混凝土矿物掺合料研究论文

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1992年，欧阳东主持的《钢铁厂转炉钢渣及其制备钢渣矿渣硅酸盐水泥的研究》获广东省建材行业科技进步二等奖。其对钢渣和矿渣粉磨性能的研究成果长期指导了行业钢铁废渣矿物掺合料的产业化。1997年，欧阳东发表了论文《六组分混凝土配合比设计用强度公式》和《含掺和料因素的混凝土强度公式及其应用》，提出了含掺和料因素的六组分混凝土强度公式，并提出和引入掺合料活度系数的概念，使混凝土强度公式适用范围得扩展到掺有各种掺合料的六组分混凝土和高强高性能混凝土。2011年，国家混凝土配比设计规范修改，废弃超量系数的概念，引入影响系数（含义与活度系数相同），采用了六组分混凝土公式，使六组分混凝土强度公式正式写入现行规范《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）并成为核心公式。2001年，欧阳东主持研究《混凝土矿物减水剂的概念、理论与应用》、《广东邮电大厦工程253米超高泵程C80混凝土研制》等项目，系统提出了混凝土矿物减水剂的概念和理论,推动了我国混凝土矿物掺合料产业的繁荣和发展，并在广州第二高楼工程的施工中，成功解决了超高强混凝土粘性大泵高受限制的重大技术难题，研制出C80超高强混凝土并一次性泵上253米高度，创下了当时我国超高强混凝土超高层泵送研究和施工的新纪录。《羊城晚报》等重要媒体在头版头条报道了这一成果。2004年该成果获广东省科学技术进步奖二等奖，2007年入选广州市“十五”优秀建设科技成果。2002年，欧阳东主持《机场高性能混凝土的研究及其在广州新白云国际机场的应用》项目，提出了混凝土凝结硬化全程抗裂理论,研制成功补偿收缩聚丙烯纤维高抗裂新型混凝土材料，成功应用在广州新白云国际机场航站楼，用量超过6万立方，在混凝土裂缝控制中取得良好效果。成果入选广州市“十五”十大建设科技成就。2003年，欧阳东发表了低温稻壳灰组成结构的研究成果，在国际上首次发现低温稻壳灰（L-RHA）由纳米结构SiO2组成。由此，欧阳东在国际上首先提出了煅烧法制备纳米SiO2的设想和技术。这一技术完全不同于目前的气相法、沉淀法和溶胶-凝胶法，也完全不同于目前已有的从稻壳提取二氧化硅的酸碱法。煅烧法技术在整个工艺过程中不破坏稻壳生物质SiO2原有的纳米结构，而是通过预处理和热分解技术，将稻壳生物质纳米SIO2与杂质和有机组分分离出来。这一技术具有原始创新性，有希望实现高品质纳米SiO2的低成本制取，大幅度提高纳米SiO2的性价比。2006年该成果技术获得了国家发明专利并获法国巴黎列宾国际发明金奖。人民日报第一版、光明日报第一版、新华社、中央人民政府门户网报道了这一成果。2007-2008年，作为广州珠江新城西塔工程项目专家，欧阳东主持和参与了西塔工程C100超高强混凝土400米以上高度泵送施工的各项主要技术方案的论证和审查。2007年起，欧阳东系统开展了《海砂混凝土耐久性若干重要问题的研究》。2013年年初，深圳爆发“海砂屋”事件。《广东科技报》在2013年3月23日以三个整版的超常规篇幅，发表了对欧阳东教授的海砂问题专访，回答了社会各界所关心的问题，提出了安全可行的处置意见，以及海砂使用和监管的建设性意见，并发出了大力研究推广人工砂和再生砂的倡议，为广东平息这一事件和发展再生砂人工砂作出了贡献。

资料分析是指用适当的统计分析方法对收集来的大量资料进行分析，提取有用资讯和形成结论而对资料加以详细研究和概括总结的过程。这一过程也是质量管理体系的支援过程。在实用中，资料分析可帮助人们作出判断，以便采取适当行动。以下是我为大家精心准备的：资料分析在混凝土配合比设计中的应用探究相关论文。内容仅供参考，欢迎阅读!

资料分析在混凝土配合比设计中的应用探究全文如下：

混凝土是全世界范围应用最为广泛的建筑材料。在混凝土诞生的一百多年中，无数科研工作者、工程实践者付诸大量的心血探索混凝土的奥秘。但是由于混凝土是一种从细观到巨集观都是高度非均质的多项复杂体系，在科学实践中存在众多问题。

混凝土配合比设计的研究对于混凝土生产企业优化工艺、降低成本有着重要意义，为此全世界范围内的学者都给出过不同的研究方法。但是现行的配合比设计方法仍存在较多问题亟待解决。究其原因主要是有关混凝土材料的基础理论性研究不足，导致现行的众多的配合比设计方法均不能以材料科学: 组成、结构与效能的科学方法来阐述混凝土的内在问题。

我们可以对国内外几种配合比设计方法进行简单的评价: 美国ACI 方法: 其优点在于简单易行，通过查表即可得出配合比，但是各个引数的选择理论依据不强，对于材料性状变化的敏感性差，是经验性配合比设计方法最为典型的案例。而英国BRE 方法，相比美国ACI 方法引数选择相似，但是其选择依据考虑的因素更多，缺点也比较明显，仍是图表选择的形式，可能导致普适性较差。法国Dreux 方法的优点在于各个引数考虑细致。但是，Dreux 级配曲线可能有一定局限性。法国 de. larrad 则在理论上更胜一筹，以物理模型和数学模型建立的设计方法。而我国现行的配合比设计方法更注重的是经验性设计。应该注意到，这样的配合比设计方法理论基础相对薄弱，经验性选择居多，并且计算结果偏差很大。具体表现在，强度公式引起的误差波动，其次用水量与砂率的选择依据也并不充分。

