论土建结构工程的安全性和耐久性
论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 菀 匀范ü辜芄怀惺芎稍氐哪芰Γㄓ氩牧锨慷确窒钕凳泄兀┤匆扔⒚拦娣陡叱龅 0~15%,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 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。我国规范规定的与耐久性有 关的一些要求,如保护钢筋免遭锈蚀的混凝土保护层最小厚度和混凝土的最低强 度等级,都显着低于国外规范。损害结构承载力的安全性只是耐久性不足的后果 之一;提高结构构件承载能力的安全设置水准,在一些情况下也有利于结构的耐久 性与结构使用寿命。
2.调整结构安全设置水准的不同见解 我国结构设计规范的安全设置水准较低,与我国建国后长期处于短缺经济 和计划体制的历史条件有关。但是,能够对土建结构取用较低的安全水准并基本 满足了当时的生产与生活需求,而且业已历经了较长时间的考验,这是国内土建科 技人员经过巨大努力所取得的重大成就;但是,由于安全储备较低,抵御意外作用 的能力相对不足。如果适当提高安全设置水准将有利于减少事故的发生频率和提 高工程抗御灾害的能力。国内发生的大量工程安全事故,主要是由于管理上的腐 败和不善以及严重的人为错误所致。现在提出要重新审视结构的安全设置水准, 主要是基于客观形势的变化,是由于我们现在从事的基础设施建设要为今后的现 代化奠定基础,要满足今后几十年、上百年内人们生产生活水平发展的需要,有些 土建结构如商品房屋则更要满足市场经济条件下具备商品属性的需要。国内近几 年来已对建筑结构安全度的设置水准组织过几次讨论,在如何调整的问题上存在 较大的意见分歧,这次科技论坛上同样反映了这些不同的见解: 1)认为我国现行规范的安全设置水准是足够的,并已为长期实践所证明,而 国外就没有这种经验。我国取得的这一成功经验决不能轻易丢掉,在安全度上不 能跟着英美的高标准走;安全度高了是浪费,除个别需调整外,总体上不必变动。
认为我国规范的安全度设置水准尽管不高,但在全面遵守标准规范有关规 定,即在正常设计、正常施工和正常使用的“三正常”条件下,据此建成的上百亿平 米的建筑物绝大多数至今仍在安全使用,表明这些规范规定的水准仍然适用;但是理想的“三正常”很难做到,同时为了缩小与先进国际标准的差距以 3)认为我国规范的安全设置水准应该大体与国际水准接近,需要大幅度提 高。这是由于随着我国经济发展和生活水平不断提高,土建工程特别是重大基础 设施工程出现事故所造成的风险损失后果将愈益严重,而为了提高工程安全程度 所需要的经费投入在整个工程(特别是建筑工程)造价中所占的比重现在已愈来 愈低,材料供应也十分充裕。过去的低安全水准只是适应了以往短缺型计划经济 年代的需要,但决不是没有风险,如果规范的安全水准较高,曾经发生过的有些安 全事故本来是可以避免的,而规范的这一缺陷在一定程度上为“三正常”的提法所 掩盖。在建的工程要为将来的现代化社会服务,安全性上一定要有高标准。低的 安全质量标准在参与将来的国际竞争中也难以被承认,即使结构设计的安全设置 水准能够提高到与发达国家一样,由于我们的施工质量总体较差,结构的安全性依 然会有差距。
3、结构设计规范的概率可靠度设计方法 自1984年国家建委和国家建设部颁布了建筑结构设计统一标准以来,我国 的建筑结构设计规范已从80年代末期起抛弃了传统的多安全系数设计方法,从而 统一采用以概率理论为基础的可靠度设计方法;其它的工程部门如公路、铁路、 港口、水利的结构设计规范也正在或计划作这样的转变。我国规范的可靠度设计 方法是参考国际上的相应标准ISO2394并经过国内科技人员努力后得以实施的。
将可靠度设计方法用于结构设计规范,在国际学术界内通常被看成是一种发展趋 势,但在工程内界则存在不同看法。尽管有了ISO2394,国外却鲜有重要或着名的结 构设计规范已直接采用了可靠度设计方法,至今仍采用多安全系数设计方法或称 荷载抗力系数法。在我国,对于建筑结构设计规范中的可靠度设计方法以及企图 将我国各个行业的各种结构设计规范都用可靠度方法统一起来的做法,虽然工程 设计界颇有微词,但学术界持赞成和肯定者是主流,不过仍不时有人对可靠度方法 用于设计规范的适用性提出质疑。这次科技论坛上则较为集中地反映了对规范可 靠度方法的意见分歧。
