土木工程建筑結構的安全性與耐久性研究

黃龍善

廣西華信工程設計股份有限公司 廣西 南寧 530000

1 土木工程建筑結構的安全性與耐久性的重要性

土木工程建筑結構的安全性直接關系到公眾的生命財產安全。當建筑物發生失效或破壞，可能造成嚴重的人員傷亡和財產損失，甚至引發災難性后果。因此，為了保障公眾的安全，建筑結構必須經過嚴格的安全評估和設計。耐久性保證了建筑物能夠在長期使用和各種環境作用下仍保持其穩定性和功能完整性。建筑結構的持久性減少了頻繁維修和更換的需要，降低了資源消耗和廢棄物產生，有利于推動社會朝著可持續發展的方向前進。同時，土木工程建筑結構作為城市化和工業化的基礎設施，對于經濟的發展和社會的進步至關重要[2]。高樓大廈、橋梁、隧道等基礎設施的安全性和耐久性直接影響著城市的功能和運行。穩固耐久的基礎設施為經濟發展提供了可靠的支撐，為城市的繁榮奠定了堅實的基礎。

2 土木工程建筑結構的安全性與耐久性常見問題

2.1 不合理的材料選擇

如果選用了不符合設計要求或質量不合格的材料，結構的強度和穩定性可能會受到影響。建筑結構的設計是基于預期荷載和力學計算進行的，而材料的強度是保障結構抵抗這些力學作用的基礎。如果選用的材料強度不足，可能導致結構在正常使用情況下都無法承受荷載，從而出現裂縫、變形或失穩等問題，甚至可能引發結構倒塌等嚴重后果。并且，土木工程建筑結構通常需要經受多種環境條件的考驗，例如潮濕、高溫、酸堿等。如果選用的材料不耐腐蝕或不適應特定的環境條件，結構可能會受到損害，加速老化，導致使用壽命縮短。這可能導致建筑物在較短時間內需要進行大規模的維修或更換，增加了維護成本和資源浪費。并且，在地震、風暴、洪水等自然災害面前，強度不足或耐久性差的材料容易導致結構受損，增加事故發生的風險。

2.2 設計缺陷

土木工程建筑結構必須能夠承受多種荷載，如自重、使用荷載、風荷載、地震荷載等。如果在設計中對這些荷載的作用及其組合沒有進行準確的分析和考慮，結構可能會承受超出設計承載能力的力學作用，導致結構失效或破壞。并且，地質條件和環境影響是土木工程建筑結構設計必須考慮的重要因素。例如，在地質條件復雜的地區，如果未充分了解地質情況，可能導致基礎不穩定，引發建筑物沉降或傾斜[3]。同時，環境因素如潮濕、高溫、酸堿等也可能對材料和結構產生影響，如果未適當考慮這些因素，結構的耐久性和使用壽命將受到影響。另外，對于特定結構部件的脆弱性缺乏充分的認識也是導致設計缺陷的原因之一。例如，在地震高發區，某些結構部件可能對地震荷載非常敏感，如果未進行充分加強和優化設計，可能在地震發生時容易發生破壞，導致結構整體的失穩[1]。

2.3 不當的施工質量

施工標準是確保土木工程建筑結構質量的基礎，涵蓋了施工工藝、施工方法、質量要求等方面的規定。如果施工人員未嚴格按照施工標準進行施工，可能會出現混凝土澆筑不均勻、鋼筋連接不牢固、焊接質量不合格等問題，影響結構的強度和穩定性。并且，施工監督是確保施工過程規范和質量達標的關鍵環節。如果施工監督不到位，施工人員可能得不到及時指導和糾正，施工中的錯誤可能得不到及時發現和解決。這將增加結構施工中出現質量問題的風險，對結構的安全性和耐久性造成潛在威脅。此外，施工過程中，需要嚴格按照工序進行，確保每個施工環節的質量得到保障。如果施工工序不當，可能導致結構構件之間的連接不緊密，裂縫產生或變形增加，從而影響結構整體的穩定性和耐久性。

2.4 自然災害和外力沖擊

地震是最為嚴重的自然災害之一，地震產生的地面振動和地殼位移可以導致建筑物的倒塌、結構損壞、墻體開裂等嚴重問題。如圖1所示。尤其在地震高發區，建筑物必須經過抗震設計，采取合適的抗震措施，以確保在地震發生時能夠保持穩固，減少人員傷亡和財產損失。并且，風暴引發的強風可能導致建筑物受到極大的風載荷。若建筑物未經過抗風設計或抗風性能不足，可能出現屋頂被掀起、墻體倒塌等問題，嚴重時可能導致建筑物崩塌，造成嚴重的風災損失。而且，洪水可能導致土木工程建筑結構受水侵蝕，地基不穩，墻體滲水等問題，嚴重時可能引發建筑物坍塌和內部設備損壞。此外，滑坡和泥石流可能導致地基沉降或移位，造成建筑物傾斜和結構破壞，增加結構的脆弱性。

