河北三利集团有限公司:什么是可靠度设计方法

来源:百度文库 编辑:杭州交通信息网 时间:2022/07/04 11:16:56
此可靠度是指建筑工程上的可靠度!

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标 题: 结构安全性与可靠度设计方法
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标 题: [学术]结构安全性与可靠度设计方法
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结构安全性与可靠度设计方法

清华大学 陈肇元

最近一段时期,工程结构的安全性成了土木工程界乃至社会上的热门话题。结构的

安全性是结构设计最主要的追求目标,规范对设计安全度的设置水准历来是结构工

程领域内最有争议的问题。中国土木工程学会1962年的年会曾以结构安全度作为年

会主题,并展开了不同意见的热烈讨论。经过了将近40年之后,我们现在再次将这

一内容列为本届年会的主题更具有特殊的意义,这是因为我们国家正在进行前所未

有的大规模基础设施建设,要为我国的现代化奠定基础,这些工程设施应该具有怎

样的安全贮备?能够提供多长的使用年限?可以承受多大的灾害风险?整个世界正

面临科技和经济飞速发展年代的到来,我们现在设计的建筑物能否适应今后几十年

内生产和生活水平的发展需要?这些都是很值得研讨的课题。

笔者对设计安全度的主要看法已经写在《要大幅度提高建筑结构设计安全度》一文

中[1],后来又作了些补充[2]。事情的原由实属偶然,是因为不能应约参加混凝土

结构设计规范修订的一个座谈会,所以草草写了一封信提了一些看法,这封信后来

被要求展开,成为一个讨论稿,结果给登了出来,想不到惹起许多是非。该文中的

内容本来是针对混凝土结构设计规范说的,或者最多引伸到混合结构,本文的内容

也是如此,这是首先要交待清楚的。我国在告别短缺型计划经济年代并进入新的现

代化建设时期之后,结构设计的安全设置水准该不该大幅度提高?要不要提高到大

体靠近国际通用水准的程度?最终的决择是规范编写组和有关主管领导部门的权责

,至于对此发表的各种看法应该说都已起到了供领导决策参考的作用。不同意见的

讨论是很有益的,还可以取长补短。看法不能统一,各自的观点仍可保留,将来自

有实践检验。

一、从结构倒塌事故说起

结构的安全性是结构或结构构件在各种作用下保证人员财产不受损伤的能力,

通俗说来就是防止发生破坏倒塌的能力。所以,结构的设计安全度,可理解为结构

设计时赋与结构防止破坏的安全程度。决定结构安全性的因素非常复杂,除了十分

简单的结构对象如单一预制构件之类外,结构承载力的安全性似乎很难用具体数值

度量,带有很大的模糊性。设计方法中通常采用的安全系数或可靠指标只能反映安

全程度的一个侧面或部分。为了便于说明设计安全度和可靠度设计方法,笔者拟在

这里重提二起曾参与调研过的结构倒塌事故。我国究竟有过多少起建筑结构倒塌,

一直未见正式报导。除集中的地震灾害有较为系统的调查外,其它原因的众多倒塌

事故往往被遮掩了,未能深刻剖析并从中获得教训,而事故教训本应是完善和发展

各类设计施工规范最有价值的依据。

1、原北京××教学楼的倒塌事故[3][4]

