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浅淡建设工程的设计使用年限和设计基准期

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发表于 6 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
浅淡建设工程的设计使用年限和设计基准期
   吴祖德
提  要: “建筑工程质量管理条例”要求设计文件注明工程合理使用年限, “建设工程勘察设计管理条例”同样要求施工图设计文件注明建设工程合理使用年限。在实际的工作中,也都按照做了,但也有对规范中规定的设计基准期与设计使用年限有混淆的,把规范规定的设计基准期,认为就是设计使用年限,也有把规范中规定的设计年限认为就是设计基准期。本文就此问题,收集有关资料,分别对建筑结构类、道路桥梁类加以阐明其之间的区别和联系,供参考。

1 前言
一般来说,结构的设计应考虑在正常施工和正常使用时,承受可能出现的各种作用,进行结构承载力设计,对基准期内,不允许发生承载力的破坏,并使结构具有良好的工作状态,即满足在设计基准期内结构达到正常使用(耐久性)的要求。本文将详细叙述建设工程结构的设计使用年限和设计基准期。
2 建筑结构类
2.1 设计基准期
设计基准期是指:为确定可变作用及时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数(见“建筑结构可靠度设计统一标准”(GB 50068-2001))。这里要说明的是,只有在采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法时,才有的设计基准期,如《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86)仍是采用弹性理论容许应力法,就没有设计基准期。在有的规范、标准所考虑的结构可靠度和荷载统计参数,都是按设计基准期确定的,设计基准期又是根据结构使用期选定其设计基准期。例如《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)(2006年局部修订)中,采用的设计基准期为50年,其基本风压是按50年一遇的风压采用,基本雪压是按50年一遇的雪压采用(注:风、雪荷载原标准为30年一遇,现改为50年一遇,约提高10%),……。如设计时需采用其它设计基准期,则必需另行确定在设计基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。
根据《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153-2008)A.1.9房屋建筑考虑结构设计使用年限的荷载调整系数,应按表A.1.9采用,见表1。
表1   房屋建筑考虑结构设计使用年限的荷载调整系数rL
注:对设计使用年限为25年的结构构件,rL应按各种材料设计规范的规定采用。
    公路桥涵结构的设计基准期为100年。目前暂未规定考虑结构设计使用年限的荷载调整系数的具体取值,它需要在修编行业标准和规范时开展研究工作并规定具体的设计取值。
2.2 设计使用年限
设计使用年限是指:设计规定的结构或结构物件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。也即对房屋建筑来说,在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所达到的使用年限。设计使用年限是房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程“合理使用年限”的具体化。又根据“建筑结构可靠度设计统一标准”(GB 50068-2001)的规定,结构的设计使用年限应按表2采用,如建设单位提出更高要求,也可按建设单位的要求确定。
表2      设计使用年限分类
由此带出问题,现行“建筑结构荷载规范”和“建筑抗震设计规范”所给出的建筑结构作用取值,设计基准期为50年给出的,就是说,“建筑结构可靠度设计统一标准”中设计使用年限为50年的建筑相对应,而其它设计使用年限的建筑,上述两规范均未明确给出与之相对应的结构作用取值,需要结构设计人员另行计算确定[1]。根据结构使用年限选定其设计基准期。现可按表1乘以房屋建筑考虑结构设计使用年限的荷载调整系数rL即可。
公路桥涵结构的设计使用年限,根据《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153-2008)表A.3.3采用。见表3。
表3 公路桥涵结构的设计使用年限
注:对有特殊要求结构的设计使用年限,可在上述规定基础上经技术经济论证后予以调整。
    目前暂未规定考虑结构设计使用年限的荷载调整系数的具体取值。
“混凝土结构设计规范”(GB 50010-2002)中,对于承载力极限状态的承载力设计值,是采用“建筑结构荷载规范”和“建筑抗震设计规范”的规定进行计算,然后乘以重要性系数:对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件,不应小于1.1;对于安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件,不应小于1.0;对于安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件,不应小于0.9;在抗震设计中,不考虑结构构件的重要性系数。也就是说,由于设计使用年限的不同,在本规范中,改变了设计基准期有关的设计时间参数。
“混凝土结构设计规范”中,专门有一节“3.4 耐久性规定”:
3.4.1 混凝土结构的耐久性应根据表4的环境类别和设计年限进行设计。
表4  混凝土结构的环境类别
注:(略)
3.4.2 一类、二类和三类环境中,设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表5的规定。
表5  结构混凝土耐久性的基本条件
注:(略)
本节主要内容为:(1)按设计使用年限为50年的结构,在不同的一、二、三类环境类别中,规定了结构混凝土耐久性的基本要求:最大水灰比、最小水泥用量(kg/m3)、最低混凝土强度等级、最大氯离子含量(%)、最大碱含量(kg/m3);(2)一类环境中,设计使用年限为100年的结构混凝土的规定:钢筋混凝土结构最低混凝土强度等级为C30;预应力混凝土最低混凝土强度等级为C40、最大氯离子含量为0.06%、混凝土中最大碱含量为3.0 kg/m3、混凝土保护层应本规范表9.2.1的规定增加40%;当采取有效的表面防护措施时,混凝土保护层厚度可适当减少……;(3)二、三类环境中,设计使用年限为100年的混凝土结构,应采取专门有效措施……。
……对临时性混凝土结构,可不考虑混凝土的耐久性要求。
为保证混凝土结构的耐久性达到规定的设计使用年限,确保工程的合理使用寿命要求,2008年11月12日发布《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008),自2009年5月1日起实施。其适用的工程对象除房屋建筑和一般构筑物外,还包括城市市政基础设施工程,如桥梁、涵洞、隧道、地铁、轻轨、管道等。对于公路桥涵混凝土结构,可比照本规范的有关规定进行耐久性设计。[4]
《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T50476-2008),内容分有:基本规定、一般环境、冻融环境、氯化物环境、化学腐蚀环境、后张预应力混凝土结构等。
一般环境对配筋混凝土结构的环境作用等级应根据具体情况按表6确定。
表6 一般环境对配筋混凝土结构的环境作用等级

