淺析土建結(jié)構(gòu)安全性設(shè)置水準(zhǔn)及設(shè)計(jì)方法

馮　雷

摘要：結(jié)構(gòu)安全性是結(jié)構(gòu)防止破壞倒塌的能力，是結(jié)構(gòu)工程最重要的質(zhì)量指標(biāo)。結(jié)構(gòu)工程的安全性主要決定于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工水準(zhǔn)，也與結(jié)構(gòu)的正確使用（維護(hù)、檢測）有關(guān)，而這些又與土建工程法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范、規(guī)程、條例等）的合理設(shè)置及運(yùn)用相關(guān)聯(lián)。本文首先對我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的安全設(shè)置水準(zhǔn)進(jìn)行了簡要的論述，繼而有探討了對可靠度的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵字：建筑 結(jié)構(gòu) 安全性 分析

0 引言

我國結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)安全問題十分嚴(yán)重，問題的嚴(yán)重性既體現(xiàn)在認(rèn)識上又存在于實(shí)際，而對結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)安全管理認(rèn)識不足可能是更深層次的問題。因此，應(yīng)認(rèn)真總結(jié)和汲取國內(nèi)外結(jié)構(gòu)安全管理方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，逐步改善和提高我國土建結(jié)構(gòu)工程的系統(tǒng)安全管理水平，多方共建具有中國特色的結(jié)構(gòu)安全管理體系。

1 我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的安全設(shè)置水準(zhǔn)

對結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)來說，結(jié)構(gòu)的安全性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的安全性、結(jié)構(gòu)的整體牢固性與結(jié)構(gòu)的耐久性等幾個方面。我國建筑物和橋梁等土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范在這些方面的安全設(shè)置水準(zhǔn)，總體上要比國外同類規(guī)范低得多。

1.1 構(gòu)件承載能力的安全設(shè)置水準(zhǔn) 與結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全水準(zhǔn)關(guān)系最大的二個因素是：①規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)需要承受多大的荷載（荷載標(biāo)準(zhǔn)值）。②規(guī)范規(guī)定的荷載分項(xiàng)系數(shù)與材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)的大小，前者是計(jì)算確定荷載對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用時，將荷載標(biāo)準(zhǔn)值加以放大的一個系數(shù)，后者是計(jì)算確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件固有的承載能力時，將構(gòu)件材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值加以縮小的一個系數(shù)。這些用量值表示的系數(shù)體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在給定標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的安全度，在安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法(如我國的公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)中稱為安全系數(shù)，體現(xiàn)了安全儲備的需要；而在可靠度設(shè)計(jì)方法(如我國的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)中稱為分項(xiàng)系數(shù)，體現(xiàn)了一定的名義失效概率或可靠指標(biāo)。安全系數(shù)或分項(xiàng)系數(shù)越大，表明安全度越高。公路橋梁結(jié)構(gòu)的情況也與房屋建筑結(jié)構(gòu)類似，除車載標(biāo)準(zhǔn)外，荷載分項(xiàng)安全系數(shù)（我國規(guī)范對車載取1.4，比國際著名的美國AASHTO規(guī)范的1.75約低25%）與材料強(qiáng)度分項(xiàng)安全系數(shù)均規(guī)定較低。盡管我國設(shè)計(jì)規(guī)范所設(shè)定的安全貯備較低，但是某些工程的材料用量反而有高于國外同類工程的，這里的問題主要在于設(shè)計(jì)墨守陳規(guī)，在結(jié)構(gòu)方案、材料選用、分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)構(gòu)造上缺乏創(chuàng)新。

1.2 結(jié)構(gòu)的整體牢固性 除了結(jié)構(gòu)構(gòu)件要有足夠承載能力外，結(jié)構(gòu)物還要有整體牢固性。結(jié)構(gòu)的整體牢固性是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)某處的局部破壞不至于導(dǎo)致大范圍連續(xù)破壞倒塌的能力，或者說是結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)與其原因不相稱的破壞后果。結(jié)構(gòu)的整體牢固性主要依靠結(jié)構(gòu)能有良好的延性和必要的冗余度，用來對付地震、爆炸等災(zāi)害荷載或因人為差錯導(dǎo)致的災(zāi)難后果，可以減輕災(zāi)害損失。唐山地震造成的巨大傷亡與當(dāng)?shù)胤课萁Y(jié)構(gòu)缺乏整體牢固性有很大關(guān)系。

1.3 結(jié)構(gòu)的耐久安全性 我國土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，重點(diǎn)放在各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，而對環(huán)境因素作用（如干濕、凍融等大氣侵蝕以及工程周圍水、土中有害化學(xué)介質(zhì)侵蝕）下的耐久性要求則相對考慮較少?；炷两Y(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕或混凝土腐蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全事故，其嚴(yán)重程度已遠(yuǎn)過于因結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力安全水準(zhǔn)設(shè)置偏低所帶來的危害，所以這個問題必須引起格外重視。我國規(guī)范規(guī)定的與耐久性有關(guān)的一些要求，如保護(hù)鋼筋免遭銹蝕的混凝土保護(hù)層最小厚度和混凝土的最低強(qiáng)度等級，都顯著低于國外規(guī)范。損害結(jié)構(gòu)承載力的安全性只是耐久性不足的后果之一；提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的安全設(shè)置水準(zhǔn)，在一些情況下也有利于結(jié)構(gòu)的耐久性與結(jié)構(gòu)使用壽命。

