?? 三)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的概率可靠度設(shè)計方法
??? 自1984年國家建委和國家建設(shè)部頒布了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準以來,我國的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已從80年代末期起拋棄了傳統(tǒng)的多安全系數(shù)設(shè)計方法,從而統(tǒng)一采用以概率理論為基礎(chǔ)的可靠度設(shè)計方法;其它的工程部門如公路、鐵路、港口、水利的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范也正在或計劃作這樣的轉(zhuǎn)變。我國規(guī)范的可靠度設(shè)計方法是參考國際上的相應(yīng)標準ISO2394并經(jīng)過國內(nèi)科技人員努力后得以實施的。將可靠度設(shè)計方法用于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,在國際學(xué)術(shù)界內(nèi)通常被看成是一種發(fā)展趨勢,但在工程內(nèi)界則存在不同看法。盡管有了ISO2394,國外卻鮮有重要或著名的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已直接采用了可靠度設(shè)計方法,至今仍采用多安全系數(shù)設(shè)計方法或稱荷載抗力系數(shù)法。在我國,對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的可靠度設(shè)計方法以及企圖將我國各個行業(yè)的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范都用可靠度方法統(tǒng)一起來的做法,雖然工程設(shè)計界頗有微詞,但學(xué)術(shù)界持贊成和肯定者是主流,不過仍不時有人對可靠度方法用于設(shè)計規(guī)范的適用性提出質(zhì)疑。這次科技論壇上則較為集中地反映了對規(guī)范可靠度方法的意見分歧。
??? 對我國規(guī)范的可靠度設(shè)計方法持肯定意見的專家認為這是重大的科技進步,可靠度方法對安全度的概率定義要比定值的安全系數(shù)更清晰、更科學(xué)、更合理,當(dāng)然概率可靠度設(shè)計方法本身尚有不少缺陷,有待進一步修改完善。持相反意見的人則認為,結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范所面向的是類型多樣的復(fù)雜群體,在安全度上需要考慮的不確定性與不確知性非常復(fù)雜,并不是“從統(tǒng)計數(shù)學(xué)觀點出發(fā)的概率定義”所能科學(xué)描述或處理;規(guī)范可靠度方法在我國十多年的實踐表明,它并沒有給結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性帶來明顯實效,反而造成了安全概念上的某些混亂;對工程技術(shù)人員來說,結(jié)構(gòu)的安全度用可靠指標和虛假的失效概率表達后變得更加不可揣摩和模糊不清,不如安全系數(shù)那樣從安全儲備出發(fā)的度量方法更為直觀和便于處理具體工程的安全問題;現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中的可靠度方法很不成熟,存在不少根本缺陷;他們認為半概率的多安全系數(shù)方法更適用于規(guī)范,也不排斥可靠度分析的結(jié)果可以作為一種參考,在綜合判斷安全系數(shù)的合理取值時予以考慮。
??? 二.土建結(jié)構(gòu)工程的耐久性
??? 土建結(jié)構(gòu)工程的耐久性與工程的使用壽命相聯(lián)系,是使用期內(nèi)結(jié)構(gòu)保持正常功能的能力,這一正常功能包括結(jié)構(gòu)的安全性和結(jié)構(gòu)的適用性,而且更多地體現(xiàn)在適用性上。
??? 一)土建結(jié)構(gòu)工程的耐久性現(xiàn)狀
??? 大多數(shù)土建結(jié)構(gòu)由混凝土建造?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是當(dāng)前困擾土建基礎(chǔ)設(shè)施工程的世界性問題,并非我國所特有,但是至今尚未引起我國政府主管部門和廣大設(shè)計與施工部門的足夠重視。
