中欧港口工程结构可靠性设计对比

2020-09-27陈孝建黄志明江西省港航设计院有限公司

珠江水运 2020年17期

关键词：状况建筑物构件

陈孝建黄志明江西省港航设计院有限公司

1.引言

随着我国经济的发展及大型企业对海外市场的需求，越来越多的企业开始承接国际港口的建设，给港口工程事业的发展带来了机遇与挑战。运用国外的设计标准进行结构设计在日趋激烈的竞争中显得尤为重要。本文就中欧港口工程结构可靠性设计方面进行了对比。

2.基本规定

2.1 建筑物的设计使用年限

BS EN1990建议的建筑物的设计使用年限按照建筑结构种类及建筑物重要性等角度进行区分，最低为10年，最高100年。此外，BS6349-1中指出，通常的港口工程建筑物的设计使用年限为50年或者更长；而对用于防洪的建筑物要求是100年。GB50158-2010规定临时性港口建筑物为5～10年，永久性港口建筑物为50年。

2.2 建筑物结构等级

BS EN1992将混凝土强度等级采用示意性强度等级、设计使用年限为50年的建筑物结构等级定义为S4。以结构等级S4为基础等级，不同的建筑物根据不同的暴露级别和设计使用年限、混凝土强度等级进行修正（详见BS EN1992）。GB50158-2010中按照结构失效后果的严重程度将建筑物划分为三个安全等级。BS EN1992中的分类更详细，且考虑的因素更具体。对于按照欧洲规范设计的水工结构，推荐的建筑物结构等级为S4。

2.3 耐久性

BS EN1990中列出的对结构耐久性的影响因素除了GB50158-2010中规定的使用要求、环境条件、材料性能等因素外，还特别提到了设计准则和土体性质对结构耐久性的影响。

3.极限状态设计准则

3.1 结构极限状态

欧洲规范的设计方法是基于概率极限状态的设计方法，包括承载能力极限状态（ULS）和正常使用极限状态（SLS），这与我国规范的设计方法是一致的。

3.1.1 承载能力极限状态

BE EN1990规定，在必要时应该校核下列承载能力极限状态：

（1）EQU：结构或结构的任何一部分作为刚体失去静力平衡；

（2）STR：结构或结构构件（包括基础、桩和基础墙等）的内部失效或过度变形。在这种情况下结构材料的强度起控制作用；

（3）GEO：地基失效或过度变形；

（4）FAT：结构或结构构件的疲劳破坏。

通过与GB50158-2010中定义的承载能力极限状态比较发现，在承载能力的定义上，两种规范体系并没有什么不同，只是中国规范在具体划分时更细、更具体。在设计表达式上，欧洲规范采用的校核模式与我国规范是一致的；只是在考虑结构破坏后果的严重性和结构使用年限时，我国规范通过结构重要性系数来反映，而欧洲规范则是在结构的耐久性中考虑了结构的重要性和使用年限要求。

3.1.2 正常使用极限状态

与我国规范一样，BS EN1990同样规定了正常使用极限状态下的结构位移，变形，振动，耐久性等要求。BS EN1990规定，正常使用极限状态按特征组合、频遇组合和准永久组合进行验算，其中适用性验算包括变形控制和裂缝控制。

比较发现，BS EN1990正常使用极限状态下的验算模式与GB50158-2010是一致的。

3.2 设计状况

BS EN1990将结构设计状况分为持久状况、短暂状况、偶然状况和地震状况，这与GB50158-2010是一致的。

4.基本变量

与GB50158-2010一样，BS EN1990中也对包含作用、环境影响、材料和岩土性能与几何量等在内的基本变量做出了相关规定，但是具体规定划分更为详细具体，在BS EN1990中规定：对于地震作用是属于偶然作用还是属于可变作用需根据工程地点区别划分；预应力应该按永久作用考虑；疲劳作用需在相关构件设计中考虑等。

5.极限状态设计表达式

5.1 设计表达式

5.1.1 承载能力极限状态

（1）对于持久或短暂设计状况作用的组合（基本组合），作用效应的一般形式为：

（2）对于偶然设计状况，作用效应的一般形式为：

（3）对于地震状况，作用效应的一般形式为：

从以上可以看出：在欧洲规范中，承载能力极限状态的持久状况和短暂状况采用的是同一组合形式，这与我国规范不同，我国规范中承载能力极限状态短暂状况的短暂效应组合不考虑非主导可变作用的组合系数；此外，JTS146-2012将地震状况按承载能力极限状态进行验算，并给出了组合形式；对于偶然状况仅在工程有需要时考虑。

5.1.2 正常使用极限状态

（1）标准组合

（2）频遇组合

（3）准永久组合

在正常使用极限状态，以上三种组合形式与JTS151-2011是一致的。

BS EN1992中，对于一般钢筋混凝土构件与无粘结预应力构件裂缝宽度的验算采用准永久组合，对于有粘结预应力构件裂缝宽度的验算采用频遇组合；结构构件的变形验算采用准永久组合。JTS151-2011中对于在使用阶段允许出现裂缝的钢筋混凝土构件，要求验算准永久组合下的裂缝宽度，在必要时可以采用频遇组合值代替准永久组合值；受弯构件的挠度采用准永久组合进行计算。比较发现，两种规范体系在这两方面基本一致。

5.2 分项系数与组合系数

5.2.1 荷载分项系数

BS6349-2根据不同的承载能力极限状态、不同结构部分、荷载对结构承载能力的利弊分别给出了不同的荷载分项系数。BS6349-2不仅对于承载能力极限状态EQU、STR/GEO分别给出了不同的分项系数，而且根据计算构件的不同（分为上部构件和地下基础）分别提出了不同的分项系数要求，其中在计算地下基础时（如桩基，地下连续墙），需按要求验算各分项系数的组合以得到最不利的组合形式。而JTS151-2011中并没有做这么具体的划分。在BS6349-2中给出了水工结构荷载作用的分项系数，比较发现，系数取值也与我国规范有所不同。

5.2.2 荷载组合系数

JTS151-2011规定：可变作用的组合系数、频遇值系数和准永久值系数可分别取为0.7、0.7和0.6，对于有界作用且经常以界值出现的可变作用可取为1.0。与我国规范不同，BS6349-2的规定更为具体且富有针对性，其对不同的荷载在不同组合中分别给出了不同的组合系数。BS6349-2中给出了水工结构荷载作用的组合系数，如表1所示。