工程结构的安全性与耐久性

1. 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的作用下防止破坏倒塌、保

护人员设备不受损伤的能力。

2. 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。

3. 结构设计需要考虑的各种外加作用主要有三类：（1）一般作用；包括自重、使用荷载、

风载、雪载等一般性的永久荷载和可变荷载的直接作用以及施加于结构上的强制变形等间接作用。（2）偶然作用；主要指地震、爆炸、火灾等灾害作用，严重人为错误的后果也可列入这一范畴。（3）导致结构材料性能劣化（如钢筋锈蚀、混凝土腐蚀）的环境作用或环境影响。

4. 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），满足三个方面的基本功能要求：（1）在一般作用和环境作用下能满足正常使用的实用性要求，与之相应的极限状态即为实用性极限状态或正常使用极限状态；（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（最大极限承载力或最大抗力，有时也可为不适于继续承载时的最大极限变形）能够抵抗倒塌或类似倒塌那样的严重破坏，与之相应的极限状态是承载力极限状态；（3）在可预见或不可预见的偶然灾害作用下或受到重大人为错误影响时，结构不应发生与其初始原因的严重破坏后果，即结构应有的整体牢固性或鲁棒性，或者说，如果偶然作用在开始时本来只造成局部破坏，就不应该引发大范围的连续倒塌。

5. 由于结构安全性是防止破坏倒塌的能力，严格说来应该与构件的极限承载力或最大抗力

相联系，后者虽然在很大程度上取决于材料的强度，但尚与结构及其材料在承载力极限状态工作时的塑性行为有关，所以容许应力设计方法并不能准确反映结构的安全性。

6. 我国对于混凝土结构设计，与欧洲规范相似，主要考虑的极限状态有才承载力极限状态

（与构件的安全性相关）和正常使用极限状态（与构件的适用性相关），包括变形极限状态和裂缝极限状态。

7. 保证结构的安全性必须做到：（1）在可能发生的一般作用和规定的偶然作用下，结构的

每一构件（如梁、板、柱及其连接）都要有足够的强度和稳定性，即构件在承载力上的安全性；（2）结构必须具有整体牢固性，无论天灾人祸，结构都不应发生与其初始原因不相称的严重破坏后果；（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。

构件承载力的安全设置水准

1. 我国规范规定的建筑物楼层荷载标准值通常比美英的低，我国规范规定一般使用荷载

（活荷载）的荷载（安全）系数为1.4，而英国为1.6，美国为1.7，于是同样的办公室，按我国规范设计时所依据的楼层使用荷载值（标准值与分项安全系数的乘机）只有英国的百分之五十二点八，美国的百分之五十一点五。我国规范规定自重等永久荷载的分项系数只有1.2，而英美等过为1.4，为后者的百分之八十五。另一方面，我国规范在计算构件承载力时所规定的材料强度分项系数又比英美的相应安全系数低约百分之十到百分之十五。这就是说，按美英规范设计出来的办公室楼层构件，其承受使用荷载（活荷载）的能力要比按我国规范设计的大出一倍以上。再看公路桥梁的设计的安全设置水准，就30米跨度简支梁桥为例，在考虑使用荷载和材料强度的各自分项系数或安全系数（我国桥梁规范的车辆荷载系数为1.4，低于美国的1.75和英国的1.73，同时材料强度的系数也定的较低）之后，同一桥梁按照我国规范设计给出的对于车辆使用荷载的实际承载力，仅为美英规范的百分之六十八和百分之六十，这一结果还没有考虑其他因素对安全水准的影响，例如，美国桥梁规范考虑到简支梁桥没有冗余度，尚需额外提高安全系数百分之十，在预应力混凝土梁的抗剪能力计算上，我国规范给出的公式也偏于不安全。

2. 一般荷载作用下的安全水准定得过低，同样会影响到结构的抗灾能力和偶然作用下的安

全性。由于楼层的使用荷载标准值定得较低，则在同样的抗震设防烈度或地震加速度下，结构据以设计的作用于楼层的地震力也就小了。规范规定的混凝土保护层最小厚度，有些并不足以保护钢筋在火灾高温下能够在规定时间内免遭强度损失。

3. 对于一般荷载作用下的安全设置水准定得过低，还是得结构材料在正常使用的状态下的

工作应力提高，有时也会给结构长期使用的适用性带来负面影响。对于永久荷载（自重）占全部荷载很大比例的大跨公路桥梁来说，由于混凝土长期承受过高的工作应力，会出现过大的变形徐变、挠度或位移持续上升，引发混凝土开裂。