??? 長期以來,人們一直以為混凝土應(yīng)是非常耐久的材料。直到70年代末期,發(fā)達國家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基礎(chǔ)設(shè)施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過早損壞。美國許多城市的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的時期內(nèi)就出現(xiàn)劣化;據(jù)1998年美國土木工程學(xué)會的一份材料估計,他們需要有1.3萬億美元來處理美國國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施工程存在的問題,僅修理與更換公路橋梁的混凝土橋面板一項就需800億美無,而現(xiàn)在聯(lián)邦政府每年為此的撥款只有50~60億美元。另有資料指出,美國因除冰鹽引起鋼筋銹蝕需限載通行的公路橋梁已占這一環(huán)境下橋梁的1/4。發(fā)達國家為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性投入了大量科研經(jīng)費并積極采取應(yīng)對措施,如加拿大安大略省的公路橋梁為對付除冰鹽侵蝕及凍融損害,鋼筋的混凝土保護層最小厚度從50年代的2.5cm逐漸增加到4cm、6cm直到80年代后的7cm,而混凝土強度的最低等級也從50年代的C25增到后來的C40,橋面板混凝土從不要求外加引氣劑、不設(shè)防水層到必須引氣以及需要設(shè)置高級防水膠膜并引入環(huán)氧涂膜鋼筋。而我國遭受鹽凍侵蝕地區(qū)的公路橋梁在耐久性設(shè)計方面至今仍無明確要求,對混凝土保護層和強度的要求僅為2.5cm與C25,與上面提到的加拿大50年代水準一致。國內(nèi)按這種標準設(shè)計一座大橋,建成后僅8年,由于鹽凍侵蝕,現(xiàn)已不得不部分拆除重建。
??? 我國建設(shè)部于80年代的一項調(diào)查表明,國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25~30年后即需大修,處于嚴酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15~20年。民用建筑和公共建筑的使用環(huán)境相對較好,一般可維持50年以上,但室外的陽臺、雨罩等露天構(gòu)件的使用壽命通常僅有30~40年。橋梁、港工等基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性問題更為嚴重,由于鋼筋的混凝土保護層過薄且密實性差,許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂。海港碼頭一般使用十年左右就因混凝土順筋開裂和剝落,需要大修。京津地區(qū)的城市立交橋由于冬天灑除冰鹽及冰凍作用,使用十幾年后就出現(xiàn)問題,有的不得不限載、大修或拆除。鹽凍也對混凝土路面造成傷害,東北地區(qū)一條高等級公路只經(jīng)過一個冬天就大面積剝蝕。我國鐵路隧道用低強度的C15混凝土作襯砌材料,密實度和抗?jié)B性差,不耐地下水與機車廢氣侵蝕,開裂與滲漏嚴重;對幾個路局所轄的隧道進行抽樣調(diào)查表明,漏水的占50.4%,其中1/3滲漏嚴重,并導(dǎo)致鋼軌等配件銹蝕以及電力牽引地段漏電,影響正常運行,而1999年頒布的鐵路隧道設(shè)計規(guī)范仍未能對隧道的耐久性問題采取適當(dāng)?shù)膶Σ?如適當(dāng)提高混凝土的最低強度等級和在混凝土中摻入化學(xué)纖維等。
??? 耐久性問題的嚴重性和迫切性在于我們許多正在建設(shè)的工程仍未吸取國際和國內(nèi)的大量慘痛教訓(xùn),還沿著老路重蹈覆轍。一些北方城市新建成的立交橋和高速公路橋,仍沒有在材料性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面采取必要的防治凍融和鹽害的綜合措施。甚至大型工程如2000年投入運行的珠海蓮花跨海大橋,其主體結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)仍采用不耐海水干濕交替侵蝕的C30混凝土與3~4cm厚的保護層厚度。
??? 有專家估計,我國“大干”基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的高潮還可延續(xù)20年,由于忽視耐久性,迎接我們的還會有“大修”20年的高潮,這個高潮可能不用很久就將到來,其耗費將倍增于當(dāng)初這些工程施工建設(shè)時的投資。
??? 使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題進一步加劇的原因有:
??? 1) 由于混凝土的質(zhì)量檢驗習(xí)慣上以單一的強度指標作為衡量標準,導(dǎo)致水泥工業(yè)對水泥強度的不適當(dāng)追求,使水泥細度增加,早強的礦物成份比例提高,這些都不利于混凝土的耐久性。我國對水泥質(zhì)量的檢驗在強度上只要求不低于規(guī)定的最低許可值,而國外則同時還要求不高于規(guī)定的最高值,如果強度超過了也被認為不合格,這種要求還有利于水泥產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性。
??? 2) 工程施工單位不適當(dāng)?shù)丶涌焓┕みM度,尤其是政府行政領(lǐng)導(dǎo)對工程進度的不適當(dāng)干預(yù)?；炷恋哪途眯再|(zhì)量尤其需要有足夠的施工養(yǎng)護期加以保證,早產(chǎn)有損生命健康的概念同樣適用于混凝土。國內(nèi)媒體上大加宣傳的所謂幾個月就修成一條大路、建成一座大橋、或蓋成一幢高樓的工程以及搶工獻禮工程,很可能就是今后注定要花掉更多資金進行大修的短命工程。提前完成合同規(guī)定施工期的在國外要被罰款,因為意味著工程質(zhì)量有遭到損害的可能。
??? 3) 環(huán)境的不斷惡化,如廢氣、酸雨,我國的酸雨面積已超過國土的30% 。
