试论建筑结构设计安全度与结构构件耐久性

贺川江

【摘 要】结构工程师在做结构设计时，首先要根据建筑的基本功能，通过多方案比选，优选出经济、合理的结构方案，其次要对结构构件及其体系作结构分析和内力计算以及考虑各构件间的连接方式和构造措施，同时还应按设计规范规定的可靠度理论确定其安全度，才能确保该结构的整体安全使用。

【关键词】结构设计；坚固性和耐久性；安全系数；耐久性设计

要想保证我们设计和建造的建筑物安全，首先要保证组成建筑物的结构构件的坚固性和耐久性，也就是建筑物中的主要承重结构构件的坚固和耐久性，而承重结构构件主要有垂直构件（如桩、柱、墙等）和水平构件（如梁、桁架、网架等）两类。因此，对从事建筑结构设计工作的结构工程师来说，在做结构设计时，首先要根据建筑物的基本功能，通过多种方案比选，优选出经济、合理的结构方案，其次才是对每个结构构件以及结构体系作结构分析和内力计算，同时，还要准确分析、认真考虑各构件之间的连接方式和构造措施。在这个过程中，还必须采用结构设计规范规定的可靠度理论确定其安全系数，才能确保结构构件和整体建筑的安全使用。

1 何谓建筑结构设计安全度

众所周知，建筑结构设计的最终目标是实现“三性”：（1）安全性。在正常使用条件下能承受可能出现的各种外荷载作用（如：自重、机械设备、家具、人流以及风雪、气温变化等）；在特殊情况下（如：地震、火灾、飓风等）仍能保持建筑物整体稳定、不倒塌。（2）适用性：在正常使用情况下具有良好的工作性能，即能正常发挥建筑物各分部的使用功能。（3）耐久性：在正常使用和维护条件下具有足够长的安全使用寿命（设计使用年限）。

上述安全性、适用性、耐久性综合起来，就是衡量建筑结构是否安全可靠的基本标志，称为建筑结构的安全性。在建筑结构设计中用来度量结构安全性、适用性和耐久性的指标就叫安全度。

2 不同的历史时期有不同的设计理论和设计方法，而不同的设计方法有不同的安全度表示法

20世纪50年代以来，我国建筑结构设计方法历经容许应力设计法、破坏阶段设计法、极限状态设计法和概率极限状态设计法四个阶段；在结构设计规范中，则分别以安全系数、分项系数和可靠性指标来表示容许应力设计法、破坏阶段设计法、极限状态设计法和概率极限状态设计法的安全度。其实，建筑结构安全度（又叫可靠度）还与其它一些因素有关，例如：结构的构造规定、荷载标准值与材料强度标准值、结构内力分析的精确度和构件承载力计算公式等。

建筑结构可靠度（安全度）理论是分析建筑结构安全性的一种有效手段。我国早已颁布、实施了建筑结构设计统一标准，要求结构设计时，按可靠度理论进行设计。可靠度理论用失效概率来度量结构的可靠性，通过将结构自身的抗力和外荷载的作用效应相互独立，将随机过程化成随机变量，并以经验数据作为校准点，成功地将这一理论应用到建筑结构设计规范中。但由于这一理论尚不完善，在具体设计时还应结合工程实际，灵活应用。

3 结构工程师应恰当地确定结构设计安全度

从某种意义上讲，建筑结构设计安全度的高低，应当是某个历史阶段国家或地区经济和资源状况、财富积累多寡以及设计和施工技术水平高低、所用建筑材料质量优劣的综合反映，需要以概率论和统计学理论为基础，参照成功的经验数据，经综合考虑后才能确定。但在实际结构设计中往往更多地依靠结构选型、结构工程师的实践经验、当时的施工技术水平、建筑材料质量优劣状况等进行综合考虑，很少去考虑建设地点的经济发展水平和资源状况，因此，常会出现安全系数偏高从而导致建筑物造价偏高，使某些经济欠发达地区财力难以承受的现象。从全国来看，由于我国目前施工技术平均水平还不高，建筑材料质量参差不齐，各地区经济发展程度相差较大，现行混凝土结构设计规范中所确定的结构安全度虽稍偏高些，但尚能适应实际工程需要。随着国家经济实力的增强、施工技术的不断提高、新材料新工艺的推广应用、大跨度大空间结构越来越多，还可以将现行结构设计安全度适当提高一些，以确保“百年大计，质量第一”。因为，与国际上通行的工程结构质量标准相比，我国混凝土结构设计规范中规定的结构安全度还是相对偏低的，原因是结构计算时所采用的荷载标准值比国外的低，而材料强度标准值却比国外的高，再加上对结构构件之间的构造要求又比国外的构造要求低很多，所以，按现行混凝土结构设计规范中规定的结构安全度设计的结构构件，还是偏于不安全的。

4 关于结构构件的耐久性问题

要确保所建造的建筑物在其安全使用周期内既有足够的强度，能经受住各种外来荷载作用而不出现裂缝、不倾斜、不倒塌，又能充分发挥其应有的使用功能，还能在恶劣环境因素（如滨海湿风、沙尘暴、昼夜大温差等大气侵蚀及土或水中有害化学物质对基础的腐蚀等）作用下仍能继续保持其强度和整体性，除了上面所说的，在结构设计时要恰到好处地确定结构设计安全度外，更为重要的是要让建筑结构具有较高的耐久性。我国现行关于混凝土结构设计和施工规范中，对于结构构件在各种荷载作用下的强度要求提得较多，当然也是首先应保证的基本要求；但对在恶劣环境因素作用下的结构耐久性却考虑较少。

无数工程质量事故的调研报告表明，影响混凝土结构构件耐久性的因素很多，可以分为内部因素和外部因素两个方面。内部因素就是混凝土的水胶比（水灰比）、水泥用量、混凝土的强度等级、氯离子含量、骨料中的碱含量和外加剂用量及混凝土保护层厚度等；外部因素就是混凝土结构构件所处的外部环境，包括地（水）上和地（水）下环境，如温差、冻融、湿度、SO2和CO2含量、腐蚀性化学介质、含酸碱地下水等。其中尤以混凝土碳化、碱骨料反应和钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性的影响最为严重，而外部恶劣环境正是影响混凝土碳化和钢筋锈蚀的主要因素，必须引起我们特别关注。

考虑到结构耐久性对建筑工程和港口、桥梁等基础设施工程使用寿命的重要影响，中国工程院土木、水利与建筑工程学部于2000年提出了名为“工程结构安全性与耐久性研究”的研究课题，组织国内相关专家，对国内土木、水利和建筑工程等结构的安全性、耐久性进行了认真探讨，并着手编写了混凝土结构耐久性设计与施工指导性文件，经过几年的试用、修订和完善，最终定稿为《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476—2008），并于2009年5月起实施，与现行的《混凝土结构设计规范》、《工业建筑防腐蚀设计规范》和《港口工程技术规范》等一起，成为我国港口、桥梁、水利和建筑工程等混凝土结构工程耐久性设计的重要依据，为上述各类结构工程在设计工作年限内的安全使用提供了可靠保证。

[责任编辑：汤静]