中歐港口工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計對比

陳孝建 黃志明 江西省港航設(shè)計院有限公司

1.引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及大型企業(yè)對海外市場的需求，越來越多的企業(yè)開始承接國際港口的建設(shè)，給港口工程事業(yè)的發(fā)展帶來了機遇與挑戰(zhàn)。運用國外的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計在日趨激烈的競爭中顯得尤為重要。本文就中歐港口工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計方面進(jìn)行了對比。

2.基本規(guī)定

2.1 建筑物的設(shè)計使用年限

BS EN1990建議的建筑物的設(shè)計使用年限按照建筑結(jié)構(gòu)種類及建筑物重要性等角度進(jìn)行區(qū)分，最低為10年，最高100年。此外，BS6349-1中指出，通常的港口工程建筑物的設(shè)計使用年限為50年或者更長；而對用于防洪的建筑物要求是100年。GB50158-2010規(guī)定臨時性港口建筑物為5～10年，永久性港口建筑物為50年。

2.2 建筑物結(jié)構(gòu)等級

BS EN1992將混凝土強度等級采用示意性強度等級、設(shè)計使用年限為50年的建筑物結(jié)構(gòu)等級定義為S4。以結(jié)構(gòu)等級S4為基礎(chǔ)等級，不同的建筑物根據(jù)不同的暴露級別和設(shè)計使用年限、混凝土強度等級進(jìn)行修正（詳見BS EN1992）。GB50158-2010中按照結(jié)構(gòu)失效后果的嚴(yán)重程度將建筑物劃分為三個安全等級。BS EN1992中的分類更詳細(xì)，且考慮的因素更具體。對于按照歐洲規(guī)范設(shè)計的水工結(jié)構(gòu)，推薦的建筑物結(jié)構(gòu)等級為S4。

2.3 耐久性

BS EN1990中列出的對結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素除了GB50158-2010中規(guī)定的使用要求、環(huán)境條件、材料性能等因素外，還特別提到了設(shè)計準(zhǔn)則和土體性質(zhì)對結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

3.極限狀態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則

3.1 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)

歐洲規(guī)范的設(shè)計方法是基于概率極限狀態(tài)的設(shè)計方法，包括承載能力極限狀態(tài)（ULS）和正常使用極限狀態(tài)（SLS），這與我國規(guī)范的設(shè)計方法是一致的。

3.1.1 承載能力極限狀態(tài)

BE EN1990規(guī)定，在必要時應(yīng)該校核下列承載能力極限狀態(tài)：

（1）EQU：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的任何一部分作為剛體失去靜力平衡；

（2）STR：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件（包括基礎(chǔ)、樁和基礎(chǔ)墻等）的內(nèi)部失效或過度變形。在這種情況下結(jié)構(gòu)材料的強度起控制作用；

（3）GEO：地基失效或過度變形；

（4）FAT：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞破壞。

通過與GB50158-2010中定義的承載能力極限狀態(tài)比較發(fā)現(xiàn)，在承載能力的定義上，兩種規(guī)范體系并沒有什么不同，只是中國規(guī)范在具體劃分時更細(xì)、更具體。在設(shè)計表達(dá)式上，歐洲規(guī)范采用的校核模式與我國規(guī)范是一致的；只是在考慮結(jié)構(gòu)破壞后果的嚴(yán)重性和結(jié)構(gòu)使用年限時，我國規(guī)范通過結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來反映，而歐洲規(guī)范則是在結(jié)構(gòu)的耐久性中考慮了結(jié)構(gòu)的重要性和使用年限要求。

3.1.2 正常使用極限狀態(tài)

與我國規(guī)范一樣，BS EN1990同樣規(guī)定了正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)位移，變形，振動，耐久性等要求。BS EN1990規(guī)定，正常使用極限狀態(tài)按特征組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行驗算，其中適用性驗算包括變形控制和裂縫控制。

比較發(fā)現(xiàn)，BS EN1990正常使用極限狀態(tài)下的驗算模式與GB50158-2010是一致的。

3.2 設(shè)計狀況

BS EN1990將結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況分為持久狀況、短暫狀況、偶然狀況和地震狀況，這與GB50158-2010是一致的。

4.基本變量

與GB50158-2010一樣，BS EN1990中也對包含作用、環(huán)境影響、材料和巖土性能與幾何量等在內(nèi)的基本變量做出了相關(guān)規(guī)定，但是具體規(guī)定劃分更為詳細(xì)具體，在BS EN1990中規(guī)定：對于地震作用是屬于偶然作用還是屬于可變作用需根據(jù)工程地點區(qū)別劃分；預(yù)應(yīng)力應(yīng)該按永久作用考慮；疲勞作用需在相關(guān)構(gòu)件設(shè)計中考慮等。