对我国规范的可靠度设计方法持肯定意见的专家认为这是重大的科技进 步,可靠度方法对安全度的概率定义要比定值的安全系数更清晰、更科学、更合 理,当然概率可靠度设计方法本身尚有不少缺陷,有待进一步修改完善。持相反意 见的人则认为,结构设计规范所面向的是类型多样的复杂群体,在安全度上需要考 虑的不确定性与不确知性非常复杂,并不是“从统计数学观点出发的概率定义”所 能科学描述或处理;规范可靠度方法在我国十多年的实践表明,它并没有给结构设计的安全性带来明显实效,反而造成了安全概念上的某些混乱;对工程技术人员来 说,结构的安全度用可靠指标和虚假的失效概率表达后变得更加不可揣摩和模糊 不清,不如安全系数那样从安全储备出发的度量方法更为直观和便于处理具体工 程的安全问题;现行设计规范中的可靠度方法很不成熟,存在不少根本缺陷;他们 认为半概率的多安全系数方法更适用于规范,也不排斥可靠度分析的结果可以作 为一种参考,在综合判断安全系数的合理取值时予以考虑。
二、土建结构工程的耐久性 土建结构工程的耐久性与工程的使用寿命相联系,是使用期内结构保持正 常功能的能力,这一正常功能包括结构的安全性和结构的适用性,而且更多地体现 在适用性上。
1、土建结构工程的耐久性现状 大多数土建结构由混凝土建造。混凝土结构的耐久性是当前困扰土建基础 设施工程的世界性问题,并非我国所特有,但是至今尚未引起我国政府主管部门和 广大设计与施工部门的足够重视。
长期以来,人们一直以为混凝土应是非常耐久的材料。直到70年代末期,发 达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许 多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至 我国建设部于80年代的一项调查表明,国内大多数工业建筑物在使用 25~30年后即需大修,处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15~20年。民用建筑和 公共建筑的使用环境相对较好,一般可维持50年以上,但室外的阳台、雨罩等露天 构件的使用寿命通常仅有30~40年。桥梁、港工等基础设施工程的耐久性问题更 为严重,由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差,许多工程建成后几年就出现钢 筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用十年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落, 需要大修。京津地区的城市立交桥由于冬天洒除冰盐及冰冻作用,使用十几年后 就出现问题,有的不得不限载、大修或拆除。盐冻也对混凝土路面造成伤害,东北 地区一条高等级公路只经过一个冬天就大面积剥蚀。我国铁路隧道用低强度的 C15混凝土作衬砌材料,密实度和抗渗性差,不耐地下水与机车废气侵蚀,开裂与渗 漏严重;对几个路局所辖的隧道进行抽样调查表明,漏水的占50.4%,其中1/3渗漏 严重,并导致钢轨等配件锈蚀以及电力牵引地段漏电,影响正常运行,而1999年颁 布的铁路隧道设计规范仍未能对隧道的耐久性问题采取适当的对策,如适当提高混凝土的最低强度等级和在混凝土中掺入化学纤维等。
耐久性问题的严重性和迫切性在于我们许多正在建设的工程仍未吸取国 际和国内的大量惨痛教训,还沿着老路重蹈覆辙。一些北方城市新建成的立交桥 和高速公路桥,仍没有在材料性能和结构构造等方面采取必要的防治冻融和盐害 的综合措施。甚至大型工程如2000年投入运行的珠海莲花跨海大桥,其主体结构 在浪溅区仍采用不耐海水干湿交替侵蚀的C30混凝土与3~4cm厚的保护层厚度。
有专家估计,我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20年,由于忽视 耐久性,迎接我们的还会有“大修”20年的高潮,这个高潮可能不用很久就将到来, 其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。