??? 當(dāng)前迫切需要進行的工作是盡快編制橋梁、隧道、港工等基礎(chǔ)設(shè)施工程耐久性設(shè)計的技術(shù)條例,修訂補充現(xiàn)行規(guī)范中對結(jié)構(gòu)耐久性的要求。首先需要明確的是各種基礎(chǔ)設(shè)施工程的設(shè)計工作壽命,在重要工程的設(shè)計文件中必須有使用壽命的要求和論證。當(dāng)前在建的眾多工程在耐久性上之所以仍然沿著重蹈覆轍的道路走,很重要的一個原因是工程設(shè)計施工技術(shù)人員在耐久性上沒有可資遵循的新依據(jù)。更為嚴重的是現(xiàn)行規(guī)范中的有些條文,本身就對耐久性有害。為了提高混凝土耐久性,在混凝土中合理使用粉煤灰、礦渣等礦物摻合料是重要的技術(shù)手段,國外有的規(guī)范甚至規(guī)定在橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)中必須加入粉煤灰等摻合料,而我國的鐵路混凝土橋隧施工規(guī)范仍在明文禁止使用。此外,工程技術(shù)界還存在長期形成的一些過時的看法,對改善混凝土的耐久性能造成阻力。例如,顧慮會影響混凝土強度而不愿使用引氣劑,而引氣本應(yīng)作為改善混凝土耐久性和工作性的常規(guī)手段;又如,希望加大水泥用量來保證混凝土強度,而盡可能低的水泥用量本應(yīng)是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途徑。
??? 在修訂規(guī)范的耐久性要求上,交通部于2001年頒布的港工混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范已為其它土建工程行業(yè)起到較好的示范作用。我們一方面要參照國內(nèi)外已有的資料和經(jīng)驗,盡快編寫出相應(yīng)的設(shè)計施工技術(shù)文件以應(yīng)急需,另一方面則要安排系統(tǒng)的研究項目,加大耐久性研究工作的支持力度;混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是當(dāng)前國際上結(jié)構(gòu)工程學(xué)科最為重要的前沿研究領(lǐng)域之一,而我國在這一方面相當(dāng)落后?；炷恋哪途眯匝芯侩x不開原材料和環(huán)境等特定條件,需要考慮本國的特點,是不能完全依賴國外研究成果的。
??? 重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也是可持續(xù)發(fā)展的需要。生產(chǎn)混凝土所需的水泥、砂、石等原材料均需大量消耗國土資源并破壞植被與河床,水泥生產(chǎn)排放的二氧化碳已占人類活動排放總量的1/5~1/6,而我國排放的二氧化碳量已居世界第二。我國現(xiàn)在每年生產(chǎn)5億多噸水泥,與之相伴的是年耗20多億方的砂石,長此以往實難以為繼。延長結(jié)構(gòu)使用壽命意味著節(jié)約材料,而耐久的混凝土一般又應(yīng)是水泥用量較低和礦物摻合料(工業(yè)廢料)用量較高的混凝土,所以耐久的混凝土正適應(yīng)環(huán)境保護的需要。國際上對橋梁、隧道等土木工程的設(shè)計工作壽命多為100年,有的如英國為120年?？紤]到耐久性不足所造成的巨大經(jīng)濟損失和資源浪費,國際上近年來有要求將這些工程的最低工作壽命進一步延長的趨勢,如提出城市環(huán)境中的橋梁至少應(yīng)有150年。
??? 二)土建結(jié)構(gòu)工程使用階段的正常檢測與維護
??? 結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命的概念,與使用階段的檢測、維護和修理不能分割,對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程來說尤其如此。為了保證結(jié)構(gòu)安全性和耐久性,一些工程在建成后的使用過程中,應(yīng)該進行定期檢測和維護。我國有結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計規(guī)范與施工規(guī)范,但沒有如何使用的規(guī)范。有些工程倒塌事故,例如最近四川宜賓的南門大橋發(fā)生橋面坍落事故,就是因為橋面結(jié)構(gòu)與主拱之間的吊桿在連接處發(fā)生銹蝕,如果有定期的檢測要求,這樣的事故很有可能避免。有些國家對于結(jié)構(gòu)的損壞可能導(dǎo)致公眾安全的建筑物與橋、隧等公共工程,強制規(guī)定必須定期檢測;即使是建筑物的玻璃幕墻和外墻面磚等建筑部件,因其墜落后容易傷及公眾,也有強制定期檢測的要求。我國由于施工管理水平和事故操作人員的素質(zhì)相對較差,質(zhì)量控制與質(zhì)量保證制度不夠健全,規(guī)范對結(jié)構(gòu)安全與耐久性的設(shè)置水準又相對較低,已建的工程中往往存在較多隱患,所以更有必要從法制上確定土建工程的正常使用和定期檢測的要求。對于土建結(jié)構(gòu)工程的安全質(zhì)量,雖然政府已作出了設(shè)計與施工的責(zé)任單位和個人需對其“終身負責(zé)”的規(guī)定,但是這種要求執(zhí)行起來缺乏可操作性。要將結(jié)構(gòu)安全質(zhì)量事故減少到最低程度,還應(yīng)以預(yù)防為主,通過例行檢測及時發(fā)現(xiàn)問題。