浅谈建筑结构设计中对安全问题的错误认识

摘 要：本文阐述了安全可靠度设计的演变过程，并对可靠度设计理论进行分析，指出了设计人员在设计过程中对安全问题的错误理解往往造成一些设计人员在设计中盲目增加结构构件的尺寸、配筋及刚度,并对这些错误进行了简要分析。

关键词：结构设计；安全性

Abstract: This paper describes the evolution process of reliability design, and the reliability design theory for analysis, points out the design personnel in the process of designing a false sense of security problems are often caused by some designers in the design of the structure increase blindly component size, reinforcement and stiffness, and these errors are the brief analysis.

Keywords: structural design; safety

中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1、安全可靠度设计演变

我国规范安全度与国外的差别已有不少资料作过报道，现在再看我国规范安全度从解放后的演变，以受弯构件为例，将安全度统一折算成解放初期按破损阶段设计方法时的总安全系数K， 20 世纪50 年代设计时所用的楼层活荷载标准值基本参照了前苏联荷载规范的取值，而在1959 年颁布我国的荷载规范后，不少类型建筑物的楼层活荷载标准值都降低了，导致这类结构安全储备的进一步降低。

横向比较各国规范以及竖向纵观我国规范的演变，可以深切体会到规范作为上层建筑，必然反映时代社会经济的特色和需要。在这次规范修订中，除了必需从专业的技术角度对安全度作细致分析外，如何从社会经济的角度进行深入探讨可能更为重要。这是因为我国正处在从短缺型的社会主义计划经济体制过渡到社会主义市场经济体制的转型期，而整个世界正面临科技和生产飞速更新时代的到来。近十年来，我国的社会经济状况发生了从未有过的根本性变化，而我们现在设计的建筑物又必需适应今后几十年乃至上百年内生产和生活水平的发展。

在今天的市场经济体制下，如果只需花相对较少的钱，换得更为结实耐久的房子住，应属合理消费受到鼓励，为此而必须多花一些钢材也属于合理使用，说不上有违节约原则。安全度的设置本来就是用来对付比较意外的情况，低安全度的房子尽管在一般情况下安全可靠，但是抵御外界不确定性作用的能力相对较弱。房子结实些，寿命长些，符合国家提高人民生活质量的要求；万一发生不测地震，可以减少生命财产损失；再说这种合理消费并不要政府掏钱，而且合理的多用些钢材、水泥又能促进生产发展，从眼前讲，还多少能缓解通货紧缩的困难。这些说法从短缺经济的立场上看是格格不入的，但符合眼前和长远利益以及市场经济的需要。

提高结构的安全性能需要从结构选型、结构构造、结构布置、材料选择等多个方面作出努力，以加强结构的整体性、延性和耐久性，提高其抗御不测之灾和防止倒塌、特别是抵抗连续倒塌的能力。也许基于概念设计的这些措施，对于增进结构安全更为有效且更符合经济节约的原则。比如这次规范修订组提出的用新Ⅲ级钢替代Ⅱ级或Ⅰ级钢，就能带来立竿见影的效果。可是为了增强延性和防倒塌能力，主要还得靠合理加大构造用钢量。上述与结构安全性能有关的众多因素较难用数值形式加以度量，而我们在这里所讨论的安全度，则仅限于截面强度的安全度和与之有关的荷载标准值和材料强度标准值等能够用数值度量的那些参数。

提出要大幅度提高设计安全度，无非是基于客观形势变化和对现行安全度进行初步分析比较后的一种宏观的定性估计。究竟需要提高多少，则需经过课题立项研究才能确定。对于规范修订组这次提出的设计可靠度改进意见，总的趋势是往高处调，对此我表示拥护；虽然幅度不够大。我国幅员广阔，各地经济发展很不平衡，象京、沪、穗等国际性大都市，建筑结构的安全度应高些，经济不发达的边缘地区允许适当低些。规范修订时是否尚可通过结构重要性系数，或者荷载标准值取值，或地方性标准予以区别对待，大城市的结构安全储备是否能再高些，当然也可以分步渐进。钢材的分项系数过去偏低，似不宜再低于1.1。梁的最小配筋率一般根据截面抗弯屈服能力不低于截面拉区混凝上抗裂能力的原则来定，具体计算时所用的材料强度似宜采用平均值而不是标准值，否则从概率保证的角度不能符合要求。

