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            亚东桥话-10:工程结构标准与规范浅议

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            楼主 2021-04-20 06:08:07
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            开头的话

            公元前18世纪,古巴比伦国王汉谟拉比(Hammurabi)颁布了世界上第一部法典,并把这法典刻在一根黑色玄武岩石柱上,流传至今。秦始皇统一六国后,推行书同文、车同轨、统一货币及度量衡,功在当代,利在千秋。1804年,拿破仑主持颁布《法国民法典》,奠定了近代法律的坚实基石。人类文明的发展过程中,离不开一些由少数人制订的、成文的、公开的、让大家知晓并要求遵守的文件(法律、法规、标准、规范等)。而且,文明越发达,科技越进步,文件越繁多。

            工程结构(包括桥梁)的设计、施工主要与标准和规范相关。什么是标准?根据1996年我国颁布的国标《标准化和有关领域的通用术语》(GB/T?3935.1),标准就是:“为在一定的范围内获得最佳秩序,对活动或其结果规定共同的和重复使用的规则、导则或特性的文件。该文件经协商一致制定并经一个公认机构的批准。”同时要求,标准应以科学、技术和经验的综合成果为基础,以促进最佳社会效益为目的。

            谁来制订标准?在国际社会,主要就是国际标准化组织(International Organizationfor Standardization,简称ISO)。这是一个成立于1946年的全球性非政府组织。ISO发布的标准,就是国际标准;经ISO确认的其他国际组织制定的标准,也是国际标准。与土木工程相关的“其他国际组织”,主要包括:国际建筑研究实验与文献委员会(CIB),材料与结构研究实验所国际联合会(RILEM),国际铁路联盟(UIC)等。

            各国也有自己的标准化组织。在中国,这个组织就是中国标准化协会(China Association forStandardization,简称CAS),上面是国家质检总局和国家标准化管理委员会。各国颁布的标准就是“国标”,各有代号,如:GB(中国),ANSI(美国),BSI(英国),CSA(加拿大),JSA (日本),DIN (德国),NF(法国), AS(澳大利亚)等。


            当今世界,标准的重要性不言而喻,标准化水平已经成为国家核心竞争力的基本要素之一。现实生活中,工程师(包括桥梁工程师)几乎天天都要与各种标准、规范打交道。因此,工程师不仅需要对本专业领域的标准体系有所了解,而且更需要把握住标准文件的本质和特征。

            标准、规范与规程

            在工程建设领域,相关文件经常冠以标准(standard)、规范(specification)、规程(code of practice)等几个词汇。它们的定义是什么?相互之间有何联系和区别?估计一些工程师并没在意这个问题。

            前文已提及,在国标《标准化和有关领域的通用术语》(GB/T 3935.1)中,已界定了标准一词。按笔者浅见,其是用来展示“规则、导则或特性”、起到“促进最佳社会效益”的指导性文件(通常不涉及过多的技术要求)。为取得社会效益,标准所涉及的活动或对象就得较为宽泛。一个典型的例子就是《工程结构可靠性设计统一标准》(GB50153),其内容涉及可靠性设计的“方法”,其应用对象是内涵丰富的“工程结构”。通常,针对方法、产品、符号、概念等制定的文件,一般冠以“标准”。在我国,标注GB的文件,都是标准。

            什么是规范?按国标GB/T 3935.1的解释,其是规定产品、过程或服务应满足的技术要求的文件。这句话的重点是“技术要求”。例如,针对桥梁的设计、施工和运营(换句话说,就是桥梁这个特殊产品的构成过程及服务过程),颁布的一系列技术文件,就属于规范。这样的实例很多,如《铁路桥涵设计基本规范》、《公路桥涵施工技术规范》、《城市桥梁养护技术规范》等。通常,针对工程设计、施工、制造、管养等技术要求做出的规定,一般冠以“规范”。

            什么是规程?按国标GB/T 3935.1的解释,其是为设备、结构或产品的设计、制造、安装、维修或使用而规定的操作或方法文件。这句话的重点是“操作或方法”,意味着规程与实施相关。例如,《公路桥梁承载能力检测评定规程》、《公路桥梁荷载试验规程》等。通常,针对工程作业、制造工艺、鉴定试验、安全管理等实施程序或操作方法做出的规定,一般冠以“规程”。

            实际上,这三个术语的内涵既有一定区别,又还有一定联系,较难清晰划分。我国公路、铁路、市政等不同主管部门在使用中也因把握的尺度不同,或习惯有异,用词上也各行其是。即便是在国标GB/T 3935.1中,也说规范和规程可以是标准,或标准的一部分,或与标准无关的独立文件。可是,如何界定哪些规范和规程可划归到标准,哪些又不可?没交待清楚。这的确有点让人犯迷糊。不过,从工程实践看,应该把绝大多数规范和规程视为标准。

            除此之外,还常见“指南”之类的技术文件。对此,可以理解为目前还不完善、今后可能颁布的规范或规程;若无强制规定,可视其为参考或借鉴资料。

            结构设计规范的组成

            设计规范(以下简称“设规”)是工程结构规范体系中的重要组成部分。工程结构都必须承受人为荷载的作用和自然环境的影响。若在正常使用和维护的前提下,结构在规定的时间内能抵抗这些作用和影响,结构就满足设计要求;否则,就可能遭受破坏或不适用。设规(包括桥梁设计规范)就是专门用来判别各具体结构是否安全和适用的。

