结构工程师如何正确处理经验与理论计算

结构工程师如何处理经验与理论计算

——《结构设计笔记》周献详

本文由娄广龙整理

据说毛泽东曾跟赵朴初开玩笑说：“佛经里有些语言很奇怪，佛说第一波罗蜜，即非第一波罗蜜，是名第一波罗蜜。佛说赵朴初，即非赵朴初，是名赵朴初。看来你们佛教还真有些辩证法的味道。”“佛说”、“即非”、“是名”就是《全刚经》的主题，整部《金刚经》反复讲述的就是这一主题，在《金刚经》的最后，佛说了一首偈子：“一切有为法，如梦幻泡影，如露亦如电，应作如是观。”结构计算结果、规范给出的限值不至于是“如梦幻泡影，如露亦电”，然而，根据目前的技术水平，虽然计算手段已经很先进，可以精确到小数点后几十位，但结构计算结果只是名义上的结果，与实际情况在绝大多数情况下不一致，结构计算结果的名义效应是客观存在的。“如果事物的表现形式和事物的本质直接合而为一，一切科学就成为多余的了。”（《马克思恩格斯全集》，第38卷，第13页）。本章分析理论与实际之间的差异性，其目的不仅仅在于阐述差异性本身，而在于讨论对这类差异所持的态度。作者主张对这类差异应持以下态度：

(1)我们要尊重计算结果，并学会千方百计地利用现有的理

论成果进行合理的计算。因为现今的计算理论是人类长期的工程建设经验、理论分析成果和试验结论的综合反映，是人类智慧的结晶。黑格尔说过：“当一种哲学被推翻的时候，其中的原则并没有失去，失去的只是这种原则的绝对性和至上性”。我们所反对的只是将理论

计算结果和规范条文视为一条不可逾越鸿沟的这种绝对性和至上性，而在大多数情况下，按照理论计算结果和规范条文的要求进行设计，至少在目前仍然是一种正确而明智的选择。

(2)我们要学会分析计算结果的可靠性和准确性，尤其要充分理解计算结果只是相对真理性。不要以为计算结果即是真理，不能有丝毫的放松和变通余地，如果是这样的话，结构的安全性隐患就是一个普遍的问题了，因为结构实际情况与计算假定之间或多或少总存在这样那样的差别。结构体系能够历经风、雨、地震等各种自然的作用，以及人为使用荷载的各种变化的考验，至少说明结构体系是具有一定抵抗意外作用能力的，绝不至于像宋玉东家之子那样“增之一分则太长，减之一分则太短；著粉则太白，施朱则太赤”（宋玉，《登徒子好色赋》）娇惯和精细。

(3)我们要重视概念设计。亚里士多德说：“一切皆混，唯有理性独净不混。”（[古希腊]亚里士多德，《形而上学》，商务印书馆，1991年版，第21员）既然理论计算目前还不完善，那么建立在人们理性基础上的概念分析和判断就不可或缺，尤其是在一体化计算程序非常普及的今天更应强调概念设计的重要性。概念设计不是凭空产生的，容柏生在一次讲座中指出，概念设计的主要依据和来源有：①深刻理解各种结构的工作原理和力学性质；②熟悉各类结构的设计原则；③掌握各种计算机程序的适用范围、力学模型、处理原则和开关使用等；

④丰富的工程经验，包括积累的直接经验和间接吸收的间接经验。通过概念设计可以做到：①保证正确的设计方向，即方向要对头；②符

合外部条件，使设计经济合理；③发现并解决设计中的问题；④判断设计结果的正确性；⑤促进创新，提高设计质量。创新发明不是盲目的，是通过原理分析使之与外部条件相适应。新设计源于概念、合乎逻辑。

(4)在设计阶段，我们应有意识地加强重点部位和重要构件。正因为结构计算与实际地震作用、实际正常使用条件存在不一致，构件设计时一般均留有一定的富余量或对构件相对强弱关系进行人工干预。根据“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则，在强烈地震作用下要求结构处于弹性状态是没必要的，也是不经济的。通常的做法是在中等烈度的地震作用下允许结构某些杆件先屈服，出现塑性铰，使结构刚度降低，塑性变形加大，当塑性铰达到一定数量时，由于结构自振周期延长，虽然结构承受的地震作用不再增加或增幅较小，但结构变形却迅速增加。为了使抗震结构具有能够维持承载能力而又具有较大的塑性变形能力，设计时应遵循“强剪弱弯”、“强柱弱梁”和保证主要耗能部位具有足够延性性能的设计原则。

《混凝土规范》（GB 50010-2002）第11.3.1条和第11.3.6条是通过控制混凝土受压区高度、规定最小配筋率、梁上部和下部纵筋的比例关系以及梁端箍筋配臵要求等措施，以确保梁端塑性铰区具有足够的塑性铰转动能力。该规范第11.3.2条、第11.4.2祭～第11.4.7条主要是通过各种内力调整系数，确保“强剪弱弯”和“强柱弱梁”设防目标的实现，其实质则是调整梁端箍筋和纵筋、梁纵筋和柱纵筋、柱箍筋和纵筋之间的相对比例关系，使结构在较强或更强地震作用下

