伍强精品课堂:设计中为什么要有安全系数

作者:尹军琪 时间:2020/01/18 来源:mobile365体育投注

        “安全系数”有学术定义和口语两种含义。学术定义比较狭窄,主要是在建筑、机械、工程结构等设计计算时,为了防止因材料的缺点、计算的偏差、加工的误差、外力的偶然增加、意外载荷、冲击载荷等多种因素所引起的不良后果,因此,在计算时,要考虑一定的设计冗余。所谓安全系数,,即设计的结构所能承受的最大载荷应大于实际的载荷,二者之比叫做安全系数,其值一般均应大于等于1。在实际工作中,往往采用放大载荷的方法,以计算其相应的应力值,如果在放大后的载荷下,构件的最大应力仍然在屈服应力之内,则认为是安全的。由于每种工况下产品的安全等级不同,设计的方法不同,采用的材料不同,应用场合不同等,安全系数并非是一个恒定值,在很大程度上根据设计经验来确定。比如核反应堆的安全系数就要大于一般民用建筑,机场航站楼、大型剧场的安全系数就要大于车间和厂房,在物流系统中,立体库货架的安全系数要大于隔板货架,等等。

        日常口语环境中,也经常提到安全系数。比如我们经常听到什么品牌的汽车安全系数高,其实不是与结构的安全系数高低有关,而是与其它因素有关,如是否配置了安全气囊,是否配置了安全带,是否有灭火器等。有时,我们还会根据其在故障下人员的生还率来定义安全系数。在我们熟知的其它领域,也有类似情况,如计算机中的双机备份策略,就是为了提高系统的安全系数,防止灾难性结果等。但这些与学术上定义的安全系数没有太大关系。

        1载荷,应力,许用应力,屈服应力及其它

        有几个概念必须搞清楚。看起来这些概念都非常简单,但却非常重要。

        载荷:即作用于构件上的荷载。每一构件均有多种形式的载荷。常见的荷载有自重、货物、设备、风载、雨载、雪载、地震波引起的荷载等。自重有时是非常关键的荷载。在大跨度起重机设计时,如岸桥起重机,跨度可能达到120米甚至更长,自重成为影响设计的关键荷载。有时,我们看到太大跨度下,因为自重的缘故,设计已经变得不可能实现。这就是现实中的桥梁跨度不可能太大,建筑的跨度也不会无限大的根本原因。

        载荷的确定是设计与计算的第一步,如何简化载荷成为设计是否符合实际的关键因素。比如,在堆垛机立柱设计时,载荷主要包括立柱自重、载货台自重、货物重量,还要考虑在加速提升时产生的载荷等。货架计算时,载荷主要是自重与货物(托盘)的重量,有时要考虑堆垛机或叉车作业时的侧向力,特别关键的是要计算地震时货架的受力情况,即载荷情况等。

        载荷的简化非常重要。在计算时常常要进行简化,求出等效荷载等。这对于结构计算人员来说是最基本的工作了。

        应力(stress):应力是力学中一个最常见的参数。其定义是单位面积上的载荷,即:N/mm2,分为正应力和剪应力。要理解正应力并不难,在一根截面积为A的细长杆件两端,施加一定的载荷Q,其截面上所承受的应力(拉应力或正应力)即为Q/A。当然,更为复杂的受力情况下,应力的表述也会不同。

        屈服应力:屈服应力即材料达到屈服(即失效)时的最小应力。显然,不同材料的屈服应力是不同的,不仅木材与钢材有重大差异,不同性质的钢材之间,其屈服应力也相差甚大。要理解屈服应力,还需要明确不同材料在其失效前的表现,对大多数脆性材料来说,如铸铁,陶瓷等,其失效一般表现为断裂。因此,其屈服应力即取达到断裂时的应力值,对塑性材料而言,其失效前并非立即断裂,而是先发生塑变。因此,屈服应力一般取应力曲线的直线段的最大值。理解屈服应力对于理解结构的安全性非常重要。对一个复杂的系统来说,如货架系统,往往一根杆件的失效,就会导致整个系统失效。这是因为,尤其当一个静定系统(有时,非静定系统也是如此)中的一个最弱的杆件发生塑性变形后,其载荷会加载到其它构件,从而导致其它杆件的失效,最后扩大到整个系统的失效。这就是去年我们常常看到的,当叉车撞击到货架立柱,导致其失效后,整个货架迅速垮塌的原因。在生活中,这样的例子很多。甚至在其它领域也是如此,如股票市场的恐慌踩踏事件,其原理与此也是类似的。

        许用应力:可以定义为设计构件时允许的最大应力。显然,这个值不得大于屈服应力。事实上,在定义安全系数时,除了采用载荷法以外,更为常用的是采用许用应力法。屈服应力除以许用应力即为安全系数,这个值必须大于1。

        2安全系数是对缺陷和简化的一种补偿

        有一个基本事实是:理论与实际是有偏差的。

        我们对结构进行设计时,如货架、输送机、提升机、堆垛机等,理论计算都是经过了一定的简化,并非实际构建的真实反映。如力学模型的建立,首先是对结构的拓扑结构、尺寸、受力情况、边界条件进行简化,简化后的模型与实际结构之间存在差异,对专业的和有经验的计算人员来说,其差异会小一点,对没有经验的人来说,差异往往还会很大,当然也有例外。