近年来，随着“人工神经网路”等资料分析方法研究的兴起，越来越多的人开始尝试用资料探勘与分析的方法来进行混凝土配合比的设计与优化。比如人工神经网路方法就具有非线性处理能力强、不需要明确的函式关系式等特点。一个三层BP 神经网路可以以任意精度近似任何连续函式。甚至有研究指出采用人工神经网路技术进行混凝土配合比设计，具有适应性强、准确有效的优点，是进行多组分混凝土配合比设计的一种切实可行的方法。

本文针对混凝土配合比设计的研究工作已经取得的进展，阐明混凝土配合比设计所存在的问题，分析并讨论资料分析在混凝土配合比设计中的地位与意义，为混凝土配合比设计的进一步研究与工程实践提供一定的参考价值。

1 资料分析与混凝土配合比设计

1. 1 人工神经网路

1. 1. 1 人工神经网路技术简介通常意义上的BP人工神经网路是以输入单元为自变数、输出单元为因变数、网路单元间的连线权值为调整参量，按最小误差原则逐步反馈修正而使网路达到最佳模拟状态的一种数学演算法，即误差反传误差反向传播演算法的学习过程，由资讯的正向传播和误差的反向传播两个过程组成。输入层各神经元负责接收来自外界的输入资讯，并传递给中间层各神经元; 中间层是内部资讯处理层，负责资讯变换，根据资讯变化能力的需求，中间层可以设计为单隐层或者多隐层结构; 最后一个隐层传递到输出层各神经元的资讯，经进一步处理后，完成一次学习的正向传播处理过程，由输出层向外界输出资讯处理结果。

当实际输出与期望输出不符时，进入误差的反向传播阶段。误差通过输出层，按误差梯度下降的方式修正各层权值，向隐层、输入层逐层反传。周而复始的资讯正向传播和误差反向传播过程，是各层权值不断调整的过程，也是神经网路学习训练的过程，此过程一直进行到网路输出的误差减少到可以接受的程度，或者预先设定的学习次数为止。

1. 1. 2 在混凝土配合比设计中的应用人工神经网路的特点是非线性处理能力强、不需要明确的函式关系式等，正是因为这些优点，人工神经网路技术慢慢渗透到了各行各业当中且有着非常广泛的应用。理论上讲，一般的三层BP 神经网路可以以任意精度近似任何连续函式。有科学研究指出，采用人工神经网路技术进行混凝土配合比设计，具有适应性强、准确有效的优点，是进行多组分混凝土配合比设计的一种切实可行的方法。刘国华等人曾以BP 网路表达的混凝土效能——配合比关系作为约束条件，以成本函式作为目标条件，采用Monte - Carlo 随机试验法建立直接优化设计模型，并对网路输入输出单元的选择和预测结果稳定性进行较深入的探讨，最终开发出了实用软体。

1. 1. 3 应用例项

用BP 人工神经网路技术建立一个混凝土配合比设计的预测模型，首先必须能够让输入单元反映出影响混凝土最终效能的各个因素，且输出单元要包括所设计混凝土的各项效能指标。因此输入单元主要包括各种原材料的用量和混凝土制作工艺，主要有以下几种: 胶凝材料水泥的品种、强度、初终凝时间; 砂的用量与细度模数; 石子的用量、颗粒级配和最大、最小粒径;矿物掺合料如膨润土、粘土、粉煤灰、矿渣、矿粉等的用量; 用水量; 外加剂 主要指减水剂用量及其减水率 。对于混凝土的制作工艺，主要是指其拌合方式，因为不同的拌合方式成本不同，得到的混凝土效能也有差异。而输出单元主要包括混凝土强度、流动度与和易性，其他各项效能因一般情况暂不要求顾不做考虑。

为了提高模型在实际运算中的效率，可根据不同要求对输入输出单元做适当取舍。将输入单元中原材料的影响分为用量与质量指标两类。对于原材料的用量，由于在具体工程中某些材料如矿物掺合料等不会被采用，因此可以忽略; 质量指标往往对于同一工程而言，同产地原材料效能变化不大，在计算中可视为常值不予考虑。如果样本中原材料种类过多，包含了预设输入单元以外的原材料，则视作无效样本，不予采用; 但当样本中原材料种类少于网路单元中原材料的种类时，此类样本中未使用的原材料用量可以以0 代替。当然，如果试验得到的混凝土效能种类少于网路输出单元的效能种类，则视为无效样本。

1. 2 模糊聚类分析

1. 2. 1 模糊聚类分析简介模糊聚类分析是用数学方法研究和处理所要研究物件的分类问题，即用数学定量地确定分析物件之间在性质、特征等方面的亲疏关系和相似性，从而实现对事物客观地分型划类的数学方法。它是一种非常有效的分类手段，广泛地应用于天气预报、地震预测、地质勘探、环境保护以及影象语言识别等领域之中; 但是模糊 *** 论不同于普通的 *** 论，它是一种全新的理论，因而理解起来需要作一下思维的变换。而聚类分析是数理统计中的一种多元分析方法，它是用数学方法定量地确定样本的亲疏关系，从而客观地进行型别的划分。在客观世界中，事物之间的界限有确切的亦有模糊的。

