中外港口规范对比研究Ⅰ：设计使用年限与波浪重现期标准

陈汉宝，王 眯2,，耿宝磊*，刘海源

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456; 2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

随着“一带一路”倡仪的提出，港口工程国际化程度日益提高，由于各个国家的地域环境、经济水平和设防思想存在差异，因而各国港口规范具体规定也不尽相同，这始终是海外工程设计人员面临的一大挑战。准确理解国内外规范异同，有益于减少国外港口工程设计的弯路，进而降低设计和施工中不可预见的潜在风险。

近年来，国内诸多学者对国内外港口相关规范进行了比较研究：周剑等[1]对国内外港口工程水位确定方法进行了对比分析；侯慷等[2]对比了中美日航道设计规范中波浪富裕水深的确定方法；杨国平等[3]总结了世界各国深度基准面的分类和演变历程，并分析了国内外港口工程码头面高程计算方法的差异；李峰等[4]对中国与欧洲相关规范中目标可靠指标取值进行了比较研究；陈红军等[5]综合比较了中、欧、英、日、美等国规范中设计使用年限的规定；安翔等[6]比较了国内外主要规范中船舶航行中的计算问题。但对国内外规范中重现期及其与设计使用年限的关联性的全面性研究未见相关文献报道。

沿海港口设计中，建筑物的设计使用年限确定后，可以根据相关规范的要求，确定该建筑物的水文要素重现期。重现期的定义为大于等于一定量级的水文要素值出现一次的平均间隔年数。由此可见，重现期的大小决定了水文要素的大小，即环境荷载的大小。一般情况下，设计使用年限越长，则设计水文要素的重现期越长，设计时采用的环境荷载越大，结构越强，工程投资越高。因此，正确理解重现期与设计使用年限的关系显得尤为重要。本文对国内外规范在沿海港口建筑物等的重现期、设计使用年限上的差异进行系统的比较研究，为涉外工程设计者提供参考。

1 各国规范对建筑物的设计使用年限要求

设计使用年限是指：“设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期”。在决定设计使用年限时，应考虑下列因素[7]：

(1)对影响结构安全性的因素进行评估，包括疲劳载荷、腐蚀、海生物和土体强度的降低。因此，在设计的早期阶段，应该确定结构在使用年限内可接受的破坏概率或破坏程度。

(2)评估特定极限状态在使用年限内将发生的概率。

(3)评估经济可行性、发展和相关事项的必要性。因此，应提前估算修理费用，并纳入对项目经济可行性的评估中。

1.1 中国规范

2011年实施的《水运工程设计通则》[8]适用于新建、改建和扩建的港口工程、航道工程和船厂水工建筑物工程设计，并作为水运工程设计的通用标准。通则第2.1.8～2.1.10条对建筑物设计使用年限的规定如下。

(1)港口工程结构的设计使用年限不得低于以下标准：

①永久性建筑物：50 a。

②临时性建筑物：建筑物的使用年限或5～10 a。

(2)通航建筑物工程、渠化枢纽工程和船厂工程的水工建筑物结构的设计使用年限不得低于以下标准：

表1 日本港口相关规范中建筑物设计使用年限的规定Tab.1 The design working life in Japanese standard

①永久性建筑物：50 a。

②临时性建筑物：建筑物的使用年限。

(3)航道整治建筑物结构的设计使用年限应根据工程目的、工程规模和使用要求等确定。

1.2 日本规范

日本港口设施技术标准与评述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[9]第一部分第二章提到，建筑物设计使用年限的确定应分别考虑建筑物的使用环境条件和建设目的，此外结构性能和工程材料都会对设计使用年限的选择产生影响。表1给出了不同类别建筑的设计使用年限，通常港口设施的设计使用年限采用表中第3项规定，即50 a。

表2 英国港口相关规范中建筑物设计使用年限的规定Tab.2 The design working life in British standard

注：①可拆卸重复利用的建筑物或者部分结构不属于临时性建筑物。

1.3 美国规范

船舶靠泊、系泊和维修的海港工程设计标准《Design of Marine Facilities for the Berthing, Mooring, and Repair of Vessels》[10]第3.1节规定主要港口设施和大部分公共设施的设计使用年限为50～80 a。美国海军军港和许多商业港口一般设计使用年限为25 a，但是在定期维护和升级改造情况下实际的使用年限一般可以达到50 a或更久。

