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試論建筑結構設計安全度與結構構件耐久性
【摘 要】結構工程師在做結構設計時(shí)，首先要根據建筑的基本功能，通過(guò)多方案比選，優(yōu)選出經(jīng)濟、合理的結構方案，其次要對結構構件及其體系作結構分析和內力計算以及考慮各構件間的連接方式和構造措施，同時(shí)還應按設計規范規定的可靠度理論確定其安全度，才能確保該結構的整體安全使用。
【關(guān)鍵詞】結構設計;堅固性和耐久性;安全系數;耐久性設計
要想保證我們設計和建造的建筑物安全，首先要保證組成建筑物的結構構件的堅固性和耐久性，也就是建筑物中的主要承重結構構件的堅固和耐久性，而承重結構構件主要有垂直構件(如樁、柱、墻等)和水平構件(如梁、桁架、網(wǎng)架等)兩類(lèi)。因此，對從事建筑結構設計工作的結構工程師來(lái)說(shuō)，在做結構設計時(shí)，首先要根據建筑物的基本功能，通過(guò)多種方案比選，優(yōu)選出經(jīng)濟、合理的結構方案，其次才是對每個(gè)結構構件以及結構體系作結構分析和內力計算，同時(shí)，還要準確分析、認真考慮各構件之間的連接方式和構造措施。在這個(gè)過(guò)程中，還必須采用結構設計規范規定的可靠度理論確定其安全系數，才能確保結構構件和整體建筑的安全使用。
1 何謂建筑結構設計安全度
眾所周知，建筑結構設計的最終目標是實(shí)現“三性”：(1)安全性。在正常使用條件下能承受可能出現的各種外荷載作用(如：自重、機械設備、家具、人流以及風(fēng)雪、氣溫變化等);在特殊情況下(如：地震、火災、颶風(fēng)等)仍能保持建筑物整體穩定、不倒塌。(2)適用性：在正常使用情況下具有良好的工作性能，即能正常發(fā)揮建筑物各分部的使用功能。(3)耐久性：在正常使用和維護條件下具有足夠長(cháng)的安全使用壽命(設計使用年限)。
上述安全性、適用性、耐久性綜合起來(lái)，就是衡量建筑結構是否安全可靠的基本標志，稱(chēng)為建筑結構的安全性。在建筑結構設計中用來(lái)度量結構安全性、適用性和耐久性的指標就叫安全度。
2 不同的歷史時(shí)期有不同的設計理論和設計方法，而不同的設計方法有不同的安全度表示法
20世紀50年代以來(lái)，我國建筑結構設計方法歷經(jīng)容許應力設計法、破壞階段設計法、極限狀態(tài)設計法和概率極限狀態(tài)設計法四個(gè)階段;在結構設計規范中，則分別以安全系數、分項系數和可靠性指標來(lái)表示容許應力設計法、破壞階段設計法、極限狀態(tài)設計法和概率極限狀態(tài)設計法的安全度。其實(shí)，建筑結構安全度(又叫可靠度)還與其它一些因素有關(guān)，例如：結構的構造規定、荷載標準值與材料強度標準值、結構內力分析的精確度和構件承載力計算公式等。
建筑結構可靠度(安全度)理論是分析建筑結構安全性的一種有效手段。我國早已頒布、實(shí)施了建筑結構設計統一標準，要求結構設計時(shí)，按可靠度理論進(jìn)行設計�？煽慷壤碚撚檬Ц怕蕘�(lái)度量結構的可靠性，通過(guò)將結構自身的抗力和外荷載的作用效應相互獨立，將隨機過(guò)程化成隨機變量，并以經(jīng)驗數據作為校準點(diǎn)，成功地將這一理論應用到建筑結構設計規范中。但由于這一理論尚不完善，在具體設計時(shí)還應結合工程實(shí)際，靈活應用。
3 結構工程師應恰當地確定結構設計安全度