2 关于安全可靠度设计理论

将可靠度设计理论用于设计规范，不论在学术或工程界一直有分歧意见。我倾向于多安全系数的极限状态设计法，因为其中对安全度的表示比较灵活又易于理解，而且在确定各项安全系数时并不排斥利用可靠度理论手段进行分析对比，然后再综合考虑其它因素加以修正。

由于现行建筑结构设计规范业已采用了可靠度设计理论，其在规范中的计算表达形式又与多安全系数方法相似，在实用上姑且将它理解为多安全系数也并无不可。在这种情况下，我赞成承认现实，在这次修订中还是保留现有的设计方法体系为好。可靠度理论对于不同类型工程结构的适用程度肯定会有很大差别，用于混凝土建筑结构尚没有解决不了的大问题，所以不宜再变。至于尚未使用的规范似宜适当放慢“统一”步伐，实在难以使用的更不宜通过行政手段去统一。可靠度理论还在发展，这方面的学术讨论希望能够深入开展下去。

结构安全度需要考虑的因素过于综合，尤其是规范中的结构安全度，它不同于某个具体工程，需要考虑和照顾的方面更多，包括非技术性的社会经济因素、政策因素等等。可靠度设计理论有其先进的一面，也有其不足之处；可靠度理论也有某些假定和约束条件，会有意或无意地省略某些本应考虑而用这一理论又难以处理的一些因素。技术科学理论一般擅长于分析，而规范安全度的设定除了要用分析外更需要综合，因此经验和判断更为重要。

可靠度理论强调三个“正常”作为前提，即正常设计、正常施工和正常使用。这三个正常带有较大的模糊性，有时甚难界定。比如野蛮施工绝非正常，很容易确认；可是针对我国施工中的上千万农民队伍以及管理水平薄弱的现状，这种状况是否正常? 这个问题带有普遍性，而且要改变这一状况需有较长的过程。如果在设定规范安全度水平时完全不予理采，不考虑它会增加某种程度人为失误的可能性及其对工程质量的影响，显然是不合适的。规范面对的是群体而不是某个具体建筑的施工现场。我们不能因为不好统计、不好用理论分析处理，就将某些应该考虑的问题列入不正常。再举居民装修房屋用地板砖压裂了预制混凝土楼板的事例，有的同志认为这是不正常使用，因为设计时并没有考虑过装修地面；或者认为这是不正常设计，因为设计人员在设计时漏掉了地板砖这项恒载，而规范则无责任。但是用户则认为现在城市里家家搞装修，不装修才是不正常使用所以单凭过去或现有样本所得出的荷载统计值，理论上看来完整无缺，但用到规范仍需通过经验和判断加以修正，因为这些数据尚不能代表未来可能的发展。但如果规范的安全度比较宽裕，就不至于出现这种问题。

3按规范设计安全性已有足够保证

节约和安全并不冲突不少人认为既然要安全就不要考虑节约, 如果节省了材料, 安全性就降低了。其实, 目前结构设计规范采用的概率为基础的极限状态设计方法, 采用以分项系数的设计表达式进行设计, 无论是荷载的取值、材料性能取值, 还是在各项具体项目表达式设计时均已包含了足够的安全性。设计人员在计算荷载、性能取值时, 也都有一些富裕最。因此, 只要不漏项, 安全性根本不成问题, 不需要再进行无根据的仅为心理安慰性的乘以放大系数。

4 盲目“ 保守” 的设计更有可能出问题

在本人审核的工程中, 曾有设计人员在五层框架结构宿舍设计中钢筋用量多达60kg/㎡, 后经多次调整仍在50kg/㎡以上不肯下调。说到底这是心里没底的表现, 说明了设计人员对整个结构设计缺乏一个清晰的概念, 反而更让人担心, 需要审核人员认真把关。如果认为几项取值偏于保守就认为整个设计都很安全, 则很容易造成疏漏, 酿成大祸。在具体工作中, 本人针对显著“ 保守” 的设计进行了详细审查, 确实发现该类设计中经常出现荷载取值粗放、偏大但经常漏项, 梁、板、柱设计保守但经常忘记验算基础沉降、地下室水反力、裂缝宽度等特殊要求的设计项目验算。有些设计人员认为, 构件尺寸大一些、钢筋多用些,结构就会更安全, 还因此经常同建筑专业,水电设备专业甚至甲方发生争论。其实尺寸大、钢筋多固然会更安全, 但也要运用得当。

