工程结构的安全性与耐久性演讲人 : 丁彦芳指导老师 : 赵少伟 概念； 工程结构的安全性 工程结构的耐久性 改善工程结构安全性和耐久性的重 要途径一、概念 工程结构的安全性：结构及其构件在荷载等 各种可能出现的外加作用下防止破坏倒塌， 保护人员设备不受损伤的能力 工程结构的耐久性：结构及其构件在环境作 用下能够长期维持其所需功能的能力二、工程结构的安全性 结构外加作用与结构设计 1.外加作用 2.结构设计采用极限状态设计方法 3.对于结构设计，要注意的事项 构件承载力的安全设置水准 整体牢固性 环境作用二、工程结构的安全性 (一)结构外加作用与结构设计 1.外加作用：一般作用、偶然作用、导致结 构材料性能劣化（如钢材与锈蚀，混凝土腐 蚀）的环境作用或环境影响。 2.结构设计采用极限状态设计方法 结构及其构件在其设计使用年限内，必须具 有适当的安全储备（安全系数方法中）或适 当的可靠度（可靠度方法中），应满足下列 三个方面的基本功能要求：二、工程结构的安全性 (1) 在一般作用或环境作用下满足正常使用的适 用性要求； (2) 在可能出现的一般作用和规定的偶然作用下 ，有足够的承载力，能够抵抗倒塌等严重破坏； (3) 在可遇见或不可遇见的偶然灾害作用下或 受到重大人为影响时，结构不应发生与其初始原 因不相称的严重破坏后果，即整体牢固性和鲁棒 性。二、工程结构的安全性 3.对于结构设计，要保证结构的安全性，就必须 做到: (1)在可能发生的一般作用与规定的偶然作用下， 结构的每一构件(如梁、板、柱及其连接）都具有 足够的强度和稳定性，即构件在承载力上的安全 性； (2) 结构必须有整体牢固性，无论天灾人祸，结 构都不应该发生与其不相称的严重破坏后果；二、工程结构的安全性 (3)在环境作用下，结构材料性能的劣化， 应控制在可接受的程度内。 注：对于混凝土结构的设计，主要考虑的极 限状态有承载力极限状态(与构件的安全性 相应)和正常使用时的变形极限状态与裂缝 极限状态。二、工程结构的安全性 (二)构件承载力的安全设置水准 1.在结构设计规范中，按承载力极限状态设计的 一般计算式为： 材料强度的标准值无论在可靠度或者安全系数的 极限状态设计方法中，目前多普遍采用95%保证率 的材料强度作为标准值。二、工程结构的安全性 2.分项系数与安全因数 (1)一般荷载作用下： 另一方面，我国规范在计算承载力时所规定的材料 强度分项系数比英美的相应安全系数低大约10%-15% ，总之，我国结构设计规范构件承载力安全设置水 准在国际上是最低的。办办 公 楼公寓住 宅房间间学校 教室学校 走廊剧剧院 门厅门厅餐 厅厅办办公楼 餐厅厅中 国1.51.52.02.53.02. 52.0美 国2.42.02.03.94.84. 84.8中国英国美国活荷载载分项项系数1.41.61.7永久荷载载分项项系数1.21.41.4二、工程结构的安全性 (2) 偶然荷载作用下，我国规范只要求在设 计规定的偶然事件发生时及发生后仍能保持 必需的整体稳定性（除特殊用途的建筑物外 ），并且只是规定地震作用与防火要求，并 不考虑可能的爆炸、撞击与严重人为错误以 及比规范规定烈度更大的地震出现时如何减 轻灾难性后果的要求。二、工程结构的安全性 (三)结构的整体牢固性 对于结构的整体牢固性，我国规范尚未能够提出 具体的分析方法与标准，只能通过合理地结构方 案与结构布置以及可靠的构造措施加以保证二、工程结构的安全性 (四)环境作用 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）应注意防止混凝土与钢筋 的侵蚀，防止混凝土顺筋开裂。三、工程结构的耐久性 我国混凝土结构耐久性现状 我国工程耐久性不足的主要原因： 1.设计标准过低； 2.施工进度的不适当要求； 3.缺乏正常的检测与维修； 4.混凝土与钢筋材料的劣化。三、工程结构的耐久性 (一)我国混凝土结构耐久性现状三、工程结构的耐久性 (二)我国工程耐久性不足的主要原因 1.设计标准过低； 美国ACI规范中的保护层厚度是对最外层的钢筋（ 一般是指箍筋或者分布筋）而言的，而我国规范 中所指的则为最外层主筋。配筋混凝土中国美国ACI规规范美国BS规规范混凝土最低强度 等级级C15C25C30(C25)露天环环境下抗碳 化锈蚀锈蚀 的保护护 层层厚度C25 板20mm ，梁 30mmC25 不分梁或板，受 雨淋一侧为侧为 38mm （当d16）C35 不分梁或板， 35mm 干湿交替时时C40 ，40mm三、工程结构的耐久性 2.