中歐結(jié)構(gòu)規(guī)范中作用和設(shè)計狀態(tài)異同的辨析

崔學(xué)宇 舒 濤 孫曉彥

(1.杭州中聯(lián)筑境建筑設(shè)計有限公司，浙江 杭州 310011； 2.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100085)

0 引言

歐洲結(jié)構(gòu)規(guī)范是由歐洲共同體委員會提出建立的一套統(tǒng)一協(xié)調(diào)的技術(shù)規(guī)范，由“結(jié)構(gòu)歐洲規(guī)范”技術(shù)委員會編寫，已從2002年開始陸續(xù)發(fā)布。本套規(guī)范共分九大項(EN 1991-EN 1999),涵蓋了常用工業(yè)和民用建筑設(shè)計的各個方面。隨著歐盟一體化的進(jìn)程，歐洲建筑行業(yè)規(guī)范的影響力在世界范圍內(nèi)逐步擴大。

《EN 1990—2002 結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)》(簡稱：EN 1990)是整套歐洲結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的總則，闡明了結(jié)構(gòu)在安全性、適用性和耐久性方面的基本設(shè)計原理，給出了設(shè)計方法、設(shè)計流程、可靠度等方面的原則規(guī)定，明確了歐洲規(guī)范體系中的基本概念，定義了主要設(shè)計參數(shù)。

在我國的結(jié)構(gòu)規(guī)范體系中，與EN 1990對應(yīng)的規(guī)范主要有：

1)GB 50068—2001 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(簡稱：GB 50068);

2)GB 50153—2008 工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(簡稱：GB 50153);

3)GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(簡稱：GB 50009)。

本文著重對比了中國和歐洲結(jié)構(gòu)規(guī)范中作用及作用效應(yīng)、設(shè)計狀態(tài)、極限狀態(tài)，以及分項系數(shù)法方面的異同。希望能對結(jié)構(gòu)技術(shù)人員在參與采用歐洲規(guī)范的工程時有所幫助。

1 作用及作用效應(yīng)

作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的一組荷載，或是由于溫濕度變化、不均勻沉降及地震等引起的位移或加速度。作用效應(yīng)是指作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上產(chǎn)生的效應(yīng)，例如：內(nèi)力、力矩、應(yīng)力、應(yīng)變等。或是作用在整個結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的效應(yīng)，如：變形、裂縫、屈曲等。EN 1990中的作用分為了五大類，詳見表1。

表1 EN 1990作用的分類定義及說明

GB 50068中結(jié)構(gòu)作用的分類原則按時間、空間和反應(yīng)特點分為三大類，詳見表2。分類名稱和定義與EN 1990基本一致，只是欠缺了按作用的來源分類。EN 1990對于地震作用、雪荷載、水流作用這三種特殊情況的說明也是GB 50068中不具備的。

表2 GB 50068作用的分類定義及說明

EN 1990中給出了七種結(jié)構(gòu)作用：自重和外荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、火災(zāi)作用、溫度作用、施工作用和偶然作用。GB 50009中在此基礎(chǔ)上多出了工業(yè)建筑的吊車荷載，但缺少火災(zāi)作用，說明我國在抗火技術(shù)方面還落后于國際先進(jìn)水平。

2 設(shè)計狀態(tài)

EN 1990中結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)的定義詳見表3，分類示意詳見圖1。設(shè)計狀態(tài)的選擇應(yīng)全面考慮結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，覆蓋所有可預(yù)期的，在施工和使用階段可能出現(xiàn)的情況，并保證在這些情況下能滿足結(jié)構(gòu)功能的要求。

表3 EN 1990的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)定義

GB 50068給出了三種設(shè)計狀態(tài)：持久狀態(tài)、短暫狀態(tài)和偶然狀態(tài)，定義和EN 1990類似，詳見表4。只是沒有把地震作用當(dāng)做一種設(shè)計狀態(tài)。

表4 GB 50068的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)定義

設(shè)計狀態(tài)定義持久狀況在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn),其持續(xù)期很長的狀況。持續(xù)期一般與設(shè)計使用年限為同一數(shù)量級短暫狀況在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大,而與設(shè)計使用年限相比,持續(xù)期很短的狀況,如施工和維修等偶然狀況在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小,且持續(xù)期很短的狀況,如火災(zāi)、爆炸、撞擊等

3 極限狀態(tài)

極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的一種臨界狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過了某一特定的狀態(tài)，就無法滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求時，此狀態(tài)即為該功能對應(yīng)的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。

3.1 承載能力極限狀態(tài)

EN 1990定義的承載能力極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到極限承載力時的狀態(tài)。主要包括:與人員及結(jié)構(gòu)安全相關(guān)的狀態(tài),對重要部位進(jìn)行保護(hù)的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C構(gòu)而倒塌前的狀態(tài)。需要進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗算的情況包括：結(jié)構(gòu)整體或某一部分失去平衡；由于變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化、斷裂、失穩(wěn)而引起破壞；由于疲勞等時間效應(yīng)引起的破壞。