圖1 震后墻體開裂

3 土木工程建筑結構的安全性與耐久性優化策略

3.1 選用高質量可靠的建筑材料

高質量可靠的建筑材料能夠提供更好的工程性能。例如，高強度鋼材和高性能混凝土可以增加結構的承載能力，使建筑物在面對較大荷載和外力沖擊時保持穩定。抗震設計要求采用高韌性材料，能夠在地震發生時減緩結構的震動，減少損傷。選擇適用于特定氣候和環境條件的防腐材料，能夠有效抵御潮濕、酸性、堿性等侵蝕，延長結構的使用壽命。并且，優質的材料具有更好的可塑性和可加工性，有利于施工人員進行精確的測量、切割和連接，減少施工中的誤差和缺陷。精確的施工過程能夠確保結構的穩固性和完整性，從而提高土木工程建筑的整體安全性。同時，低質量或不可靠的材料容易受損，導致建筑結構早期失效，需要更頻繁的維修和更換。這不僅增加了維護成本，還對資源的消耗和環境產生不必要的負擔。相比之下，高質量的材料具有更長的使用壽命，能夠延長土木工程建筑結構的壽命，降低資源浪費和環境影響。最后，在全球氣候變化和自然災害頻發的背景下，具備耐久性的建筑材料可以更好地應對極端氣候事件和自然災害，減少損失和危險。此外，高質量的材料有助于保持建筑物的功能和價值，提升建筑的競爭力，為人們提供更加安全、舒適和可靠的生活環境[2]。

3.2 強化結構設計與分析

采用先進的結構設計方法，如計算機輔助設計（CAD）和建筑信息模型（BIM），能夠使工程師更加準確地模擬和分析建筑結構的受力性能。通過這些工具，工程師能夠將建筑結構細化為數學模型，進行力學計算和仿真，從而預測結構在不同載荷下的變形和應力分布。這樣一來，設計人員可以更好地了解結構的強度、穩定性和剛度，優化結構的形狀和構造，以確保其在正常使用和極端情況下都能承受合理的力學作用。在結構設計過程中，必須考慮建筑物所承受的各類荷載，包括靜態荷載（如自重、使用荷載）和動態荷載（如風荷載、地震荷載）。這些荷載的大小和作用方向對于結構的安全性和耐久性至關重要。工程師需要合理選擇結構的截面尺寸、材料和連接方式，確保結構在不同荷載作用下不產生過大的變形和破壞。并且，在結構設計過程中，工程師需要充分了解地質條件，對地基進行合理的設計和處理，確保結構在不同地質環境下的穩定性。同時，采用模擬分析等技術是優化結構設計的重要手段。通過計算機模擬和數值分析，工程師可以對建筑結構進行全面、系統的評估和優化。模擬分析可以幫助工程師預測結構在不同條件下的受力性能，找出潛在的問題和薄弱環節，及時進行改進和調整。這樣可以避免在實際施工后才發現問題，節約時間和成本，提高結構的安全性和耐久性。

3.3 提高施工質量與工藝

在施工前，需要制定詳細的施工方案和施工計劃，明確施工任務和工序，合理安排資源和人力。施工現場應設立專門的施工管理人員，負責監督和指導施工作業，確保施工按照設計要求和施工標準進行。同時，要加強安全生產意識，嚴格執行施工操作規范，做好安全防護措施，避免事故發生對結構造成損害。并且，對施工人員進行專業培訓和技能提升是必要的。合格的施工人員應具備豐富的施工經驗和專業知識，熟悉施工工藝和機械設備的操作。他們需要掌握各種施工工序的技術要領，以確保施工質量的可控和穩定。定期進行技能培訓和知識更新，能夠使施工人員緊跟行業最新發展，提高施工水平和質量。如圖2所示，定期召開員工培訓會議。特別要注意關鍵部位的質量控制和監督。關鍵部位包括混凝土澆筑、鋼筋連接、焊接等，這些部位的質量直接影響到整個建筑結構的穩定性和安全性。對這些關鍵環節要實行嚴格的質量檢驗和監督，確保施工質量符合設計標準和要求。同時，引入非破壞性檢測技術也是有效手段之一。通過無損檢測技術，可以對施工質量進行全面檢測，及時發現施工缺陷和隱患，做到問題早發現、早解決。這樣可以避免施工質量問題的積累，確保建筑物的安全性和耐久性。建立施工質量檔案和質量追溯制度是另一個重要措施。記錄每個施工環節的質量數據和過程，建立質量追溯體系。這樣在后期發現問題時可以進行追責和整改，保障施工質量的可追溯和可控制。同時，這些質量檔案也有助于提供施工過程的參考和借鑒，為未來的工程項目提供經驗和教訓。

