相同時(shí)，設(shè)計(jì)波浪在此期間出現(xiàn)的概率約64%，這對(duì)于重要港口而言顯然是無(wú)法接受的。因此應(yīng)根據(jù)建筑物的重要程度選擇設(shè)計(jì)使用年限對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期。如我國(guó)一般港口建筑物設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，若規(guī)定出現(xiàn)的概率為45%，那么對(duì)應(yīng)建筑物的設(shè)計(jì)使用年限僅30 a；國(guó)外港口建筑物設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)一般為100 a一遇，若規(guī)定建筑物使用年限為30 a，那么設(shè)計(jì)波浪出現(xiàn)的概率僅為26%。對(duì)于特別重要的建筑物，其設(shè)計(jì)使用年限至少100 a，若規(guī)定出現(xiàn)的概率為10%，那么對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期至少應(yīng)為950 a。因此，當(dāng)我們提及百年大計(jì)時(shí)，可考慮到1 000 a。

表8 建筑物安全等級(jí)與可靠指標(biāo)、失效概率的關(guān)系Tab.8 The relationship among safety grade, reliability index and failure probability

注：括號(hào)外表示延性破壞對(duì)應(yīng)參數(shù)值，括號(hào)內(nèi)表示脆性破壞對(duì)應(yīng)參數(shù)值。

參考建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)與可靠指標(biāo)、失效概率的關(guān)系[14](表8)，對(duì)于安全等級(jí)一級(jí)的重要的港口建筑物，其破壞后果很嚴(yán)重，從安全角度考慮建筑物在設(shè)計(jì)使用年內(nèi)遭遇大于設(shè)計(jì)波浪的概率應(yīng)低于30%；對(duì)于安全等級(jí)二級(jí)的一般港口建筑物，其破壞后果嚴(yán)重，可適當(dāng)將概率控制在30%～70%；對(duì)于安全等級(jí)三級(jí)的次要港口建筑物，破壞后果不嚴(yán)重，概率可高于70%，將其控制在可接受范圍內(nèi)即可。此概率區(qū)間僅考慮了設(shè)計(jì)使用年限與重現(xiàn)期的理論關(guān)系，可作為工程設(shè)計(jì)前期的粗略參考值，但在具體設(shè)計(jì)時(shí)還需綜合考慮其他因素加以確定。如港珠澳大橋作為世界級(jí)跨海通道、國(guó)家特別重要的建筑物，按中國(guó)內(nèi)地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使用年限可取用100 a，香港地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)建議120 a，為滿足粵、港、澳三地設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，因此港珠澳大橋設(shè)計(jì)使用年限定為120 a且采用對(duì)應(yīng)的荷載代表值進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)[15]，此外通過(guò)先進(jìn)的施工方法、嚴(yán)格的質(zhì)量把控、精細(xì)的后期維護(hù)等系列措施以確保結(jié)構(gòu)耐久性。

海工建筑物的設(shè)計(jì)使用年限受制于設(shè)計(jì)水文要素重現(xiàn)期以及建筑物的重要程度。對(duì)于不同重要程度的建筑物，其設(shè)計(jì)使用年限與重現(xiàn)期的對(duì)應(yīng)關(guān)系也會(huì)有所差異，正如各國(guó)規(guī)范所言，規(guī)范中所述標(biāo)準(zhǔn)僅為一般性指示，設(shè)計(jì)者應(yīng)針對(duì)具體的工程情況采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)使用年限和重現(xiàn)期。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”倡議的提出，越來(lái)越多企業(yè)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召紛紛“走出去”開(kāi)拓海外港口項(xiàng)目[16-18]。而海港建筑物設(shè)計(jì)使用年限和重現(xiàn)期作為港口設(shè)計(jì)中極其重要的因素也因此備受關(guān)注。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范中海港建筑物的設(shè)計(jì)使用年限和重現(xiàn)期的規(guī)定作了匯總和分析，可以方便相關(guān)設(shè)計(jì)工作者參考。