土木工程建筑结构的安全性与耐久性研究

2023-12-27黄龙善

城市建设理论研究（电子版） 2023年35期

黄龙善

广西华信工程设计股份有限公司广西南宁 530000

1 土木工程建筑结构的安全性与耐久性的重要性

土木工程建筑结构的安全性直接关系到公众的生命财产安全。当建筑物发生失效或破坏，可能造成严重的人员伤亡和财产损失，甚至引发灾难性后果。因此，为了保障公众的安全，建筑结构必须经过严格的安全评估和设计。耐久性保证了建筑物能够在长期使用和各种环境作用下仍保持其稳定性和功能完整性。建筑结构的持久性减少了频繁维修和更换的需要，降低了资源消耗和废弃物产生，有利于推动社会朝着可持续发展的方向前进。同时，土木工程建筑结构作为城市化和工业化的基础设施，对于经济的发展和社会的进步至关重要[2]。高楼大厦、桥梁、隧道等基础设施的安全性和耐久性直接影响着城市的功能和运行。稳固耐久的基础设施为经济发展提供了可靠的支撑，为城市的繁荣奠定了坚实的基础。

2 土木工程建筑结构的安全性与耐久性常见问题

2.1 不合理的材料选择

如果选用了不符合设计要求或质量不合格的材料，结构的强度和稳定性可能会受到影响。建筑结构的设计是基于预期荷载和力学计算进行的，而材料的强度是保障结构抵抗这些力学作用的基础。如果选用的材料强度不足，可能导致结构在正常使用情况下都无法承受荷载，从而出现裂缝、变形或失稳等问题，甚至可能引发结构倒塌等严重后果。并且，土木工程建筑结构通常需要经受多种环境条件的考验，例如潮湿、高温、酸碱等。如果选用的材料不耐腐蚀或不适应特定的环境条件，结构可能会受到损害，加速老化，导致使用寿命缩短。这可能导致建筑物在较短时间内需要进行大规模的维修或更换，增加了维护成本和资源浪费。并且，在地震、风暴、洪水等自然灾害面前，强度不足或耐久性差的材料容易导致结构受损，增加事故发生的风险。

2.2 设计缺陷

土木工程建筑结构必须能够承受多种荷载，如自重、使用荷载、风荷载、地震荷载等。如果在设计中对这些荷载的作用及其组合没有进行准确的分析和考虑，结构可能会承受超出设计承载能力的力学作用，导致结构失效或破坏。并且，地质条件和环境影响是土木工程建筑结构设计必须考虑的重要因素。例如，在地质条件复杂的地区，如果未充分了解地质情况，可能导致基础不稳定，引发建筑物沉降或倾斜[3]。同时，环境因素如潮湿、高温、酸碱等也可能对材料和结构产生影响，如果未适当考虑这些因素，结构的耐久性和使用寿命将受到影响。另外，对于特定结构部件的脆弱性缺乏充分的认识也是导致设计缺陷的原因之一。例如，在地震高发区，某些结构部件可能对地震荷载非常敏感，如果未进行充分加强和优化设计，可能在地震发生时容易发生破坏，导致结构整体的失稳[1]。

2.3 不当的施工质量

施工标准是确保土木工程建筑结构质量的基础，涵盖了施工工艺、施工方法、质量要求等方面的规定。如果施工人员未严格按照施工标准进行施工，可能会出现混凝土浇筑不均匀、钢筋连接不牢固、焊接质量不合格等问题，影响结构的强度和稳定性。并且，施工监督是确保施工过程规范和质量达标的关键环节。如果施工监督不到位，施工人员可能得不到及时指导和纠正，施工中的错误可能得不到及时发现和解决。这将增加结构施工中出现质量问题的风险，对结构的安全性和耐久性造成潜在威胁。此外，施工过程中，需要严格按照工序进行，确保每个施工环节的质量得到保障。如果施工工序不当，可能导致结构构件之间的连接不紧密，裂缝产生或变形增加，从而影响结构整体的稳定性和耐久性。