        以我们熟知的货架作为例子,货架在计算时首先要简化模型,比如一座10个巷道的立体库货架,我们并非对其整体进行计算,而是选取1~2个巷道进行计算即可。在计算机出现的早期,这种简化非常必要,否则,由于计算机内存、磁盘、速度等的限制,计算往往就无法实现。又比如横梁与立柱的连接,既非刚性连接,也非铰接,实际是处于两者之间的一种连接,处理起来非常困难。此外,还有立柱的冲孔对立柱本身的力学性能影响很大,如何处理也非常困难。“非不为也,是不能也”。所以只能简化。力学计算很大一部分的工作是在简化模型,尽量寻求一个与原结构基本等价的计算模型。

        为了弥补这种差异(模型与实物之间),有时可以采用实验的办法来进行修正,但实验常常限于条件限制,往往只能搭建一个局部,或单一构建进行有限的模拟试验,其实际作用也是有限的,不能说实验的结果就会更好或更加准确。

        另一方面,材料本身也是有缺陷的。所谓的材料特征,也是典型材料样本的力学特征而已。真实的材料,可能配方存在差异,可能冶炼的环境不同,导致瑕疵,等等,更是司空见惯。

        此外实验本身具有一定的偶然性,也促使这种测量结果并非是一成不变的真理。测试方法的不同、计量工具不同、加载的方式不同等都会影响测试的结果。为了弥补这种误差,往往需要进行多次测量,然后对测试结果进行评估,以便获得一个比较可靠的参考值或者叫设计值。

        当然,随着计算手段的不断提高(如采用有限元分析),经验的不断丰富,计算结果与实际相差并不会太大,误差会在一定范围之中。安全系数的提出,就是弥补这种误差的一种有效手段。

        3安全系数是对意外荷载的一种防护

        真实的世界,往往比设计的环境要复杂很多。这也为安全系数的制定提出了具体的要求。

        以桥梁为例,桥梁设计时,首先要进行地质勘探,以此确定基础的特征,并作为计算的前提条件。然后再简化模型,进行力学分析。

        但实际计算时,往往会陷入一些迷茫之中,这就是外部载荷的确定是一个非常复杂的事情。比如风载荷、雨雪载荷、水流载荷的确定,就并非一件容易的事情,既要考虑到载荷的合理性,又要有一定的抗意外载荷的能力。于是,我们看到的报道是,抗几级大风,或多少年一遇的洪水等,这都是影响桥梁的设计。

        此外,车载荷也很重要,包括单辆车载荷、全桥的最大载荷以及载荷的分布等都有很大影响。前段时间,无锡出现大桥垮塌事故,就是因为设计的载荷与实际的载荷出现大的偏差所引起。但在计算和设计时,尽管考虑了安全系数,也难以对实际可能出现的情况进行全面的防范。

        有时还要考虑一些意外情况出现,如超载和意外的撞击等,历史上出现大桥被轮船意外撞击而垮塌的事故也是不少的。当然,这种意外,除了加强安全系数之外,更加积极和节约的办法是增加安全防护装置等。

        地震载荷也是一种意料之外的载荷,在结构设计中也是需要考虑的。在物流系统中,人们往往对地震载荷产生很多疑惑,即到底如何考虑风险?

        地震载荷不同于普通的静载荷或动载荷。它是一种地震波(纵波和横波)。地震载荷的防范原则上要与当地的地震抗震等级关联。但实际情况也并非完全照搬。以立体库为例,因为我国的地震防护等级是按照区域划分的。其原则主要有三:其一是是否位于地震带上;其二是是否曾经发生过大地震;其三是地区的重要性如何(如特大城市的等级就要高)。根据这一原则,我们知道,立体库的建筑应按照这一原则处理,而货架就不一定要遵循这一原则。而是应综合考虑储存货物的重要性、货架垮塌的影响以及当地实际可能发生的地震等级等。

        此外,地震载荷的安全系数设计也不能与静载荷混为一谈。因为地震是一种偶发性很高的事件,差异很大,有些地方几百年也未必发生一次,有些地方几年就发生一次。从设计理念讲,在地震发生时,只要做到建筑物不垮塌即可。因此,核算的许用应力应是构件的屈服应力或断裂应力,验证的标准也是不一样的。

        总之,对于意外载荷的防范,是考虑安全系数的另一个重要方面。有时会采取额外的措施加以防护。在大型和重要的建筑结构设计时,往往要注意采用超静定结构而非静定结构,因为超静定结构的好处是有更大的冗余和安全性。前面说的的大型货架即是如此,不要出现因为局部的失效导致整体垮塌的情况出现。

