中外港口規(guī)范對比研究Ⅰ：設計使用年限與波浪重現(xiàn)期標準

陳漢寶，王 瞇2,，耿寶磊*，劉海源

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456; 2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

隨著“一帶一路”倡儀的提出，港口工程國際化程度日益提高，由于各個國家的地域環(huán)境、經(jīng)濟水平和設防思想存在差異，因而各國港口規(guī)范具體規(guī)定也不盡相同，這始終是海外工程設計人員面臨的一大挑戰(zhàn)。準確理解國內(nèi)外規(guī)范異同，有益于減少國外港口工程設計的彎路，進而降低設計和施工中不可預見的潛在風險。

近年來，國內(nèi)諸多學者對國內(nèi)外港口相關規(guī)范進行了比較研究：周劍等[1]對國內(nèi)外港口工程水位確定方法進行了對比分析；侯慷等[2]對比了中美日航道設計規(guī)范中波浪富裕水深的確定方法；楊國平等[3]總結了世界各國深度基準面的分類和演變歷程，并分析了國內(nèi)外港口工程碼頭面高程計算方法的差異；李峰等[4]對中國與歐洲相關規(guī)范中目標可靠指標取值進行了比較研究；陳紅軍等[5]綜合比較了中、歐、英、日、美等國規(guī)范中設計使用年限的規(guī)定；安翔等[6]比較了國內(nèi)外主要規(guī)范中船舶航行中的計算問題。但對國內(nèi)外規(guī)范中重現(xiàn)期及其與設計使用年限的關聯(lián)性的全面性研究未見相關文獻報道。

沿海港口設計中，建筑物的設計使用年限確定后，可以根據(jù)相關規(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的水文要素值出現(xiàn)一次的平均間隔年數(shù)。由此可見，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，設計使用年限越長，則設計水文要素的重現(xiàn)期越長，設計時采用的環(huán)境荷載越大，結構越強，工程投資越高。因此，正確理解重現(xiàn)期與設計使用年限的關系顯得尤為重要。本文對國內(nèi)外規(guī)范在沿海港口建筑物等的重現(xiàn)期、設計使用年限上的差異進行系統(tǒng)的比較研究，為涉外工程設計者提供參考。

1 各國規(guī)范對建筑物的設計使用年限要求

設計使用年限是指：“設計規(guī)定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期”。在決定設計使用年限時，應考慮下列因素[7]：

(1)對影響結構安全性的因素進行評估，包括疲勞載荷、腐蝕、海生物和土體強度的降低。因此，在設計的早期階段，應該確定結構在使用年限內(nèi)可接受的破壞概率或破壞程度。

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

(3)評估經(jīng)濟可行性、發(fā)展和相關事項的必要性。因此，應提前估算修理費用，并納入對項目經(jīng)濟可行性的評估中。

1.1 中國規(guī)范

2011年實施的《水運工程設計通則》[8]適用于新建、改建和擴建的港口工程、航道工程和船廠水工建筑物工程設計，并作為水運工程設計的通用標準。通則第2.1.8～2.1.10條對建筑物設計使用年限的規(guī)定如下。

(1)港口工程結構的設計使用年限不得低于以下標準：

①永久性建筑物：50 a。

②臨時性建筑物：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構的設計使用年限不得低于以下標準：

表1 日本港口相關規(guī)范中建筑物設計使用年限的規(guī)定Tab.1 The design working life in Japanese standard

①永久性建筑物：50 a。

②臨時性建筑物：建筑物的使用年限。

(3)航道整治建筑物結構的設計使用年限應根據(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

日本港口設施技術標準與評述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[9]第一部分第二章提到，建筑物設計使用年限的確定應分別考慮建筑物的使用環(huán)境條件和建設目的，此外結構性能和工程材料都會對設計使用年限的選擇產(chǎn)生影響。表1給出了不同類別建筑的設計使用年限，通常港口設施的設計使用年限采用表中第3項規(guī)定，即50 a。

表2 英國港口相關規(guī)范中建筑物設計使用年限的規(guī)定Tab.2 The design working life in British standard

注：①可拆卸重復利用的建筑物或者部分結構不屬于臨時性建筑物。

1.3 美國規(guī)范

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

1.4 英國規(guī)范

英國海工建筑物標準《Maritime works-Part 1-1: General-Code of practice for planning and design for operations》[11]第17條對建筑物的設計使用年限具體規(guī)定如表2所示，且明確提出此表僅作為指示性標準，設計人員必須結合建設項目具體情況來確定最終的設計使用年限。