当分类要求涉及事物之间的模糊界限时，需运用模糊聚类分析方法。通常把被聚类的事物称为样本，将被聚类的一组事物称为样本集。模糊聚类分析有两种基本方法: 系统聚类法和逐步聚类法。聚类分析是用数学方法研究和处理所要研究物件的分类问题，即用数学定量地确定分析物件之间在性质、特征等方面的亲疏关系和相似性，从而实现对事物客观地分型划类的数学方法。用模糊聚类分析事物更加的灵活，客观和计算简便。

1. 2. 2 在混凝土配合比设计中的应用模糊聚类分析在混凝土配合比设计中的应用主要是采用基于模糊等价关系的动态聚类法，其计算过程主要是样本与聚类指标的选择、资料标准化、计算模糊相似关系、确定模糊等价关系和聚类，模糊聚类分析的结论并不表征物件绝对属于某一类，而是以清晰的阈值表征物件在一定程度上相对属于某一类。模糊聚类分析与BP 人工神经网路结合进行预测比单纯的模糊预测精度要高，所需的训练次数要少，而且预测效果要好。这是因为通过模糊聚类分析可以预先将各个模式分成若干类别，而如果单纯地通过隶属度进行预测计算则无法充分利用各个模式间存在的相容相斥关系，这样将会导致可利用的资讯不完整。

相反。如果能够很好地配合BP 人工神经网路的资讯处理机制，则可以充分增强神经网路的分类能力。除此之外，还可以使各个模式间的相容相斥资讯得以利用，预测精度会相应提高。模糊聚类由于可以从量上把握研究体系中的复杂和模糊不确定的关系，因此在混凝土配合比设计中应用模糊聚类方法可以解决那些往往无法定量讨论的问题。模糊聚类还可以通过对混凝土配合比基础理论的修正，来侧面优化通过人工神经网路建立的混凝土配合比设计系统。周双喜曾以钢渣粉、粉煤灰、矿渣粉、烧黏土等作为试验物件，把掺加不同掺合料胶砂的3d与28d 抗压、抗折强度作为样品的指标，通过模糊聚类分析了掺合料的活性，并由此避免了凭经验选择所带来的主观片面性。

李敏等人采用抗压强度损伤系数、外观损伤系数和耐久度损伤系数为一级评价指标，以爆裂度、裂缝宽度为二级指标，确定了评价因子的权重，建立了评价计算模型，实现了无损伤快速的对高强混凝土受火后的综合评价。田华等人指出通过选取两类指标: 最简单直观的水灰比、矿物掺合料用量、砂率、水泥强度、混凝土外加剂用量和骨料最大粒径或者体现混凝土强度、工作性、耐久性和经济性的抗压强度、坍落度、抗渗性和原材料，将模糊聚类分析法用于混凝土质量控制中可改进传统混凝土质量评定结果的不客观性。赵运德等人以人力、机械、材料、方法和环境为指标采用模糊聚类分析法，建立了一种快捷方便的混凝土质量评估模型，可预测混凝土质量评价中的影响因素，以确保工程质量的合格。

1. 3 灰色关联分析

1. 3. 1 灰色关联分析简介灰色关联分析方法是根据各个因素之间发展趋势的相似相异程度 灰色关联度 作为衡量因素间关联程度的一种方法。灰色关联分析的基本原理是考察各行因素之间微观或巨集观的几何接近，以分析和确定各因素之间的影响程度或若干个子因素对主因素的贡献程度。灰色系统理论实际上提出了对各子系统进行灰色关联分析的概念，该理论企图通过一定的方法来寻求系统中各子系统 或因素 之间的数值关系。也正因为此，灰色关联度分析对于任意一个系统的发展变化态势都提供了数量化的度量。关联度是针对于两个系统之间的因素中随时间或不同物件而变化的关联性大小的量度。在系统发展过程当中，若两个因素变化的趋势具有一致性 同步变化程度高 ，则可以说二者关联程度大，因此可以得出在某个包含多种因素的系统中具体的某个因素是属于主要的、次要的还是影响比较小的。

1. 3. 2 在混凝土配合比设计中的应用

混凝土是一种可用于多种环境下的非均质材料，其效能受多种因素的影响，而应用灰色关联理论可以将混凝土多个影响因素的“影响力”进行量化、排序，不仅使人们在理论上更好的认识混凝土，而且有助于混凝土配合比设计方法在理论层面上的完善。冯庆革等人曾借助灰色关联理论计算出养护龄期为7、28d 的混凝土抗压和抗拉强度与10nm ～ 20nm 范围的孔关联度最大， 91d 时与大于400nm 的孔关联度最大。梁本亮的结论与按照单因素敏感性分析方法得出的结果一致，即应用灰色关联建立了氯离子浓度、水灰比、环境溼度和构件表面氯离子浓度与氯离子侵蚀寿命之间的关联度，得出混凝土结构氯离子侵蚀寿命影响因子敏感度中，以构件表面氯离子浓度为最高，其次是氯离子浓度和环境溼度，水灰比敏感度最低。

