土建结构工程的安全性与耐久性
土建结构工程的安全性与耐久性 土建结构工程的安全性与耐久性 土建结构工程的安全性与耐久性 由中国工程院土木水利建筑学部发起，并会同国家安全生产监督管理局、国家工业建筑诊断与改造工程技术中心、国家自然科学基金委员会工程与材料学部共同主办，清华大学结构工程与振动教育部重点实验室承办的“土建结构工程的安全性与耐久性”科技论坛，于2001年11月17~18日在清华大学举行。论坛的宗旨是：分析我国土建结构工程的安全性与耐久性现状，交流近年来这一领域的研究成果，探讨亟待解决的重大问题与应对途径，并积极提出建议为政府有关部门制定或修订相关的技术政策或技术标准提供参考依据，以期土建工程结构的安全性与耐久性能够更好地适应我国现代化建设的需求，适应我国经济转型后面向市场经济的需求。 ?? 鉴于这一会议的论坛性质，以下仅就会上提出的一些问题及建议作一归纳，提交与会专家考虑并审议。
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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。
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??1．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。
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??1.1构件承载能力的安全设置水准 ????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1.4，比国际著名的美国AASHTO规范的1.75约低25%）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。
?? ????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。2001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。
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??1.3 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。
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??2．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：
????1）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。
????2）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。
????3）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。
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3、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。
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二、土建结构工程的耐久性
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????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。
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1、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。 ????我国建设部于80年代的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25～30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15～20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50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30～40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C15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50.4%，其中1/3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1999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2000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C30混凝土与3～4cm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20年，由于忽视耐久性，迎接我们的还会有“大修”20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：
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1) 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。
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2) 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。
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3) 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30% 。
????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2001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。 ??
??2．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。
????现在国内有大量土建工程因步入老化期需要诊治，也有大量已建的违章工程需要评估，更有许多工程发生病害需要诊断和加固，各地已涌现了不少从事土建工程诊断、治理与加固的队伍，并有蓬勃发展成为一种新兴行业的趋势。出现问题和病害以后再来治理固然重要，但是我们应该更加强调预防。对于在役土建工程的检测和评估，要建立相应的法规和标准，要有从业人员的注册和从业机构的资质认证制度，在管理体制上予以规范。 ????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30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100年的桥梁，至少还可正常使用70年，而