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建筑结构设计的安全度研究

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1建筑结构设计安全度的概念

从事建筑结构设计的基本目的,使结构在预定的使用期限内,能满足所预期的各种功能要求,一般来说,建筑结构必须满足的功能要求是:(1)能承受在正常施工和使用时可能出现的各种作用,且在偶发事件中,仍能保持整体稳定性,即建筑结构需具有的安全性。(2)在正常使用时具有良好的工作性能建筑结构需具有的适用性。(3)在正常维护下具有足够的耐久性。上述安全性、适用性和耐久性,是建筑结构安全与否的标志,总称为结构的可靠性,对这些性能的度量,即结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率,称为结构的安全度。

2提高建筑结构设计安全度

提高建筑结构设计的安全性,要从结构选型、结构的构造、结构布置、材料选择等多方面进行考虑。要考虑结构设计的整体性、延续性、耐久性,要提高建筑物抵御自然灾害的能力。在我国,由于京津沪、广江浙一带经济较发达,同时对于建筑物质量要求也越高,对于建筑结构设计安全度相对较高。迄今为止,虽然尚未发生有关于建筑结构设计导致建筑承载力失效而引发事故的情况,但这并不代表因此就可以减少建筑结构设计对于安全度的考虑。结构安全度要考虑综合因素,要注重规范中的结构安全度,同时对于非技术性的社会经济因素、政策因素方面要加以衡量。在对于可靠性设计时,要注意理论和实际的差别。在可靠性理论方面,前提是一定的条件和因素。在实际结构设计时,不可一蹴而就,更不能按章全抄。要结合设计经验和技术科学分析,结合实际情况进行判断。对于目前来讲,有部分专家和学者认为,当前的建筑物安全事故,与结构设计安全度无关。通过对王府井百货大楼、北京饭店等40-50年前的建筑安全进行分析,在施工技术手段相对落后的时期,混凝土技术强度低,建筑技术落后,施工基本靠人工,更没有大型机械的参与,这些建筑物历经了1976年唐山7.8级大地震等自然灾害后,还屹立不倒。这种说法是否得当,有待考究。在学术界,专家和学者普遍认为我国的结构安全设置水准还是处于整体偏低的状态。但这个偏低,并不是不安全,而是按照国际标准进行衡量的。参考国际建筑结构设计安全度标准,结合我国实际国情,将设计安全度控制在一个限定区间内,这不仅仅可以保证设计安全,又可避免浪费。在正常条件下,设计不出错误,施工质量得到保证,材料等不违规使用,这样是可以保证结构安全可靠的。我国50年来,对设计标准进行修订,并出台了相关规范文件,这对于提高建筑结构设计安全是有利的。在进行建筑结构设计安全分析时,可靠度设计理论中的多安全系数的极限状态设计法用于设计规范中,这样可保证安全系数不排斥利用可靠性进行分析比较。可靠性理论对不同类型工程结构的适用有很大不同,建筑结构可靠度要从社会经济方面,长远考虑。安全系数要考虑荷载、材料的力学性能、实验值与设计值的差别、施工质量不稳定性等因素,对涉及工程的经济利益以及结构破坏可能产生的后果,要进行分析评估。

3建筑结构设计分析

建筑结构应在规定的设计使用年限内,具有足够的可靠度。在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用,要具有良好的工作性能,在正常维护的情况下,要具有足够的耐久度。在保证建筑结构具有规定的足够可靠度外,要进行必要的设计计算,对结构材料性能、施工的质量、正常使用和维护进行控制,其设计需要符合有关勘察、设计、施工、维护等方面标准的规定。结构分析要进行结构作用效应分析,以确定结构或者截面上的作用效应。同时,要进行结构抗力和其他分析。在分析中,可采用计算、模拟试验或者进行原型试验,通过采取基本假定的条件和计算模型,考虑在极限状态下的结构反应。在进行承载能力极限状态设计时,采用线性、非线性、塑性等理论进行计算,以便分析材料和结构对作用的反应。在结构分析中,要考虑环境因素对材料、构件、结构性能的影响,例如空气湿度对于木材强度的影响,高温天气对于钢结构的影响,高低温差对于结构的稳定影响等因素。采用一个或者几个附加的变量,对不定性进行计算模型分析,附加变量可通过按照计算模型的计算结果与按照精确计算方法或者观测结果进行对比,经过分析确定,利用工程经验做出判断。

4从商品的角度看待建筑结构设计安全度

有一种观点认为,提高建筑结构的设计安全度只能微调,否则就无法对已建工程作出交待。这个问题其实并不存在,象汽车、飞机等各种产品在不断提高其安全性能时从来不需要照顾过去,为什么在提高建筑物的安全度时就得向后看呢?它们都是商品,商品质量的提高在资源和用户财力能够承受的前提下应该受到鼓励,而不是限制,这样才会有生产的发展和进步。在建筑结构的抗震要求上,国家需要规定的是抗震设防的最低标准,而不需限制业主提高设防能力的要求。建筑结构作为特殊的商品,确定其设计安全度的高低过去是纯政府行为,现今至少会有房屋开发商、保险业和用户参与。开发商应该对其出售建筑物的安全质量负责,在影响售价不多的情况下应尽可能提高安全度,特别是抗震能力;与汽车、飞机一样,更高的安全性能应作为房屋开发商促销和竞争的一个热点。随着我国房产私有化的进展,房产迟早会与保险业紧密挂钩,结构设计安全度低的房产必然要与较高的保险费相匹配。我国现行的低安全度设计原则如果维持下去,将来要不断付出代价的首先是交纳高昂保险费的业主,这对保险业本身也会产生不利影响。

5转变设计思想,全面提高安全度水平

(1)我国现行结构设计标准的低安全度原则已不能适用当前的国情,提高我国建筑结构的安全度水平将有利于生产、生活水准的改善,有利于国民经济发展,也符合建筑物业主的利益和要求。(2)从提高结构安全度出发,为了改善结构物的安全性,要提倡合理地多用钢材,而不再是挖空心思地节约钢材。

6结束语

安全生产,预防为主。建筑结构设计时,安全度时保证建筑质量的基础,同时也是建筑施工的有力保证。在设计时,要保持建筑物的高稳定性和长耐久度,需要进行详细的分析和试验。建筑物的安全,是对生命的重视,同时也是对资源的合理开发和利用。

本文作者:宣刘 工作单位:马钢集团设计研究院有限责任公司

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