5 应根据器要合理选择构件的尺寸和配筋

曾经有设计人员对一个框架结构进行计算后, 发现框架首层梁、柱配筋、尺寸要求较大。为了使结构更安全, 他把楼上几层梁、柱配筋及尺寸全统一到首层的标准上了, 不但造成很大浪费, 而整个结构的安全度分配也不合理了。在框架设计中, 无论是竖向荷载还是侧向荷载( 风荷载和地震荷载) 对首层结构产生的影响一般是最大的, 而且规范对有些框架一层柱还有特殊的放大要求, 再加上基础不均匀沉降也是在一层梁、柱产生的内力最显著, 因此, 首层梁柱设计配筋及尺寸取值偏大是合情合理的。将上部其他各层设计取值放大后, 原本内力最大的一层构件其安全度相对整体结构而言反而下降了。如果再碰上地震这种效应, 因上部各层刚度过大, 吸能区反而更集中在结构首层, 反而会降低结构的安全性。

还有一个设计, 设计人员在基础设计时为省时省力, 干脆采用了统一尺寸的独立柱基, 荷载大小不同的柱子全采用荷载大的柱子的基础尺寸。设计者认为采用了大的就应该是安全的。其实在基础设计中,除了基础承载力及基础强度的设计, 还要考虑基础的沉降特别是不均匀沉降, 不均匀沉降会对结构产生附加内力。在基础设计中按荷载的大小选择相应的基础尺寸,力求减少相对沉降是很重要的。因为设计中大多不会对相对沉降产生的附加内力进行计算。如果既不计算这种效应的影响, 又不采取措施减少这种效应的影响, 那就是设计工作中严重的疏漏。

在具体设计中, 有的设计人员将钢筋设置太多, 在搭接区出现混凝土无法倒入的情况, 也有的设计把梁尺寸放的太大, 违反了框架结构强柱弱梁的概念设计原则。这些错误都会对结构产生严重的不利影响, 不能不予以重视。

6 只增加部分构件的强度、刚度有可能降低整个结构的安全性

曾经在审核一个高层框剪结构设计时, 发现其剪力墙多且长, 结构侧向位移极小, 一开始认为设计人员为增加安全性多设了一些剪力墙, 只是让其按以往经验设置剪力墙并进行验算保证侧向位移等符合规范要求即可, 但后来发现有些设计人员屡犯此种错误, 因此笔者认为应该强调一下: 在部分结构中, 增加部分构件的尺寸及配筋, 虽然可能提高了该构件本身的刚度和强度,但对整体结构而言, 并不一定能增加安全储备, 还有可能适得其反。

如在剪力墙设置上加大个别墙肢刚度可能会惹火烧身, 造成该墙肢率先破坏并连累整个结构。侧向力在结构构件的分配, 是按构件的刚度进行分配的, 在设计上力求避免个别构件承担大份额侧向荷载,在按侧力结构设计上, 尽量采用分散、均匀、对称布置。

有的设计者由于剪力墙布置不当, 其中一条较长墙肢老是超筋, 由于从以往经验看相比此类建筑他已多设了剪力墙, 所以他认为可能是程序局部出了问题,在设计时就想忽略这个问题, 这是很危险的, 实际上恰恰是因为这条剪力墙的刚度太大, 确实吸收了太多侧向荷载, 对于该构件本身来说确实难以承受, 但只要把该墙肢变短, 让其他构件共同承担侧向荷载, 结构是完全可以承受的, 在结构设计中, 某个构件由于承担太多荷载率先破坏而退出工作是相当危险的, 很容易造成整个结构连环破坏。所以在有剪力墙的结构中, 并不是越多越好, 有时该砌砖墙, 有时把长墙变成几个短墙肢用连梁相联, 并不是越刚、越强越好。特别要强调的是, 不能在计算完成后再增加剪力墙以图“ 保险” 。

参考文献：

[1]陈肇元.要大幅度提高建筑结构设计的安全度[J].建筑结构，2009( 1) .

[2]李明顺，胡德.我国建筑结构设计可靠度设定水平的分析与改进意见，2009，7.