從某種意義上講，建筑結構設計安全度的高低，應當是某個(gè)歷史階段國家或地區經(jīng)濟和資源狀況、財富積累多寡以及設計和施工技術(shù)水平高低、所用建筑材料質(zhì)量?jì)?yōu)劣的綜合反映，需要以概率論和統計學(xué)理論為基礎，參照成功的經(jīng)驗數據，經(jīng)綜合考慮后才能確定。但在實(shí)際結構設計中往往更多地依靠結構選型、結構工程師的實(shí)踐經(jīng)驗、當時(shí)的施工技術(shù)水平、建筑材料質(zhì)量?jì)?yōu)劣狀況等進(jìn)行綜合考慮，很少去考慮建設地點(diǎn)的經(jīng)濟發(fā)展水平和資源狀況，因此，常會(huì )出現安全系數偏高從而導致建筑物造價(jià)偏高，使某些經(jīng)濟欠發(fā)達地區財力難以承受的現象。從全國來(lái)看，由于我國目前施工技術(shù)平均水平還不高，建筑材料質(zhì)量參差不齊，各地區經(jīng)濟發(fā)展程度相差較大，現行混凝土結構設計規范中所確定的結構安全度雖稍偏高些，但尚能適應實(shí)際工程需要。隨著(zhù)國家經(jīng)濟實(shí)力的增強、施工技術(shù)的不斷提高、新材料新工藝的推廣應用、大跨度大空間結構越來(lái)越多，還可以將現行結構設計安全度適當提高一些，以確保“百年大計，質(zhì)量第一”。因為，與國際上通行的工程結構質(zhì)量標準相比，我國混凝土結構設計規范中規定的結構安全度還是相對偏低的，原因是結構計算時(shí)所采用的荷載標準值比國外的低，而材料強度標準值卻比國外的高，再加上對結構構件之間的構造要求又比國外的構造要求低很多，所以，按現行混凝土結構設計規范中規定的結構安全度設計的結構構件，還是偏于不安全的。
4 關(guān)于結構構件的耐久性問(wèn)題
要確保所建造的建筑物在其安全使用周期內既有足夠的強度，能經(jīng)受住各種外來(lái)荷載作用而不出現裂縫、不傾斜、不倒塌，又能充分發(fā)揮其應有的使用功能，還能在惡劣環(huán)境因素(如濱海濕風(fēng)、沙塵暴、晝夜大溫差等大氣侵蝕及土或水中有害化學(xué)物質(zhì)對基礎的腐蝕等)作用下仍能繼續保持其強度和整體性，除了上面所說(shuō)的，在結構設計時(shí)要恰到好處地確定結構設計安全度外，更為重要的是要讓建筑結構具有較高的耐久性。我國現行關(guān)于混凝土結構設計和施工規范中，對于結構構件在各種荷載作用下的強度要求提得較多，當然也是首先應保證的基本要求;但對在惡劣環(huán)境因素作用下的結構耐久性卻考慮較少。
無(wú)數工程質(zhì)量事故的調研報告表明，影響混凝土結構構件耐久性的因素很多，可以分為內部因素和外部因素兩個(gè)方面。內部因素就是混凝土的水膠比(水灰比)、水泥用量、混凝土的強度等級、氯離子含量、骨料中的堿含量和外加劑用量及混凝土保護層厚度等;外部因素就是混凝土結構構件所處的外部環(huán)境，包括地(水)上和地(水)下環(huán)境，如溫差、凍融、濕度、SO2和CO2含量、腐蝕性化學(xué)介質(zhì)、含酸堿地下水等。其中尤以混凝土碳化、堿骨料反應和鋼筋銹蝕對混凝土結構耐久性的影響最為嚴重，而外部惡劣環(huán)境正是影響混凝土碳化和鋼筋銹蝕的主要因素，必須引起我們特別關(guān)注。
考慮到結構耐久性對建筑工程和港口、橋梁等基礎設施工程使用壽命的重要影響，中國工程院土木、水利與建筑工程學(xué)部于2000年提出了名為“工程結構安全性與耐久性研究”的研究課題，組織國內相關(guān)專(zhuān)家，對國內土木、水利和建筑工程等結構的安全性、耐久性進(jìn)行了認真探討，并著(zhù)手編寫(xiě)了混凝土結構耐久性設計與施工指導性文件，經(jīng)過(guò)幾年的試用、修訂和完善，最終定稿為《混凝土結構耐久性設計規范》(GB/T50476―2008)，并于2009年5月起實(shí)施，與現行的《混凝土結構設計規范》、《工業(yè)建筑防腐蝕設計規范》和《港口工程技術(shù)規范》等一起，成為我國港口、橋梁、水利和建筑工程等混凝土結構工程耐久性設計的重要依據，為上述各類(lèi)結構工程在設計工作年限內的安全使用提供了可靠保證。
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