土木工程的安全性和耐久性

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由中國(guó)工程院土木水利建筑學(xué)部發(fā)起，并會(huì)同國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局、國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)中心、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料學(xué)部共同主辦，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與振動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承辦的“土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性”科技論壇，于2001年11月17~18日在清華大學(xué)舉行。論壇的宗旨是：分析我國(guó)土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性現(xiàn)狀，交流近年來(lái)這一領(lǐng)域的研究成果，探討亟待解決的重大問(wèn)題與應(yīng)對(duì)途徑，并積極提出建議為政府有關(guān)部門制定或修訂相關(guān)的技術(shù)政策或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)，以期土建工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性能夠更好地適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的需求，適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型后面向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需求。
會(huì)議收到論文報(bào)告58篇并印發(fā)了文集，有140人參加會(huì)議，在第一天的大會(huì)和第二天的分組會(huì)上分別有17位和26位專家作了報(bào)告，另外還安排了半天時(shí)間進(jìn)行自由發(fā)言和討論。會(huì)議氣氛熱烈，取得了預(yù)期的效果，不同觀點(diǎn)之間也進(jìn)行了較為充分的交流。
 鑒于這一會(huì)議的論壇性質(zhì)，以下僅就會(huì)上提出的一些問(wèn)題及建議作一歸納，提交與會(huì)專家考慮并審議。
 
一、土建結(jié)構(gòu)工程的安全性
 結(jié)構(gòu)安全性是結(jié)構(gòu)防止破壞倒塌的能力，是結(jié)構(gòu)工程最重要的質(zhì)量指標(biāo)。結(jié)構(gòu)工程的安全性主要決定于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工水準(zhǔn)，也與結(jié)構(gòu)的正確使用（維護(hù)、檢測(cè)）有關(guān)，而這些又與土建工程法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范、規(guī)程、條例等）的合理設(shè)置及運(yùn)用相關(guān)聯(lián)。
 
1．我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的安全設(shè)置水準(zhǔn)
 對(duì)結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的安全性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的安全性、結(jié)構(gòu)的整體牢固性與結(jié)構(gòu)的耐久性等幾個(gè)方面。我國(guó)建筑物和橋梁等土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范在這些方面的安全設(shè)置水準(zhǔn)，總體上要比國(guó)外同類規(guī)范低得多。
 
1.1構(gòu)件承載能力的安全設(shè)置水準(zhǔn)
與結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全水準(zhǔn)關(guān)系最大的二個(gè)因素是：1）規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)需要承受多大的荷載（荷載標(biāo)準(zhǔn)值），比如同樣是辦公樓，我國(guó)規(guī)范自1959年以來(lái)均規(guī)定樓板承受的活荷載是每平方米150公斤(現(xiàn)已確定在新的規(guī)范里將改回到200公斤)，而美、英則為240和250公斤；2) 規(guī)范規(guī)定的荷載分項(xiàng)系數(shù)與材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)的大小，前者是計(jì)算確定荷載對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用時(shí)，將荷載標(biāo)準(zhǔn)值加以放大的一個(gè)系數(shù)，后者是計(jì)算確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件固有的承載能力時(shí)，將構(gòu)件材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值加以縮小的一個(gè)系數(shù)。這些用量值表示的系數(shù)體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在給定標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的安全度，在安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法(如我國(guó)的公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)中稱為安全系數(shù)，體現(xiàn)了安全儲(chǔ)備的需要；而在可靠度設(shè)計(jì)方法(如我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)中稱為分項(xiàng)系數(shù)，體現(xiàn)了一定的名義失效概率或可靠指標(biāo)。安全系數(shù)或分項(xiàng)系數(shù)越大，表明安全度越高。我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定活荷載與恒載（如結(jié)構(gòu)自重）的分項(xiàng)系數(shù)分別為1.4和1.2，而美國(guó)則分別為1.7和1.4，英國(guó)1.6和 1.4 ；這樣根據(jù)我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)辦公樓時(shí)，所依據(jù)的樓層設(shè)計(jì)荷載（荷載標(biāo)準(zhǔn)值與荷載分項(xiàng)系數(shù)的乘積）值大約只有英美的52%（考慮人員和設(shè)施等活載）和85%（對(duì)結(jié)構(gòu)自重等恒載），而設(shè)計(jì)時(shí)據(jù)以確定構(gòu)件能夠承受荷載的能力（與材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)有關(guān)）卻要比英美規(guī)范高出的10~15%，二者都使構(gòu)件承載力的安全水準(zhǔn)下降。日本與德國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范在某些方面比英美還要保守些。一些發(fā)展中國(guó)家的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的規(guī)范，就如我國(guó)解放前和建國(guó)初期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法參照美國(guó)規(guī)范一樣。至于中國(guó)的香港和臺(tái)灣，至今仍分別以英國(guó)和參考美國(guó)規(guī)范為依據(jù)。這里需要說(shuō)明的是，在其他建筑物的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值上，與國(guó)外的差別并沒(méi)有象辦公樓、公寓、宿舍中這樣大。不同材料、不同類型的結(jié)構(gòu)在安全設(shè)置水準(zhǔn)上與國(guó)際間的差距并不相同，比如鋼結(jié)構(gòu)的差距可能相對(duì)小些。
公路橋梁結(jié)構(gòu)的情況也與房屋建筑結(jié)構(gòu)類似，除車載標(biāo)準(zhǔn)外，荷載分項(xiàng)安全系數(shù)（我國(guó)規(guī)范對(duì)車載取1.4，比國(guó)際著名的美國(guó)AASHTO規(guī)范的1.75約低25%）與材料強(qiáng)度分項(xiàng)安全系數(shù)均規(guī)定較低。
盡管我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范所設(shè)定的安全貯備較低，但是某些工程的材料用量反而有高于國(guó)外同類工程的，這里的問(wèn)題主要在于設(shè)計(jì)墨守陳規(guī)，在結(jié)構(gòu)方案、材料選用、分析計(jì)算、結(jié)構(gòu)構(gòu)造上缺乏創(chuàng)新。
 