表3 國際港口工程設計手冊中建筑物設計使用年限的規(guī)定Tab.3 The design working life in Port designer′s handbook

1.5 國際港口工程手冊

國際航運協(xié)會(PIANC)編著的港口工程設計手冊《Port Designer′s Handbook》[7]第6.2條指出，建筑物的預期設計使用年限與計劃維修后結構的使用壽命相當，它對結構設計會產(chǎn)生重大影響。一般商業(yè)港口的設計使用年限至少50 a；護岸和防波堤的設計使用年限一般為100 a；對于某些服務于集裝箱、石油運輸?shù)奶厥飧劭冢紤]到現(xiàn)代貨物裝卸發(fā)展迅猛，可能導致較早地超過設計泊位(例如集裝箱裝卸技術對泊位結構的影響)，因而其設計使用年限一般不超過30 a。

港口結構和設備的設計使用年限將取決于維修的程度、時間和費用，表3所列數(shù)值僅作為一個非常粗略的準則。

1.6 各國規(guī)范匯總

將國內(nèi)外規(guī)范對建筑物設計使用年限的要求匯總列入表4。

表4 各國規(guī)范中建筑物設計使用年限規(guī)定匯總Tab.4 Summary of design working life in national standards

如表4所示，各國規(guī)范對一般港口建筑物和臨時性建筑物的設計使用年限規(guī)定基本一致，但是對某些特殊港口建筑物的規(guī)定略有差異，如許多國家對于可更換的結構單元、能源類專用碼頭設施和特別重要港口設施、紀念性建筑物等均提出了特殊要求。對于可更換的結構單元，日本、英國、國際航運協(xié)會指出其設計使用年限一般為25 a；對于能源類專用碼頭設施，例如單獨建設的油碼頭、LNG碼頭等的設計使用年限，中國標準中采用50 a的偏保守值，而歐美國家標準要求的設計使用年限一般為15～30 a，然后通過維護和升級延長實際的使用年限。國外規(guī)范對于特別重要的建筑物的設計使用年限要求至少100 a，略高于中國規(guī)范。

2 各國規(guī)范對設計波浪的重現(xiàn)期要求

2.1 中國規(guī)范

《港口與航道水文規(guī)范》第6.2.2條指出設計波浪重現(xiàn)期應按下列規(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度和穩(wěn)定性計算，設計波浪的重現(xiàn)期應采用50 a。

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

(3)對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，其設計波浪的重現(xiàn)期可采用100 a，且其極端高水位的重現(xiàn)期可相應調(diào)整為100 a。

2.2 日本規(guī)范

日本港口設施技術標準與評述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[9]第二部分第二章對設計波浪重現(xiàn)期規(guī)定如下。

(1)隨機波的重現(xiàn)期。

主導作用為隨機波的正常狀態(tài)下，在確定波浪重現(xiàn)期時，必須滿足結構的用途和性能要求，此外，還應適當考慮建筑物的設計使用年限、重要性以及自然條件。

(2)極端波浪的重現(xiàn)期。

主導作用為大浪的極端狀態(tài)時，設計波浪可采用目標海域出現(xiàn)的最嚴重海浪或重現(xiàn)期大于等于100 a的波浪。

(3)觀測值或估計值的周期。

長期觀測值或估計值的周期不小于30 a。

2.3 英國規(guī)范

英國海工建筑物標準《Maritime structures-Part 1: code of practice for general criteria》[13]第21.3.8條指出，在對設計參數(shù)進行外推以估計其極值時，就產(chǎn)生了設計條件使用何種重現(xiàn)期的問題。一般而言，設計重現(xiàn)期將超過成本優(yōu)化給定的期間。成本優(yōu)化只有在已知設計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物模試驗協(xié)助確定損壞率的建筑物。相反，如直立堤等建筑物，在超出設計條件后，幾乎會完全毀壞，則不適用。對于破壞的后果非常嚴重的建筑物，其重現(xiàn)期至少1 000 a。

2.4 國際港口工程手冊

國際港口工程設計手冊《Port Designer′s Handbook》[7]第二部分第2.3.4條指出一般建筑物設計波浪重現(xiàn)期為50～100 a，且應根據(jù)建筑物類型選擇重現(xiàn)期。對于破壞程度較小或易于修復的建筑物，其重現(xiàn)期可取較小(如某些工程采用25 a)。對于破壞后造成重大經(jīng)濟損失或?qū)θ松戆踩珮嫵赏{的建筑物，其重現(xiàn)期至少100 a。港口不同功能的結構應采用不同重現(xiàn)期。