使混凝土结构的耐久性问题进一步加剧的原因有: 1) 由于混凝土的质量检验习惯上以单一的强度指标作为衡量标准,导致水 泥工业对水泥强度的不适当追求,使水泥细度增加,早强的矿物成份比例提高,这 些都不利于混凝土的耐久性。我国对水泥质量的检验在强度上只要求不低于规定 的最低许可值,而国外则同时还要求不高于规定的最高值,如果强度超过了也被认 为不合格,这种要求还有利于水泥产品质量的均匀性。
2) 工程施工单位不适当地加快施工进度,尤其是政府行政领导对工程进度 的不适当干预。混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证,早 产有损生命健康的概念同样适用于混凝土。国内媒体上大加宣传的所谓几个月就 修成一条大路、建成一座大桥、或盖成一幢高楼的工程以及抢工献礼工程,很可 能就是今后注定要花掉更多资金进行大修的短命工程。提前完成合同规定施工期 的在国外要被罚款,因为意味着工程质量有遭到损害的可能。
3) 环境的不断恶化,如废气、酸雨,我国的酸雨面积已超过国土的30% 。
当前迫切需要进行的工作是尽快编制桥梁、隧道、港工等基础设施工程耐 久性设 在修订规范的耐久性要求上,交通部于2001年颁布的港工混凝土结构防腐 蚀技术规范已为其它土建工程行业起到较好的示范作用。我们一方面要参照国内 外已有的资料和经验,尽快编写出相应的设计施工技术文件以应急需,另一方面则 要安排系统的研究项目,加大耐久性研究工作的支持力度;混凝土结构的耐久性是 当前国际上结构工程学科最为重要的前沿研究领域之一,而我国在这一方面相当落后。混凝土的耐久性研究离不开原材料和环境等特定条件,需要考虑本国的特 点,是不能完全依赖国外研究成果的。
重视混凝土结构的耐久性也是可持续发展的需要。生产混凝土所需的水泥、 砂、石等原材料均需大量消耗国土资源并破坏植被与河床,水泥生产排放的二氧 化碳已占人类活动排放总量的1/5~1/6,而我国排放的二氧化碳量已居世界第二。
我国现在每年生产5亿多吨水泥,与之相伴的是年耗20多亿方的砂石,长此以往实 难以为继。延长结构使用寿命意味着节约材料,而耐久的混凝土一般又应是水泥 用量较低和矿物掺合料(工业废料)用量较高的混凝土,所以耐久的混凝土正适应 环境保护的需要。国际上对桥梁、隧道等土木工程的设计工作寿命多为100年, 有的如英国为120年。考虑到耐久性不足所造成的巨大经济损失和资源浪费,国际 上近年来有要求将这些工程的最低工作寿命进一步延长的趋势,如提出城市环境 中的桥梁至少应有150年。
2.土建结构工程使用阶段的正常检测与维护 结构耐久性和使用寿命的概念,与使用阶段的检测、维护和修理不能分割, 对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程来说尤其如此。为了保证结构安全性和 耐久性,一些工程在建成后的使用过程中,应该进行定期检测和维护。我国有结构 工程的设计规范与施工规范,但没有如何使用的规范。有些工程倒塌事故,例如最 近四川宜宾的南门大桥发生桥面坍落事故,就是因为桥面结构与主拱之间的吊杆 在连接处发生锈蚀,如果有定期的检测要求,这样的事故很有可能避免。有些国家 对于结构的损坏可能导致公众安全的建筑物与桥、隧等公共工程,强制规定必须 定期检测;即使是建筑物的玻璃幕墙和外墙面砖等建筑部件,因其坠落后容易伤及 公众,也有强制定期检测的要求。我国由于施工管理水平和事故操作人员的素质 相对较差,质量控制与质量保证制度不够健全,规范对结构安全与耐久性的设置水 准又相对较低,已建的工程中往往存在较多隐患,所以更有必要从法制上确定土建 工程的正常使用和定期检测的要求。对于土建结构工程的安全质量,虽然政府已 作出了设计与施工的责任单位和个人需对其“终身负责”的规定,但是这种要求执 行起来缺乏可操作性。要将结构安全质量事故减少到最低程度,还应以预防为主, 通过例行检测及时发现问题。
现在国内有大量土建工程因步入老化期需要诊治,也有大量已建的违章工 程需要评估,更有许多工程发生病害需要诊断和加固,各地已涌现了不少从事土建 工程诊断、治理与加固的队伍,并有蓬勃发展成为一种新兴行业的趋势。出现问 题和病害以后再来治理固然重要,但是我们应该更加强调预防。对于在役土建工程的检测和评估,要建立相应的法规和标准,要有从业人员的注册和从业机构的资 质认证制度,在管理体制上予以规范。
