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土建结构工程的安全性与耐久性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年以来均规定楼板承受的活荷载是每平方米公斤现已确定在新的规范里将改回到公斤而美英则为和公斤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和而美国则分别为和英国和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考虑人员和设施等活载和对结构自重等恒载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寓宿舍中这样大不同材料不同类型的结构在安全设置水准上与国际间的差距并不相同比如钢结构的差距可能相对小些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比国际著名的美国规范的约低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著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及鉴于可持续发展和提高耐久性的需要在物质供应条件业已改善的市场经济条件下结构的安全设置水准应适当提高这种提高只能适度因为我国目前尚属发展中国家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结构设计规范的概率可靠度设计方法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在更短的时期内就出现劣化据年美国土木工程学会的一份材料估计他们需要有万亿美元来处理美国国内基础设施工程存在的问题仅修理与更换公路桥梁的混凝土桥面板一项就需亿美无而现在联邦政府每年为此的拨款只有亿美元另有资料指出美国因除冰盐引起钢筋锈蚀需限载通行的公路桥梁已占这一环境下桥梁的发达国家为混凝土结构耐久性投入了大量科研经费并积极采取应对措施如加拿大安大略省的公路桥梁为对付除冰盐侵蚀及冻融损害钢筋的混凝土保护层最小厚度从年代的逐渐增加到直到年代后的而混凝土强度的最低等级也从年代的增到后来的桥面板混凝土从不要求外加引气剂不设防水层到必须引气以及需要设置高级防水胶膜并引入环氧涂膜钢筋而我国遭受盐冻侵蚀地区的公路桥梁在耐久性设计方面至今仍无明确要求对混凝土保护层和强度的要求仅为与与上面提到的加拿大年代水准一致我国建设部于年代的一项调查表明国内大多数工业建筑物在使用年后即需大修处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅年民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好一般可维持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其中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混凝土与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年由于忽视耐久性迎接我们的还会有大修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计的技术条例修订补充现行规范中对结构耐久性的要求首先需要明确的是各种基础设施工程的设计工作寿命在重要工程的设计文件中必须有使用寿命的要求和论证当前在建的众多工程在耐久性上之所以仍然沿着重蹈覆辙的道路走很重要的一个原因是工程设计施工技术人员在耐久性上没有可资遵循的新依据更为严重的是现行规范中的有些条文本身就对耐久性有害为了提高混凝土耐久性在混凝土中合理使用粉煤灰矿渣等矿物掺合料是重要的技术手段国外有的规范甚至规定在桥梁等混凝土结构中必须加入粉煤灰等掺合料而我国的铁路混凝土桥隧施工规范仍在明文禁止使用此外工程技术界还存在长期形成的一些过时的看法对改善混凝土的耐久性能造成阻力例如顾虑会影响混凝土强度而不愿使用引气剂而引气本应作为改善混凝土耐久性和工作性的常规手段又如希望加大水泥用量来保证混凝土强度而尽可能低的水泥用量本应是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径在修订规范的耐久性要求上交通部于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亿多吨水泥与之相伴的是年耗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年有的如英国为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年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修的费用往往更为主要英国年的土建维修费上升到年的倍年的维修费占当年土建费用总支出的我国虽是发展中国家现在正大兴土木可是过去建成的大量工程已经或过早老化国内公路桥梁的桥龄已大于年加上进入年代以后交通量猛增超载严重以往的设计标准又低路桥的维修问题十分突出由于养护维修费用得不到保证造成工程安全隐患并在以后需要支出更多的大修费用在土建工程的投资上希望有关部门能加大已建工程维修的费用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年的桥梁至少还可正常使用年而不至于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个别条文的规定也不一定适合某些地区和某些工程的具体特点反而造成麻烦我国幅员广阔各地经济发展很不平衡技术力量悬殊环境条件各异客观上要求规范能给设计人员更多灵活性少一些强制性这样才能更好地在规范的指导下根据工程的特点和具体条件去解决问题总之在规范标准上要摆脱计划经济年代遗留下来的过分强求统一较少考虑个性和缺乏实事求是灵活性的倾向要提倡和鼓励各省市编制地方性规范在工程的安全性和耐久性标准上可有不同的设置水准比如上海北京广州这些大城市应该高些在抗震防灾要求上更应区别对待全国性的规范订得愈详细其适用性可能变得愈差造成的混乱也可能愈多特别象岩土工程那样的规范更是如此发达国家有关土建结构工程的规范及与之配套的各类技术标准多由行业协会或专业学会编制及管理规范的翻新周期短不象我们要长达年以上我国的学会与协会重复设置分工不明并且至今还依附于某一政府部门基本上只起到政府职能部门非官方代言人的作用距离独立和富有活力的健全机构还差的很远如何发挥这些机构在技术标准编写和管理中的作用也是值得探讨的一个问题建议随着改革的深入整顿合并有关的学会协会加强其职能并逐渐成为技术标准编制管理的主体四准备提交政府有关部门考虑的建议为了改善我国土建结构工程的安全性与耐久性这次论坛中提出了以下建议供政府有关部门考虑桥梁隧道道路港口等基础设施工程的混凝土结构耐久性已是当前亟待采取措施应对的重大问题否则一些工程的正常使用功能和安全性将得不到有效保证我国的现代化建设和国民经济会蒙受巨大损失并将给生产和公众生活带来长期困扰建议国家建设部交通部铁道部主管土建工程设计标准的部门能对工程的耐久性要求作重点审查明确土建工程的设计应有最低使用寿命的要求重要工程的设计文件中应有正常使用寿命和耐久性设计的独立章节与论证建议国家自然科学基金委员会能在今后一段时期内对混凝土工程耐久性的基础理论研究给予重点支持建议国家安全生产监督管理局为在近期内编订有关法规标准给以立项资助建议中国工程院土木水利建筑学部在其咨询研究项目中联络国内有关专家促进土建结构耐久性设计指导性技术条例的编制土建工程使用过程中的安全性应有定期的检测和正常的维护修理加以保证对于重要土建工程我国尚无必须进行安全检测的法规在基础设施工程的投资上有重新建轻维修的倾向不利于工程寿命和投资效益建议对桥隧等重要公共基础设施和公共建筑物在其使用期内实施强制性的定期安全检测为此需要制定法规编制相应的技术标准对于土建结构工程的检测与评估需要建立从业人员的注册制度和从业机构的资质认证与监管体制凡属已建工程的安全诊断也可一并归入这一行业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4合理设置土建结构设计的安全水准必须考虑工程失效的风险后果社会的财富与资源供给乃至公众的意向等多种因素随着我国经济形势的巨大变化有必要重新审视现行土建结构工程设计规范的安全设置水准建议主管部门组织论证桥梁等交通土建结构的风险后果较大且由于车流车载车速的快速发展在设计荷载标准值和承载力安全度的设置水准上似乎应比一般的建筑结构有更高的安全贮备在建筑结构的安全设置水准上建议进一步收集不同意见包括商品房消费者的意向我国不同地区的经济发展水平悬殊在建筑物安全性和耐久性的要求上是否需要区别对待也值得探讨5我国建筑结构设计规范采用可靠度设计方法的经验及问题值得总结可靠度方法用于不同类型结构的先决条件和难度不一不必强求一律建议有关部门在推广可靠度方法于各类设计规范时广泛征集各种看法实事求是稳慎对待不宜急于求成