淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全度設(shè)計

1、淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全度設(shè)計    摘要：本文介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度的概念及表示方法，分析了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全度設(shè)計方法，供大家參考借鑒。 關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；安全度設(shè)計 Abstract: This paper introduces the safety degree concept and representation ways of the structure design, and analyzes the safety degree design method in the building structure design, for yo

2、ur reference. Key words: building structural design; safety degree design 中圖分類號：TU7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2104（2012） 為了盡快解決外部惡劣環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的嚴(yán)重危害，確保建筑工程和道橋、港口等基礎(chǔ)設(shè)施的混凝土結(jié)構(gòu)安全使用壽命，中國工程院土木、水利與建筑工程學(xué)部于 2000 年提出了一個名為“工程結(jié)構(gòu)安全性、耐久性研究”的研究課題，組織國內(nèi)知名專家，對國內(nèi)土木、水利和建筑工程等混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性進(jìn)行了深入分析和探討，并著手編寫了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指導(dǎo)性文件，經(jīng)過近 8

3、年的試用、修訂和不斷完善，最終定稿為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范（GB/T50476-2008），并于 2009 年 5 月起開始實(shí)施。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范的頒布實(shí)施，將與現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范和港口工程技術(shù)規(guī)范等一起，成為我國建筑工程、道路橋梁、水利、港口等混凝土結(jié)構(gòu)工程耐久性設(shè)計的重要法規(guī)，為上述各類建筑工程在設(shè)計使用年限內(nèi)的安全使用提供可靠保證。結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除了按使用功能對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和內(nèi)力計算外，還必須按規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)對每個構(gòu)件進(jìn)行承載力和耐久性驗(yàn)算，以確保建筑結(jié)構(gòu)的安全使用。 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度的概念 眾所周知，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的最

4、終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)建筑物在正常使用條件下的“三性”，即安全性、適用性和耐久性。 1.1 結(jié)構(gòu)安全性：在正常使用條件下能夠承受可能出現(xiàn)的各種外荷載作用，比如：結(jié)構(gòu)自重、機(jī)械設(shè)備、家具、人流以及風(fēng)、雪、氣溫變化等；在特殊情況下仍能保持建筑物整體穩(wěn)定，不傾斜、不倒塌，比如：遭遇火災(zāi)、颶風(fēng)、暴雨、地震等。 1.2 結(jié)構(gòu)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)揮建筑物各系統(tǒng)和各構(gòu)件的使用功能。 1.3 結(jié)構(gòu)耐久性： 在正常使用和維護(hù)情況下具有足夠長的安全使用壽命（即設(shè)計使用年限）。 綜上所述可知，結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性是衡量建筑結(jié)構(gòu)是否安全可靠和經(jīng)久耐用的最基本標(biāo)志，統(tǒng)稱為建筑結(jié)構(gòu)安全性；在

5、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中用來度量結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的指標(biāo)就叫結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度。 不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度表示方法。 2 結(jié)構(gòu)安全度的表示方法 自從上個世紀(jì) 50 年代以來，我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法經(jīng)歷了以下四個階段，即容許應(yīng)力設(shè)計階段、破壞狀態(tài)設(shè)計階段、極限狀態(tài)設(shè)計階段和概率極限狀態(tài)設(shè)計階段；在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，則分別用安全系數(shù)、分項(xiàng)系數(shù)和可靠性指標(biāo)來表示容許應(yīng)力法、破壞階段法、概率極限狀態(tài)法的安全度。 其實(shí)，建筑結(jié)構(gòu)安全度還與其他一些因素有關(guān)，比如：荷載標(biāo)準(zhǔn)與材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、構(gòu)造規(guī)定、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）理論是結(jié)構(gòu)工程師分析建筑結(jié)構(gòu)

6、安全性的一種基礎(chǔ)理論。 我國早在 20 世紀(jì) 50 年代末就已頒布、實(shí)施了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，要求在做結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須按可靠度理論進(jìn)行設(shè)計；可靠度理論用失效概率來度量建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，通過把結(jié)構(gòu)自身的抗力與外荷載的作用效應(yīng)隔離，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)計規(guī)范中。 3 準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度 從廣義上來說，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度的高低，可以認(rèn)為是某個國家或地區(qū)在某個歷史階段，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、資源狀況和財富積累多寡以及設(shè)計和施工技術(shù)水平高低、 所用建筑材料質(zhì)量優(yōu)劣等的綜合反映，需要以統(tǒng)計學(xué)和概率論理論為基礎(chǔ)，參照成功的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合考慮后才能確