注:1 环境条件系指混凝土表面的局部环境;
2 干燥、低湿度环境指年平均湿度低于60%,中、高湿度环境指年平均湿度大于60%;
3 干湿交替指混凝土表面经常交替接触到大气和水的环境条件。
一般环境中的配筋混凝土结构构件,其普通钢筋的保护层最小厚度与相应的混凝土强度等级、最大水胶比应符合表7的要求。

              表7       一般环境中混凝土材料与钢筋的保护层最小厚度c(mm)
注:(略)
3 道路桥梁类
   《工程结构可靠度设计统一标准》(GB 50153-2008)是其它各类工程结构设计统一标准共同遵守的准则,和“建筑结构可靠度设计统一标准”(GB 50068-2001)及《公路工程结构设计统一标准》(GB/T 50283-1999)的规定是相一致。
3.1设计基准期 在进行结构可靠性分析时,考虑持久设计状态下各项基本变量与时间关系所取用的基准时间参数(《公路工程结构设计统一标准》(GB/T 50283-1999))。该标准又规定,公路工程结构的设计基准期T应采用:桥梁结构100年;水泥混凝土路面结构不大于30年,沥青混凝土路面结构不大于15年。
《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)规定公路桥涵结构设计基准期为100年。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规定采用的设计基准期为100年。《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)引入了极限状态设计原则,使得本规范与公路桥梁系列设计规范体系协调。
3.2 设计使用年限
按设计基准期设计的工程,都要进行耐久性设计后,才可达到同样的设计使用年限,公路桥梁结构设计基准期为100年,要真正达到这样的设计使用年限,公路桥涵按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规定应根据其所处环境条件进行耐久性设计。结构混凝土耐久性的基本要求应符合表8的规定。
      
  表8           结构混凝土耐久性的基本要求
注:(略)

对于城市桥梁等市政工程结构应按照表9的规定确定(见《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T50476-2008))。
表9       混凝土结构的设计使用年限
  《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86)仍是采用弹性理论容许应力法,没有设计基准期,但按“管理条例”要求,应进行耐久性设计,规定设计使用年限。
《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2002)规定的高速公路、一级公路设计基准期为30年,二级公路、三、四级公路的设计基准期为20年,按此设计基准期设计的工程,与其相对应的设计使用年限相一致时,是符合要求的,如不一致,应另行按设计使用年限对应的设计基准期进行设计。当水泥混凝土路面的设计基准期(设计使用年限)确定后,同样应有个耐久性设计的基本要求,目前来看,尚是个薄弱环节,因此就有人认为设计基准期就是设计使用年限,就完事,这是不符合规范要求的。
《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)规定各级公路的沥青路面设计年限,高速公路、一级公路为15年,二级公路为12年,三级公路为8年,四级公路为6年。当设计年限确定后,根据公路等级、使用要求、交通等级相适应的面层类型,其进行路面设计的设计基准期也应与其相适应,以此来进行设计。同样应有个耐久性设计的基本要求,目前来看,也是个薄弱环节,因此就有人认为设计使用年限就是设计基准期,就完事,这也是不符合规范要求的。
路面结构的使用年限,是指路面结构达到临界状态的设计年限,应与道路交通量达到饱和状态时的设计年限相区别,一是讲累计交通量为路面结构不需大修的年限,另一个讲道路断面尺寸达到饱和状态的年限,如《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)规定:快速公路和具有干线功能的一级公路的设计交通量按20年预测;具有集散功能的一级公路,以及二、三级公路的设计交通量按15年预测;四级公路可根据实际情况确定。两者是用途不一样的交通量。
4 结束语
以上说明,设计使用年限不但要与采用的设计基准期相适应,设计年限还要与相应的措施相适应,设计文件规定了设计使用年限,设计、施工、使用、维护都应有相应的措施。
   我国1998年颁布的《建筑法》规定:“建筑物在其合理使用寿命内,必须确保地基基础工程和主体结构的质量”(第60条),“在建筑物的合理使用寿命内,因建筑工程质量不合格受到损害时,有权向责任者要求赔偿” (第80条)。所以,设计人应根据《混凝土结构耐久性设计规范》的有关规定进行混凝土结构的耐久性设计。对于此规范未提及的耐久性设计有关的其它内容,按照国家现有技术标准的有关规定执行。当不同技术标准规范对同一问题规定不同时,需要设计人员结合工程的实际情况自行确定。[4]
   建议在《混凝土结构耐久性设计规范》于2009年5月1日实施后,项目的工程设计文件中,应专门增加耐久性设计的篇章,来保证设计的完善性。
参考文献:
[1]       钟芳林、张建军.不同设计年限建筑结构作用的取值.河北工程大学学报(自然科学报),总第102期.2008年3月.
[2]       李丁、曹丰.工程结构设计基准期与结构耐久性问题探讨.中州煤炭,1999年第6期.
[3]       徐有邻.混凝土结构设计规范理解与应用.中国建筑工业出版社,2002年5月.
[4]       混凝土结构耐久性设计规范GB/T50476-2008(附条文说明).北京:中国建筑工业出版社,2008.
[5]       工程结构可靠性设计统一标准GB 50153-2008(附条文说明).北京:中国建筑工业出版社,2008.

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