结构安全性是结构防止破坏倒塌的能力,是结构工程最重要的质量指标。结构工程的安全性主要决定于结构的设计与施工水准,也与结构的正确使用(维护.检测)有关,而这些又与土建工程法规和技术标准(规范.规程.条例等)的合理设置及运用相关联。
1.1构件承载能力的安全设置水平。
与结构部件安全水平关系最大的两个因素是:1)规范规定结构需要承受多少负荷(负荷标准值),如同一栋办公大楼,中国规范规定1959年以来地板承受的活负荷为每平方米150公斤(现在确定在新规范中返回200公斤),美.英则为240公斤和250公斤2)规范规定的负荷分项系数和材料强度分项系数的大小,前者在计算确定负荷对结构部件的作用时,将负荷标准值放大的一个系数这些用量值表示的系数体现了结构部件在给定标准负荷作用下的安全性,在安全系数设计方法(如中国道路桥涵洞结构设计规范)中称为安全系数,体现了安全储备的需求,在可靠性设计方法(如中国建筑结构设计规范)中称为分项系数,体现了一定的名义故障概率和可靠性指标。安全系数和分项系数越大,安全度越高。我国建筑结构设计规范规定活载荷和恒载荷(结构自重等)的分项系数分别为1.4和1.2,美国分别为1.7和1.4,英国分别为1.6和1.4。这样,根据我国规范设计办公大楼时,根据楼层设计的负荷(负荷标准值和负荷分项系数的乘积)值约为英美的52%(考虑人员和设施等的负荷)和85%(对结构自重等的负荷),设计时 菀匀范ü辜?芄怀惺芎稍氐哪芰γㄓ氩牧锨慷确窒钕凳?泄兀┤匆?扔⒚拦娣陡叱龅?0~15%,二者都使构件承载力的安全水准下降。日本和德国的设计规范在某些方面比英美保守。一些发展中国家的结构设计多根据发达国家的规范,就如我国解放前和建国初期的结构设计方法参照美国规范一样。至于中国的香港和台湾,至今仍分别以英国和参考美国规范为依据。这里需要说明的是,在其他建筑物的活载标准值中,与国外的不同并不像办公大楼.公寓.宿舍那么大。不同材料.不同类型的结构在安全设置水准上与国际间的差距并不相同,比如钢结构的差距可能相对小些。
道路桥梁结构的情况也与住宅建筑结构相似,除车载标准外,负荷分项的安全系数(中国规范为车载1.4,比国际着名的美国AASHTO规范低约1.75%)和材料强度分项的安全系数低。
尽管我国设计规范设定的安全储备较低,但一些工程的材料用量反而高于国外同类工程。这里的问题主要是设计墨守陈规,选择结构方案、材料、分析计算、结构结构缺乏创新。
1.2结构整体牢固。
除了结构部件具有足够的承载能力外,结构还具有整体牢固性。结构的整体牢固性是结构出现的局部破坏,不能在大范围内连续破坏倒塌的能力,或者结构不能出现不符合原因的破坏结果。结构的整体牢固性主要依靠结构能有良好的延性和必要的冗余度,用来对付地震.爆炸等灾害荷载或因人为差错导致的灾难后果,可以减轻灾害损失。唐山地震造成的巨大伤亡与当地房屋结构缺乏整体牢固性有很大关系。2001年石家庄发生故意破坏的恶性爆炸事件,一栋住宅楼因土炸药爆炸造成的墙体局部破坏,竟导致整栋楼的连续倒塌,也是房屋设计牢固性不足的表现。
1.3 结构的耐久安全性 。
我国土建结构设计和施工规范着重于各种负荷作用下的结构强度要求,环境因素作用(干湿、冻融等大气侵蚀和工程周围的水.土中有害化学介质侵蚀)的耐久性要求比较少。混凝土结构由钢筋锈蚀和混凝土腐蚀引起的结构安全事故,其严重性远远超过结构部件承载力安全水平设置低的危害,因此应特别重视。我国规范规定的耐久性相关要求,例如保护钢筋不生锈的混凝土保护层的最小厚度和混凝土的最低强度等,明显低于海外规范。损害结构承载力的安全性只是耐久性不足的后果之一;提高结构构件承载能力的安全设置水准,在一些情况下也有利于结构的耐久性与结构使用寿命。
2.调整结构安全设置水准的不同见解 。
我国结构设计规范的安全设置水准较低,与我国建国后长期处于短缺经济和计划体制的历史条件有关。但是,能够对土建结构取用较低的安全水准并基本满足了当时的生产与生活需求,而且业已历经了较长时间的考验,这是国内土建科技人员经过巨大努力所取得的重大成就;但是,由于安全储备较低,抵御意外作用的能力相对不足。如果适当提高安全设置水准将有利于减少事故的发生频率和提高工程抗御灾害的能力。国内发生的大量工程安全事故主要是由于管理上的腐败和不良和严重的人为错误。目前,建议重新审视结构安全设置水平,主要基于客观形势的变化,是因为我们现在从事的基础设施建设为今后的现代化奠定了基础,必须满足今后几十年年内人们生产生活水平的发展需求,一些土建结构如商品房国内近年来多次讨论建筑结构安全度的设置水平,在如何调整的问题上有很大的意见分歧,这次科学技术论坛也反映了这些意见
1)我国目前规范的安全设置水平足够,为长期实践证明,海外没有这种经验。我国取得的这项成功经验决不能轻易丢失,安全度不能遵循英美高标准,安全度高是浪费,除了个别需要调整外,整体不需要变动。
2)我国规范的安全性设定水平虽然不高,但在全面遵守标准规范的规定下,在正常设计、正常施工和正常使用的三正常条件下,建成的数百亿平方米的建筑物大部分至今仍安全使用,这些规范规定的水平仍然适用,但理想的三正常很难,同时为了缩小与先进国际标准的差距,考虑到可持续发展和耐久性的需要,在物质供应条件行业改善的市场经济条件下,结构的安全设置水平必须适当提高。这种提高只能适度。因为我国现在还在发展中国家。
3.结构设计规范的概率可靠性设计方法。
自1984年国家建设委员会和国家建设部颁布建筑结构设计统一标准以来,中国建筑结构设计规范从80年代末期开始抛弃了传统的多安全系数设计方法,统一采用基于概率理论的可靠性设计方法,其他工程部门如道路、铁路、港口、水利结构设计规范也在或计划这样的变化。我国规范的可靠性设计方法参考国际标准ISO2394,经国内科学技术人员努力实施。将可靠性设计方法用于结构设计规范,在国际学术界被认为是发展趋势,但在工程界有不同的看法。尽管有ISO2394,但国外没有重要或着名的结构设计规范,直接采用可靠性设计方法,至今仍采用多安全系数设计方法或负载抗力系数法。在我国,建筑结构设计规范中的可靠性设计方法和我国各行业的各种结构设计规范以可靠性方法统一的做法,工程设计界有很少的语言,但学术界有赞成和肯定者是主流,但也有人怀疑可靠性方法用于设计规范的适用性。本次科技论坛集中反映了规范可靠性方法的意见分歧。
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