圖2 施工人員培訓

3.4 定期維護與檢測

定期維護是確保土木工程建筑結構長期安全穩定運行的重要措施。經過一段時間的使用，建筑結構可能會受到自然風化、環境侵蝕、物理損傷等影響，導致結構產生疲勞、腐蝕或裂縫等問題。定期維護包括對建筑物的外觀和內部構件進行檢查、清潔和保養，及時修復和加固可能存在的損壞部位，防止問題進一步惡化。并且，定期檢測是及時發現結構問題的重要手段。通過定期檢測，可以對土木工程建筑結構進行全面、系統的評估，了解其受力性能和健康狀態。運用無損檢測技術，如超聲波檢測、紅外熱像儀檢測等，可以非破壞性地評估結構的強度、裂縫情況等，發現隱蔽的結構問題，以便及時采取措施進行維修和加固。定期維護與檢測有助于預防結構失效和事故的發生，延長建筑物的使用壽命，降低維修成本。同時，通過及時修復和加固，可以提高結構的抗災能力，增強其在自然災害和極端環境下的穩定性。另外，定期維護與檢測也為建筑結構的全生命周期管理提供了重要支持。通過定期記錄維護和檢測數據，建立結構健康檔案，可以了解結構的演化和衰老規律，有針對性地進行維護和改進，延長建筑物的使用壽命，實現資源的最大化利用[3]。

3.5 強化防災防護措施

強化防災防護措施是土木工程建筑結構安全性與耐久性優化的重要策略。地質和氣候條件的不同可能會給建筑結構帶來不同的自然災害威脅，因此采取相應的防災措施是確保結構安全穩定的必要舉措。在地震高發區，采用抗震設計是關鍵的防災措施。通過合理選擇抗震設計參數和結構構造，增強結構的抗震能力，使建筑物能夠在地震發生時有較好的抵抗能力，減輕地震對建筑物的破壞。抗震設計可以通過加固主要構件、采用阻尼器、設置減震墻等方式來實現。并且，還可以通過優化建筑物的布局和選擇地震安全區域來減少地震風險。對于風暴和洪水多發區，設置相應的防護設施是必要的防災措施。例如，在海岸線和臺風路徑沿線的建筑物，應采取防風抗風設計措施，如加固建筑物結構、增加風向風速傳感器等。而在容易發生洪水的區域，需要設置防洪墻、提升建筑物底層高度、采用防水材料等防洪措施，以保護建筑物免受洪水侵害。此外，還有其他針對特定災害的防護措施，如火災防護、雪災防護等。針對不同地區的特定災害風險，制定相應的預防方案和應急措施，是保障土木工程建筑結構安全性與耐久性的重要手段。

3.6 加強國際合作與經驗交流

全球范圍內，各國都面臨著相似的土木工程挑戰，例如自然災害、城市化壓力、可持續性要求等。通過與國際上的相關組織、研究機構和專家緊密合作，我國能夠分享經驗與技術成果，借鑒他國在土木工程建筑結構安全與耐久性方面的成功經驗，從而推動我國建筑領域的國際化發展。在與國際組織和專家的交流中，我國可以學習到全球領先的建筑技術和最佳管理模式。國際合作能夠為我國土木工程建筑結構帶來全新的思路和解決方案。例如，一些發達國家在建筑材料、抗震設計、結構分析等方面具有獨特優勢，通過與他們合作，我國可以引進先進的技術和材料，提升我國建筑結構的安全性和耐久性。另外，國際合作與經驗交流也可以幫助我國建筑領域應對自然災害和外力沖擊。不同國家在防災減災和抗災救援方面都有豐富的經驗，通過學習他們的成功做法，我國可以加強土木工程建筑結構的抗災能力，降低災害造成的損失。

4 結語

總的來說，土木工程建筑結構的安全性與耐久性是一個綜合性、長期性的研究課題，需要全社會的共同關注和努力。通過持續不斷的研究和探索，我們相信能夠不斷提高土木工程建筑結構的安全性和耐久性，為人類創造更加穩固、持久的建筑奇跡。讓我們攜手并進，共同為建筑行業的發展貢獻自己的力量！