张永娟等人通过灰色关联理论分别分析了钢渣粉和矿粉颗粒与混凝土强度之间的关系，指出要想提高钢渣粉颗粒群的反应活性，应增加粒径为5μm ～ 30μm，尤其是粒径为5μm ～ 10μm 的颗粒含量，而矿渣粉则是0 ～20 μm范围内的颗粒对混凝土强度有积极作用。席峰等人通过分析聚苯乙烯泡沫混凝土的原材料用量与混凝土强度和密度的关联度，指出在密度不变的情况下，水灰比的改变和减水剂的使用对混凝土强度影响最大; 而在强度不变的情况下，砂石和EPS 的含量是影响密度的主要因素。

C. Y. Chang和他的团队曾将灰色关联和赋权技术结合起来确定了应用再生骨料生产混凝土的最佳引数。冯庆革等人通过灰色关联分析法计算出养护龄期为7、28d 的混凝土抗拉、抗压强度与10nm ～ 20nm 范围的孔关联度最大，91d时与大于400nm 的孔关联度最大。罗洵利用灰色关联法，分析了胶凝材料用量、水胶比、磨细矿渣掺量、矽灰掺量与混凝土坍落度和28d 强度的关联度，得出胶凝材料的用量对混凝土强度和流动性的影响最大的结论。袁晓露的团队还通过灰色关联法分析了水泥矿物组成与韧性间的主次相关性。陈志江等人利用灰色关联分析法得到了各个因素对混凝土碳化深度的影响，按照大小依次排序为: 水灰比、相对溼度、水泥用量、碳化时间。