2 調(diào)整結(jié)構(gòu)安全設(shè)置水準(zhǔn)的不同見解

國內(nèi)近幾年來已對建筑結(jié)構(gòu)安全度的設(shè)置水準(zhǔn)組織過幾次討論，在如何調(diào)整的問題上存在較大的意見分歧，這次科技論壇上同樣反映了這些不同的見解：

2.1 認(rèn)為我國現(xiàn)行規(guī)范的安全設(shè)置水準(zhǔn)是足夠的，并已為長期實(shí)踐所證明，而國外就沒有這種經(jīng)驗(yàn)。我國取得的這一成功經(jīng)驗(yàn)決不能輕易丟掉，在安全度上不能跟著英美的高標(biāo)準(zhǔn)走；安全度高了是浪費(fèi)，除個別需調(diào)整外，總體上不必變動。

2.2 認(rèn)為我國規(guī)范的安全度設(shè)置水準(zhǔn)盡管不高，但在全面遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有關(guān)規(guī)定，即在正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用的“三正?！睏l件下，據(jù)此建成的上百億平米的建筑物絕大多數(shù)至今仍在安全使用，表明這些規(guī)范規(guī)定的水準(zhǔn)仍然適用；但是理想的“三正?！焙茈y做到，同時為了縮小與先進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)的差距以及鑒于可持續(xù)發(fā)展和提高耐久性的需要，在物質(zhì)供應(yīng)條件業(yè)已改善的市場經(jīng)濟(jì)條件下，結(jié)構(gòu)的安全設(shè)置水準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)提高。這種提高只能適度，因?yàn)槲覈壳吧袑侔l(fā)展中國家。

2.3 認(rèn)為我國規(guī)范的安全設(shè)置水準(zhǔn)應(yīng)該大體與國際水準(zhǔn)接近，需要大幅度提高。這是由于隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平不斷提高，土建工程特別是重大基礎(chǔ)設(shè)施工程出現(xiàn)事故所造成的風(fēng)險(xiǎn)損失后果將愈益嚴(yán)重，而為了提高工程安全程度所需要的經(jīng)費(fèi)投入在整個工程（特別是建筑工程）造價中所占的比重現(xiàn)在已愈來愈低，材料供應(yīng)也十分充裕。過去的低安全水準(zhǔn)只是適應(yīng)了以往短缺型計(jì)劃經(jīng)濟(jì)年代的需要，但決不是沒有風(fēng)險(xiǎn)，如果規(guī)范的安全水準(zhǔn)較高，曾經(jīng)發(fā)生過的有些安全事故本來是可以避免的，而規(guī)范的這一缺陷在一定程度上為“三正?！钡奶岱ㄋ谏w。在建的工程要為將來的現(xiàn)代化社會服務(wù)，安全性上一定要有高標(biāo)準(zhǔn)。低的安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在參與將來的國際競爭中也難以被承認(rèn)，即使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全設(shè)置水準(zhǔn)能夠提高到與發(fā)達(dá)國家一樣，由于我們的施工質(zhì)量總體較差，結(jié)構(gòu)的安全性依然會有差距。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的概率可靠度設(shè)計(jì)方法

自1984年國家建委和國家建設(shè)部頒布了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以來，我國的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已從80年代末期起拋棄了傳統(tǒng)的多安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法，從而統(tǒng)一采用以概率理論為基礎(chǔ)的可靠度設(shè)計(jì)方法。我國規(guī)范的可靠度設(shè)計(jì)方法是參考國際上的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)ISO2394并經(jīng)過國內(nèi)科技人員努力后得以實(shí)施的。將可靠度設(shè)計(jì)方法用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，在國際學(xué)術(shù)界內(nèi)通常被看成是一種發(fā)展趨勢，但在工程內(nèi)界則存在不同看法。在我國，對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的可靠度設(shè)計(jì)方法以及企圖將我國各個行業(yè)的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范都用可靠度方法統(tǒng)一起來的做法，雖然工程設(shè)計(jì)界頗有微詞，但學(xué)術(shù)界持贊成和肯定者是主流，不過仍不時有人對可靠度方法用于設(shè)計(jì)規(guī)范的適用性提出質(zhì)疑。這次科技論壇上則較為集中地反映了對規(guī)范可靠度方法的意見分歧。

對我國規(guī)范的可靠度設(shè)計(jì)方法持肯定意見的專家認(rèn)為這是重大的科技進(jìn)步，可靠度方法對安全度的概率定義要比定值的安全系數(shù)更清晰、更科學(xué)、更合理，當(dāng)然概率可靠度設(shè)計(jì)方法本身尚有不少缺陷，有待進(jìn)一步修改完善。持相反意見的人則認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所面向的是類型多樣的復(fù)雜群體，在安全度上需要考慮的不確定性與不確知性非常復(fù)雜，并不是“從統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)的概率定義”所能科學(xué)描述或處理；規(guī)范可靠度方法在我國十多年的實(shí)踐表明，它并沒有給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性帶來明顯實(shí)效，反而造成了安全概念上的某些混亂；對工程技術(shù)人員來說，結(jié)構(gòu)的安全度用可靠指標(biāo)和虛假的失效概率表達(dá)后變得更加不可揣摩和模糊不清，不如安全系數(shù)那樣從安全儲備出發(fā)的度量方法更為直觀和便于處理具體工程的安全問題；現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中的可靠度方法很不成熟，存在不少根本缺陷；他們認(rèn)為半概率的多安全系數(shù)方法更適用于規(guī)范，也不排斥可靠度分析的結(jié)果可以作為一種參考，在綜合判斷安全系數(shù)的合理取值時予以考慮。