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試論建筑結(jié)構(gòu)設計安全度與結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性
【摘 要】結(jié)構(gòu)工程師在做結(jié)構(gòu)設計時，首先要根據(jù)建筑的基本功能，通過多方案比選，優(yōu)選出經(jīng)濟、合理的結(jié)構(gòu)方案，其次要對結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其體系作結(jié)構(gòu)分析和內(nèi)力計算以及考慮各構(gòu)件間的連接方式和構(gòu)造措施，同時還應按設計規(guī)范規(guī)定的可靠度理論確定其安全度，才能確保該結(jié)構(gòu)的整體安全使用。
【關鍵詞】結(jié)構(gòu)設計;堅固性和耐久性;安全系數(shù);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(jié)構(gòu)構(gòu)件的堅固性和耐久性，也就是建筑物中的主要承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的堅固和耐久性，而承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要有垂直構(gòu)件(如樁、柱、墻等)和水平構(gòu)件(如梁、桁架、網(wǎng)架等)兩類。因此，對從事建筑結(jié)構(gòu)設計工作的結(jié)構(gòu)工程師來說，在做結(jié)構(gòu)設計時，首先要根據(jù)建筑物的基本功能，通過多種方案比選，優(yōu)選出經(jīng)濟、合理的結(jié)構(gòu)方案，其次才是對每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)體系作結(jié)構(gòu)分析和內(nèi)力計算，同時，還要準確分析、認真考慮各構(gòu)件之間的連接方式和構(gòu)造措施。在這個過程中，還必須采用結(jié)構(gòu)設計規(guī)范規(guī)定的可靠度理論確定其安全系數(shù)，才能確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體建筑的安全使用。
1 何謂建筑結(jié)構(gòu)設計安全度
眾所周知，建筑結(jié)構(gòu)設計的最終目標是實現(xiàn)“三性”：(1)安全性。在正常使用條件下能承受可能出現(xiàn)的各種外荷載作用(如：自重、機械設備、家具、人流以及風雪、氣溫變化等);在特殊情況下(如：地震、火災、颶風等)仍能保持建筑物整體穩(wěn)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，就是衡量建筑結(jié)構(gòu)是否安全可靠的基本標志，稱為建筑結(jié)構(gòu)的安全性。在建筑結(jié)構(gòu)設計中用來度量結(jié)構(gòu)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，我國建筑結(jié)構(gòu)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)設計法四個階段;在結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中，則分別以安全系數(shù)、分項系數(shù)和可靠性指標來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，建筑結(jié)構(gòu)安全度(又叫可靠度)還與其它一些因素有關，例如：結(jié)構(gòu)的構(gòu)造規(guī)定、荷載標準值與材料強度標準值、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的精確度和構(gòu)件承載力計算公式等。
建筑結(jié)構(gòu)可靠度(安全度)理論是分析建筑結(jié)構(gòu)安全性的一種有效手段。我國早已頒布、實施了建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準，要求結(jié)構(gòu)設計時，按可靠度理論進行設計。可靠度理論用失效概率來度量結(jié)構(gòu)的可靠性，通過將結(jié)構(gòu)自身的抗力和外荷載的作用效應相互獨立，將隨機過程化成隨機變量，并以經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為校準點，成功地將這一理論應用到建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中。但由于這一理論尚不完善，在具體設計時還應結(jié)合工程實際，靈活應用。
3 結(jié)構(gòu)工程師應恰當?shù)卮_定結(jié)構(gòu)設計安全度
從某種意義上講，建筑結(jié)構(gòu)設計安全度的高低，應當是某個歷史階段國家或地區(qū)經(jīng)濟和資源狀況、財富積累多寡以及設計和施工技術水平高低、所用建筑材料質(zhì)量優(yōu)劣的綜合反映，需要以概率論和統(tǒng)計學理論為基礎，參照成功的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合考慮后才能確定。但在實際結(jié)構(gòu)設計中往往更多地依靠結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)工程師的實踐經(jīng)驗、當時的施工技術水平、建筑材料質(zhì)量優(yōu)劣狀況等進行綜合考慮，很少去考慮建設地點的經(jīng)濟發(fā)展水平和資源狀況，因此，常會出現(xiàn)安全系數(shù)偏高從而導致建筑物造價偏高，使某些經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)財力難以承受的現(xiàn)象。從全國來看，由于我國目前施工技術平均水平還不高，建筑材料質(zhì)量參差不齊，各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展程度相差較大，現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中所確定的結(jié)構(gòu)安全度雖稍偏高些，但尚能適應實際工程需要。隨著國家經(jīng)濟實力的增強、施工技術的不斷提高、新材料新工藝的推廣應用、大跨度大空間結(jié)構(gòu)越來越多，還可以將現(xiàn)行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)質(zhì)量標準相比，我國混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中規(guī)定的結(jié)構(gòu)安全度還是相對偏低的，原因是結(jié)構(gòu)計算時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(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的構(gòu)造要求又比國外的構(gòu)造要求低很多，所以，按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中規(guī)定的結(jié)構(gòu)安全度設計的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還是偏于不安全的。
4 關于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性問題
要確保所建造的建筑物在其安全使用周期內(nèi)既有足夠的強度，能經(jīng)受住各種外來荷載作用而不出現(xiàn)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、沙塵暴、晝夜大溫差等大氣侵蝕及土或水中有害化學物質(zhì)對基礎的腐蝕等)作用下仍能繼續(xù)保持其強度和整體性，除了上面所說的，在結(jié)構(gòu)設計時要恰到好處地確定結(jié)構(gòu)設計安全度外，更為重要的是要讓建筑結(jié)構(gòu)具有較高的耐久性。我國現(xiàn)行關于混凝土結(jié)構(gòu)設計和施工規(guī)范中，對于結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)耐久性卻考慮較少。
無數(shù)工程質(zhì)量事故的調(diào)研報告表明，影響混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性的因素很多，可以分為內(nèi)部因素和外部因素兩個方面。內(nèi)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)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注。
考慮到結(jié)構(gòu)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、水利與建筑工程學部于2000年提出了名為“工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究”的研究課題，組織國內(nèi)相關專家，對國內(nèi)土木、水利和建筑工程等結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性進行了認真探討，并著手編寫了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計與施工指導性文件，經(jīng)過幾年的試用、修訂和完善，最終定稿為《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》(GB/T50476―2008)，并于2009年5月起實施，與現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》、《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》和《港口工程技術規(guī)范》等一起，成為我國港口、橋梁、水利和建筑工程等混凝土結(jié)構(gòu)工程耐久性設計的重要依據(jù)，為上述各類結(jié)構(gòu)工程在設計工作年限內(nèi)的安全使用提供了可靠保證。
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