1、1建筑结构的耐久性与安全性设计思考摘要：完善建筑结构的耐久性性与安全性,是土建结构工程设计会发展的基本要求，充分体现在建筑结构的使用寿命和使用安全及建筑的整体经济性。文章首先对建筑结构的耐久性欲安全性设计内涵进行阐述，其次提出建筑结构耐久性欲安全性设计方法。 关键词：建筑结构；耐久性；安全性；设计方法 中图分类号： TU198 文献标识码： A 文章编号： 1.建筑结构的耐久性与安全性设计内涵 无论是房屋、道路、还是桥梁、隧道结构，都应该满足下列两项基本功能要求：(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，仍能保持必需的整体稳定性，即建筑结构具有安全性；(2)在正常使用时
2、，具有良好的工作性能，在正常维护下具有足够的耐久性。上述第(1)项为结构的安全性要求；第(2)项为结构的耐久性要求。结构若同时满足安全性、耐久性要求则称该结构可靠。上述安全性、耐久性是建筑结构可靠与否的标志，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，称为结构的可靠度。因此，结构可靠度指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。换句话说，结构可靠度方法要解决的根本问题是：在给定一个或多个材料特性或几何尺寸，而这些特性具有2随机的或不完全知道的性质以及在某些方面、结构上作用的荷载具有随机的或不完全知道的特性的情况下，结构按预定方式
3、工作的概率是多少。上述定义中的“规定时间” ，一般是指结构设计基准期，目前世界上大多数国家普通建筑的设计基准期为 50 年。结构可靠度与“规定时问、服役时间”有关， “规定时间”越长，结构的可靠度越高，而“服役时间”越长则可靠度越低。 “规定条件”则是指正常设计，正常施工及正常使用，不考虑人为错误或过失因素。 2.建筑结构耐久性与安全性设计方法 2.1 耐久性设计方法 工程结构的功能应满足安全性、适用性和耐久性三方面要求，因此，耐久性极限状态应该成为设计原则之一。耐久性设计目标是保证结构的使用年限，设计使用寿命与设计标准的设计标准期似应不完全相同，重要的建筑结构设计使用寿命应该长一些，如英国标
4、准（British Standard Guide 1991）建议的设计使用寿命，对重大的纪念性建筑是120 年，对公共建筑是60 年。对耐久性设计如何建立耐久性极限状态方程，目前尚有不同看法： 2.1.1 耐久性设计实用方法 日本东京大学罔村甫教授提出耐久性设计应全面考虑材料质量、施工程序、结构构造等。在一定环境中正常工作，在要求的期限内不要维修的条件 SPTP 式中 SP环境指数 SP= So+SP； 3TP耐久性指数 TP =50+TP（i，j） 。 环境指数 SP 的取值是以一个在中等环境条件下工作的混凝土结构，若有 95%把握不需维修，取一个 SP 初值 S0=100；根据使用环境不同
5、对环境指数增值，如在含有氯化物环境中，视其腐蚀作用大小，可取SP=4070；有冻融作用时，可取SP=1070 等等。 耐久性指数 TP 是反映设计施工各工序（序号为 i）中影响耐久性的诸因素（序号为 j） ，分别赋予不同数值然后叠加，如视混凝土材料（i=1）中骨料含水率（j=8）不同，可分别取 TP(1,8)=8-15 等。 上述设计方法简单实用，日本土木学会 1989 年制定的“混凝土结构耐久设计准则（试行） ”的基本方法与上述方法相同，这本准则的参数取值主要依据经验，缺乏严格的定量分析，对疲劳、腐蚀性影响等也缺少规定，此法能起到一定宏观控制作用，而与安全性、适用性的以近似概率为主的极限状态
6、设计方法不相协调。 2.1.2 耐久性极限状态设计法 设计原则是在使用寿命内抵抗环境作用的能力大于环境对结构作用的效应，即满足 FR 式中 F环境作用效应； R结构构件抵抗环境作用的能力。 按环境类别确定环境作用效应，将工作环境划分为大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境和特殊工作环境等 6 类。 根据结构工作环境状况，确定耐久性极限状态极其标志，对大气环4境下的混凝土结构耐久性极限状态分为：对不允许钢筋锈蚀的结构构件（如预应力钢筋、直径较小的钢筋、结构塑性铰区的主筋、地问下受拉主筋等） ，以混凝土炭化达到主要钢筋表面为耐久性极限状态标志；对允许有限锈蚀的构件，以钢筋截面质量损失率达