EN 1990的原則僅用于承載能力和正常使用極限狀態(tài)的計算，包括用等效準(zhǔn)靜態(tài)荷載和動力放大系數(shù)評估動態(tài)效應(yīng)的情況，如風(fēng)荷載或交通荷載。承載能力極限狀態(tài)共分為四種，詳見表5。

表5 EN 1990承載能力極限狀態(tài)的分類

GB 50068中承載能力極限狀態(tài)的定義與EN 1990基本一致，但沒有再進(jìn)一步分類。在分項系數(shù)的規(guī)定中，對某些情況進(jìn)行了區(qū)分。比如根據(jù)恒載或活載對結(jié)構(gòu)的承載能力是否有利，分別給出不同的分項系數(shù)。中歐規(guī)范的系數(shù)取值不盡相同。在EN 1991和GB 50009中有更為詳細(xì)的規(guī)定。

3.2 正常使用極限狀態(tài)

EN 1990定義的正常使用極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不能滿足設(shè)計使用要求的狀態(tài)，分為可逆和不可逆的兩種。主要區(qū)別是：當(dāng)作用不存在時，此前產(chǎn)生的超過規(guī)定的情況能否完全消失。正常使用極限狀態(tài)主要包括：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正常使用下的功能、舒適度和外觀。需要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗算的情況包括：影響使用功能，導(dǎo)致表面或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的變形；感到不舒適或影響使用功能的振動；對外觀、耐久性或功能產(chǎn)生不利影響的損壞。

在GB 50068中，正常使用極限狀態(tài)的內(nèi)容和EN 1990類似，主要包括：正常使用或外觀的變形，正常使用或耐久性的局部損壞(包括裂縫)，正常使用的振動以及其他特定狀態(tài)。但都沒區(qū)分可逆和不可逆狀態(tài)，在作用組合、變形計算時也就沒有對應(yīng)的規(guī)定和公式。

4 分項系數(shù)法

歐洲規(guī)范和我國規(guī)范都采用了分項系數(shù)法來考慮荷載作用。對所有設(shè)計狀態(tài)，當(dāng)采用作用、作用效應(yīng)和抗力的設(shè)計值時，應(yīng)保證每種相關(guān)極限狀態(tài)都不超過限值。對于選定的設(shè)計狀態(tài)和極限狀態(tài)，臨界荷載狀況下的單個作用應(yīng)按規(guī)定組合，不同時發(fā)生的作用不能一起組合。設(shè)計值應(yīng)通過標(biāo)準(zhǔn)值或其他代表值得到，并與各自的分項系數(shù)和其他系數(shù)聯(lián)合使用。對于按概率統(tǒng)計方法直接確定設(shè)計值的極限狀態(tài)，應(yīng)與采用分項系數(shù)時具有相同的可靠度。

EN 1990和GB 50068在分項系數(shù)法的應(yīng)用原則上是大體一致的，但在分項系數(shù)的取值，承載能力極限狀態(tài)的細(xì)分，基本組合的種類等方面存在較大的差異。比如在荷載分項系數(shù)方面，GB 50009中荷載分項系數(shù)的取值略偏小于EN 1990中的STR：不利時的恒載分項系數(shù)在EN 1990中是1.35，GB 50009中是1.2(恒載起控制作用時是1.35)；活載分項系數(shù)在EN 1990中是1.5，GB 50009中是1.4。分項系數(shù)是反映設(shè)計可靠度最直觀的指標(biāo)，綜合考慮中歐規(guī)范中荷載和材料分項系數(shù)的影響可知，兩者在可靠度水平上基本一致，歐洲規(guī)范略高一點。

EN 1990并不強制規(guī)定荷載和材料的分項系數(shù)，僅給出一些推薦值，歐盟各國可根據(jù)自身情況相應(yīng)調(diào)整，這樣更能適應(yīng)新材料、新技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的需要。而我國規(guī)范則直接給出具體數(shù)值，雖簡單明確，但缺乏靈活性。

5 結(jié)語

現(xiàn)行歐洲規(guī)范的應(yīng)用不僅僅局限于歐盟成員國，很多發(fā)展中國家在建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范體系的建設(shè)上，往往借鑒了西方發(fā)達(dá)國家的成熟經(jīng)驗和技術(shù)成果，或者選擇直接拿來用。我國設(shè)計規(guī)范在編制和更新中也受到了歐美規(guī)范的影響和啟發(fā)。通過中歐結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的對比分析，能夠讓我們發(fā)現(xiàn)各自的優(yōu)勢和不足，取長補短，不斷改進(jìn)完善我國的規(guī)范體系。希望能夠?qū)υO(shè)計和施工企業(yè)中的專業(yè)技術(shù)人員學(xué)習(xí)和應(yīng)用國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有所幫助。