2 总结

1 采用人工神经网路技术进行混凝土配合比设计，具有适应性强、准确有效的优点，是进行多组分混凝土配合比设计的一种切实可行的方法。

2 模糊聚类分析与BP 人工神经网路结合进行预测比单纯的模糊预测精度要高，所需的训练次数要少，而且预测效果要好。

3 灰色关联理论可以将混凝土多个影响因素的“影响力”进行量化、排序，不仅使人们在理论上更好的认识混凝土，而且有助于混凝土配合比设计方法在理论层面上的完善。

土建结构工程的安全性与耐久性一、土建结构工程的安全性 结构安全性是结构防止破坏倒塌的能力，是结构工程最重要的质量指标。结构工程的安全性主要决定于结构的设计与施工水准，也与结构的正确使用（维护、检测）有关，而这些又与土建工程法规和技术标准（规范、规程、条例等）的合理设置及运用相关联。 1．我国结构设计规范的安全设置水准 对结构工程的设计来说，结构的安全性主要体现在结构构件承载能力的安全性、结构的整体牢固性与结构的耐久性等几个方面。我国建筑物和桥梁等土建结构的设计规范在这些方面的安全设置水准，总体上要比国外同类规范低得多。 构件承载能力的安全设置水准 与结构构件安全水准关系最大的二个因素是：1）规范规定结构需要承受多大的荷载（荷载标准值），比如同样是办公楼，我国规范自1959年以来均规定楼板承受的活荷载是每平方米150公斤(现已确定在新的规范里将改回到200公斤)，而美、英则为240和250公斤；2) 规范规定的荷载分项系数与材料强度分项系数的大小，前者是计算确定荷载对结构构件的作用时，将荷载标准值加以放大的一个系数，后者是计算确定结构构件固有的承载能力时，将构件材料的强度标准值加以缩小的一个系数。这些用量值表示的系数体现了结构构件在给定标准荷载作用下的安全度，在安全系数设计方法(如我国的公路桥涵结构设计规范)中称为安全系数，体现了安全储备的需要；而在可靠度设计方法(如我国的建筑结构设计规范)中称为分项系数，体现了一定的名义失效概率或可靠指标。安全系数或分项系数越大，表明安全度越高。我国建筑结构设计规范规定活荷载与恒载（如结构自重）的分项系数分别为和，而美国则分别为和，英国和 ；这样根据我国规范设计办公楼时，所依据的楼层设计荷载（荷载标准值与荷载分项系数的乘积）值大约只有英美的52%（考虑人员和设施等活载）和85%（对结构自重等恒载。一些发展中国家的结构设计多根据发达国家的规范，就如我国解放前和建国初期的结构设计方法参照美国规范一样。至于中国的香港和台湾，至今仍分别以英国和参考美国规范为依据。这里需要说明的是，在其他建筑物的活荷载标准值上，与国外的差别并没有象办公楼、公寓、宿舍中这样大。不同材料、不同类型的结构在安全设置水准上与国际间的差距并不相同，比如钢结构的差距可能相对小些。 公路桥梁结构的情况也与房屋建筑结构类似，除车载标准外，荷载分项安全系数（我国规范对车载取，比国际著名的美国AASHTO规范的约低25%）与材料强度分项安全系数均规定较低。 尽管我国设计规范所设定的安全贮备较低，但是某些工程的材料用量反而有高于国外同类工程的，这里的问题主要在于设计墨守陈规，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 除了结构构件要有足够承载能力外，结构物还要有整体牢固性。结构的整体牢固性是结构出现某处的局部破坏不至于导致大范围连续破坏倒塌的能力，或者说是结构不应出现与其原因不相称的破坏后果。结构的整体牢固性主要依靠结构能有良好的延性和必要的冗余度，用来对付地震、爆炸等灾害荷载或因人为差错导致的灾难后果，可以减轻灾害损失。唐山地震造成的巨大伤亡与当地房屋结构缺乏整体牢固性有很大关系。2001年石家庄发生故意破坏的恶性爆炸事件，一栋住宅楼因土炸药爆炸造成的墙体局部破坏，竟导致整栋楼的连续倒塌，也是房屋设计牢固性不足的表现。 结构的耐久安全性 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）下的耐久性要求则相对考虑较少。混凝土结构因钢筋锈蚀或混凝土腐蚀导致的结构安全事故，其严重程度已远过于因结构构件承载力安全水准设置偏低所带来的危害，所以这个问题必须引起格外重视。我国规范规定的与耐久性有关的一些要求，如保护钢筋免遭锈蚀的混凝土保护层最小厚度和混凝土的最低强度等级，都显著低于国外规范。损害结构承载力的安全性只是耐久性不足的后果之一；提高结构构件承载能力的安全设置水准，在一些情况下也有利于结构的耐久性与结构使用寿命。 2．调整结构安全设置水准的不同见解 我国结构设计规范的安全设置水准较低，与我国建国后长期处于短缺经济和计划体制的历史条件有关。但是，能够对土建结构取用较低的安全水准并基本满足了当时的生产与生活需求，而且业已历经了较长时间的考验，这是国内土建科技人员经过巨大努力所取得的重大成就；但是，由于安全储备较低，抵御意外作用的能力相对不足。如果适当提高安全设置水准将有利于减少事故的发生频率和提高工程抗御灾害的能力。国内发生的大量工程安全事故，主要是由于管理上的腐败和不善以及严重的人为错误所致。现在提出要重新审视结构的安全设置水准，主要是基于客观形势的变化，是由于我们现在从事的基础设施建设要为今后的现代化奠定基础，要满足今后几十年、上百年内人们生产生活水平发展的需要，有些土建结构如商品房屋则更要满足市场经济条件下具备商品属性的需要。国内近几年来已对建筑结构安全度的设置水准组织过几次讨论，在如何调整的问题上存在较大的意见分歧，这次科技论坛上同样反映了这些不同的见解： 1）认为我国现行规范的安全设置水准是足够的，并已为长期实践所证明，而国外就没有这种经验。我国取得的这一成功经验决不能轻易丢掉，在安全度上不能跟着英美的高标准走；安全度高了是浪费，除个别需调整外，总体上不必变动。 2）认为我国规范的安全度设置水准尽管不高，但在全面遵守标准规范有关规定，即在正常设计、正常施工和正常使用的“三正常”条件下，据此建成的上百亿平米的建筑物绝大多数至今仍在安全使用，表明这些规范规定的水准仍然适用；但是理想的“三正常”很难做到，同时为了缩小与先进国际标准的差距以及鉴于可持续发展和提高耐久性的需要，在物质供应条件业已改善的市场经济条件下，结构的安全设置水准应适当提高。