“安全系數(shù)”有學(xué)術(shù)定義和口語兩種含義。學(xué)術(shù)定義比較狹窄，主要是在建筑、機(jī)械、工程結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為了防止因材料的缺點(diǎn)、計(jì)算的偏差、加工的誤差、外力的偶然增加、意外載荷、沖擊載荷等多種因素所引起的不良后果，因此，在計(jì)算時(shí)，要考慮一定的設(shè)計(jì)冗余。所謂安全系數(shù)，,即設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)所能承受的最大載荷應(yīng)大于實(shí)際的載荷，二者之比叫做安全系數(shù)，其值一般均應(yīng)大于等于1。在實(shí)際工作中，往往采用放大載荷的方法，以計(jì)算其相應(yīng)的應(yīng)力值，如果在放大后的載荷下，構(gòu)件的最大應(yīng)力仍然在屈服應(yīng)力之內(nèi)，則認(rèn)為是安全的。由于每種工況下產(chǎn)品的安全等級(jí)不同，設(shè)計(jì)的方法不同，采用的材料不同，應(yīng)用場(chǎng)合不同等，安全系數(shù)并非是一個(gè)恒定值，在很大程度上根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來確定。比如核反應(yīng)堆的安全系數(shù)就要大于一般民用建筑，機(jī)場(chǎng)航站樓、大型劇場(chǎng)的安全系數(shù)就要大于車間和廠房，在物流系統(tǒng)中，立體庫貨架的安全系數(shù)要大于隔板貨架，等等。

        日?？谡Z環(huán)境中，也經(jīng)常提到安全系數(shù)。比如我們經(jīng)常聽到什么品牌的汽車安全系數(shù)高，其實(shí)不是與結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)高低有關(guān)，而是與其它因素有關(guān)，如是否配置了安全氣囊，是否配置了安全帶，是否有滅火器等。有時(shí)，我們還會(huì)根據(jù)其在故障下人員的生還率來定義安全系數(shù)。在我們熟知的其它領(lǐng)域，也有類似情況，如計(jì)算機(jī)中的雙機(jī)備份策略，就是為了提高系統(tǒng)的安全系數(shù)，防止災(zāi)難性結(jié)果等。但這些與學(xué)術(shù)上定義的安全系數(shù)沒有太大關(guān)系。

        1載荷，應(yīng)力，許用應(yīng)力，屈服應(yīng)力及其它

        有幾個(gè)概念必須搞清楚?？雌饋磉@些概念都非常簡(jiǎn)單，但卻非常重要。

        載荷：即作用于構(gòu)件上的荷載。每一構(gòu)件均有多種形式的載荷。常見的荷載有自重、貨物、設(shè)備、風(fēng)載、雨載、雪載、地震波引起的荷載等。自重有時(shí)是非常關(guān)鍵的荷載。在大跨度起重機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，如岸橋起重機(jī)，跨度可能達(dá)到120米甚至更長(zhǎng)，自重成為影響設(shè)計(jì)的關(guān)鍵荷載。有時(shí)，我們看到太大跨度下，因?yàn)樽灾氐木壒?，設(shè)計(jì)已經(jīng)變得不可能實(shí)現(xiàn)。這就是現(xiàn)實(shí)中的橋梁跨度不可能太大，建筑的跨度也不會(huì)無限大的根本原因。

        載荷的確定是設(shè)計(jì)與計(jì)算的第一步，如何簡(jiǎn)化載荷成為設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際的關(guān)鍵因素。比如，在堆垛機(jī)立柱設(shè)計(jì)時(shí)，載荷主要包括立柱自重、載貨臺(tái)自重、貨物重量，還要考慮在加速提升時(shí)產(chǎn)生的載荷等。貨架計(jì)算時(shí)，載荷主要是自重與貨物（托盤）的重量，有時(shí)要考慮堆垛機(jī)或叉車作業(yè)時(shí)的側(cè)向力，特別關(guān)鍵的是要計(jì)算地震時(shí)貨架的受力情況，即載荷情況等。

        載荷的簡(jiǎn)化非常重要。在計(jì)算時(shí)常常要進(jìn)行簡(jiǎn)化，求出等效荷載等。這對(duì)于結(jié)構(gòu)計(jì)算人員來說是最基本的工作了。

        應(yīng)力（stress）：應(yīng)力是力學(xué)中一個(gè)最常見的參數(shù)。其定義是單位面積上的載荷，即：N/mm2，分為正應(yīng)力和剪應(yīng)力。要理解正應(yīng)力并不難，在一根截面積為A的細(xì)長(zhǎng)桿件兩端，施加一定的載荷Q，其截面上所承受的應(yīng)力（拉應(yīng)力或正應(yīng)力）即為Q/A。當(dāng)然，更為復(fù)雜的受力情況下，應(yīng)力的表述也會(huì)不同。