从国家对公共工程建设的投资和对工程设计的要求来看,需要有工程整个 使用期限即全寿命费用支出的论证。只注意工程项目建设的一次投资支出,很少 考虑工程建成后需要正常维护与修理的长期费用,不但可能损害工程使用寿命和 正常使用功能,而且经济上算总账会很不合算。在发达国家,由于新建工程少,用于 维 为加速路桥等公共工程建设,国家现在鼓励投资公司出资并给以一定期限 如30年的经营收入作为补偿。如果对重要土建工程有必须进行定期检测与评估的 法规,就能保证这些工程在一定期限后归还国家管理和经营时的良好功能,对于设 计工作寿命为100年的桥梁,至少还可正常使用70年,而不至于30年到期后国家接 收的已是一个破旧的工程。
三、技术规范的作用与管理 这次科技论坛对于土建结构工程技术规范的定位、作用与管理也进行了讨 论并提出了一些看法。
长期以来,受计划经济体制的影响,我们往往视技术规范为法,将规范的具 体规定和要求等同于法律条文来对待。技术规范或规程,与各种技术条例、技术 要求、工法、指南等技术文件一样都是技术标准,本身不具有法律作用,只当工程 各方(业主、设计、施工企业)认同作为设计与施工的依据并在契约的基础上,才能 作为法律仲裁的依据。将技术问题法制化并强制执行,不利于技术进步和创造性 的发挥,反而容易成为推卸责任的借口。当然,政府部门从国家和公众的整体利益 出发,需要在安全、环保等重大原则上对土建工程的设计施工提出必须满足的最 低要求并制定相应的法规,但法规一般并不需要提供如何达到这些要求的具体技 术途径和方法,后者是技术标准的任务。政府也可以原则认可或批准某些重要的 技术规范或其中某些内容使用。
土建工程有着强烈的个性,需要工程技术人员针对具体特点去解决设计与 施工问题。所以规范作为技术标准宜强调其指导性而不是强制性。如果规范条文 看作为一般意义上的法律条文,就有可能束缚设计施工人员的主动创造性并阻碍 新技术的应用。。我国土建工程在结构设计上与国外相比的最大差距就在于方案 与技术上的创新,这与以往过分强调规范的法律地位从而形成所谓“结构设计就是规范加计算”的倾向不无关联。我国的技术规范在编写风格上也有模仿法律的 倾向,极少提及使用者需要注意规范可能存在的某些不足之处或允许并鼓励使用 者在某些问题上可以另辟蹊径。如果在设计施工中要取代规范中已经落后过时甚 至有害的技术规定,则无异于违法行为。相反,只要墨守规范,即使出了事故,就可不 负法律责任。这样就在客观上降低了对工程技术人员的业务技能要求与职责要求, 不利于提高我国建筑企业和从业人员的素质以及参与今后的国际竞争。为了消除 这些负面影响并杜绝钻规范条文的空子进行偷工减料,应有必要建立这样的共识 并作出规定,即遵守了规范条文并不意味着就可免除法律责任。国外有些规范就 是这样规定的。
企图不断加强技术规范的强制性来解决屡禁不止的工程事故,不是解决问 题的有效途径。现在,有关主管部门将建筑结构设计规范中的部分条文抽出来,明 确列为强制性条文,同时规定各个设计单位完成的设计,须通过有关部门或其授权 委任的其他企事业设计单位的审查,而审查的主要内容就在于对照规范强制性条 文的要求,其任务已类似于执法;这种做法是否明智似可商榷。我国土建工程事故 频繁的原因,主要在于管理不善,特别是管理环节上的腐败;其次是施工操作人员 素质低,又难以短期解决;过分强调规范的地位与作用,未能建立与规范配套的完 整标准体系,比如缺乏指南、工法等更为详尽具体的技术文件,可以用来指导和规 范设计与施工的各个具体环节,也有一定的关系。从设计角度看,出现事故主要不 是由于没有按照规范强制性条文的规定,而是方案性的错误或忽略主要的设计条 件;也有一些工程则因过去的设计标准过低,耐久性不足,在使用过程中又缺乏应 有的例行检测而导致失效。其实,要做到设计规范强制条文的要求最为容易,为此 请专业人士审查似无必要。重要的工程设计应规定请专业单位全面审核,其要点 也应在结构方案、构造方法与计算分析的原则上。从结构设计的国家规范中抽出 的强制性条文不免支离破碎, 建议政府有关部门在桥、隧、道路等土建基础设施工程投资上,根据需要, 加大工程维修费的比例。
3、完善技术标准体系与管理体制,发挥学会、协会在技术标准编制、修订 和管理中的作用;逐步淡化技术规范条文的强制性质;鼓励编制地方性规范(标准) 和企业标准,适应不同地区在环境地质和经济、技术水平上的差异,并鼓励科技创 新和技术进步。