这种提高只能适度，因为我国目前尚属发展中国家。 3）认为我国规范的安全设置水准应该大体与国际水准接近，需要大幅度提高。这是由于随着我国经济发展和生活水平不断提高，土建工程特别是重大基础设施工程出现事故所造成的风险损失后果将愈益严重，而为了提高工程安全程度所需要的经费投入在整个工程（特别是建筑工程）造价中所占的比重现在已愈来愈低，材料供应也十分充裕。过去的低安全水准只是适应了以往短缺型计划经济年代的需要，但决不是没有风险，如果规范的安全水准较高，曾经发生过的有些安全事故本来是可以避免的，而规范的这一缺陷在一定程度上为“三正常”的提法所掩盖。在建的工程要为将来的现代化社会服务，安全性上一定要有高标准。低的安全质量标准在参与将来的国际竞争中也难以被承认，即使结构设计的安全设置水准能够提高到与发达国家一样，由于我们的施工质量总体较差，结构的安全性依然会有差距。 3、结构设计规范的概率可靠度设计方法 对我国规范的可靠度设计方法持肯定意见的专家认为这是重大的科技进步，可靠度方法对安全度的概率定义要比定值的安全系数更清晰、更科学、更合理，当然概率可靠度设计方法本身尚有不少缺陷，有待进一步修改完善。持相反意见的人则认为，结构设计规范所面向的是类型多样的复杂群体，在安全度上需要考虑的不确定性与不确知性非常复杂，并不是“从统计数学观点出发的概率定义”所能科学描述或处理；规范可靠度方法在我国十多年的实践表明，它并没有给结构设计的安全性带来明显实效，反而造成了安全概念上的某些混乱；对工程技术人员来说，结构的安全度用可靠指标和虚假的失效概率表达后变得更加不可揣摩和模糊不清，不如安全系数那样从安全储备出发的度量方法更为直观和便于处理具体工程的安全问题；现行设计规范中的可靠度方法很不成熟，存在不少根本缺陷；他们认为半概率的多安全系数方法更适用于规范，也不排斥可靠度分析的结果可以作为一种参考，在综合判断安全系数的合理取值时予以考虑。 二、土建结构工程的耐久性 土建结构工程的耐久性与工程的使用寿命相联系，是使用期内结构保持正常功能的能力，这一正常功能包括结构的安全性和结构的适用性，而且更多地体现在适用性上。 1、土建结构工程的耐久性现状 大多数土建结构由混凝土建造。混凝土结构的耐久性是当前困扰土建基础设施工程的世界性问题，并非我国所特有，但是至今尚未引起我国政府主管部门和广大设计与施工部门的足够重视。 长期以来，人们一直以为混凝土应是非常耐久的材料。直到70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的时期内就出现劣化；据1998年美国土木工程学会的一份材料估计，他们需要有万亿美元来处理美国国内基础设施工程存在的问题，仅修理与更换公路桥梁的混凝土桥面板一项就需800亿美无，而现在联邦政府每年为此的拨款只有50～60亿美元。另有资料指出，美国因除冰盐引起钢筋锈蚀需限载通行的公路桥梁已占这一环境下桥梁的1/4。发达国家为混凝土结构耐久性投入了大量科研经费并积极采取应对措施，如加拿大安大略省的公路桥梁为对付除冰盐侵蚀及冻融损害，钢筋的混凝土保护层最小厚度从50年代的逐渐增加到4cm、6cm直到80年代后的7cm，而混凝土强度的最低等级也从50年代的C25增到后来的C40，桥面板混凝土从不要求外加引气剂、不设防水层到必须引气以及需要设置高级防水胶膜并引入环氧涂膜钢筋。而我国遭受盐冻侵蚀地区的公路桥梁在耐久性设计方面至今仍无明确要求，对混凝土保护层和强度的要求仅为与C25，与上面提到的加拿大50年代水准一致。我国建设部于80年代的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用25～30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅15～20年。民用建筑和公共建筑的使用环境相对较好，一般可维持50年以上，但室外的阳台、雨罩等露天构件的使用寿命通常仅有30～40年。桥梁、港工等基础设施工程的耐久性问题更为严重，由于钢筋的混凝土保护层过薄且密实性差，许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂。海港码头一般使用十年左右就因混凝土顺筋开裂和剥落，需要大修。京津地区的城市立交桥由于冬天洒除冰盐及冰冻作用，使用十几年后就出现问题，有的不得不限载、大修或拆除。盐冻也对混凝土路面造成伤害，东北地区一条高等级公路只经过一个冬天就大面积剥蚀。我国铁路隧道用低强度的C15混凝土作衬砌材料，密实度和抗渗性差，不耐地下水与机车废气侵蚀，开裂与渗漏严重；对几个路局所辖的隧道进行抽样调查表明，漏水的占，其中1/3渗漏严重，并导致钢轨等配件锈蚀以及电力牵引地段漏电，影响正常运行，而1999年颁布的铁路隧道设计规范仍未能对隧道的耐久性问题采取适当的对策，如适当提高混凝土的最低强度等级和在混凝土中掺入化学纤维等。 耐久性问题的严重性和迫切性在于我们许多正在建设的工程仍未吸取国际和国内的大量惨痛教训，还沿着老路重蹈覆辙。一些北方城市新建成的立交桥和高速公路桥，仍没有在材料性能和结构构造等方面采取必要的防治冻融和盐害的综合措施。甚至大型工程如2000年投入运行的珠海莲花跨海大桥，其主体结构在浪溅区仍采用不耐海水干湿交替侵蚀的C30混凝土与3～4cm厚的保护层厚度。 有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20年，由于忽视耐久性，迎接我们的还会有“大修”20年的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。 使混凝土结构的耐久性问题进一步加剧的原因有： 1) 由于混凝土的质量检验习惯上以单一的强度指标作为衡量标准，导致水泥工业对水泥强度的不适当追求，使水泥细度增加，早强的矿物成份比例提高，这些都不利于混凝土的耐久性。