土建结构工程的安全性和耐久性
土建结构工程的安全性和耐久性 由中国工程院土木水利建筑学部发起,并会同国家安全生产监督管理局、 国家工业建筑诊断与改造工程技术中心、国家自然科学基金委员会工程与材料学 部共同主办,清华大学结构工程与振动教育部重点实验室承办的“土建结构工程 的安全性与耐久性”科技论坛,于2001年11月17~18日在清华大学举行。论坛的宗 旨是:分析我国土建结构工程的安全性与耐久性现状,交流近年来这一领域的研究 成果,探讨亟待解决的重大问题与应对途径,并积极提出建议为政府有关部门制定 或修订相关的技术政策或技术标准提供参考依据,以期土建工程结构的安全性与 耐久性能够更好地适应我国现代化建设的需求,适应我国经济转型后面向市场经 济的需求。会议收到论文报告58篇并印发了文集,有140人参加会议,在第一天的大会 和第二天的分组会上分别有17位和26位专家作了报告,另外还安排了半天时间进 行自由发言和讨论。会议气氛热烈,取得了预期的效果,不同观点之间也进行了较 为充分的交流。
鉴于这一会议的论坛性质,以下仅就会上提出的一些问题及建议作一归纳, 提交与会专家考虑并审议。
一、土建结构工程的安全性 结构安全性是结构防止破坏倒塌的能力,是结构工程最重要的质量指标。
结构工程的安全性主要决定于结构的设计与施工水准,也与结构的正确使用(维护、 检测)有关,而这些又与土建工程法规和技术标准(规范、规程、条例等)的合理设 置及运用相关联。
1.我国结构设计规范的安全设置水准 对结构工程的设计来说,结构的安全性主要体现在结构构件承载能力的安 全性、结构的整体牢固性与结构的耐久性等几个方面。我国建筑物和桥梁等土建 结构的设计规范在这些方面的安全设置水准,总体上要比国外同类规范低得多。
1.1构件承载能力的安全设置水准 与结构构件安全水准关系最大的二个因素是:1)规范规定结构需要承受多 大的荷载(荷载标准值),比如同样是办公楼,我国规范自1959年以来均规定楼板承受的活荷载是每平方米150公斤(现已确定在新的规范里将改回到200公斤),而美、 英则为240和250公斤;2) 规范规定的荷载分项系数与材料强度分项系数的大小, 前者是计算确定荷载对结构构件的作用时,将荷载标准值加以放大的一个系数,后 者是计算确定结构构件固有的承载能力时,将构件材料的强度标准值加以缩小的 一个系数。这些用量值表示的系数体现了结构构件在给定标准荷载作用下的安全 度,在安全系数设计方法(如我国的公路桥涵结构设计规范)中称为安全系数,体现 了安全储备的需要;而在可靠度设计方法(如我国的建筑结构设计规范)中称为分 项系数,体现了一定的名义失效概率或可靠指标。安全系数或分项系数越大,表明 安全度越高。我国建筑结构设计规范规定活荷载与恒载(如结构自重)的分项系数 分别为1.4和1.2,而美国则分别为1.7和1.4,英国1.6和 1.4 ;这样根据我国规范设计 办公楼时,所依据的楼层设计荷载(荷载标准值与荷载分项系数的乘积)值大约只 有英美的52%(考虑人员和设施等活载)和85%(对结构自重等恒载),而设计时据以 确定构件能够承受荷载的能力(与材料强度分项系数有关)却要比英美规范高出 的10~15%,二者都使构件承载力的安全水准下降。日本与德国的设计规范在某些 方面比英美还要保守些。一些发展中国家的结构设计多根据发达国家的规范,就 如我国解放前和建国初期的结构设计方法参照美国规范一样。至于中国的香港和 台湾,至今仍分别以英国和参考美国规范为依据。这里需要说明的是,在其他建筑 物的活荷载标准值上,与国外的差别并没有象办公楼 公路桥梁结构的情况也与房屋建筑结构类似,除车载标准外,荷载分项安全 系数(我国规范对车载取1.4,比国际着名的美国AASHTO规范的1.75约低25%)与 材料强度分项安全系数均规定较低。
尽管我国设计规范所设定的安全贮备较低,但是某些工程的材料用量反而 有高于国外同类工程的,这里的问题主要在于设计墨守陈规,在结构方案、材料选 用、分析计算、结构构造上缺乏创新。
1.2 结构的整体牢固性 除了结构构件要有足够承载能力外,结构物还要有整体牢固性。结构的整 体牢固性是结构出现某处的局部破坏不至于导致大范围连续破坏倒塌的能力,或 者说是结构不应出现与其原因不相称的破坏后果。结构的整体牢固性主要依靠结 构能有良好的延性和必要的冗余度,用来对付地震、爆炸等灾害荷载或因人为差 错导致的灾难后果,可以减轻灾害损失。唐山地震造成的巨大伤亡与当地房屋结 构缺乏整体牢固性有很大关系。2001年石家庄发生故意破坏的恶性爆炸事件,一 栋住宅楼因土炸药爆炸造成的墙体局部破坏,竟导致整栋楼的连续倒塌,也是房屋设计牢固性不足的表现。
1.3 结构的耐久安全性 我国土建结构的设计与施工规范,重点放在各种荷载作用下的结构强度要 求,而对环境因素作用(如干湿、冻融等大气侵蚀以及工程周围水、土中有害化学 介质侵蚀)下的耐久性要求则相对考虑较少。混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐 蚀导致的结构安全事故,其严重程度已远过于因结构构件承载力安全水准设置偏 低所带来的危害,所以这个问题必须引起格外重视。