形成梁端塑性铰出现较早、较普遍，柱端塑性铰出现较迟、数量相对略偏少，且不致形成明显的“楼层柱铰机构”的塑性耗能格局，并通过塑性耗能避免在较强地震作用下的结构严重损伤和在更强地震作

用下发生危及人身安全的局部或整体失效。同样，在剪力墙结构底部一定高度范围内设臵塑性铰区，通过内力调整使其他部位不出现屈服，而在塑性铰区内采取加强横向分布钢筋和边缘构件的配筋等措施，防止剪切破坏，提高剪力墙的变形能力，从而增强结构防倒塌的抗震性能，即可通过调整上下楼层的配筋相对关系，有目的地利用各楼层刚度分布和塑性内力重分布来控制薄弱层或薄弱部位，使之不致发生过大弹塑性层间变形，达到既有足够的变形能力，又不使薄弱层转移。

在正常使用条件下，为确保常规荷载作用下的结构安全，对非地震区的梁、板、柱、墙或地震区的楼板等构件设计时一般也应留有一定的富余量。至于富余量留多少合适，则是工程师水平的体现。

(5)人类在工程建设历史上确实经历过一系列惨痛的教训，要认真吸取工程建设史上设计、施工、管理和使用过程中失败的教训，避免悲剧重演。邻国日本近年来时兴起了“失败学”。从政府官员到企业界人士，都在关心如何不“失败”。不少企业界人士还纷纷加入了“失败学会”，“失败学”逐渐兴旺起来。实践证明，“从成功中学得少，从失败中学得多”，世界闻名的三大事故就是典型代表：

1) 1940年，美国华盛顿州的塔克马新建成了一座索桥，但

建成才4个月就被每秒19m的横风所摧毁。后来弄清桥梁被毁

是横风引起的自感应震动造成的。这一原理弄清以后，带动了索

桥技术的飞跃发展。日本明石海峡大桥能承受每秒80m的狂风，这其中也包含了塔克马索桥的教训。

2) 1952年，德〃哈维兰彗星号喷气式飞机问世后名噪一时，但在其盾不久连续发生坠落事故。后来才知道是当时并不知晓的金属疲劳的原理在作怪，波音公司汲取了教训，将高空中的金属疲劳知识应用于新飞机的开发，结果波音公司席卷了世界飞机市场。

3)第二次世界大战期间，美国制造的“解放”号万吨运输船接连受到破坏，调查发现是由于钢在o℃以下失去伸缩性，出现“冷脆”现象造成的，这一失败促进了以后的钢铁利用技术，特别是焊接技术的飞跃提高。

由此可见，将失败转化为成功的关键是正视失败，并将失败中隐藏着的发展基因发掘出来。然古往今来，人们往往偏重对成功经验的吸取，而疏于对失败教训的探寻。对国人而言尤其如此。失败分为“好的失败”和“不好的失败”。“好的失败”是指在遭遇未知之事时，即使充分注意也难以避免的失败，如果能从这种失败中认真总结经验，往往能开拓人类未知的新领域；“不好的失败”是指不该失败的失败，如不负责任、玩忽职守所导致的失败。对“不好的失败”必须严惩，但要将追查原因和追究责任这两者区分开来，善意对待当事人，帮助他鼓足勇气战胜失败，不再重犯。学习“失败学”，目的是通过对失败成因的分析，让人们少走弯路，将事故消灭在萌芽状态。美国人海因里希在分析工伤事故的发生概率时发现，在一件重大灾害的背后有29件轻度灾害，还有300件有惊无险的体验。海因里希将此提升为

保险公司的经营法则，即“海因里希法则”。这一法则可完全用于“失败学”上，即在一件重大的失败事故背后必有29件“轻度投诉程度”的失败，还有300件潜在的隐患。对结构设计而言，可怕的是对潜在性失败毫无觉察，或是麻木不仁，结果导致无法挽回的失败。因此，一方面，我们不主张对计算结果的过分依赖和将规范作为“圣旨”来看待的消极行为；另一方面，我们更应防备备种可能的潜在的隐患，避免重大事故的发生。

夏威夷大学哲学系的成中英教授认为，人类的思维方式可以区分为三种：“一是两者兼取( both - and)，二是两者取一( either -or)，三是两者皆不取(neither - nor)”。作者主张在理论分析与概念判断之间、在理论分析与以往经验之间、在防备各种可能的潜在的隐患与适当考虑实际使用环境的变化之间，倡导“两者兼取”的包容态度，既要防备和控制潜在的隐患，也没必要对可能发生的隐患反应过度，毕竟现有的结构体系都不是完美无缺的，钢筋混凝土结构是允许带裂缝工作的，砌体结构的裂缝更多，应充分发挥人的主观能动作用，作出合理的判断。否则，如果各自偏于一隅，因为理论与实践的不一致，而否定设计理论的可靠性；或者因理论的发展，可有一比较精确的计算方法，而完全否定以前被实践证明了的简化计算方法；或者因为实际使用要求与理论计算结果之间稍有偏差就进行加固改造，这些做法对广大设计者和用户来说都是一种悲哀。作者崇尚理论研究，也尊重从实践中总结出的经验，更欣赏人类理性的分析和判断。“什么是真理？一般来说，真理是反映自然界的意识和意识所反映的自然界之间的符

合。”（《列宁全集》14卷，第136页）追求缩小设计理论与设计理论所反映的现实之间差异的路还很长，很长。