浅谈建筑结构设计中的安全度设计

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摘要：本文介绍了结构设计安全度的概念及表示方法，分析了建筑结构设计中的安全度设计方法，供大家参考借鉴。

关键词：建筑结构设计；安全度设计

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 your reference.

Key words: building structural design; safety degree design

中图分类号：TU7文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

为了尽快解决外部恶劣环境对混凝土结构耐久性的严重危害，确保建筑工程和道桥、港口等基础设施的混凝土结构安全使用寿命，中国工程院土木、水利与建筑工程学部于 2000 年提出了一个名为“工程结构安全性、耐久性研究”的研究课题，组织国内知名专家，对国内土木、水利和建筑工程等混凝土结构的安全性、耐久性进行了深入分析和探讨，并着手编写了混凝土结构耐久性设计与施工指导性文件，经过近 8 年的试用、修订和不断完善，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 月起开始实施。 混凝土结构耐久性设计规范的颁布实施，将与现行《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，成为我国建筑工程、道路桥梁、水利、港口等混凝土结构工程耐久性设计的重要法规，为上述各类建筑工程在设计使用年限内的安全使用提供可靠保证。结构工程师进行建筑结构设计时，除了按使用功能对结构构件进行结构分析和内力计算外，还必须按规范规定的安全系数对每个构件进行承载力和耐久性验算，以确保建筑结构的安全使用。

1 结构设计安全度的概念

众所周知，建筑结构设计的最终目标是实现建筑物在正常使用条件下的“三性”，即安全性、适用性和耐久性。

1.1 结构安全性：在正常使用条件下能够承受可能出现的各种外荷载作用，比如：结构自重、机械设备、家具、人流以及风、雪、气温变化等；在特殊情况下仍能保持建筑物整体稳定，不倾斜、不倒塌，比如：遭遇火灾、飓风、暴雨、地震等。

1.2 结构适用性：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系统和各构件的使用功能。

1.3 结构耐久性： 在正常使用和维护情况下具有足够长的安全使用寿命（即设计使用年限）。

综上所述可知，结构安全性、适用性和耐久性是衡量建筑结构是否安全可靠和经久耐用的最基本标志，统称为建筑结构安全性；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结构设计安全度。 不同的结构设计方法有不同的结构设计安全度表示方法。

2 结构安全度的表示方法

自从上个世纪 50 年代以来，我国建筑结构设计方法经历了以下四个阶段，即容许应力设计阶段、破坏状态设计阶段、极限状态设计阶段和概率极限状态设计阶段；在建筑结构设计规范中，则分别用安全系数、分项系数和可靠性指标来表示容许应力法、破坏阶段法、概率极限状态法的安全度。 其实，建筑结构安全度还与其他一些因素有关，比如：荷载标准与材料强度标准值、构造规定、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）理论是结构工程师分析建筑结构安全性的一种基础理论。 我国早在 20 世纪 50 年代末就已颁布、实施了建筑结构设计的统一标准，要求在做结构设计时必须按可靠度理论进行设计；可靠度理论用失效概率来度量建筑结构的可靠性，通过把结构自身的抗力与外荷载的作用效应隔离，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。

3 准确确定结构设计安全度

从广义上来说，建筑结构设计安全度的高低，可以认为是某个国家或地区在某个历史阶段，经济发展水平、资源状况和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等的综合反映，需要以统计学和概率论理论为基础，参照成功的经验数据，经综合考虑后才能确定。但在现实生活中，结构设计往往更多地依靠结构选型、当时的设计和施工技术水平、建筑材料质量优劣状况和结构工程师的实践经验等进行综合考虑，较少去考虑建设地点的经济发展水平和资源状况，因此，在结构设计中常常会出现安全系数偏高、建筑总造价也随之升高的现象，导致某些经济欠发达地区，特别是边疆及偏远山区的财力难以承受，普通老百姓的住房问题始终难以解决。

从全国来看，目前我国建筑施工技术平均水平还不高，各地所用建筑材料质量也参差不齐，加上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规定的结构设计安全度虽然有些偏高，但还能适应实际工程需要。随着国家经济实力的增强、建筑科技的不断提高、新材料新工艺的不断涌现和推广应用、大跨度大空间结构越来越多，我们还应该将现行结构设计规范规定的安全度再适当提高一些，以确保建筑工程“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，原因是结构计算时所采用的荷载标准值普遍比国外的要低，构件之间的构造要求又比国外的构造要求低很多。因此，我们按现行混凝土结构设计规范规定的结构安全度设计出来的结构构件，还是偏于不安全的。

4 关于建筑结构耐久性

从建国以来无数混凝土工程质量事故的调查报告表明，影响混凝土结构耐久性的因素虽然很多，但大致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强度等级、水灰比、水泥用量、骨料中的碱含量和外加剂用量以及受力钢筋的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，比如地（水）上和地（水）下环境（包括温差、湿度、冻融情况、SO2和 CO2含量、腐蚀性化学介质、含酸碱的地下水等），其中，尤其是混凝土碳化、碱骨料反应和钢筋锈蚀这三种情况，对建筑结构耐久性的影响最为严重，而外部的恶劣环境正是造成混凝土碳化和钢筋锈蚀，从而导致建筑结构垮塌的主要因素，必须引起我们高度关注。

要想确保建筑结构在其安全使用周期内，既具有足够的承载力，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（比如临海湿风、沙尘暴、昼夜大温差等大气侵蚀，以及土或水中有害化学物质对其基础和主体结构的腐蚀等）作用下仍能继续保持其强度和整体性，除了上面说过的，要在结构设计时准确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。可是在我国现行有关混凝土结构设计规范和施工规范中，对于建筑结构构件在不同荷载作用下的强度要求提得较多，当然，这也是重要的基本要求，但是对在恶劣环境因素作用下结构的耐久性却考虑较少。

4 结束语

为了确保设计出来的各种建筑使用安全，首先应保证组成建筑的结构体系和体系中的每个结构构件的坚固性和耐久性，具体来说就是建筑中的主要承重结构构件均应有足够的强度和耐久性。而承重结构构件大致有垂直构件（如桩、墙、柱等）和水平构件（如梁、桁架、网架、板、薄壳等）两大类。因此，对结构工程师来说，在进行建筑结构设计时，首先应根据拟建建筑的使用功能，通过多方案比选，优选出科学、合理的结构方案来，然后再对每个结构体系和结构构件作具体的结构分析和内力计算；与此同时，还应仔细研究和分析各构件之间的连接方式和构造措施。当然，在结构设计过程中还必须采用结构设计规范规定的安全系数对每个构件进行承载力和耐久性验算，以确保结构构件和整体结构的安全使用。

参考文献：

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