淺談土建結構工程的安全性與耐久性

王丹　李強

1.土建結構工程的安全性

結構安全性是結構防止破壞倒塌的能力，是結構工程最重要的質(zhì)量指標。結構工程的安全性主要決定于結構的設計與施工水準，也與結構的正確使用（維護、檢測）有關，而這些又與土建工程法規(guī)和技術標準（規(guī)范、規(guī)程、條例等）的合理設置及運用相關聯(lián)。

1.1我國結構設計規(guī)范的安全設置水準

對結構工程的設計來說，結構的安全性主要體現(xiàn)在結構構件承載能力的安全性、結構的整體牢固性與結構的耐久性等幾個方面。我國建筑物和橋梁等土建結構的設計規(guī)范在這些方面的安全設置水準，總體上要比國外同類規(guī)范低得多。

1.1.1構件承載能力的安全設置水準

與結構構件安全水準關系最大的二個因素是：（1）規(guī)范規(guī)定結構需要承受多大的荷載（荷載標準值），比如同樣是辦公樓，我國規(guī)范自1959年以來均規(guī)定樓板承受的活荷載是每平方米150公斤（現(xiàn)已確定在新的規(guī)范里將改回到200公斤），而美、英則為240和250公斤；（2） 規(guī)范規(guī)定的荷載分項系數(shù)與材料強度分項系數(shù)的大小，前者是計算確定荷載對結構構件的作用時，將荷載標準值加以放大的一個系數(shù)，后者是計算確定結構構件固有的承載能力時，將構件材料的強度標準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)了結構構件在給定標準荷載作用下的安全度，在安全系數(shù)設計方法（如我國的公路橋涵結構設計規(guī)范）中稱為安全系數(shù)，體現(xiàn)了安全儲備的需要；而在可靠度設計方法（如我國的建筑結構設計規(guī)范）中稱為分項系數(shù)，體現(xiàn)了一定的名義失效概率或可靠指標。安全系數(shù)或分項系數(shù)越大，表明安全度越高。我國建筑結構設計規(guī)范規(guī)定活荷載與恒載（如結構自重）的分項系數(shù)分別為1.4和1.2，而美國則分別為1.7和1.4，英國1.6和 1.4 ；這樣根據(jù)我國規(guī)范設計辦公樓時，所依據(jù)的樓層設計荷載（荷載標準值與荷載分項系數(shù)的乘積）值大約只有英美的52% ，二者都使構件承載力的安全水準下降，日本與德國的設計規(guī)范在某些方面比英美還要保守些。

1.1.2結構的整體牢固性

除了結構構件要有足夠承載能力外，還要有整體牢固性。結構的整體牢固性是結構出現(xiàn)某處的局部破壞不至于導致大范圍連續(xù)破壞倒塌的能力，或者說是結構不應出現(xiàn)與其原因不相稱的破壞后果。結構的整體牢固性主要依靠結構能有良好的延性和必要的冗余度，用來對付地震、爆炸等災害荷載或因人為差錯導致的災難后果，可以減輕災害損失。唐山地震造成的巨大傷亡與當?shù)胤课萁Y構缺乏整體牢固性有很大關系。2001年石家莊發(fā)生故意破壞的惡性爆炸事件，一棟住宅樓因土炸藥爆炸造成的墻體局部破壞，竟導致整棟樓的連續(xù)倒塌，也是房屋設計牢固性不足的表現(xiàn)。

1.1.3結構的耐久安全性

我國土建結構的設計與施工規(guī)范，重點放在各種荷載作用下的結構強度要求，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、土中有害化學介質(zhì)侵蝕）下的耐久性要求則相對考慮較少。混凝土結構因鋼筋銹蝕或混凝土腐蝕導致的結構安全事故，其嚴重程度已遠遠超過因結構構件承載力安全水準設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)定的與耐久性有關的一些要求，如保護鋼筋免遭銹蝕的混凝土保護層最小厚度和混凝土的最低強度等級，都顯著低于國外規(guī)范。損害結構承載力的安全性只是耐久性不足的后果之一；提高結構構件承載能力的安全設置水準，在一些情況下也有利于結構的耐久性與結構使用壽命。

1.2結構設計規(guī)范的概率可靠度設計方法

自1984年國家建委和國家建設部頒布了建筑結構設計統(tǒng)一標準以來，我國的建筑結構設計規(guī)范已從80年代末期起拋棄了傳統(tǒng)的多安全系數(shù)設計方法，從而統(tǒng)一采用以概率理論為基礎的可靠度設計方法；其它的工程部門如公路、鐵路、港口、水利的結構設計規(guī)范也正在或計劃作這樣的轉變。我國規(guī)范的可靠度設計方法是參考國際上的相應標準ISO2394并經(jīng)過國內(nèi)科技人員努力后得以實施的。將可靠度設計方法用于結構設計規(guī)范，在國際學術界內(nèi)通常被看成是一種發(fā)展趨勢，但在工程界則存在不同看法。盡管有了ISO2394，國外卻鮮有重要或著名的結構設計規(guī)范已直接采用了可靠度設計方法，至今仍采用多安全系數(shù)設計方法或稱荷載抗力系數(shù)法。在我國，對于建筑結構設計規(guī)范中的可靠度設計方法以及企圖將我國各個行業(yè)的各種結構設計規(guī)范都用可靠度方法統(tǒng)一起來的做法，雖然工程設計界頗有微詞，但學術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計規(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。