我国对水泥质量的检验在强度上只要求不低于规定的最低许可值，而国外则同时还要求不高于规定的最高值，如果强度超过了也被认为不合格，这种要求还有利于水泥产品质量的均匀性。 2) 工程施工单位不适当地加快施工进度，尤其是政府行政领导对工程进度的不适当干预。混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证，早产有损生命健康的概念同样适用于混凝土。国内媒体上大加宣传的所谓几个月就修成一条大路、建成一座大桥、或盖成一幢高楼的工程以及抢工献礼工程，很可能就是今后注定要花掉更多资金进行大修的短命工程。提前完成合同规定施工期的在国外要被罚款，因为意味着工程质量有遭到损害的可能。 3) 环境的不断恶化，如废气、酸雨，我国的酸雨面积已超过国土的30% 。 当前迫切需要进行的工作是尽快编制桥梁、隧道、港工等基础设施工程耐久性设计的技术条例，修订补充现行规范中对结构耐久性的要求。首先需要明确的是各种基础设施工程的设计工作寿命，在重要工程的设计文件中必须有使用寿命的要求和论证。当前在建的众多工程在耐久性上之所以仍然沿着重蹈覆辙的道路走，很重要的一个原因是工程设计施工技术人员在耐久性上没有可资遵循的新依据。更为严重的是现行规范中的有些条文，本身就对耐久性有害。为了提高混凝土耐久性，在混凝土中合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺合料是重要的技术手段，国外有的规范甚至规定在桥梁等混凝土结构中必须加入粉煤灰等掺合料，而我国的铁路混凝土桥隧施工规范仍在明文禁止使用。此外，工程技术界还存在长期形成的一些过时的看法，对改善混凝土的耐久性能造成阻力。例如，顾虑会影响混凝土强度而不愿使用引气剂，而引气本应作为改善混凝土耐久性和工作性的常规手段；又如，希望加大水泥用量来保证混凝土强度，而尽可能低的水泥用量本应是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途径。 在修订规范的耐久性要求上，交通部于2001年颁布的港工混凝土结构防腐蚀技术规范已为其它土建工程行业起到较好的示范作用。我们一方面要参照国内外已有的资料和经验，尽快编写出相应的设计施工技术文件以应急需，另一方面则要安排系统的研究项目，加大耐久性研究工作的支持力度；混凝土结构的耐久性是当前国际上结构工程学科最为重要的前沿研究领域之一，而我国在这一方面相当落后。混凝土的耐久性研究离不开原材料和环境等特定条件，需要考虑本国的特点，是不能完全依赖国外研究成果的。 重视混凝土结构的耐久性也是可持续发展的需要。生产混凝土所需的水泥、砂、石等原材料均需大量消耗国土资源并破坏植被与河床，水泥生产排放的二氧化碳已占人类活动排放总量的1/5～1/6，而我国排放的二氧化碳量已居世界第二。我国现在每年生产5亿多吨水泥，与之相伴的是年耗20多亿方的砂石，长此以往实难以为继。延长结构使用寿命意味着节约材料，而耐久的混凝土一般又应是水泥用量较低和矿物掺合料(工业废料)用量较高的混凝土，所以耐久的混凝土正适应环境保护的需要。国际上对桥梁、隧道等土木工程的设计工作寿命多为100年，有的如英国为120年。考虑到耐久性不足所造成的巨大经济损失和资源浪费，国际上近年来有要求将这些工程的最低工作寿命进一步延长的趋势，如提出城市环境中的桥梁至少应有150年。 2．土建结构工程使用阶段的正常检测与维护 结构耐久性和使用寿命的概念，与使用阶段的检测、维护和修理不能分割，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程来说尤其如此。为了保证结构安全性和耐久性，一些工程在建成后的使用过程中，应该进行定期检测和维护。我国有结构工程的设计规范与施工规范，但没有如何使用的规范。有些工程倒塌事故，例如最近四川宜宾的南门大桥发生桥面坍落事故，就是因为桥面结构与主拱之间的吊杆在连接处发生锈蚀，如果有定期的检测要求，这样的事故很有可能避免。有些国家对于结构的损坏可能导致公众安全的建筑物与桥、隧等公共工程，强制规定必须定期检测；即使是建筑物的玻璃幕墙和外墙面砖等建筑部件，因其坠落后容易伤及公众，也有强制定期检测的要求。我国由于施工管理水平和事故操作人员的素质相对较差，质量控制与质量保证制度不够健全，规范对结构安全与耐久性的设置水准又相对较低，已建的工程中往往存在较多隐患，所以更有必要从法制上确定土建工程的正常使用和定期检测的要求。对于土建结构工程的安全质量，虽然政府已作出了设计与施工的责任单位和个人需对其“终身负责”的规定，但是这种要求执行起来缺乏可操作性。要将结构安全质量事故减少到最低程度，还应以预防为主，通过例行检测及时发现问题。 从国家对公共工程建设的投资和对工程设计的要求来看，需要有工程整个使用期限即全寿命费用支出的论证。只注意工程项目建设的一次投资支出，很少考虑工程建成后需要正常维护与修理的长期费用，不但可能损害工程使用寿命和正常使用功能，而且经济上算总账会很不合算。在发达国家，由于新建工程少，用于维修的费用往往更为主要，英国1978年的土建维修费上升到1965年的倍，1980年的维修费占当年土建费用总支出的2/3。我国虽是发展中国家，现在正大兴土木，可是过去建成的大量工程已经或过早老化。国内40％公路桥梁的桥龄已大于25年，加上进入90年代以后交通量猛增，超载严重，以往的设计标准又低，路、桥的维修问题十分突出。由于养护维修费用得不到保证，造成工程安全隐患并在以后需要支出更多的大修费用。在土建工程的投资上，希望有关部门能加大已建工程维修的费用。 为加速路桥等公共工程建设，国家现在鼓励投资公司出资并给以一定期限如30年的经营收入作为补偿。如果对重要土建工程有必须进行定期检测与评估的法规，就能保证这些工程在一定期限后归还国家管理和经营时的良好功能，对于设计工作寿命为100年的桥梁，至少还可正常使用70年，而不至于30年到期后国家接收的已是一个破旧的工程。 三、技术规范的作用与管理 这次科技论坛对于土建结构工程技术规范的定位、作用与管理也进行了讨论并提出了一些看法。 