发生在40年前的这起事故对象是一幢现浇混凝土楼盖、砖墙承重的单跨五层(带防

空地下室为六层)混合结构(图1、2),在主体结构完工后的装修阶段,除一侧

楼梯间和有横隔墙小房间的局部区段外,其余总长27m的主体结构,突然发生整体

倒塌。

事故的原因比较综合,如下部墙体采用钢筋混凝土夹芯砌体,较难保证芯部混凝土

质量;施工留在墙上的脚手眼和暖气管孔使墙体有所削弱;墙身的局部砌筑质量也

不够好。但最主要的问题在于:墙身内力分析计算图形与实际工作情况不符,以及

结构方案和布置不当。我国规范规定的混合结构内力分析的计算图形是从苏联规范

中引过来的,认为楼层梁与墙体相交的节点可视为铰接,对梁来说是简支,对砖墙

来说则只需考虑梁的反力对墙体的偏心作用(图3)。但在苏联一些书籍上同时又

提出梁端插入深度不得超过墙厚1/3的要求。我国房屋的墙体一般较薄,插入深度

往往相对较大,当梁受力挠曲发生端部翘起时,在墙体的嵌固作用下有可能引起较

大的节点弯矩(与规范计算图形中反力引起的偏心弯矩相比),具体大小取决于梁

端节点的不同构造方法。这一工程由于梁的反力大,窗间墙较窄,设计时将混凝土

主梁的梁垫做成与主梁同高并整体浇筑在一起,梁垫的长度和宽度则与窗间墙的宽

度和厚度相等。于是除顶层节点因上部自重带来的墙体轴力较小,当梁端翘起时尚

不足以压住整个梁端起到完全嵌固作用外,其余各层所有节点都起到完全刚性节点

的作用,整个结构的内力应该按刚节点框架的计算图形进行分析。事后专门进行的

1:2模型试验完全证明了这一点。按框架结构图形得出的墙体实际弯矩是按规范图

形算出的偏心弯距的8~10倍。分析证明,随着结构跨度对墙厚的比值增加,以及梁

端插入深度对墙厚的比值增加,按刚性框架计算图形和规范计算图形得出弯距的差

别愈来愈大。如果混合结构的跨度和插入深度都不大,规范图形与刚性框架图形得

到的墙体计算弯矩甚为接近。

但是这起事故的最大教训还在于结构选型与布置不当,以致引起整体连续倒塌。没

有构造柱和横隔墙的单跨砖混结构整体性是很差的,尤其在跨度和层高较大的情况

。不管是某种原因损害了局部承重墙体,就有可能导致连续破坏。

这里值得并列一提的是发生在北京×××一幢三层混合结构办公楼设计中的人为错

误[5]。办公楼平面如图4,图中四角大房间的楼层结构布置见图5,中间的大梁支

于外墙和内纵墙上。设计的错误在于将梁的跨中最大计算弯矩67kN-m笔误为6.
7kN-m,于是按构造配置跨中钢筋,仅及所需钢筋面积的1/3。按一般方法校核,即

使在自重作用下,大梁已超出极限状态,但调查发现并无异常变形开裂现象。于是

进行现场加载并详细测试,证明仍可安全使用,主要原因是梁端插入砖墙的箍固作

用,使实际形成的跨中弯矩减少到按规范简支图形计算值的45%~52%,其它的有利

因素还有:楼板有额外的抹面层和8cm厚的焦渣混凝土作为面层,增加了梁的计算

高度使钢筋应力降低;由于楼板也嵌入砖墙,当梁变形挠曲后,本应作用于梁上的

部分楼面荷载向砖墙转移;钢筋实测强度超过设计强度23%。所以尽管出现如此严

重的人为错误,结构仍安全无恙。

同样是砖墙对楼层的嵌固作用,一个使看起来不该破坏的整楼坍毁,另一个却使看

起来应该破坏的楼房得到拯救。后者实归功于结构布局合理,有众多横墙和内纵墙

,层高不大,墙体也较强。在××事故中,如果规范规定的安全系数更大些,比如

将设计标准荷载和荷载系数以及材料设计强度增大到与国际通用标准可比拟的程度

,或许有可能逃过一劫。但结构方案的缺陷总是隐患,或许在使用过程中会发生更

严重的后果。

2、辽宁××一幢砖混结构的倒塌事故[6]

