建筑结构设计安全度与结构构件耐久性探析

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要想保证我们设计和建造的建筑物安全，首先要保证组成建筑物的结构构件的坚固性和耐久性，也就是建筑物中的主要承重结构构件的坚固和耐久性，而承重结构构件主要有垂直构件（如桩、柱、墙等）和水平构件（如梁、桁架、网架等）两类。因此，对从事建筑结构设计工作的结构工程师来说，在做结构设计时，首先要根据建筑物的基本功能，通过多种方案比选，优选出经济、合理的结构方案，其次才是对每个结构构件以及结构体系作结构分析和内力计算，同时，还要准确分析、认真考虑各构件之间的连接方式和构造措施。在这个过程中，还必须采用结构设计规范规定的可靠度理论确定其安全系数，才能确保结构构件和整体建筑的安全使用。

1何谓建筑结构设计安全度

众所周知，建筑结构设计的最终目标是实现“三性”：（1）安全性。在正常使用条件下能承受可能出现的各种外荷载作用（如：自重、机械设备、家具、人流以及风雪、气温变化等）；在特殊情况下（如：地震、火灾、飓风等）仍能保持建筑物整体稳定、不倒塌。（2）适用性：在正常使用情况下具有良好的工作性能，即能正常发挥建筑物各分部的使用功能。（3）耐久性：在正常使用和维护条件下具有足够长的安全使用寿命（设计使用年限）。上述安全性、适用性、耐久性综合起来，就是衡量建筑结构是否安全可靠的基本标志，称为建筑结构的安全性。在建筑结构设计中用来度量结构安全性、适用性和耐久性的指标就叫安全度。

2不同的历史时期有不同的设计理论和设计方法，而不同的设计方法有不同的安全度表示法

20世纪50年代以来，我国建筑结构设计方法历经容许应力设计法、破坏阶段设计法、极限状态设计法和概率极限状态设计法四个阶段；在结构设计规范中，则分别以安全系数、分项系数和可靠性指标来表示容许应力设计法、破坏阶段设计法、极限状态设计法和概率极限状态设计法的安全度。其实，建筑结构安全度（又叫可靠度）还与其它一些因素有关，例如：结构的构造规定、荷载标准值与材料强度标准值、结构内力分析的精确度和构件承载力计算公式等。建筑结构可靠度（安全度）理论是分析建筑结构安全性的一种有效手段。我国早已颁布、实施了建筑结构设计统一标准，要求结构设计时，按可靠度理论进行设计。可靠度理论用失效概率来度量结构的可靠性，通过将结构自身的抗力和外荷载的作用效应相互独立，将随机过程化成随机变量，并以经验数据作为校准点，成功地将这一理论应用到建筑结构设计规范中。但由于这一理论尚不完善，在具体设计时还应结合工程实际，灵活应用。

3结构工程师应恰当地确定结构设计安全度

从某种意义上讲，建筑结构设计安全度的高低，应当是某个历史阶段国家或地区经济和资源状况、财富积累多寡以及设计和施工技术水平高低、所用建筑材料质量优劣的综合反映，需要以概率论和统计学理论为基础，参照成功的经验数据，经综合考虑后才能确定。但在实际结构设计中往往更多地依靠结构选型、结构工程师的实践经验、当时的施工技术水平、建筑材料质量优劣状况等进行综合考虑，很少去考虑建设地点的经济发展水平和资源状况，因此，常会出现安全系数偏高从而导致建筑物造价偏高，使某些经济欠发达地区财力难以承受的现象。从全国来看，由于我国目前施工技术平均水平还不高，建筑材料质量参差不齐，各地区经济发展程度相差较大，现行混凝土结构设计规范中所确定的结构安全度虽稍偏高些，但尚能适应实际工程需要。随着国家经济实力的增强、施工技术的不断提高、新材料新工艺的推广应用、大跨度大空间结构越来越多，还可以将现行结构设计安全度适当提高一些，以确保“百年大计，质量第一”。因为，与国际上通行的工程结构质量标准相比，我国混凝土结构设计规范中规定的结构安全度还是相对偏低的，原因是结构计算时所采用的荷载标准值比国外的低，而材料强度标准值却比国外的高，再加上对结构构件之间的构造要求又比国外的构造要求低很多，所以，按现行混凝土结构设计规范中规定的结构安全度设计的结构构件，还是偏于不安全的。

4关于结构构件的耐久性问题

要确保所建造的建筑物在其安全使用周期内既有足够的强度，能经受住各种外来荷载作用而不出现裂缝、不倾斜、不倒塌，又能充分发挥其应有的使用功能，还能在恶劣环境因素（如滨海湿风、沙尘暴、昼夜大温差等大气侵蚀及土或水中有害化学物质对基础的腐蚀等）作用下仍能继续保持其强度和整体性，除了上面所说的，在结构设计时要恰到好处地确定结构设计安全度外，更为重要的是要让建筑结构具有较高的耐久性。我国现行关于混凝土结构设计和施工规范中，对于结构构件在各种荷载作用下的强度要求提得较多，当然也是首先应保证的基本要求；但对在恶劣环境因素作用下的结构耐久性却考虑较少。无数工程质量事故的调研报告表明，影响混凝土结构构件耐久性的因素很多，可以分为内部因素和外部因素两个方面。内部因素就是混凝土的水胶比（水灰比）、水泥用量、混凝土的强度等级、氯离子含量、骨料中的碱含量和外加剂用量及混凝土保护层厚度等；外部因素就是混凝土结构构件所处的外部环境，包括地（水）上和地（水）下环境，如温差、冻融、湿度、SO2和CO2含量、腐蚀性化学介质、含酸碱地下水等。其中尤以混凝土碳化、碱骨料反应和钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性的影响最为严重，而外部恶劣环境正是影响混凝土碳化和钢筋锈蚀的主要因素，必须引起我们特别关注。考虑到结构耐久性对建筑工程和港口、桥梁等基础设施工程使用寿命的重要影响，中国工程院土木、水利与建筑工程学部于2000年提出了名为“工程结构安全性与耐久性研究”的研究课题，组织国内相关专家，对国内土木、水利和建筑工程等结构的安全性、耐久性进行了认真探讨，并着手编写了混凝土结构耐久性设计与施工指导性文件，经过几年的试用、修订和完善，最终定稿为《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476—2008），并于2009年5月起实施，与现行的《混凝土结构设计规范》、《工业建筑防腐蚀设计规范》和《港口工程技术规范》等一起，成为我国港口、桥梁、水利和建筑工程等混凝土结构工程耐久性设计的重要依据，为上述各类结构工程在设计工作年限内的安全使用提供了可靠保证。

作者：贺川江 单位：新疆伊犁新星建筑安装有限公司