7、 1%作为耐久性极限状态的标志。 2.1.3 基于近似概率法的极限状态设计法 耐久性设计包括计算和构造部分。计算部分与现行混凝土结构设计规范设计方法相协调，引入耐久性设计概念，其表达式为： SR 式中 S内力设计值； R构件抗力设计值； 耐久性设计系数，为构件经 t 时刻后的可靠指标 （t）的函数，=f（t），用蒙特卡罗法根据可靠性数学及规范给出 =0/0+t-(t) 式中 0现行设计规范公式的可靠指标； t在 t 时刻要求的可靠指标确定值； (t)随时间增长，结构构件抗力 R 将下降，假定主要由混凝土强度和钢筋强度降低引起，经统计回归求得某地某种结构构件经 t 时刻后的可靠指标。 2.2 安
8、全性设计方法 2.2.1 建筑适灾法 建筑适灾法是与工程结构防灾理论相对应、相互补的一种建筑防灾5规划设计理论，主要适应于建筑学和城市规划学领域的防灾规划设计。它通过规划(如选址与布局等)和建筑设计(如形体设计与组合等)，避免或减轻灾害的不利影响，并为工程结构防灾设计提供有利的先决条件。就指导思想而言，建筑适灾法重在顺应自然，避免灾害环境的危害。建筑学作为人居环境科学的重要领域，从人与环境关系的高度、从可持续发展的高度研穷人造生存空间环境，是未来建筑学的重要拓展方向。在人居环境和人类可持续发展进程中，灾害作为一种极端不利的因素，严重威胁与制约着人类的生存与发展。建筑适灾法在设计上的具体应用有以
9、下几方面： （1）建筑基地的选择 注重宏观决策，选址趋吉避害，是中国建筑的优秀传统，它可以从整体上减轻或避免灾害，但现实中理想的“风水宝地”毕竟少有，多数建筑基址存在某些缺陷，通过对地形、地貌、地物进行适当的改造可以补其不足，化险为夷。 （2）建筑组群及单体造型设计 我国各地风格迥异的传统民居，诸如黄土高原的窑洞、内蒙草原的毡包、海南的船型屋等等，堪称建筑形体适应灾害环境的楷模。现代建筑在设计中通过空间造型的处理，组织自然通风、防烟排烟也是适灾法的应用之一。 ” （3）结构构造“以柔克刚” “以柔克刚”本质上是一种“以退为进“的适灾法，通过吸收转化灾害能量，避免建筑发生破坏。 “以变应变”是指
10、以变化的结构构造，适6应变化的灾害环境。宋代开封的开宝寺培，为防御长年累月的西北大风，建造时有意将塔倾向西北，以期“吹之不百年当正” 采用的是另一种”以变应变”方法。 止， ”采用的是另一种”以变应变”方法。 （4）主次有别、保本弃末 为提高防灾投入的效益，应按建筑的重要性、危险性对不同的建筑类型以及同一建筑的不同部分采用不同的安全设计标准。首先确保人的安全，其次尽量减少财产损失，大量性的低标准公共建筑尤应采用此法。 （5）就灾取材、物尽其用 按受灾类型和程度，在建筑的不同部位采用不同材料，可以充分发挥其防灾性能。例如，西南一些地区传统民居的墙体，就地取材、物尽其用，基础用石材，上部用内央竹条
11、的夯土或土坯，墙面石灰抹灰，能够很好的防潮。又如。微州民居的封(风)火山墙做法，在产生丰富多彩艺术效果的同时很好的起到了防火作用。总的来说，传统建筑材料的组合有外砖石内木构(防风雨)、下砖石上木构(防洪涝)、木构与砖石相间(防火)、木构与砖石相分(防震)等方式。 2.2.2 工程控制法 工程控制法是在进行设计时充分考虑致灾因子的影响程度而进行设防，包括工程加固以及避灾空地和避灾工程、避灾通道建设等。它是通过改变灾害环境(如兴建堤坝等)和提高工程结构抗灾能力(如抗震、抗风设计等)实现安全目标，是在确定的灾度和可靠度指标下进行的。与建筑7适灾相对，工程控制法重在改造自然、创造出安全的人居环境。由于
12、建筑设计与结构设计的分工，工程控制通常由结构专业负责，这里不做重点讨论。 在建筑的具体安全设计中，建筑适灾法与工程控制法应相辅相成，互为补充。应该按照不同情况、不同要求，综合采用上述方法，共同提高建筑的安全性能。 结语 建筑结构的耐久性与安全性问题是一个涉及环境、材料、结构设计、施工等等多种因素的复杂问题，要解决好这个问题需进行多方面的工作。在设计、施工、监理等各个环节上都给予足够的重视，从而使建筑结构的耐久性与安全性达到施工标准。 参考文献： 1陈肇元土建结构的安全性与耐久性M.中国建筑工业出版社,2003. 2王跃结构设计的新思路概念设计J.工业建筑，2007(12). 3焦东轶.浅析土木建筑工程结构的安全性与耐久性设计J.科技创新导报，2009（7）.