2.4 自然灾害和外力冲击

地震是最为严重的自然灾害之一，地震产生的地面振动和地壳位移可以导致建筑物的倒塌、结构损坏、墙体开裂等严重问题。如图1所示。尤其在地震高发区，建筑物必须经过抗震设计，采取合适的抗震措施，以确保在地震发生时能够保持稳固，减少人员伤亡和财产损失。并且，风暴引发的强风可能导致建筑物受到极大的风载荷。若建筑物未经过抗风设计或抗风性能不足，可能出现屋顶被掀起、墙体倒塌等问题，严重时可能导致建筑物崩塌，造成严重的风灾损失。而且，洪水可能导致土木工程建筑结构受水侵蚀，地基不稳，墙体渗水等问题，严重时可能引发建筑物坍塌和内部设备损坏。此外，滑坡和泥石流可能导致地基沉降或移位，造成建筑物倾斜和结构破坏，增加结构的脆弱性。

图1 震后墙体开裂

3 土木工程建筑结构的安全性与耐久性优化策略

3.1 选用高质量可靠的建筑材料

高质量可靠的建筑材料能够提供更好的工程性能。例如，高强度钢材和高性能混凝土可以增加结构的承载能力，使建筑物在面对较大荷载和外力冲击时保持稳定。抗震设计要求采用高韧性材料，能够在地震发生时减缓结构的震动，减少损伤。选择适用于特定气候和环境条件的防腐材料，能够有效抵御潮湿、酸性、碱性等侵蚀，延长结构的使用寿命。并且，优质的材料具有更好的可塑性和可加工性，有利于施工人员进行精确的测量、切割和连接，减少施工中的误差和缺陷。精确的施工过程能够确保结构的稳固性和完整性，从而提高土木工程建筑的整体安全性。同时，低质量或不可靠的材料容易受损，导致建筑结构早期失效，需要更频繁的维修和更换。这不仅增加了维护成本，还对资源的消耗和环境产生不必要的负担。相比之下，高质量的材料具有更长的使用寿命，能够延长土木工程建筑结构的寿命，降低资源浪费和环境影响。最后，在全球气候变化和自然灾害频发的背景下，具备耐久性的建筑材料可以更好地应对极端气候事件和自然灾害，减少损失和危险。此外，高质量的材料有助于保持建筑物的功能和价值，提升建筑的竞争力，为人们提供更加安全、舒适和可靠的生活环境[2]。

3.2 强化结构设计与分析

采用先进的结构设计方法，如计算机辅助设计（CAD）和建筑信息模型（BIM），能够使工程师更加准确地模拟和分析建筑结构的受力性能。通过这些工具，工程师能够将建筑结构细化为数学模型，进行力学计算和仿真，从而预测结构在不同载荷下的变形和应力分布。这样一来，设计人员可以更好地了解结构的强度、稳定性和刚度，优化结构的形状和构造，以确保其在正常使用和极端情况下都能承受合理的力学作用。在结构设计过程中，必须考虑建筑物所承受的各类荷载，包括静态荷载（如自重、使用荷载）和动态荷载（如风荷载、地震荷载）。这些荷载的大小和作用方向对于结构的安全性和耐久性至关重要。工程师需要合理选择结构的截面尺寸、材料和连接方式，确保结构在不同荷载作用下不产生过大的变形和破坏。并且，在结构设计过程中，工程师需要充分了解地质条件，对地基进行合理的设计和处理，确保结构在不同地质环境下的稳定性。同时，采用模拟分析等技术是优化结构设计的重要手段。通过计算机模拟和数值分析，工程师可以对建筑结构进行全面、系统的评估和优化。模拟分析可以帮助工程师预测结构在不同条件下的受力性能，找出潜在的问题和薄弱环节，及时进行改进和调整。这样可以避免在实际施工后才发现问题，节约时间和成本，提高结构的安全性和耐久性。

3.3 提高施工质量与工艺

在施工前，需要制定详细的施工方案和施工计划，明确施工任务和工序，合理安排资源和人力。施工现场应设立专门的施工管理人员，负责监督和指导施工作业，确保施工按照设计要求和施工标准进行。同时，要加强安全生产意识，严格执行施工操作规范，做好安全防护措施，避免事故发生对结构造成损害。并且，对施工人员进行专业培训和技能提升是必要的。合格的施工人员应具备丰富的施工经验和专业知识，熟悉施工工艺和机械设备的操作。他们需要掌握各种施工工序的技术要领，以确保施工质量的可控和稳定。定期进行技能培训和知识更新，能够使施工人员紧跟行业最新发展，提高施工水平和质量。如图2所示，定期召开员工培训会议。特别要注意关键部位的质量控制和监督。关键部位包括混凝土浇筑、钢筋连接、焊接等，这些部位的质量直接影响到整个建筑结构的稳定性和安全性。对这些关键环节要实行严格的质量检验和监督，确保施工质量符合设计标准和要求。同时，引入非破坏性检测技术也是有效手段之一。通过无损检测技术，可以对施工质量进行全面检测，及时发现施工缺陷和隐患，做到问题早发现、早解决。这样可以避免施工质量问题的积累，确保建筑物的安全性和耐久性。建立施工质量档案和质量追溯制度是另一个重要措施。记录每个施工环节的质量数据和过程，建立质量追溯体系。这样在后期发现问题时可以进行追责和整改，保障施工质量的可追溯和可控制。同时，这些质量档案也有助于提供施工过程的参考和借鉴，为未来的工程项目提供经验和教训。