7、定。但在現(xiàn)實(shí)生活中，結(jié)構(gòu)設(shè)計往往更多地依靠結(jié)構(gòu)選型、當(dāng)時的設(shè)計和施工技術(shù)水平、建筑材料質(zhì)量優(yōu)劣狀況和結(jié)構(gòu)工程師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行綜合考慮，較少去考慮建設(shè)地點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和資源狀況，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中常常會出現(xiàn)安全系數(shù)偏高、建筑總造價也隨之升高的現(xiàn)象，導(dǎo)致某些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，特別是邊疆及偏遠(yuǎn)山區(qū)的財力難以承受，普通老百姓的住房問題始終難以解決。 從全國來看，目前我國建筑施工技術(shù)平均水平還不高，各地所用建筑材料質(zhì)量也參差不齊，加上各地區(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)計規(guī)范中規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度雖然有些偏高，但還能適應(yīng)實(shí)際工程需要。隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)、建筑科技的不斷提高、新材料新工藝的不

8、斷涌現(xiàn)和推廣應(yīng)用、大跨度大空間結(jié)構(gòu)越來越多，我們還應(yīng)該將現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的安全度再適當(dāng)提高一些，以確保建筑工程“百年大計、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)計規(guī)范中規(guī)定的結(jié)構(gòu)安全度還是相對偏低，原因是結(jié)構(gòu)計算時所采用的荷載標(biāo)準(zhǔn)值普遍比國外的要低，構(gòu)件之間的構(gòu)造要求又比國外的構(gòu)造要求低很多。因此，我們按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)安全度設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還是偏于不安全的。 4 關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)耐久性 從建國以來無數(shù)混凝土工程質(zhì)量事故的調(diào)查報告表明，影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素雖然很多，但大致可以分為內(nèi)部因素和外部因素兩個方面。內(nèi)部因素就是混凝土的強(qiáng)度等級、

9、水灰比、水泥用量、骨料中的堿含量和外加劑用量以及受力鋼筋的混凝土保護(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，比如地（水）上和地（水）下環(huán)境（包括溫差、濕度、凍融情況、SO2和 CO2含量、腐蝕性化學(xué)介質(zhì)、含酸堿的地下水等），其中，尤其是混凝土碳化、堿骨料反應(yīng)和鋼筋銹蝕這三種情況，對建筑結(jié)構(gòu)耐久性的影響最為嚴(yán)重，而外部的惡劣環(huán)境正是造成混凝土碳化和鋼筋銹蝕，從而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)垮塌的主要因素，必須引起我們高度關(guān)注。 要想確保建筑結(jié)構(gòu)在其安全使用周期內(nèi)，既具有足夠的承載力，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（比如臨海濕風(fēng)、

10、沙塵暴、晝夜大溫差等大氣侵蝕，以及土或水中有害化學(xué)物質(zhì)對其基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)的腐蝕等）作用下仍能繼續(xù)保持其強(qiáng)度和整體性，除了上面說過的，要在結(jié)構(gòu)設(shè)計時準(zhǔn)確地確定結(jié)構(gòu)設(shè)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。可是在我國現(xiàn)行有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)范中，對于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同荷載作用下的強(qiáng)度要求提得較多，當(dāng)然，這也是重要的基本要求，但是對在惡劣環(huán)境因素作用下結(jié)構(gòu)的耐久性卻考慮較少。 4 結(jié)束語 為了確保設(shè)計出來的各種建筑使用安全，首先應(yīng)保證組成建筑的結(jié)構(gòu)體系和體系中的每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的堅固性和耐久性，具體來說就是建筑中的主要承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和耐久性。而承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件大致有垂直構(gòu)件（如樁、墻、柱等）和水平構(gòu)件（如梁、桁架、網(wǎng)架、板、薄殼等）兩大類。因此，對結(jié)構(gòu)工程師來說，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先應(yīng)根據(jù)擬建建筑的使用功能，通過多方案比選，優(yōu)選出科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)方案來，然后再對每個結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)構(gòu)件作具體的結(jié)構(gòu)分析和內(nèi)力計算；與此同時，還應(yīng)仔細(xì)研究和分析各構(gòu)件之間的連接方式和構(gòu)造措施。當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還必須采用結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)對每個構(gòu)件進(jìn)行承載力和耐久性驗(yàn)算，以確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件