这是一起燃气爆炸引起的房屋结构连续倒塌事故,发生在10年前的冬天。建筑物平

面、立面见图6,东侧为单层结构,包括会议室、餐厅、厨房和门厅;西部为50m长

的5层砖混结构,楼层为单向预制板、横墙承重,仅在与门厅相连处为局部6层,其

中有二根混凝土构造柱和楼梯间,且其中的5层楼板为现浇。建筑物按7度抗震设防

,1、3层和顶层处均有圈梁。

在发生事故的前一天晚上,建筑物东侧厨房内的天然气塑料管道开裂,泄漏大量燃

气并扩散。翌日凌晨发现后经包扎管道并打开厨房门窗通风,然后正常点燃使用。

约1.5小时后有人上班进入与厨房之间有大餐厅相隔的会议室,在会议室内划火柴

抽烟,瞬即引起爆炸。爆炸造成会议室、餐厅、门厅的严重损坏,会议室的大部分

预制屋面板被掀起坠落,墙体变形破裂但未倒,故未造成东侧房屋的整体塌毁。但

离爆心最远处,长43m的5层砖混房屋全部倒塌,碎片堆积高度达5~6m。紧挨门厅的

局部6层结构因有钢筋混凝土构造柱和现浇板仍部分残存。

这是一起典型的室内燃气爆炸,爆炸产生的是有升压过程的压力波。厨房燃气的夜

间泄漏已扩散到会议室,并超过了天然气爆炸浓度的下限(约为4.5%),遇明火后

引起爆燃,会议室内的家具及受害者有烧伤损害。爆炸产生的压力波向四周扩散,

门厅内也有轻微燃烧痕迹,此处发生燃烧应是会议室内的燃气在压力波推动下进入

门厅所致,此前也有人在门厅内抽烟而未引起爆炸。再远处的6层走廊内已无燃烧

现象,所以进入5层砖混结构室内的压力波单纯是扩散生成的而已无爆燃作用。如

同绝大多数的燃气爆炸一样,这次爆燃引起的压力波在传播过程中没有形成更为严

重的冲击波。在5层楼底层房间内的有些人是在听到爆炸声响,并突然发现室内已

经没有了原来关闭的门窗扇之后,才紧急从窗口跳到室外逃生的。如果是没有升压

过程的冲击波,人就会在窗户破坏前被击倒,事先也听不到爆炸声。室内燃气爆炸

所产生的最大压力一般为25-50kpa,升压过程可长达0.1~0.3秒。根据会议室的空

间及门窗泄压面积,可从不同经验公式估算会议室内的最大压力平均为11kpa左右

,估计并不会超过15kPa。门厅处的门窗泄压面积更大,此处压力不可能高于会议

室,所以经过扩散进入五层楼底部的压力波峰值压力不大可能超过10kPa。在室内

燃气爆炸中,这一压力强度是比较低的。

砖墙抵抗爆炸侧压作用的能力在很大程度上取决于墙体中的轴力。轴力愈大,抗侧

压能力愈强。压力波进入五层楼底部后,首先作用在结构底层的④轴横墙上(图
6)
,④轴在2层以上都是没有横墙的大开间(图7),上部再没有横墙压住。当爆炸压力

向上作用于2层的楼板,只要有3kPa的压力就能抵消楼板的重力,这时的横墙恰如

没有轴力作用的竖向悬臂构件,只需不大的侧压就能推到。④轴墙体的倒塌使预制

板坠落,从图8所示的墙与楼板的连接节点就可看到,当楼板在轴④一端失去支承

下坠时,另一端翘起并滑落必将损坏轴⑤的墙体截面,加上底部还有压力波的侧压

作用,于是⑤轴墙体也遭破坏,依次发展,就象多米诺骨牌似的发生连续倒塌。据

估算,如果④轴墙体上面不是大开间,而是同其它位置一样有墙体直达五层,这时

的底层墙体大概能够承受19kPa的侧向压力。但是比这更小的压力就能破坏预制楼

板,如果楼板下坠也会带动墙体倒塌。

要完全消除燃气爆炸偶然作用对房屋结构的损害比较困难,按照可能产生的爆炸压

力进行结构设计需要付出的经济代价过大。但是设计应该防止结构出现大面积连续

倒塌的可能。圈梁对地震水平力比较有效,对于上下左右作用的均布爆炸压力起不

了太大作用。为了防止多层砖结构连续倒塌,应该设置必要的钢筋混凝土构造柱;

预制板楼层应该设置必要的现浇带;支于墙体的预制板端部,应该有拉筋与邻跨的

预制板相互连接以防止坠落。这些都与安全系数无关,但对结构安全性至关紧要,

可是在一些工程设计施工中往往被忽略。

3、纽约帝国大厦的飞机撞击事故[7]和伦敦Ronan Point公寓的煤气爆炸事故[7、

8]