2.土建結構工程的耐久性

土建結構工程的耐久性與工程的使用壽命相聯(lián)系，是使用期內(nèi)結構保持正常功能的能力，這一正常功能包括結構的安全性和結構的適用性，而且更多地體現(xiàn)在適用性上。

2.1土建結構工程的耐久性現(xiàn)狀

大多數(shù)土建結構由混凝土建造?；炷两Y構的耐久性是當前困擾土建基礎設施工程的世界性問題，并非我國所特有，但是至今尚未引起我國政府主管部門和廣大設計與施工部門的足夠重視。

長期以來，人們一直以為混凝土應是非常耐久的材料。直到70年代末期，發(fā)達國家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基礎設施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過早損壞。美國許多城市的混凝土基礎設施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的時期內(nèi)就出現(xiàn)劣化；據(jù)1998年美國土木工程學會的一份材料估計，他們需要有1.3億美元來處理美國國內(nèi)基礎設施工程存在的問題，僅修理與更換公路橋梁的混凝土橋面板一項就需800億美元，而現(xiàn)在聯(lián)邦政府每年為此的撥款只有50～60億美元。另有資料指出，美國因除冰鹽引起鋼筋銹蝕需限載通行的公路橋梁已占這一環(huán)境下橋梁的1/4。發(fā)達國家為混凝土結構耐久性投入了大量科研經(jīng)費并積極采取應對措施，如加拿大安大略省的公路橋梁為對付除冰鹽侵蝕及凍融損害，鋼筋的混凝土保護層最小厚度從50年代的2.5cm逐漸增加到4cm、6cm直到80年代后的7cm，而混凝土強度的最低等級也從50年代的C25增到后來的C40，橋面板混凝土從不要求外加引氣劑、不設防水層到必須引氣以及需要設置高級防水膠膜并引入環(huán)氧涂膜鋼筋。而我國遭受鹽凍侵蝕地區(qū)的公路橋梁在耐久性設計方面至今仍無明確要求，對混凝土保護層和強度的要求僅為2.5cm與C25，與上面提到的加拿大50年代水準一致。

2.2土建結構工程使用階段的正常檢測與維護

結構耐久性和使用壽命的概念，與使用階段的檢測、維護和修理不能分割，對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎設施工程來說尤其如此。為了保證結構安全性和耐久性，一些工程在建成后的使用過程中，應該進行定期檢測和維護。我國有結構工程的設計規(guī)范與施工規(guī)范，但沒有如何使用的規(guī)范。有些工程倒塌事故，例如最近四川宜賓的南門大橋發(fā)生橋面坍落事故，就是因為橋面結構與主拱之間的吊桿在連接處發(fā)生銹蝕，如果有定期的檢測要求，這樣的事故很有可能避免。有些國家對于結構的損壞可能導致公眾安全的建筑物與橋、隧等公共工程，強制規(guī)定必須定期檢測；即使是建筑物的玻璃幕墻和外墻面磚等建筑部件，因其墜落后容易傷及公眾，也有強制定期檢測的要求。我國由于施工管理水平和事故操作人員的素質(zhì)相對較差，質(zhì)量控制與質(zhì)量保證制度不夠健全，規(guī)范對結構安全與耐久性的設置水準又相對較低，已建的工程中往往存在較多隱患，所以更有必要從法制上確定土建工程的正常使用和定期檢測的要求。對于土建結構工程的安全質(zhì)量，雖然政府已作出了設計與施工的責任單位和個人需對其“終身負責”的規(guī)定，但是這種要求執(zhí)行起來缺乏可操作性。要將結構安全質(zhì)量事故減少到最低程度，還應以預防為主，通過例行檢測及時發(fā)現(xiàn)問題。

3.技術規(guī)范的作用與管理

這次科技論壇對于土建結構工程技術規(guī)范的定位、作用與管理也進行了討論并提出了一些看法。

長期以來，受計劃經(jīng)濟體制的影響，我們往往視技術規(guī)范為法，將規(guī)范的具體規(guī)定和要求等同于法律條文來對待。技術規(guī)范或規(guī)程，與各種技術條例、技術要求、工法、指南等技術文件一樣都是技術標準，本身不具有法律作用，只當工程各方（業(yè)主、設計、施工企業(yè)）認同作為設計與施工的依據(jù)并在契約的基礎上，才能作為法律仲裁的依據(jù)。將技術問題法制化并強制執(zhí)行，不利于技術進步和創(chuàng)造性的發(fā)揮，反而容易成為推卸責任的借口。當然，政府部門從國家和公眾的整體利益出發(fā)，需要在安全、環(huán)保等重大原則上對土建工程的設計施工提出必須滿足的最低要求并制定相應的法規(guī)，但法規(guī)一般并不需要提供如何達到這些要求的具體技術途徑和方法，后者是技術標準的任務。政府也可以原則認可或批準某些重要的技術規(guī)范或其中某些內(nèi)容使用。

規(guī)范等技術標準的管理體制亟待改善。建國以來，由政府部門負責統(tǒng)管并指定有關企事業(yè)單位分別承擔每本規(guī)范編寫和修訂工作的做法已越來越不能適應當前的形勢，有些在經(jīng)費和人力上得不到保證，平時基本上沒有專門人員去搜集了解規(guī)范使用中的問題并及時修改補充規(guī)范條文；面對新的結構型式、新的材料和新的工藝，規(guī)范的過時條文不但成為推廣新技術的阻力，而且有被誤用或盲目套用而造成工程質(zhì)量安全事故。