1.4 英国规范

英国海工建筑物标准《Maritime works-Part 1-1: General-Code of practice for planning and design for operations》[11]第17条对建筑物的设计使用年限具体规定如表2所示，且明确提出此表仅作为指示性标准，设计人员必须结合建设项目具体情况来确定最终的设计使用年限。

表3 国际港口工程设计手册中建筑物设计使用年限的规定Tab.3 The design working life in Port designer′s handbook

1.5 国际港口工程手册

国际航运协会(PIANC)编著的港口工程设计手册《Port Designer′s Handbook》[7]第6.2条指出，建筑物的预期设计使用年限与计划维修后结构的使用寿命相当，它对结构设计会产生重大影响。一般商业港口的设计使用年限至少50 a；护岸和防波堤的设计使用年限一般为100 a；对于某些服务于集装箱、石油运输的特殊港口，考虑到现代货物装卸发展迅猛，可能导致较早地超过设计泊位(例如集装箱装卸技术对泊位结构的影响)，因而其设计使用年限一般不超过30 a。

港口结构和设备的设计使用年限将取决于维修的程度、时间和费用，表3所列数值仅作为一个非常粗略的准则。

1.6 各国规范汇总

将国内外规范对建筑物设计使用年限的要求汇总列入表4。

表4 各国规范中建筑物设计使用年限规定汇总Tab.4 Summary of design working life in national standards

如表4所示，各国规范对一般港口建筑物和临时性建筑物的设计使用年限规定基本一致，但是对某些特殊港口建筑物的规定略有差异，如许多国家对于可更换的结构单元、能源类专用码头设施和特别重要港口设施、纪念性建筑物等均提出了特殊要求。对于可更换的结构单元，日本、英国、国际航运协会指出其设计使用年限一般为25 a；对于能源类专用码头设施，例如单独建设的油码头、LNG码头等的设计使用年限，中国标准中采用50 a的偏保守值，而欧美国家标准要求的设计使用年限一般为15～30 a，然后通过维护和升级延长实际的使用年限。国外规范对于特别重要的建筑物的设计使用年限要求至少100 a，略高于中国规范。

2 各国规范对设计波浪的重现期要求

2.1 中国规范

《港口与航道水文规范》第6.2.2条指出设计波浪重现期应按下列规定确定[12]。

(1)直墙式、墩柱式、桩基式和一般斜坡式建筑物的强度和稳定性计算，设计波浪的重现期应采用50 a。

(2)破坏后不致造成重大损失的斜坡式护岸等非重要建筑物，其设计波浪的重现期可采用25 a。

(3)对于大水深的重要建筑物，重现期100 a的波高大于或等于重现期50 a的同一波列累积频率的波高1.15倍时，其设计波浪的重现期可采用100 a，且其极端高水位的重现期可相应调整为100 a。

2.2 日本规范

日本港口设施技术标准与评述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[9]第二部分第二章对设计波浪重现期规定如下。

(1)随机波的重现期。

主导作用为随机波的正常状态下，在确定波浪重现期时，必须满足结构的用途和性能要求，此外，还应适当考虑建筑物的设计使用年限、重要性以及自然条件。

(2)极端波浪的重现期。

主导作用为大浪的极端状态时，设计波浪可采用目标海域出现的最严重海浪或重现期大于等于100 a的波浪。

(3)观测值或估计值的周期。

长期观测值或估计值的周期不小于30 a。

2.3 英国规范

英国海工建筑物标准《Maritime structures-Part 1: code of practice for general criteria》[13]第21.3.8条指出，在对设计参数进行外推以估计其极值时，就产生了设计条件使用何种重现期的问题。一般而言，设计重现期将超过成本优化给定的期间。成本优化只有在已知设计条件造成的损坏程度的情况下才可以使用，因此最适用于堆石防波堤等可通过物模试验协助确定损坏率的建筑物。相反，如直立堤等建筑物，在超出设计条件后，几乎会完全毁坏，则不适用。对于破坏的后果非常严重的建筑物，其重现期至少1 000 a。

2.4 国际港口工程手册

国际港口工程设计手册《Port Designer′s Handbook》[7]第二部分第2.3.4条指出一般建筑物设计波浪重现期为50～100 a，且应根据建筑物类型选择重现期。对于破坏程度较小或易于修复的建筑物，其重现期可取较小(如某些工程采用25 a)。对于破坏后造成重大经济损失或对人身安全构成威胁的建筑物，其重现期至少100 a。港口不同功能的结构应采用不同重现期。