回顾这二起世界闻名的事故,是因为它们曾给结构安全性的设计思想带来深刻的影

响。

1945 年7月28日上午,一架B25飞机由于云雾撞在当时世界最高(381m)的建筑物

纽约帝国大厦上,撞击位置在278m高处的79层北侧(图9),外墙撞出5.5×6m的孔洞

,机翼剪断,飞机的二个发动机撞脱,一个横穿楼层并通过南侧外墙飞落到另一街

区的建筑物屋顶上,另一个则击穿该楼层的电梯井壁,跌落在电梯井中。飞机撞击

中心几乎对中柱的轴线,但上下位置正好在刚度很大的楼板上,支承楼板的梁向后

挠曲了45cm,而柱子几乎没有损坏。帝国大厦为钢结构,主体框架全部铆接,结构

有很好的延性和冗余度,荷载有多种途径传递。10吨重的飞机撞在8000吨重的建筑

物上,而大厦抵抗风载的抗力矩是飞机撞击作用的200倍,所以结构只是局部受损

,整体性能没有受到影响。

除了破坏后果特别严重的核反应堆安全壳外,一般的地面建筑物在结构设计计算中

并不考虑飞机的撞击作用,因为发生的概率太低。这件事故的重要教训在于:良好

的延性和冗余度应该作为结构设计的一个基本准则,它与结构的安全程度有着极其

重要的联系。

伦敦Ronan Point公寓是22层的装配式钢筋混凝土板式结构体系。1968年5月16日,

住在18层一单元住户在厨房清晨点火煮水时因夜间煤气泄漏引起爆炸。爆炸压力破

坏了该单元二侧的外墙板和局部楼板,上一层的墙板在失去支承后也同时坠落,坠

落的构件依次撞击下层造成连续破坏,使得22层高楼的一个角区从上到下一直坍到

底层的现浇结构为止(图10)。

伦敦地区的房屋在二战期间遭受轰炸毁损严重,战后推广应用了建造速度较快且

较为经济的预制装配式房屋,承重墙板和楼板全部预制,板的大小尺寸与房间相同

。Ronan Point公寓也属于这类结构体系之一,各预制板之间的节点仅有齿槽灌浆

相连而无钢筋联接。事后的试验表明,墙板在20kPa的侧压下就能克服端部摩擦力

而被整体推出。公寓在一年后修复,整楼预制构件的节点处用角钢连接加固并重新

使用,但到1984年即距其建造仅18年之后,发现墙体出现裂缝。如按当时新规范加

固,加固费将是拆除费的6倍。于是整楼被拆除,在拆除过程中又发现当初施工中

的质量问题,结果在舆论促使下,英国国内数以百计的类似高层公寓都被认为不安

全并均被拆除。

Ronan Point公寓的连续倒塌事故引起了国际结构工程界的高度重视并开展了广泛

的讨论,由此确立了结构设计的又一个重要原则,即结构内发生一处破坏不应造成

整体的连续倒塌。为吸取这一教训,各国的设计规范几乎都作了相应的修订。

二、结构安全性

从结构安全事故反过来找原因,不妨可归纳成以下4个方面。这些也是影响结构安

全性的主要因素:

1) 人为错误或差错

人为差错不可避免,它的发生概率和程度与人员的素质、技术条件、工作条件

、工作环境等众多因素有关。国外对人为差错早已开始研究,但进展缓慢。人为差

错与一般所说的误差不存在本质上的界限[9] ,一切与标准(规范、规程、技术要

求或条例)不符的偏差即可理解为人为差错,而在规定的允许误差之内的则不属人

为差错。在安全事故中,这方面的原因最为主要,所以要重点纠正。除了加强教育

外,主要途径是通过质量控制和检查,也有必要反思各种标准所提出的要求有无脱

离实际的地方。

2) 耐久性不足

耐久性在结构设计中往往与安全性并列,并归属另一范畴。可是因钢筋锈蚀等

耐久性原因造成安全事故的现象非常普遍,在露天结构或环境条件恶劣的室内结构

中,可能已成为安全事故的首要原因。设计施工和使用不当的人为差错可以是耐久

性不足的原因之一,不过主要原因是标准(规范、规程等)对耐久性的要求跟不上,

在于过去对混凝土耐久性问题的认识不足。在今后规范修订中,似应将耐久性作为

最主要的问题来处理。

3) 结构的整体牢固性不足

结构的整体牢固性是结构发生局部失效时不致造成大范围破坏的能力。一个结

构应能在各种不测事件作用下,如爆炸、撞击的偶然作用以及未曾预见的地基沉降

、材料徐变、收缩乃至老化的作用下,将损害局限在较小程度。结构的这种能力主

要依靠合理的结构方案与布置、结构类型、结构构造等措施来解决,使结构具有足

够的延性和冗余度。

4) 结构构件承载力或稳定性不足

这与承载力和稳定性计算有关的一些量化数据如安全系数(可靠指标)、荷载作

用标准值、材料强度标准值取值不当,以及与作用效应(内力)分析和结构抗力(截

面承载力)分析的方法有误等因素有关。结构的设计安全度,从狭义来说,往往理

解为安全系数(可靠指标),将它看成是安全程度的一种度量,或者再扩大些将荷载

和材料强度标准值也包括在内,因为这些都能用数值表达。但是,结构设计安全程

度的完整判断必须将上面所说的整体牢固性、耐久性也包括进去。结构的安全性本

来充满着不确定性,安全程度或安全度有时只能用较大、较小等这些模糊的概念来

表达。

除腐败工程或人为恶意错误外,结构的安全事故很少由单一原因造成,多由于

几种因素凑合,如施工过程中出现或大或小错误或缺陷,碰上设计不当,再加上设

计安全度偏低,最终酿成大祸。

1、 我国结构设计安全系数的演变

安全系数被看成是结构安全设置水准最主要的度量指标,虽然它反映的主要是

结构构件截面承载能力的安全度而不是结构安全性的全部。安全系数是与设计采用

的荷载标准值和材料强度标准值联系在一起的,必须合在一起才能对不同设计方法

的安全设置水准作出比较。

建国前和建国后的头几年,我国建筑结构设计采用容许应力设计方法,根据标准荷

载作用下的内力并考虑构件截面按弹性阶段工作求出材料的最大应力,设计时要求

最大应力不超出允许应力,所谓安全系数就是材料强度标准值与允许应力的比值。

在早期的容许应力方法中,一般以材料的平均强度作为标准值。

到了1952年,东北人民政府工业部颁布了“建筑结构设计暂行规程”,采用破损阶

段设计方法,其内容包括材料强度取值在内完全参照苏联49年颁布的HnTy-3-49规

范 ,但考虑到当时的国内设计施工水平,将苏联规范中的安全系数值提高了0.2。

这个暂行规程成为国内当时的设计依据。在破损阶段设计方法中,要求按荷载标准

值得出的结构构件内力,用安全系数放大以后,不超过构件截面在破损阶段(考虑

塑性工作)下按材料强度标准值算出的承载力,其中也以材料强度的平均值作为标

准值。允许应力设计方法和破损阶段设计方法都是单一安全系数方法,前者用荷载

下材料的弹性应力与材料实有强度平均值进行比较,后者用荷载下的构件内力与构

件在塑性破损阶段的实有承载力进行比较。在苏联HnTy-3-49规范中,受弯构件总

安全系数为1.8,受压构件为2.0,但如活载所占比例较大,则分别提高到2.0和2.

2。

1955年,当时的建筑工程部颁布了规结6-55“钢筋混凝土结构设计暂行规范”