施工工期 (1)快速施工中，结构的各种施工缝、连接缝和防 水层等影响结构耐久性的薄弱环节不易保证； (2)早强水泥的应用会降低结构耐久性。 3.缺乏正常的检测与维修 我国建设中存在一大误区：重新建轻维修，并将 二者截然隔离。 结构的耐久性需要正确的使用与正常的检测、维 修相配合。三、工程结构的耐久性 4.材料的劣化 环境作用下材料的劣化现象主要是钢筋锈蚀和混 凝土的腐蚀 钢筋的锈蚀:(1)如果养护不当，会引起混凝土的 碳化，当碳化发展到钢筋表面，钢筋就会发生锈 蚀；(2)近海洋环境或冬季喷洒除冰盐融化道路积 雪的环境中，氯盐会引起钢筋的锈蚀，这种破坏 远远超过碳化(3)保护层厚度不够三、工程结构的耐久性 混凝土的腐蚀：冻融腐蚀和化学腐蚀 (1)冻融破坏：a.饱和水的混凝土在冻融环境中容 易发生开裂剥落等损伤破坏，饱水程度不高的混 凝土不易受损伤；b.配置混凝土时加入化学引气 剂（可在混凝土体内产生封闭微细气泡）是防止 混凝土冻融破坏的最有效手段。 (2)化学腐蚀：主要来自周围水体和土体中含有硫 酸盐、碳酸等盐类和酸类化学物质的侵蚀。改善措施与方向改善措施耐久性安全性四、改善工程结构的安全性和耐久性主要途径 1.提高结构安全设置水准 2.完全结构的耐久性设计标准 (1)结构的设计使用年限与耐久性极限状态 (2)混凝土结构的耐久性设计 (3)摆脱技术规范的误区 (4)试用阶段进行定期的检测与维修。 3.桥梁结构的耐久性设计四、改善工程结构的安全性和耐久性主要途径 1.提高结构安全设置水准 a.提高抗灾能力； b.适当提高结构设计荷载的标准值和结构构件 承载力的安全设备。四、改善工程结构的安全性和耐久性 主要途径 2.完全结构的耐久性设计标准 (1)结构的设计使用年限与耐久性极限状态 设计使用年限和设计基本周期 技术使用寿命 功能使用寿命 经济使用寿命四、改善工程结构的安全性和耐久性 主要途径 (2)混凝土结构的耐久性设计 a.明确结构及其构件的设计使用年限； b.根据不同的劣化机理和环境条件进行细化分类 ，然后针对不同的设计使用年限和不同的劣化机 理下的局部环境条件类别规定有关的材料、结构 构造和裂缝控制措施、施工质量控制和质量保证 的要求；四、改善工程结构的安全性和耐久性 主要途径(3)技术规范误区误区一：目前结构设计中考虑强度多而考虑耐 久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状 态；误区二：人们只满足于规范对结构强度计算上 的安全度要求，而忽视从结构体系、结构构造、 结构材料、结构维护、结构耐久性以及设计、施 工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面保 证结构的安全性四、改善工程结构的安全性和耐久性 主要途径3.桥梁设计时的改进和方向 (1)重视桥梁耐久性设计问题：结构的耐久性研究应用灰色 分析法（从定性分析向定量分析的发展）； (2)重视对疲劳损伤的研究：桥梁所用材料并非均匀和连续 的，并且车辆荷载和风荷载都是动荷载，这对结构的整体 牢固性要求较高； (3)重视桥梁的超载问题：能够引发桥梁的疲劳问题；由于 超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷 载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和 耐久性 设计使用年限：设计规定的一个时期，在这一规定 时期内，只需进行正常的维护而不需进行大修就能 按预期目的使用，完成预定的功能，即结构在正常 设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的使 用年限。 设计基准周期：是为确定可变作用及与时间有关的 材料强度、有关的材料性能取值而选用的时间参数 ，建筑设计所考虑的荷载统计参数，都是按设计基 准期为50年确定的。 注：设计使用年限必须具有一定的保证率和安全度 ；而设计基准周期只是用来确定可变荷载的出现频 率与其作用值以及材料的强度参数的标准值，而不 考虑环境作用下与材料劣化相联系的耐久性要求。 技术使用寿命：是指结构的某种技术性能（如承 载力或者变形等）因材料性能劣化而不再满足要 求时的期限； 功能使用寿命：是指结构的使用功能发生了变化 （如桥梁行车能力增加或者建筑用途改变）因而 无法继续使用时的期限； 经济使用寿命：是指结构由于经济效益考虑（继 续修理使用还不如拆除重建更为经济）而不再使 用的期限。 但是结构耐久性设计中提到的设计期限是技术 使用寿命