3 重现期和设计使用年限的关系

图1 重现期与设计使用年限及概率的关系Fig.1 The relationship among return period,design working life and probability

重现期T定义为设计波浪两次出现之间的平均间隔期，但这并非意味着两次出现之间正好相隔Ta。实际上，如果事件可看作是在统计上独立的，则重现期Ta的设计波浪在na的时段内将出现的概率由下式确定

(1)

式中：T为重现期；n为设计使用年限；P为建筑物在设计使用年限内遭遇大于设计波高的波浪的概率。三者关系如图1所示[7]。

由上图可知，设计波浪重现期、建筑物设计使用年限和其在使用年限内遭遇设计波浪的概率之间存在确定的关系，三者相互牵制，为了便于理解，下面将两两关系列述如下。

(1)建筑物在设计使用年限内遭遇设计波浪的概率一定时，重现期与设计使用年限的关系如表5所示。

表5 重现期与设计使用年限的关系Tab.5 The relationship between return period and design working life

(2)设计使用年限一定时，重现期与建筑物在设计使用年限内遭遇设计波浪的概率的关系如表6所示。

表6 重现期与概率的关系Tab.6 The relationship between return period and probability of wave

(3)重现期一定时，建筑物设计使用年限与其在设计使用年限内遭遇设计波浪的概率的关系如表7所示。

表7 设计使用年限与概率的关系Tab.7 The relationship between design working life and probability of wave

由上述数据可知，当建筑物的设计使用年限与重现期相同时，设计波浪在此期间出现的概率约64%，这对于重要港口而言显然是无法接受的。因此应根据建筑物的重要程度选择设计使用年限对应的重现期。如我国一般港口建筑物设计波浪的重现期标准为50 a一遇，若规定出现的概率为45%，那么对应建筑物的设计使用年限仅30 a；国外港口建筑物设计波浪的重现期标准一般为100 a一遇，若规定建筑物使用年限为30 a，那么设计波浪出现的概率仅为26%。对于特别重要的建筑物，其设计使用年限至少100 a，若规定出现的概率为10%，那么对应的设计波浪重现期至少应为950 a。因此，当我们提及百年大计时，可考虑到1 000 a。

表8 建筑物安全等级与可靠指标、失效概率的关系Tab.8 The relationship among safety grade, reliability index and failure probability

注：括号外表示延性破坏对应参数值，括号内表示脆性破坏对应参数值。

参考建筑结构安全等级与可靠指标、失效概率的关系[14](表8)，对于安全等级一级的重要的港口建筑物，其破坏后果很严重，从安全角度考虑建筑物在设计使用年内遭遇大于设计波浪的概率应低于30%；对于安全等级二级的一般港口建筑物，其破坏后果严重，可适当将概率控制在30%～70%；对于安全等级三级的次要港口建筑物，破坏后果不严重，概率可高于70%，将其控制在可接受范围内即可。此概率区间仅考虑了设计使用年限与重现期的理论关系，可作为工程设计前期的粗略参考值，但在具体设计时还需综合考虑其他因素加以确定。如港珠澳大桥作为世界级跨海通道、国家特别重要的建筑物，按中国内地设计标准使用年限可取用100 a，香港地区标准建议120 a，为满足粤、港、澳三地设计规范的要求，因此港珠澳大桥设计使用年限定为120 a且采用对应的荷载代表值进行结构安全设计[15]，此外通过先进的施工方法、严格的质量把控、精细的后期维护等系列措施以确保结构耐久性。

海工建筑物的设计使用年限受制于设计水文要素重现期以及建筑物的重要程度。对于不同重要程度的建筑物，其设计使用年限与重现期的对应关系也会有所差异，正如各国规范所言，规范中所述标准仅为一般性指示，设计者应针对具体的工程情况采用相应的设计使用年限和重现期。

4 结语

随着“21世纪海上丝绸之路”倡议的提出，越来越多企业响应国家号召纷纷“走出去”开拓海外港口项目[16-18]。而海港建筑物设计使用年限和重现期作为港口设计中极其重要的因素也因此备受关注。本文对国内外规范中海港建筑物的设计使用年限和重现期的规定作了汇总和分析，可以方便相关设计工作者参考。