长期以来，受计划经济体制的影响，我们往往视技术规范为法，将规范的具体规定和要求等同于法律条文来对待。技术规范或规程，与各种技术条例、技术要求、工法、指南等技术文件一样都是技术标准，本身不具有法律作用，只当工程各方（业主、设计、施工企业）认同作为设计与施工的依据并在契约的基础上，才能作为法律仲裁的依据。将技术问题法制化并强制执行，不利于技术进步和创造性的发挥，反而容易成为推卸责任的借口。当然，政府部门从国家和公众的整体利益出发，需要在安全、环保等重大原则上对土建工程的设计施工提出必须满足的最低要求并制定相应的法规，但法规一般并不需要提供如何达到这些要求的具体技术途径和方法，后者是技术标准的任务。政府也可以原则认可或批准某些重要的技术规范或其中某些内容使用。 企图不断加强技术规范的强制性来解决屡禁不止的工程事故，不是解决问题的有效途径。现在，有关主管部门将建筑结构设计规范中的部分条文抽出来，明确列为强制性条文，同时规定各个设计单位完成的设计，须通过有关部门或其授权委任的其他企事业设计单位的审查，而审查的主要内容就在于对照规范强制性条文的要求，其任务已类似于执法；这种做法是否明智似可商榷。我国土建工程事故频繁的原因，主要在于管理不善，特别是管理环节上的腐败；其次是施工操作人员素质低，又难以短期解决；过分强调规范的地位与作用，未能建立与规范配套的完整标准体系，比如缺乏指南、工法等更为详尽具体的技术文件，可以用来指导和规范设计与施工的各个具体环节，也有一定的关系。从设计角度看，出现事故主要不是由于没有按照规范强制性条文的规定，而是方案性的错误或忽略主要的设计条件；也有一些工程则因过去的设计标准过低，耐久性不足，在使用过程中又缺乏应有的例行检测而导致失效。其实，要做到设计规范强制条文的要求最为容易，为此请专业人士审查似无必要。重要的工程设计应规定请专业单位全面审核，其要点也应在结构方案、构造方法与计算分析的原则上。从结构设计的国家规范中抽出的强制性条文不免支离破碎，个别条文的规定也不一定适合某些地区和某些工程的具体特点，反而造成麻烦。 我国幅员广阔，各地经济发展很不平衡，技术力量悬殊，环境条件各异，客观上要求规范能给设计人员更多灵活性，少一些强制性，这样才能更好地在规范的指导下，根据工程的特点和具体条件去解决问题。总之，在规范标准上，要摆脱计划经济年代遗留下来的过分强求统一、较少考虑个性和缺乏实事求是灵活性的倾向。要提倡和鼓励各省市编制地方性规范，在工程的安全性和耐久性标准上，可有不同的设置水准。比如上海、北京、广州这些大城市应该高些，在抗震防灾要求上，更应区别对待。 全国性的规范订得愈详细，其适用性可能变得愈差，造成的混乱也可能愈多；特别象岩土工程那样的规范更是如此。 发达国家有关土建结构工程的规范及与之配套的各类技术标准多由行业协会或专业学会编制及管理，规范的翻新周期短，不象我们要长达10年以上。我国的学会与协会重复设置，分工不明，并且至今还依附于某一政府部门，基本上只起到政府职能部门非官方代言人的作用，距离独立和富有活力的健全机构还差的很远，如何发挥这些机构在技术标准编写和管理中的作用也是值得探讨的一个问题。建议随着改革的深入，整顿合并有关的学会、协会，加强其职能，并逐渐成为技术标准编制管理的主体。 四、准备提交政府有关部门考虑的建议 为了改善我国土建结构工程的安全性与耐久性，这次论坛中提出了以下建议供政府有关部门考虑，： 1、桥梁、隧道、道路、港口等基础设施工程的混凝土结构耐久性，已是当前亟待采取措施应对的重大问题。否则，一些工程的正常使用功能和安全性将得不到有效保证，我国的现代化建设和国民经济会蒙受巨大损失，并将给生产和公众生活带来长期困扰。 建议国家建设部、交通部、铁道部主管土建工程设计标准的部门，能对工程的耐久性要求作重点审查，明确土建工程的设计应有最低使用寿命的要求，重要工程的设计文件中应有正常使用寿命和耐久性设计的独立章节与论证； 建议国家自然科学基金委员会能在今后一段时期内对混凝土工程耐久性的基础理论研究给予重点支持； 建议国家安全生产监督管理局为在近期内编订有关法规标准给以立项资助； 建议中国工程院土木水利建筑学部在其咨询研究项目中，联络国内有关专家，促进土建结构耐久性设计指导性技术条例的编制。 2、土建工程使用过程中的安全性，应有定期的检测和正常的维护修理加以保证。对于重要土建工程，我国尚无必须进行安全检测的法规。在基础设施工程的投资上有重新建、轻维修的倾向，不利于工程寿命和投资效益。 建议对桥、隧等重要公共基础设施和公共建筑物，在其使用期内实施强制性的定期安全检测。为此，需要制定法规，编制相应的技术标准；对于土建结构工程的检测与评估，需要建立从业人员的注册制度和从业机构的资质认证与监管体制。凡属已建工程的安全诊断也可一并归入这一行业。 建议政府有关部门在桥、隧、道路等土建基础设施工程投资上，根据需要，加大工程维修费的比例。 3、完善技术标准体系与管理体制，发挥学会、协会在技术标准编制、修订和管理中的作用；逐步淡化技术规范条文的强制性质；鼓励编制地方性规范(标准)和企业标准，适应不同地区在环境地质和经济、技术水平上的差异，并鼓励科技创新和技术进步。 4、合理设置土建结构设计的安全水准，必须考虑工程失效的风险后果、社会的财富与资源供给、乃至公众的意向等多种因素。随着我国经济形势的巨大变化，有必要重新审视现行土建结构工程设计规范的安全设置水准，建议主管部门组织论证。桥梁等交通土建结构的风险后果较大，且由于车流、车载、车速的快速发展，在设计荷载标准值和承载力安全度的设置水准上似乎应比一般的建筑结构有更高的安全贮备。在建筑结构的安全设置水准上，建议进一步收集不同意见，包括商品房消费者的意向。我国不同地区的经济发展水平悬殊，在建筑物安全性和耐久性的要求上是否需要区别对待也值得探讨。 5我国建筑结构设计规范采用可靠度设计方法的经验及问题值得总结。可靠度方法用于不同类型结构的先决条件和难度不一，不必强求一律。建议有关部门在推广可靠度方法于各类设计规范时，广泛征集各种看法，实事求是，稳慎对待，不宜急于求成。