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試論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jì)、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(jì)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(yīng)按設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);堅(jiān)固性和耐久性;安全系數(shù);耐久性設(shè)計(jì)
要想保證我們設(shè)計(jì)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(jiān)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(jiān)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(shè)計(jì)工作的結(jié)構(gòu)工程師來說，在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)、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(jì)算，同時，還要準(zhǔn)確分析、認(rèn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)安全度
眾所周知，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是實(shí)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(jī)械設(shè)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(zāi)、颶風(fēng)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(hù)條件下具有足夠長的安全使用壽命(設(shè)計(jì)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(biāo)志，稱為建筑結(jié)構(gòu)的安全性。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用來度量結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的指標(biāo)就叫安全度。
2 不同的歷史時期有不同的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，而不同的設(shè)計(jì)方法有不同的安全度表示法
20世紀(jì)50年代以來，我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法歷經(jīng)容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法、破壞階段設(shè)計(jì)法、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法四個階段;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，則分別以安全系數(shù)、分項(xiàng)系數(shù)和可靠性指標(biāo)來表示容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法、破壞階段設(shè)計(jì)法、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的安全度。其實(shí)，建筑結(jié)構(gòu)安全度(又叫可靠度)還與其它一些因素有關(guān)，例如：結(jié)構(gòu)的構(gòu)造規(guī)定、荷載標(biāo)準(zhǔn)值與材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的精確度和構(gòu)件承載力計(jì)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(shí)施了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，按可靠度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)�？煽慷壤碚撚檬Ц怕蕘矶攘拷Y(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(yīng)相互獨(dú)立，將隨機(jī)過程化成隨機(jī)變量，并以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)點(diǎn)，成功地將這一理論應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中。但由于這一理論尚不完善，在具體設(shè)計(jì)時還應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，靈活應(yīng)用。
3 結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)恰當(dāng)?shù)卮_定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度
從某種意義上講，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度的高低，應(yīng)當(dāng)是某個歷史階段國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)和資源狀況、財(cái)富積累多寡以及設(shè)計(jì)和施工技術(shù)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(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)，參照成功的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合考慮后才能確定。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往更多地依靠結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)工程師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、當(dāng)時的施工技術(shù)水平、建筑材料質(zhì)量優(yōu)劣狀況等進(jìn)行綜合考慮，很少去考慮建設(shè)地點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致建筑物造價偏高，使某些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)財(cái)力難以承受的現(xiàn)象。從全國來看，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(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相差較大，現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)實(shí)際工程需要。隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)、施工技術(shù)的不斷提高、新材料新工藝的推廣應(yīng)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(shè)計(jì)安全度適當(dāng)提高一些，以確保“百年大計(jì)，質(zhì)量第一”。因?yàn)�，與國際上通行的工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算時所采用的荷載標(biāo)準(zhǔn)值比國外的低，而材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的結(jié)構(gòu)安全度設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還是偏于不安全的。
4 關(guān)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(qiáng)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(yīng)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(chǔ)的腐蝕等)作用下仍能繼續(xù)保持其強(qiáng)度和整體性，除了上面所說的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要恰到好處地確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度要求提得較多，當(dāng)然也是首先應(yīng)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(bào)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(qiáng)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(hù)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(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(yīng)和鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響最為嚴(yán)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(jié)構(gòu)耐久性對建筑工程和港口、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)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(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究”的研究課題，組織國內(nèi)相關(guān)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(jìn)行了認(rèn)真探討，并著手編寫了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指導(dǎo)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(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50476―2008)，并于2009年5月起實(shí)施，與現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》和《港口工程技術(shù)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(shè)計(jì)的重要依據(jù)，為上述各類結(jié)構(gòu)工程在設(shè)計(jì)工作年限內(nèi)的安全使用提供了可靠保證。
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