4. 尽管安全水准低，但国内有些工程，其材料用量反而高于国外同类工程，主要问题在于

设计墨守成规，在结构方案、材料选用、分析计算、结构构造上缺乏创新。

结构的整体牢固性

1. 冗余度：当结构构件某处出现破坏后，原来承受的荷载能够转而通过别的途径传递。

2. 对于结构的整体牢固性，我国规范尚未能提出具体的分析方法和标准，只能依靠设计人

员通过合理的结构方案与结构布置以及可靠的构造措施加以保证。我国结构设计规范强调单个构件承载力的计算，很少提及整体牢固性的具体要求。英国规范提出了房屋结构应能承受作用于每层楼板位置的假想的水平荷载，以增强房屋的侧向刚度，并要求所有房屋结构都必须设置周边和内部的水平与竖向的拉结筋；对5层以上的房屋，要求即使移去其中的任意梁、柱等构件，也不至于发生超出局部范围以外的破坏。

3. 一般作用下的承载力极限状态与偶然灾害下作用下的极限状态并不一定相同，以两端固

定的混凝土梁为例，当最大受弯截面的受拉钢筋屈服，接着压区混凝土应变逐渐增加到极限值并开始剥落，这就是一般作用下的承载力极限状态。而偶然极限状态还可以考虑更大的破损变形知道构件濒临倒塌；由于固端梁由于支座的水平位移受限，当构件发生较大的水平变形时，会在支座处产生水平推力，使梁的受弯截面受到纵向压力而提高承载力(拱作用)，当截面压区混凝土不断破碎，梁的承载力逐渐下降并出现很大挠度后，梁内的上下纵向钢筋继而转变成拉索（悬索作用），这样梁的承载力又会进一步上升到更高的数值，直到钢筋的应力达到极限强度被拉断为止。

4. 当钢筋锈蚀发展到一定程度后会胀裂钢筋外侧的混凝土保护层发生顺筋开裂，这种状态

虽然不至于影响结构的承载力安全性，但已损害到结构的适用性，除非进行修复，否则就不可能正常使用，所以耐久性的问题主要属于正常使用极限状态下的适用性范畴。

工程结构的耐久性

1． 混凝土的腐蚀主要有冻融破坏和化学腐蚀，配置混凝土时加入化学引气剂可以在混凝土

体内产生大量的封闭微细气泡，是防止混凝土冻融破坏的最有效手段。

2． 钢筋混凝土的种种劣化过程，都需要有水的参与或以水为媒介。为了阻止水分、氧气、

二氧化碳等气体和盐、酸等有害物质侵入混凝土内部，最根本的措施就是增加混凝土材料自身的抗侵入性或抗渗性，并增加混凝土保护层的厚度，以延缓有害物质到达钢筋位置的时间。

3． 在水化良好的低水灰比浆体中，毛细孔隙的尺寸在0.01-0.1微米的范围内，而在高水灰

比的早期浆体中，毛细孔隙的最大尺寸可超过5微米，孔隙的总体积可占整个浆体的百分之四十以上。尺寸大于0.05微米的毛细孔隙被认为对强度和抗渗性有害。

4． 混凝土的抗侵入性或抗渗性主要取决于毛细孔隙的孔径分布和孔隙率等孔结构特征。加

入大量矿物掺合料能有效抑制硫酸盐、酸、碱-骨料反应等化学腐蚀，并能显著提高混凝土抗氯盐侵入能力。矿物掺合料与水泥水化产物中的氢氧化钙发生化学作用（火山灰反

应）后生成的产物可以进一步改善混凝土的微结构并消耗部分的不利于混凝土强度和化学稳定性的氢氧化钙。

5． 扩撒：流体中的自由分子或离子通过无序运动从高浓度区到低浓度区的净流动，其驱动

力是浓度差。

吸收：毛细孔隙表面张力引起的液体传输。

渗透：在压力差的驱动下而产生的流体运动。

5. 混凝土碳化需要有一定的水分，如环境过于干燥，碳化也不会发生。没有足够的水分和

气供给，钢筋即使因混凝土碳化而脱钝，也不会发生持续的锈蚀。所以对钢筋而言，最易发生锈蚀的环境条件是干湿交替。所以海洋环境中，氯离子向混凝土内部扩散的速度较快，但因缺氧，钢筋不易锈蚀。环境温度对锈蚀速度也有重大影响。

