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电网公司电网公司输电线路设计导则输电线路设计导则宣贯研讨会宣贯研讨会结构工程的全寿命设计陈肇元院士2008年4月23日北京z社会经济水平迅速发展z可持续发展理念日益觉醒z人身安全福利愈受关注z工程事故后果倍加严重z要求加强土木工程的安全性和风险管理z需要转变工程设计的理念z工程法规和工程技术标准(规范)是上层建筑z现行技术标准(规范)要服务于社会主义市场经济条件下建设现代化工程的需要，消除以往遗留的为切合计划体制下短缺经济所需的相关内容建筑物的质量建筑物的质量z质量---具有所需性能或功能的优劣程度z质量的主要体现---实用、经济、美观z实用---能在所需年限内适合正常使用并确保安全z建筑物所需性能或质量标准---适用性安全性耐久性使用寿命直接反映了建筑物及其部件的耐久性，又是安全性、适用性和耐久性质量得以集中量化表达的唯一指标设计使用寿命（或设计使用年限），是在预定的使用条件（包括正确使用、检测和维修）下、能够满足所需安全性、适用性和耐久性并具有足够保证率的年限规划风险项目论证设计风险方案选择施工风险运行风险投资收益社会环境效益业主设计人目标寿命（合理使用寿命）设计使用年限设备使用年限建筑部件使用年限结构设计使用年限结构设计•结构全寿命费用分析•结构分析计算、构造•施工质量要求•使用阶段维修、检测•拆除及废弃物处置（使用荷载、风雪）一般荷载作用（地震、气象灾害等）偶然作用（大气作用、环境腐蚀）环境作用结构材料结构构件（使用年限）结构安全性适用性耐久性构件承载能力安全性结构整体牢固性结构的全寿命设计要求结构设计方法从传统的处方式设计方法向性能化设计方法过渡处方式设计方法（Prescribeddesignmethod)设计施工人员可以按规定的处方建造工程“知其然，而不知其所以然”早期的营造法式现代力学、现代工程材料、现代工具工艺的出现导致结构设计方法的巨大进步，但国内现行的土建结构设计规范或标准，基本上仍是处方式z性能化设计方法（Performance–baseddesignmethod）以工程所需性能和功能为目标进行设计性能－－（properties）－－性质，如强度－－（performance）－－以完成特定需要作为质量水准的关键性质现行设计技术标准(规范)，在编制指导思想上要能为“性能化设计方法”的逐步兼容创造条件中华人民共和国中华人民共和国《《建筑法建筑法》》规定：规定：z“在建筑物合理使用寿命内必须确保主体结构的质量”（第60条）z“在建筑物合理使用寿命内，因质量不合格受到损害的，有权向责任者要求赔偿”（第80条）所以，主体结构的设计使用年限就应是建筑物的合理使用寿命，否则在这一年限年内出现主体结构质量问题，就要承担设计责任赔偿损失但设计提出的建筑部件和建筑设备使用年限可以低于建筑物的合理使用寿命合理使用寿命应该由设计人和业主共同商定充分体现业主和使用者利益，不能由设计人按照规范的昀低要求自行决定以房屋建筑物为例：房屋的安全质量z主体结构(承重结构和地基基础）防止破坏倒塌和失稳的安全性z非承重建筑部件与建筑设计布置防止建筑部件（如玻璃幕墙、贴面砖、室外空调器）坠落的安全性，建筑材料无毒性防滑、防碰，采光通风卫生等安全z建筑设备水暖电系统或设施安全建筑物防火如何理解建筑法提出的如何理解建筑法提出的合理使用寿命合理使用寿命合理寿命-----合乎本身用途或使用功能需要经济上（考虑全寿命费用）合理不低于法规、标准的昀低年限要求（基于国家、社会公众利益）延长使用寿命是建筑业走向可持续发展轨道的重要原则国际上多要求一般建筑物――不低于50年重要建筑物――不低于100年特殊重要建筑物――不低于150年我国普通建筑物一律50年重要建筑物一律100年我国近年新建的重要纪念性和标志性建筑，设计年限没有超过100年的,高层建筑按50年设计也过短，不够合理建筑法要求建筑法要求必须确保主体结构的质量必须确保主体结构的质量