3 重現(xiàn)期和設計使用年限的關系

圖1 重現(xiàn)期與設計使用年限及概率的關系Fig.1 The relationship among return period,design working life and probability

重現(xiàn)期T定義為設計波浪兩次出現(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。實際上，如果事件可看作是在統(tǒng)計上獨立的，則重現(xiàn)期Ta的設計波浪在na的時段內(nèi)將出現(xiàn)的概率由下式確定

(1)

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

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

(1)建筑物在設計使用年限內(nèi)遭遇設計波浪的概率一定時，重現(xiàn)期與設計使用年限的關系如表5所示。

表5 重現(xiàn)期與設計使用年限的關系Tab.5 The relationship between return period and design working life

(2)設計使用年限一定時，重現(xiàn)期與建筑物在設計使用年限內(nèi)遭遇設計波浪的概率的關系如表6所示。

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

(3)重現(xiàn)期一定時，建筑物設計使用年限與其在設計使用年限內(nèi)遭遇設計波浪的概率的關系如表7所示。

表7 設計使用年限與概率的關系Tab.7 The relationship between design working life and probability of wave

由上述數(shù)據(jù)可知，當建筑物的設計使用年限與重現(xiàn)期相同時，設計波浪在此期間出現(xiàn)的概率約64%，這對于重要港口而言顯然是無法接受的。因此應根據(jù)建筑物的重要程度選擇設計使用年限對應的重現(xiàn)期。如我國一般港口建筑物設計波浪的重現(xiàn)期標準為50 a一遇，若規(guī)定出現(xiàn)的概率為45%，那么對應建筑物的設計使用年限僅30 a；國外港口建筑物設計波浪的重現(xiàn)期標準一般為100 a一遇，若規(guī)定建筑物使用年限為30 a，那么設計波浪出現(xiàn)的概率僅為26%。對于特別重要的建筑物，其設計使用年限至少100 a，若規(guī)定出現(xiàn)的概率為10%，那么對應的設計波浪重現(xiàn)期至少應為950 a。因此，當我們提及百年大計時，可考慮到1 000 a。

表8 建筑物安全等級與可靠指標、失效概率的關系Tab.8 The relationship among safety grade, reliability index and failure probability

注：括號外表示延性破壞對應參數(shù)值，括號內(nèi)表示脆性破壞對應參數(shù)值。

參考建筑結構安全等級與可靠指標、失效概率的關系[14](表8)，對于安全等級一級的重要的港口建筑物，其破壞后果很嚴重，從安全角度考慮建筑物在設計使用年內(nèi)遭遇大于設計波浪的概率應低于30%；對于安全等級二級的一般港口建筑物，其破壞后果嚴重，可適當將概率控制在30%～70%；對于安全等級三級的次要港口建筑物，破壞后果不嚴重，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)間僅考慮了設計使用年限與重現(xiàn)期的理論關系，可作為工程設計前期的粗略參考值，但在具體設計時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跨海通道、國家特別重要的建筑物，按中國內(nèi)地設計標準使用年限可取用100 a，香港地區(qū)標準建議120 a，為滿足粵、港、澳三地設計規(guī)范的要求，因此港珠澳大橋設計使用年限定為120 a且采用對應的荷載代表值進行結構安全設計[15]，此外通過先進的施工方法、嚴格的質(zhì)量把控、精細的后期維護等系列措施以確保結構耐久性。

海工建筑物的設計使用年限受制于設計水文要素重現(xiàn)期以及建筑物的重要程度。對于不同重要程度的建筑物，其設計使用年限與重現(xiàn)期的對應關系也會有所差異，正如各國規(guī)范所言，規(guī)范中所述標準僅為一般性指示，設計者應針對具體的工程情況采用相應的設計使用年限和重現(xiàn)期。

4 結語

隨著“21世紀海上絲綢之路”倡議的提出，越來越多企業(yè)響應國家號召紛紛“走出去”開拓海外港口項目[16-18]。而海港建筑物設計使用年限和重現(xiàn)期作為港口設計中極其重要的因素也因此備受關注。本文對國內(nèi)外規(guī)范中海港建筑物的設計使用年限和重現(xiàn)期的規(guī)定作了匯總和分析，可以方便相關設計工作者參考。