        由于意外载荷的基本特征,不同的建筑结构或工程机械所要考虑的意外载荷及载荷大小是不一样的。要根据具体情况灵活应用,不能千篇一律。

        4安全系数是对风险的一种评估

        安全系数的考虑还要分析风险的大小,以及对风险的承受能力等因素。

        从理论上讲,世界上几乎没有绝对安全的设计,只是概率高低的问题和抗风险能力的大小问题。因为有些缺陷是不可避免的。

福岛核电站

        如核电站,其安全系数就要求很高。不仅要考虑日常的载荷,还要重点考虑和防范地陷、洪水以及地震载荷等。日本311大地震,出现重大核事故,说明了这一防范的重要性。前面说过,建筑物在地震时考虑不垮塌即可,因为只要不伤害到人身安全即可,但核电站却不能只考虑到这些。而应该考虑到最恶劣的情况下,保持整体建筑和设备的完好性,所以其代价相应也就会高很多。

        有些情况是要考虑破坏后修复的难度,以及对于生产的影响等因素,如跨海大桥,一旦受到破坏,其修复难度就非常大。因此,在考虑设计时,安全系数就会大一些。又比如大型立体库,尤其是存放贵重物资的大型立体库,其安全系数也相应会大一些。

        一项设计往往要考虑很多方面。比如说立体库的基础设计就是如此。很多人不大清楚基础设计中载荷的具体意义,比如不均匀沉陷,平均载荷,以及集中载荷等。实际上,不均匀沉陷主要是对基础变形的一种描述,不仅仅是载荷问题,还有基础本身的变形,有时是不均匀变形的问题,因为立体库货架和堆垛机要维持其正常运行,必须要保持一定的精度。平均荷载描述的是整个基础之上极端情况下的总载荷,它与桩基的设计是密切相关的。有些设计者不明白这一关系,往往会犯比较大大的错误。一般来说,立体库的平均荷载包括设备的自重,以及全部放满货物后的货物载荷。我们知道,对于一个立体库来说,货物的总重量往往与存放的货物有关,差异不小,比如说生产牛奶、啤酒和水的工厂,它的货物每托盘基本是一致的。因此,货物总量基本就是托盘数乘以货位数,尽管货位不一定能够放满。但对于一个流通领域的仓库来说,可能品种数很多,每个托盘的重量呈一个正态分布的状况,这时的总荷载将大打折扣,所以,平均载荷会相应降低。集中载荷描述的是局部载荷,对于基础层板的设计和梁的分布有很大关系,集中载荷应充分考虑到载荷的偶然性和极端性,一般来说应对极端情况予以认真评估。

        总之,确定安全系数要考虑的方面是比较多的。安全系数构成主要是考虑三方面的因素,即设计的简化和材料的缺陷因素k1≥1,意外荷载的因素k2≥1,以及重要性因素k3≥1,三者是叠加的,总体安全系数为k=k1+k2+k3-2。当然,也有其它表述方式。需要说明的是,每一项系数的确定,应根据具体情况,如果系统简单,k的值就会低一些;如果系统重要,k值就会高一些;但就总体而言,结构形式有时会比单纯增加钢材重量更有效果一些。有些企业根据用钢量来计算货架、屋架等钢结构的价格,而不考虑系统的优化和受力的合理性,其实只是单纯用重量来做安全性的评估。这种做法有时不仅无益,而且有害。

        5需要引起注意的问题

        要注意一些错误的认知问题,如建筑和结构设计中,人们往往对安全系数的定义和内涵没有准确的理解,认为安全系数就是一种设计冗余,从而得出一些简单的却非常危险的结论。如超载就是如此。我国汽车超载非常严重,事故频发,与人们对于安全系数的错误认知是有非常大的关系的。以为设计10吨的车,可以承载20吨甚至更多(在静载时的确如此)。他们还乐于从自身或朋友的经验出发来考虑问题。认为侥幸没有出事就可以了。其实已经将自身置于非常危险的境地。比如遇到道路颠簸、路滑制动、桥梁等,就非常危险。        一旦发生事故,就悔之已晚。

        结构的破坏方式,不仅仅是断裂一种。对于塑性材料如钢材来说,达到塑性变形就属于破坏了,有些情况下还是疲劳破坏,有些情况是整体失稳。这不仅要在设计中注意,更要在日常使用中了解其中的机理。经常看到有人抱着试一试的方法来验证结构的承载能力,如起重机、吊车、货车等,殊不知一旦能够看到明显的变形时,其实结构已经破坏了。有时,重大事故在刚刚察觉时,已经不可挽回了。

        如前所述,安全系数并非完全是一种设计冗余,而是应对缺陷和偶发事故的一种保护手段。这种缺陷和偶发事故的无法预知的,人们不能因为一次侥幸而误将安全系数理解为一种冗余,而可以随意利用;更不能将安全系数简单的理解为可以任意超越的许可。需要解释的是,实际应用中,当载荷超过了设计值,并非一定会立即发生事故,只是表示危险性已经非常高了,事故发生的概率变得高了。

        另一方面,要有科学的工作方法和态度。在实际工作中,经常看到有人对于力学计算不重视或重视不够的现象。这是极其危险的,也是不经济的。当结构的尺寸、材料、载荷等发生改变时,计算和实验验证必不可少。有人为此付出了惨痛的代价。

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