,采用破损阶段设计方法,也是参照苏联49年规范且将东北人民政府暂行规程中提

高了的安全系数降回到与苏联规范一致的水平,另外将3号钢的设计值(强度平均

值)从苏联和东北人民政府规程中的2500kg/cm2提高到2850kg/cm2,但同时也规定

在某些情况下仍应采用2500kg/cm2。在规结6-55以前,国内的设计也有直接按苏联

49年规范设计的。

1955年苏联颁布了新规范HnTy-123-55,采用以三系数(材料匀质系数、超载系数

、工作条件系数)为特点的多安全系数极限状态设计方法。我国大约从1956年起就

按照这一苏联规范设计,其中与荷载安全系数相当的超载系数对活载为1.40对恒载

为1.10,混凝土材料强度的标准值取为平均值减去3倍标准差,这是一种半概率、半

经验的设计方法,如果将这一方法折合成破损阶段中的总安全系数并与之对比,则

受弯构件的总安全系数从原来的1.8减少到约平均为1.47,受压构件从原来的2.0略

升到平均为2.1,受弯构件的安全贮备有明显下降。

1958年我国颁布了与三系数极限状态设计方法配套的荷载规范,其中所规定的设计

荷载取值要低于苏联规范,但结构设计方法和材料强度取值仍与苏联规范相同。直

到1966年,建筑工程部才正式颁布了三系数极限状态设计方法规范BJG21-66,安全

系数与苏联规范相同,其实这套方法已在国内应用了将近十年,但荷载标准值自
58年后有明显下降。1974年,规范TJ10-74颁布,这是用多系数分析、单一安全系

数表达的极限状态设计方法,材料强度标准值取平均值减1.64倍标准差,安全储备

如折合成破损阶段方法中的总安全系数,则受弯构件平均约1.46,受压构件约2.
1
,与BJG21-66基本相同。1989年,现行规范GBJ10-89发布,摒弃了半概率、半经验

的多安全系数法,而改用近似概率可靠度极限状态设计方法,材料强度标准值仍采

用95%保证率的分位值,荷载标准值按新的荷载规范,其中对常用的多种活载标准

值仍与58年的规程一致,安全系数如折合成破损阶段的总安全系数,则受弯构件平

均约1.54,比TJ10-74时略有上升,受压构件平均约1.8,比TJ10-74有所下降。

表1是历届规范安全系数的近似比较,其中的混凝土标号取用200号(20cm 边

长立方块强度标准值),钢材为3号钢(I级钢);为了简化,表中所指的受弯构件

强度不考虑混凝土强度影响,受压构件不考虑钢材强度影响。从表1可见,受弯构

件的总安全系数从建国初期降低约平均15%,受压约10%。对于恒载占总荷载大部的

构件如屋面构件,安全系数降幅最大。

以上比较都没有与允许应力设计方法中的安全系数相比,后者则过于保守。将

苏联1934年的允许应力设计方法规范与55年的极限状态方法设计规范相比,前者的

钢筋允许应力为125Mpa,200号混凝土允许弯压强度为9Mpa设计,所需的受弯构件

拉筋量要多出近40%。解放初上海人民政府公务局规定用允许应力方法设计,200号

混凝土允许应力只有5MPa。我国1975年按容许应力设计的铁路规范中,200号混凝

土弯压强度允许应力为7MPa,3号钢允许应力130MPa。

现在再看楼面活荷载标准值的演变。在1958年规结-1-58荷载规范颁布以前,设计

取用的标准荷载主要借鉴苏联规范,如住宅1.5KPa,公寓、办公室、教室为2.
0KPa,以上建筑的通道及饭厅、餐馆、礼堂3.0KPa。大跃进年代颁布的规结
-1-58
,则取住宅、公寓、宿舍、办公室均为1.5KPa,以上建筑走道及教室2.0KPa,食堂

、餐馆、会议室2.5KPa。对于最常用的办公室、宿舍等楼面活载都降了0.5KPa,降

幅达25%~17%。这大概又使结构构件的安全度降低了约10%左右。现行荷载规范规定

的标准值,与58年规程基本相同,将会议室调低0,5KPa,商店调高0.5KPa。

表1
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编号 设计标准 应用年限 混凝土受压 钢筋受拉计算 总安全系数 安
全系数
计算强度MPa 强度MPa (折合值) (相
对比值)
(200号混凝土) ?nbsp;(3号钢I级钢)
------------------------------------------------------------------------
------
1 允许应力设计
(上海人民政府工务局1950年修订)

约52年前

弯压允许应力0.35f ’
(园柱强度)
折合5Mpa
允许应力?
126
弯 压 弯

------------------------------------------------------------------------
------
2 破损阶段设计

东北人民政府暂行规程

52-55 14.5 250
(230)②
2.0① 2.2①
111 110
------------------------------------------------------------------------
------
3 破损阶段设计
HnTy 3-49(苏)
53-55 14.5 250
(230)② 1.8 2.0
100 100
------------------------------------------------------------------------
------
4 破损阶段设计
规结6-55
55-57 14.5 285
(250) 1.58 2.0
88 100
------------------------------------------------------------------------
------
5 三系数极限状态设计
HnTy123-55(苏)
57-65 8-9
(已乘匀质系数0.55-0.60) 210
(已乘匀质系数0.90) 1.47 2.1
82 105
------------------------------------------------------------------------
------
6 三系数极限状态设计
BJG21-66
66-74 同上 同上 同上 同上
82 105
------------------------