1.2 結(jié)構(gòu)的整體牢固性
除了結(jié)構(gòu)構(gòu)件要有足夠承載能力外，結(jié)構(gòu)物還要有整體牢固性。結(jié)構(gòu)的整體牢固性是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)某處的局部破壞不至于導(dǎo)致大范圍連續(xù)破壞倒塌的能力，或者說(shuō)是結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)與其原因不相稱的破壞后果。結(jié)構(gòu)的整體牢固性主要依靠結(jié)構(gòu)能有良好的延性和必要的冗余度，用來(lái)對(duì)付地震、爆炸等災(zāi)害荷載或因人為差錯(cuò)導(dǎo)致的災(zāi)難后果，可以減輕災(zāi)害損失。唐山地震造成的巨大傷亡與當(dāng)?shù)胤课萁Y(jié)構(gòu)缺乏整體牢固性有很大關(guān)系。2001年石家莊發(fā)生故意破壞的惡性爆炸事件，一棟住宅樓因土炸藥爆炸造成的墻體局部破壞，竟導(dǎo)致整棟樓的連續(xù)倒塌，也是房屋設(shè)計(jì)牢固性不足的表現(xiàn)。
 
1.3 結(jié)構(gòu)的耐久安全性
我國(guó)土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，重點(diǎn)放在各種荷載作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，而對(duì)環(huán)境因素作用（如干濕、凍融等大氣侵蝕以及工程周圍水、土中有害化學(xué)介質(zhì)侵蝕）下的耐久性要求則相對(duì)考慮較少?；炷两Y(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕或混凝土腐蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全事故，其嚴(yán)重程度已遠(yuǎn)過(guò)于因結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力安全水準(zhǔn)設(shè)置偏低所帶來(lái)的危害，所以這個(gè)問(wèn)題必須引起格外重視。我國(guó)規(guī)范規(guī)定的與耐久性有關(guān)的一些要求，如保護(hù)鋼筋免遭銹蝕的混凝土保護(hù)層最小厚度和混凝土的最低強(qiáng)度等級(jí)，都顯著低于國(guó)外規(guī)范。損害結(jié)構(gòu)承載力的安全性只是耐久性不足的后果之一；提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的安全設(shè)置水準(zhǔn)，在一些情況下也有利于結(jié)構(gòu)的耐久性與結(jié)構(gòu)使用壽命。
 