5.極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式

5.1 設(shè)計表達(dá)式

5.1.1 承載能力極限狀態(tài)

（1）對于持久或短暫設(shè)計狀況作用的組合（基本組合），作用效應(yīng)的一般形式為：

（2）對于偶然設(shè)計狀況，作用效應(yīng)的一般形式為：

（3）對于地震狀況，作用效應(yīng)的一般形式為：

從以上可以看出：在歐洲規(guī)范中，承載能力極限狀態(tài)的持久狀況和短暫狀況采用的是同一組合形式，這與我國規(guī)范不同，我國規(guī)范中承載能力極限狀態(tài)短暫狀況的短暫效應(yīng)組合不考慮非主導(dǎo)可變作用的組合系數(shù)；此外，JTS146-2012將地震狀況按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行驗算，并給出了組合形式；對于偶然狀況僅在工程有需要時考慮。

5.1.2 正常使用極限狀態(tài)

（1）標(biāo)準(zhǔn)組合

（2）頻遇組合

（3）準(zhǔn)永久組合

在正常使用極限狀態(tài)，以上三種組合形式與JTS151-2011是一致的。

BS EN1992中，對于一般鋼筋混凝土構(gòu)件與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件裂縫寬度的驗算采用準(zhǔn)永久組合，對于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件裂縫寬度的驗算采用頻遇組合；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形驗算采用準(zhǔn)永久組合。JTS151-2011中對于在使用階段允許出現(xiàn)裂縫的鋼筋混凝土構(gòu)件，要求驗算準(zhǔn)永久組合下的裂縫寬度，在必要時可以采用頻遇組合值代替準(zhǔn)永久組合值；受彎構(gòu)件的撓度采用準(zhǔn)永久組合進(jìn)行計算。比較發(fā)現(xiàn)，兩種規(guī)范體系在這兩方面基本一致。

5.2 分項系數(shù)與組合系數(shù)

5.2.1 荷載分項系數(shù)

BS6349-2根據(jù)不同的承載能力極限狀態(tài)、不同結(jié)構(gòu)部分、荷載對結(jié)構(gòu)承載能力的利弊分別給出了不同的荷載分項系數(shù)。BS6349-2不僅對于承載能力極限狀態(tài)EQU、STR/GEO分別給出了不同的分項系數(shù)，而且根據(jù)計算構(gòu)件的不同（分為上部構(gòu)件和地下基礎(chǔ)）分別提出了不同的分項系數(shù)要求，其中在計算地下基礎(chǔ)時（如樁基，地下連續(xù)墻），需按要求驗算各分項系數(shù)的組合以得到最不利的組合形式。而JTS151-2011中并沒有做這么具體的劃分。在BS6349-2中給出了水工結(jié)構(gòu)荷載作用的分項系數(shù)，比較發(fā)現(xiàn)，系數(shù)取值也與我國規(guī)范有所不同。

5.2.2 荷載組合系數(shù)

JTS151-2011規(guī)定：可變作用的組合系數(shù)、頻遇值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)可分別取為0.7、0.7和0.6，對于有界作用且經(jīng)常以界值出現(xiàn)的可變作用可取為1.0。與我國規(guī)范不同，BS6349-2的規(guī)定更為具體且富有針對性，其對不同的荷載在不同組合中分別給出了不同的組合系數(shù)。BS6349-2中給出了水工結(jié)構(gòu)荷載作用的組合系數(shù)，如表1所示。

表1 作用組合系數(shù)

此外，JTS146-2012對于地震工況專門給出了各作用的組合系數(shù)。與我國規(guī)范不同的是，歐洲規(guī)范中用準(zhǔn)永久值系數(shù)作為地震工況下的可變作用組合系數(shù)，而且只考慮了堆貨、溫度、土壓力和水壓力等少數(shù)幾個可變作用，我國規(guī)范還考慮了船舶系纜力和擠靠力等主要可變作用。

6.結(jié)語

歐洲規(guī)范在可靠性設(shè)計上和我國規(guī)范有很多相似之處，如設(shè)計準(zhǔn)則、組合形式等；但二者也有很多不同點，如歐洲規(guī)范對荷載分項系數(shù)與組合系數(shù)的規(guī)定更為具體等等。通過我國規(guī)范與歐洲規(guī)范的可靠性設(shè)計的對比分析，可為海外港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，更好的控制海外工程設(shè)計質(zhì)量。