6. 外界的水或水溶液在压力驱动下渗透到混凝土内部的情况比较少见，这种现象主要发生

在高水头下或水下混凝土的表层出。

我国混凝土结构的耐久性现状

1. 相对于房屋建筑而言，对于露天状况下的桥梁耐久性与病害状况要严重得多。

2. 隧道的衬砌机构多用素混凝土构筑，不存在钢筋锈蚀问题。衬砌的渗漏、裂损和腐蚀主

要是由于混凝土强度等级过低等设计缺陷，导致钢轨锈蚀、道床翻浆、电力牵引设备漏电而危害正常运行。

3. 耐久性不足的原因：设计标准过低、施工进度的不适当追求、缺乏正常的检测与维修。

4. 我国规范主要考虑的是荷载作用下结构强度的安全性需要，对于长期使用过程中由于环

境作用引起材料性能劣化的影响，则被置于次要和从属地位。

5. 水泥强度的不断增加靠的是提高水泥中的早强矿物成分和增加水泥的细度，结果导致水

泥水化产物的内部微结构和后期强度发展不良，对耐久性带来不利影响，而水泥强度的增加有使低强度等级混凝土的水灰比得益提高，降低了这种混凝土的密实性和抗渗性，所以今天的低强度混凝土，其耐久性要比几时年前同样强度的混凝土差得多。

6. 我国规范规定的混凝土保护层厚度远小于英美等国，由于混凝土碳化从构件表面向里扩

散到钢筋表面的年限大概与保护层厚度的平方成正比，这样按照我国规范设计的主筋开始出现锈蚀的年限，大概短到只要按英美规范的四分之一。

7. 过薄的混凝土保护层厚度，过低的的混凝土强度等级，过高的水灰比，有时又采用过细

的钢筋，这些在结构设计上的先天不足，无疑是我国混凝土结构特别是露天结构过早化破损的最主要原因。

8. 施工养护不良对于大尺寸构件的承载力不会有太大的影响，因为强度受到损失的主要是

表层混凝土，而内部混凝土因始终处于潮湿状态，尚不至于受到明显损害。但养护不良可使表层混凝土抵抗空气渗透的能力成倍降低。

9. 规范规定保护层厚度的施工允许误差一般为5-10mm，对于构件的承载力不会产生很大

的影响，但对耐久性却至关重要，所以从耐久性要求考虑，对于施工图中的保护层厚度名义尺寸，应该额外加上施工负误差。

改善工程结构安全性与耐久性的主要途径

1.合理的结构安全设置水准，应该是结构所承担的风险损失与社会(或业主)所能提供的经济实力之间达到某种平衡的结果。

2.设计基准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强度参数的取值，而不是考虑环境作用下与材料劣化相联系的耐久性要求。设计使用年限与设计基准期是两种不同的概念，虽然从表面上看，两者的数值往往相同。设计使用年限必须具有一定的保证率

或安全度而基准期则不是。

2.技术使用寿命：结构的某种技术性能（如承载力或变形）因材料性能劣化而不再满足要求时的期限。

功能使用寿命：当结构的使用功能发生了变化（如桥梁行车能力增加或建筑物用途改变）因而无法继续使用时的期限。

经济使用寿命：当结构由于经济效益考虑（如继续修理使用还不如差拆除重建时经济）而不再使用时的期限。

3.结构的设计使用年限或使用寿命：结构竣工后，在设计预定的使用和维修条件下，其安全性和适用性均能满足原定设计要求的期限。

4.结构的可修复性：结构及其构件受到损害后能够经济合理地进行修复的能力，材料的劣化或腐蚀程度愈深，修复的费用和难度就越大，因此劣化程度易设定在较轻的范围内。

5.土建工程的设计使用年限是对主体结构而言的，由于技术条件所限或局部环境特别严酷，结构个别部件的使用年限可能达不到这一要求而需在使用过程中更换。

6.横向裂缝宽度如果不是太大（如不大于0.4mm）对碳化引起的钢筋锈蚀没有大的影响，裂缝宽度大小与钢筋锈蚀发展速率和锈蚀程度之间并无直接联系。沿着钢筋表面发生的顺筋纵向裂缝则完全相反，它使水、氧等参与锈蚀反应的物质长驱直入，极大加速钢筋的锈蚀。而预应力筋在应力腐蚀下的锈蚀素的快，对裂缝宽度的限制也要严格的多。

7.混凝土抗氯离子侵入的能力虽水胶比降低而提高，可是过低的水胶比（如小于0.36）在施工过程中容易开裂，质量控制比较复杂，而混凝土的耐久性更需要施工质量的保证，这就要综合权衡而定。

8.混凝土冻融的外部因素：冻融循环次数、最低温度及冻结期限、混凝土表面接触水体或受雨淋的程度等。