怎怎样样才才算算确确保保z结构设计使用年限或耐久性的保证率按国际上一般要求，保证率不小于90％或95％相当于寿命安全系数大于2设计使用年限为50年的主体结构，由耐久性决定的群体使用寿命需要平均达到约100年在50年内不需大修的应占90％或95％以上实际调查表明，发达国家房屋耐久性确实可以达到百年寿命我国上世纪20～30年代按正规设计施工的房屋，凡能正常维护的至今质量良好，已被拆除的多由于非技术的原因建筑法要求建筑法要求必须确保主体结构的质量必须确保主体结构的质量对于房屋结构对于房屋结构怎怎样样才才算算确确保？保？z结构安全性－－防止破坏倒塌的保证率一般荷载下只许有百万分之几的失效概率安全性设计，本质是投入与风险损失的博弈z结构适用性－－正常使用保证率可以较低，因为不会损害结构安全，对于可以恢复的过大结构变形，允许有10～15％左右的失效概率z结构耐久性或设计使用年限－－按适用性考虑设计，但钢筋锈蚀、混凝土冻蚀等适用性失效不可恢复，允许5～10％的失效概率，保证率90～95％房屋质量安全管理制度房屋质量安全管理制度复杂的系统：z与房屋质量安全直接相关的个人和机构z这些个人和机构进行相关活动时需要共同遵守的规则——法律、法规、技术规范标准建设阶段－建设人、建造（设计施工）人、第三方咨询人(监理)使用阶段－业主、专业管理人、使用人、第三方咨询人(检测鉴定)监督管理者－政府相关部门利益相关者－保险、银行、基金会20052005年提请国务院审议的年提请国务院审议的《《建筑法（修订送审稿草案）建筑法（修订送审稿草案）》》已明确将建筑物范围从房屋建筑物已明确将建筑物范围从房屋建筑物扩大到土木水扩大到土木水利等所有工程建设，要求在利等所有工程建设，要求在工程合理使用寿命工程合理使用寿命内确内确保主体结构的质量保主体结构的质量z电网输电塔结构、桥梁结构等生命线工程的安全性设置水准应充分考虑结构破坏倒塌后果的极端严重性，包括直接和间接损失，在安全性设置水准与风险之间需求合理的平衡z类似几年一遇等设计基准期，并不是使用寿命，两者不能混淆设计规范、标准或导则的修订，首先要明确提出工程的合理使用寿命或设计使用年限英国英国BS8100BS8100－－11格构式塔桅荷载格构式塔桅荷载非圆截面非圆截面k1=1k1=1圆截面圆截面k1=2/3+4/Dk1=2/3+4/D[]012520001γγγkkaB≥+=−我国房屋建筑结构设计施工规范提出的质我国房屋建筑结构设计施工规范提出的质量设置水准，量设置水准，不能很好满足不能很好满足《《建筑法建筑法》》规定规定的的““必须确保合理使用寿命内主体结构质量必须确保合理使用寿命内主体结构质量””的要求的要求房屋结构的安全性与耐久性1）一般荷载作用——一般荷载与强制变形永久荷载----自重，土压力可变荷载----使用荷载（人群、车辆、设备），风雪一般作用下的结构设计主要是力学作用的强度设计2）偶然作用——地震、爆炸、撞击等偶然作用下的结构设计主要是力学作用下的强度和整体性设计3）环境作用（或环境影响）——温湿度及其变化，降水，冰冻等大气作用；土、水、空气中化学物质作用环境作用导致结构材料性能随时间衰退，如钢材锈蚀、混凝土腐蚀环境作用下的结构设计主要是物理与化学作用下的耐久性设计结构设计需考虑的三类作用结构设计需考虑的三类作用作用承载力极限状态安全性设计正常使用极限状态适用性设计设计的主要内容规定作用下构件承载力安全性结构整体牢固性变形、裂缝、振动等控制耐久性一般作用◆◆◆◆（包括疲劳荷载和持久应力下耐久性）◆◆◆◆疲劳荷载、过大工作应力与持久荷载强度设计（力学计算）偶然作用◆◆◆◆◆◆整体牢固性设计环境作用安全性通过正常使用下的适用性加以保证（将劣化程度控制在规定的容许值以内，不允许影响到承载力）◆◆◆◆耐久性（防腐蚀）设计结构安全性包括：1）构件承载力安全性2)结构整体牢固性结构工程安全性主要取决于设计、施工水准，也与使用、维修有关设计、施工水准取决于工程法规、规范所规定的安全设置水准，也与工程技术和