图2 施工人员培训

3.4 定期维护与检测

定期维护是确保土木工程建筑结构长期安全稳定运行的重要措施。经过一段时间的使用，建筑结构可能会受到自然风化、环境侵蚀、物理损伤等影响，导致结构产生疲劳、腐蚀或裂缝等问题。定期维护包括对建筑物的外观和内部构件进行检查、清洁和保养，及时修复和加固可能存在的损坏部位，防止问题进一步恶化。并且，定期检测是及时发现结构问题的重要手段。通过定期检测，可以对土木工程建筑结构进行全面、系统的评估，了解其受力性能和健康状态。运用无损检测技术，如超声波检测、红外热像仪检测等，可以非破坏性地评估结构的强度、裂缝情况等，发现隐蔽的结构问题，以便及时采取措施进行维修和加固。定期维护与检测有助于预防结构失效和事故的发生，延长建筑物的使用寿命，降低维修成本。同时，通过及时修复和加固，可以提高结构的抗灾能力，增强其在自然灾害和极端环境下的稳定性。另外，定期维护与检测也为建筑结构的全生命周期管理提供了重要支持。通过定期记录维护和检测数据，建立结构健康档案，可以了解结构的演化和衰老规律，有针对性地进行维护和改进，延长建筑物的使用寿命，实现资源的最大化利用[3]。

3.5 强化防灾防护措施

强化防灾防护措施是土木工程建筑结构安全性与耐久性优化的重要策略。地质和气候条件的不同可能会给建筑结构带来不同的自然灾害威胁，因此采取相应的防灾措施是确保结构安全稳定的必要举措。在地震高发区，采用抗震设计是关键的防灾措施。通过合理选择抗震设计参数和结构构造，增强结构的抗震能力，使建筑物能够在地震发生时有较好的抵抗能力，减轻地震对建筑物的破坏。抗震设计可以通过加固主要构件、采用阻尼器、设置减震墙等方式来实现。并且，还可以通过优化建筑物的布局和选择地震安全区域来减少地震风险。对于风暴和洪水多发区，设置相应的防护设施是必要的防灾措施。例如，在海岸线和台风路径沿线的建筑物，应采取防风抗风设计措施，如加固建筑物结构、增加风向风速传感器等。而在容易发生洪水的区域，需要设置防洪墙、提升建筑物底层高度、采用防水材料等防洪措施，以保护建筑物免受洪水侵害。此外，还有其他针对特定灾害的防护措施，如火灾防护、雪灾防护等。针对不同地区的特定灾害风险，制定相应的预防方案和应急措施，是保障土木工程建筑结构安全性与耐久性的重要手段。

3.6 加强国际合作与经验交流

全球范围内，各国都面临着相似的土木工程挑战，例如自然灾害、城市化压力、可持续性要求等。通过与国际上的相关组织、研究机构和专家紧密合作，我国能够分享经验与技术成果，借鉴他国在土木工程建筑结构安全与耐久性方面的成功经验，从而推动我国建筑领域的国际化发展。在与国际组织和专家的交流中，我国可以学习到全球领先的建筑技术和最佳管理模式。国际合作能够为我国土木工程建筑结构带来全新的思路和解决方案。例如，一些发达国家在建筑材料、抗震设计、结构分析等方面具有独特优势，通过与他们合作，我国可以引进先进的技术和材料，提升我国建筑结构的安全性和耐久性。另外，国际合作与经验交流也可以帮助我国建筑领域应对自然灾害和外力冲击。不同国家在防灾减灾和抗灾救援方面都有丰富的经验，通过学习他们的成功做法，我国可以加强土木工程建筑结构的抗灾能力，降低灾害造成的损失。