            制订设规的基础,或说设规的主要组成,包括:结构设计方法,各种荷载(作用)的确定,材料和构件的试验成果以及工程经验等。

            设计方法??? 结构设计方法经历了长时间的演进。从最早的基于试验和经验的方法,到容许应力法,再到极限状态法,发展为今天所用的基于结构可靠性理论的极限状态法。不管形式如何,广义上,均要求“荷载效应”小于等于“结构抗力”。在设规中,这些方法主要是通过各验算式以及(分项)安全系数加以体现的。

            荷载确定??? 对所有可能施加到结构上的作用(重力,车辆或设备,人群,风,温度,地震等),都需要进行观察记录、经统计分析确定一个合理的(上)分位值。另外,要确定适于不同状况的荷载组合,给出相关的组合系数。再针对具体的结构进行结构分析,就可计算出“荷载效应”。

            材料及构件试验??? 对结构所用的各种材料(主要是钢和混凝土),都需要对其力学性能进行试验、经统计确定一个合理的(下)分位值。对构件及其连接的力学行为(如梁的抗弯承载能力,混凝土结构的裂缝宽度,焊缝强度等),也需要通过试验加以验证。这些试验成果,形成了“结构抗力”的基础。

            工程经验??? 指从多年的工程实践中积累起来的设计经验和制造、施工、管养经验。将这些经验加以归纳、提炼和总结,形成设规中的指导性条文以及一些与构造细节相关的条文。

            结构设计规范的主要任务

            设规的主要任务,就是帮助设计者正确决定结构型式、构件尺寸(尤其是截面的主要尺寸)和构件连接方式。对混凝土结构,包括配筋;对组合结构,包括钢与混凝土之间的连接。“正确”一词,意味着所设计的结构应服从一系列基本原则,例如,对当代桥梁结构,要求结构安全、功能适用、投资经济、造型美观以及构造耐久、建造环保(见下图)。

            基本原则那么多,要想都达到最优,那是不现实的。即便有最优的方案存在,在实际设计中也难以通过几个方案比选就把它找出来。因此,桥梁设计本质上就是考虑多目标约束的、原则性的、非数学意义的“总体优化”。

            以桥梁结构为例,看看目前的设规中是如何体现上述基本原则的。在安全方面,主要是通过各验算式控制结构或构件的承载能力,还包括结构稳定性、动力特性和疲劳强度要求。在适用方面,针对结构的刚度、裂缝宽度、钢筋应力等提出技术指标。在经济方面,没有具体要求。设规只给出了安全和适用的指标下限(不允许突破),对上限没有限定;桥梁设计得是否经济,取决于设计者。在耐久方面,只有一些构造措施(对钢桥,主要靠涂漆防锈;对混凝土桥,主要靠构造钢筋和保护层)。在美观环保方面,目前只有原则性要求。

            如此看来,满足设规技术要求(主要是安全和适用)的桥梁设计,应该不是一件难事。但是,什么样的设计才是一个好的设计呢?或者说,如何评价一座桥梁设计的优劣呢?这真是一个值得设计工程师思考的问题。

            结构设计规范的性质与特征

            设规的性质与特征,主要表现为以下几点:

            具体性?? 设规内容是与人的认识和经验分不开的。在历史上,总是先有各种具体的结构,以及能设计和修建这些结构的人,而后才逐步形成适用于这些结构的设规。可以认为:所有的设规都是具体的。所谓具体,指的是结构的荷载、材料、构造、施工技术等都是特定的。

            局限性?? 由于设规的具体性,设规的适用范围(即设计对象和设计内容)也就有其局限性。即便对同一类结构(如桥梁),一本设规也不可能包罗万象,也别指望其能解决所有问题。对于新型或特殊的结构,需要经过相当长一段时间的理论研究、试验验证和工程实践后,才能将成熟的成果吸纳到设规中去。

            发展性?? 随着科技的进步和工程的发展,设规内容也需不断发展和更新。这样,才能推动工程科技持续进步,取得更好的社会和经济效益。我国采用极限状态和结构可靠度理论为指导来修订公路桥梁设计规范,就是一例。近年来我国颁布的《公路桥梁抗风设计规范》、《公路斜拉桥设计细则》、》等,都拓展了桥梁工程设计领域的对象和内容。

            服务性?? 设规的内容编制和文字表述,应明确回答和解决问题,便于用户正确理解,易于掌握,以减少设计中的人为失误。设规的条文,在编排上要构成合理,在逻辑上要杜绝矛盾与歧义。另外,条文是在总结已有成熟经验的基础上简化与提炼出来的。因是成熟经验,就不可能将缺乏足够经验的事物包括进去;由于简化和提炼,也不能把一些理论背景知识(这可通过翔实的条文说明及参考文献加以表述)包括进去。

            严肃性?? 设规一经批准颁布执行,就成为行业标准(或政府文件),必须严肃对待。在国内设规中,凡条文用“必须”或“严禁”字样者,就表示具有强制性;凡条文用“应”或“不应”、“不得”字样者,则表示在正常情况下均须执行;凡条文用“宜”、“可”或“不宜”字样者,则表示在条件许可时首先须执行。

            比较可知,“发展性”是设规最具活力、最具影响力的特征。一本设规,若不采纳公认的先进设计理论和方法,若不进行周期性修订,那就削弱了标准和技术的国际竞争力,缺乏与国际同行交流的共同技术语言。



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