中歐港口工程結構可靠性設計對比

陳孝建 黃志明 江西省港航設計院有限公司

1.引言

隨著我國經濟的發展及大型企業對海外市場的需求，越來越多的企業開始承接國際港口的建設，給港口工程事業的發展帶來了機遇與挑戰。運用國外的設計標準進行結構設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構可靠性設計方面進行了對比。

2.基本規定

2.1 建筑物的設計使用年限

BS EN1990建議的建筑物的設計使用年限按照建筑結構種類及建筑物重要性等角度進行區分，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 建筑物結構等級

BS EN1992將混凝土強度等級采用示意性強度等級、設計使用年限為50年的建筑物結構等級定義為S4。以結構等級S4為基礎等級，不同的建筑物根據不同的暴露級別和設計使用年限、混凝土強度等級進行修正（詳見BS EN1992）。GB50158-2010中按照結構失效后果的嚴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，且考慮的因素更具體。對于按照歐洲規范設計的水工結構，推薦的建筑物結構等級為S4。

2.3 耐久性

BS EN1990中列出的對結構耐久性的影響因素除了GB50158-2010中規定的使用要求、環境條件、材料性能等因素外，還特別提到了設計準則和土體性質對結構耐久性的影響。

3.極限狀態設計準則

3.1 結構極限狀態

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

3.1.1 承載能力極限狀態

BE EN1990規定，在必要時應該校核下列承載能力極限狀態：

（1）EQU：結構或結構的任何一部分作為剛體失去靜力平衡；

（2）STR：結構或結構構件（包括基礎、樁和基礎墻等）的內部失效或過度變形。在這種情況下結構材料的強度起控制作用；

（3）GEO：地基失效或過度變形；

（4）FAT：結構或結構構件的疲勞破壞。

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

3.1.2 正常使用極限狀態

與我國規范一樣，BS EN1990同樣規定了正常使用極限狀態下的結構位移，變形，振動，耐久性等要求。BS EN1990規定，正常使用極限狀態按特征組合、頻遇組合和準永久組合進行驗算，其中適用性驗算包括變形控制和裂縫控制。

比較發現，BS EN1990正常使用極限狀態下的驗算模式與GB50158-2010是一致的。

3.2 設計狀況

BS EN1990將結構設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、環境影響、材料和巖土性能與幾何量等在內的基本變量做出了相關規定，但是具體規定劃分更為詳細具體，在BS EN1990中規定：對于地震作用是屬于偶然作用還是屬于可變作用需根據工程地點區別劃分；預應力應該按永久作用考慮；疲勞作用需在相關構件設計中考慮等。

5.極限狀態設計表達式

5.1 設計表達式

5.1.1 承載能力極限狀態

（1）對于持久或短暫設計狀況作用的組合（基本組合），作用效應的一般形式為：

（2）對于偶然設計狀況，作用效應的一般形式為：

（3）對于地震狀況，作用效應的一般形式為：

從以上可以看出：在歐洲規范中，承載能力極限狀態的持久狀況和短暫狀況采用的是同一組合形式，這與我國規范不同，我國規范中承載能力極限狀態短暫狀況的短暫效應組合不考慮非主導可變作用的組合系數；此外，JTS146-2012將地震狀況按承載能力極限狀態進行驗算，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

（1）標準組合

（2）頻遇組合

（3）準永久組合

在正常使用極限狀態，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件與無粘結預應力構件裂縫寬度的驗算采用準永久組合，對于有粘結預應力構件裂縫寬度的驗算采用頻遇組合；結構構件的變形驗算采用準永久組合。JTS151-2011中對于在使用階段允許出現裂縫的鋼筋混凝土構件，要求驗算準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永久組合值；受彎構件的撓度采用準永久組合進行計算。比較發現，兩種規范體系在這兩方面基本一致。

5.2 分項系數與組合系數

5.2.1 荷載分項系數

BS6349-2根據不同的承載能力極限狀態、不同結構部分、荷載對結構承載能力的利弊分別給出了不同的荷載分項系數。BS6349-2不僅對于承載能力極限狀態EQU、STR/GEO分別給出了不同的分項系數，而且根據計算構件的不同（分為上部構件和地下基礎）分別提出了不同的分項系數要求，其中在計算地下基礎時（如樁基，地下連續墻），需按要求驗算各分項系數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中給出了水工結構荷載作用的分項系數，比較發現，系數取值也與我國規范有所不同。

5.2.2 荷載組合系數

JTS151-2011規定：可變作用的組合系數、頻遇值系數和準永久值系數可分別取為0.7、0.7和0.6，對于有界作用且經常以界值出現的可變作用可取為1.0。與我國規范不同，BS6349-2的規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。BS6349-2中給出了水工結構荷載作用的組合系數，如表1所示。

表1 作用組合系數

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

6.結語

歐洲規范在可靠性設計上和我國規范有很多相似之處，如設計準則、組合形式等；但二者也有很多不同點，如歐洲規范對荷載分項系數與組合系數的規定更為具體等等。通過我國規范與歐洲規范的可靠性設計的對比分析，可為海外港口工程結構設計提供參考，更好的控制海外工程設計質量。