2．調(diào)整結(jié)構(gòu)安全設(shè)置水準(zhǔn)的不同見(jiàn)解
我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的安全設(shè)置水準(zhǔn)較低，與我國(guó)建國(guó)后長(zhǎng)期處于短缺經(jīng)濟(jì)和計(jì)劃體制的歷史條件有關(guān)。但是，能夠?qū)ν两ńY(jié)構(gòu)取用較低的安全水準(zhǔn)并基本滿足了當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)與生活需求，而且業(yè)已歷經(jīng)了較長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)，這是國(guó)內(nèi)土建科技人員經(jīng)過(guò)巨大努力所取得的重大成就；但是，由于安全儲(chǔ)備較低，抵御意外作用的能力相對(duì)不足。如果適當(dāng)提高安全設(shè)置水準(zhǔn)將有利于減少事故的發(fā)生頻率和提高工程抗御災(zāi)害的能力。國(guó)內(nèi)發(fā)生的大量工程安全事故，主要是由于管理上的腐敗和不善以及嚴(yán)重的人為錯(cuò)誤所致?，F(xiàn)在提出要重新審視結(jié)構(gòu)的安全設(shè)置水準(zhǔn)，主要是基于客觀形勢(shì)的變化，是由于我們現(xiàn)在從事的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要為今后的現(xiàn)代化奠定基礎(chǔ)，要滿足今后幾十年、上百年內(nèi)人們生產(chǎn)生活水平發(fā)展的需要，有些土建結(jié)構(gòu)如商品房屋則更要滿足市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下具備商品屬性的需要。國(guó)內(nèi)近幾年來(lái)已對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全度的設(shè)置水準(zhǔn)組織過(guò)幾次討論，在如何調(diào)整的問(wèn)題上存在較大的意見(jiàn)分歧，這次科技論壇上同樣反映了這些不同的見(jiàn)解：
1）認(rèn)為我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的安全設(shè)置水準(zhǔn)是足夠的，并已為長(zhǎng)期實(shí)踐所證明，而國(guó)外就沒(méi)有這種經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)取得的這一成功經(jīng)驗(yàn)決不能輕易丟掉，在安全度上不能跟著英美的高標(biāo)準(zhǔn)走；安全度高了是浪費(fèi)，除個(gè)別需調(diào)整外，總體上不必變動(dòng)。
2）認(rèn)為我國(guó)規(guī)范的安全度設(shè)置水準(zhǔn)盡管不高，但在全面遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有關(guān)規(guī)定，即在正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用的“三正常”條件下，據(jù)此建成的上百億平米的建筑物絕大多數(shù)至今仍在安全使用，表明這些規(guī)范規(guī)定的水準(zhǔn)仍然適用；但是理想的“三正常”很難做到，同時(shí)為了縮小與先進(jìn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的差距以及鑒于可持續(xù)發(fā)展和提高耐久性的需要，在物質(zhì)供應(yīng)條件業(yè)已改善的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，結(jié)構(gòu)的安全設(shè)置水準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)提高。這種提高只能適度，因?yàn)槲覈?guó)目前尚屬發(fā)展中國(guó)家。
3）認(rèn)為我國(guó)規(guī)范的安全設(shè)置水準(zhǔn)應(yīng)該大體與國(guó)際水準(zhǔn)接近，需要大幅度提高。這是由于隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平不斷提高，土建工程特別是重大基礎(chǔ)設(shè)施工程出現(xiàn)事故所造成的風(fēng)險(xiǎn)損失后果將愈益嚴(yán)重，而為了提高工程安全程度所需要的經(jīng)費(fèi)投入在整個(gè)工程（特別是建筑工程）造價(jià)中所占的比重現(xiàn)在已愈來(lái)愈低，材料供應(yīng)也十分充裕。過(guò)去的低安全水準(zhǔn)只是適應(yīng)了以往短缺型計(jì)劃經(jīng)濟(jì)年代的需要，但決不是沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，如果規(guī)范的安全水準(zhǔn)較高，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的有些安全事故本來(lái)是可以避免的，而規(guī)范的這一缺陷在一定程度上為“三正常”的提法所掩蓋。在建的工程要為將來(lái)的現(xiàn)代化社會(huì)服務(wù)，安全性上一定要有高標(biāo)準(zhǔn)。低的安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在參與將來(lái)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中也難以被承認(rèn)，即使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全設(shè)置水準(zhǔn)能夠提高到與發(fā)達(dá)國(guó)家一樣，由于我們的施工質(zhì)量總體較差，結(jié)構(gòu)的安全性依然會(huì)有差距。