管理人员的水平与素质相联系结构设计时的安全设置水准起昀主要作用结构的安全性结构的安全性作用承载力极限状态安全性正常使用极限状态适用性设计的主要内容规定作用下构件承载力安全性结构整体牢固性变形、裂缝、振动等控制耐久性一般作用◆◆◆（包括疲劳荷载和持久应力下耐久性）◆◆◆◆工作应力过大引起的过度变形与开裂强度设计（力学计算）偶然作用◆◆◆◆◆整体牢固性设计环境作用安全性通过正常使用下的适用性加以保证（将劣化程度控制在规定的容许值以内，不允许影响到承载力）◆◆◆耐久性（防腐蚀）设计S（荷载效应）≤R（构件抗力）如对受弯构件：作用弯矩≤抗弯能力安全水准主要取决于：1、荷载标准值2、设计安全度可靠度设计方法――荷载分项系数，材料强度分项系数安全系数设计方法―荷载安全系数，材料强度安全系数还与构件内力及构件抗力计算方法的保守程度有关构件承载能力的安全设置水准构件承载能力的安全设置水准安全保证率或安全储备安全保证率或安全储备z将荷载标准值乘以大于1的荷载分项系数（或荷载z安全系数）系数，作为荷载设计值z将材料强度标准值除以大于1的材料强度分项系数（或材料强度安全系数），作为材料强度设计值z活荷载分项系数：我国1.4，英国1.6，美国1.7z恒载分项系数：我国1.2，美、英1.4z混凝土强度分项系数：我国1.35，英1.5钢材强度分项系数：我国1.08，英1.15办公室设计的楼面活荷载（标准值与安全系数的乘积）我国过去设计的只有英国的52.5%，美国的51.5%计算构件承载能力时规定的材料强度安全系数我国比英美的低约10~15%按美英规范设计的办公室楼板构件，承受活荷载的能力比按我国规范设计的大一倍以上,承受恒载（自重）的能力高出约15%构件承载力安全设置水准较低构件承载力安全设置水准较低z安全水准主要体现：荷载分项（安全）系数材料强度分项（安全）系数荷载标准值结构重要性系数z设计荷载＝1.2×恒载标准值+1.4×活载标准值z可能导致危险的场合：恒载很小，活载超重轻钢结构活载较小，恒载超重大跨桥梁，屋面构件轻轻钢钢结结构构的的破破坏坏公共场所楼层使用荷载的设计承载能力公共场所楼层使用荷载的设计承载能力（荷载的设计标准值（荷载的设计标准值××荷载安全系数）荷载安全系数）办公室、集体宿舍楼层使用荷载的设办公室、集体宿舍楼层使用荷载的设计承载能力计承载能力z尤其是公用楼梯、通道以及阳台等有可能在紧急事故下极度拥挤和需要逃生救援场所的楼板可相差达1倍以上z公共场所的杆，按每延米承受100公斤水平推力设计，只有国外要求的1/3z抗灾能力低下规范在结构安全性上的低标准要求规范在结构安全性上的低标准要求为何没有导致相应的大规模破坏？为何没有导致相应的大规模破坏？z不少设计人员没有完全照搬规范的低要求设计z有许多不确定有利因素，在结构设计中一般不考虑－如梁板中的拱效应，结构的空间作用和整体作用z但当结构不存在这些有利因素时，安全事故就会出现，如装配式结构、简支构件、砌体混合结构、自重小的轻钢结构等安全事故往往由多种因素凑合在一起造成，较少由于某种单一的因素结构的抗灾能力薄弱结构的抗灾能力薄弱对生命财产安全的昀大威胁对生命财产安全的昀大威胁z抗地震要求在同样地震烈度的设防等级下，我国设计规范规定的地震力低于国际通用标准约1/4z抗火要求在同样耐火极限时间设防下，结构的实际抗火能力远不及国际通用标准的要求z房屋的结构设计规范，至今没有结构整体牢固性的具体要求在不可预见的天灾人祸下，结构发生的局部破坏不应引发大范围连续倒塌的灾难后果结构的整体牢固性结构的整体牢固性结构不应发生与其初始破坏原因不相称的严重后果局部失效不致造成大范围连续倒塌破坏z可靠的连接z必要的冗余度z良好的延性延性－昀大抗力下，维持继续变形的能力整体牢固性是防范灾害作用和重大人为错误造成结构灾难性后果的重要保证ISO2394ISO2394的可靠度设计方法的可靠度设计方法：：要求结构设计需考要求结构设计需考虑虑可预见的和不可预见的偶然作用与可能发生的可预见的和不可预见的偶然作用与