        屈服應(yīng)力：屈服應(yīng)力即材料達(dá)到屈服（即失效）時(shí)的最小應(yīng)力。顯然，不同材料的屈服應(yīng)力是不同的，不僅木材與鋼材有重大差異，不同性質(zhì)的鋼材之間，其屈服應(yīng)力也相差甚大。要理解屈服應(yīng)力，還需要明確不同材料在其失效前的表現(xiàn)，對(duì)大多數(shù)脆性材料來說，如鑄鐵，陶瓷等，其失效一般表現(xiàn)為斷裂。因此，其屈服應(yīng)力即取達(dá)到斷裂時(shí)的應(yīng)力值，對(duì)塑性材料而言，其失效前并非立即斷裂，而是先發(fā)生塑變。因此，屈服應(yīng)力一般取應(yīng)力曲線的直線段的最大值。理解屈服應(yīng)力對(duì)于理解結(jié)構(gòu)的安全性非常重要。對(duì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)來說，如貨架系統(tǒng)，往往一根桿件的失效，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。這是因?yàn)?，尤其?dāng)一個(gè)靜定系統(tǒng)（有時(shí)，非靜定系統(tǒng)也是如此）中的一個(gè)最弱的桿件發(fā)生塑性變形后，其載荷會(huì)加載到其它構(gòu)件，從而導(dǎo)致其它桿件的失效，最后擴(kuò)大到整個(gè)系統(tǒng)的失效。這就是去年我們常?？吹降模?dāng)叉車撞擊到貨架立柱，導(dǎo)致其失效后，整個(gè)貨架迅速垮塌的原因。在生活中，這樣的例子很多。甚至在其它領(lǐng)域也是如此，如股票市場(chǎng)的恐慌踩踏事件，其原理與此也是類似的。

        許用應(yīng)力：可以定義為設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)允許的最大應(yīng)力。顯然，這個(gè)值不得大于屈服應(yīng)力。事實(shí)上，在定義安全系數(shù)時(shí)，除了采用載荷法以外，更為常用的是采用許用應(yīng)力法。屈服應(yīng)力除以許用應(yīng)力即為安全系數(shù)，這個(gè)值必須大于1。

        2安全系數(shù)是對(duì)缺陷和簡(jiǎn)化的一種補(bǔ)償

        有一個(gè)基本事實(shí)是：理論與實(shí)際是有偏差的。

        我們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如貨架、輸送機(jī)、提升機(jī)、堆垛機(jī)等，理論計(jì)算都是經(jīng)過了一定的簡(jiǎn)化，并非實(shí)際構(gòu)建的真實(shí)反映。如力學(xué)模型的建立，首先是對(duì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、尺寸、受力情況、邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在差異，對(duì)專業(yè)的和有經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算人員來說，其差異會(huì)小一點(diǎn)，對(duì)沒有經(jīng)驗(yàn)的人來說，差異往往還會(huì)很大，當(dāng)然也有例外。

        以我們熟知的貨架作為例子，貨架在計(jì)算時(shí)首先要簡(jiǎn)化模型，比如一座10個(gè)巷道的立體庫貨架，我們并非對(duì)其整體進(jìn)行計(jì)算，而是選取1~2個(gè)巷道進(jìn)行計(jì)算即可。在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的早期，這種簡(jiǎn)化非常必要，否則，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存、磁盤、速度等的限制，計(jì)算往往就無法實(shí)現(xiàn)。又比如橫梁與立柱的連接，既非剛性連接，也非鉸接，實(shí)際是處于兩者之間的一種連接，處理起來非常困難。此外，還有立柱的沖孔對(duì)立柱本身的力學(xué)性能影響很大，如何處理也非常困難?！胺遣粸橐?，是不能也”。所以只能簡(jiǎn)化。力學(xué)計(jì)算很大一部分的工作是在簡(jiǎn)化模型，盡量尋求一個(gè)與原結(jié)構(gòu)基本等價(jià)的計(jì)算模型。

        為了彌補(bǔ)這種差異（模型與實(shí)物之間），有時(shí)可以采用實(shí)驗(yàn)的辦法來進(jìn)行修正，但實(shí)驗(yàn)常常限于條件限制，往往只能搭建一個(gè)局部，或單一構(gòu)建進(jìn)行有限的模擬試驗(yàn)，其實(shí)際作用也是有限的，不能說實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就會(huì)更好或更加準(zhǔn)確。

        另一方面，材料本身也是有缺陷的。所謂的材料特征，也是典型材料樣本的力學(xué)特征而已。真實(shí)的材料，可能配方存在差異，可能冶煉的環(huán)境不同，導(dǎo)致瑕疵，等等，更是司空見慣。

        此外實(shí)驗(yàn)本身具有一定的偶然性，也促使這種測(cè)量結(jié)果并非是一成不變的真理。測(cè)試方法的不同、計(jì)量工具不同、加載的方式不同等都會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果。為了彌補(bǔ)這種誤差，往往需要進(jìn)行多次測(cè)量，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，以便獲得一個(gè)比較可靠的參考值或者叫設(shè)計(jì)值。

        當(dāng)然，隨著計(jì)算手段的不斷提高（如采用有限元分析），經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差并不會(huì)太大，誤差會(huì)在一定范圍之中。安全系數(shù)的提出，就是彌補(bǔ)這種誤差的一種有效手段。

        3安全系數(shù)是對(duì)意外荷載的一種防護(hù)

        真實(shí)的世界，往往比設(shè)計(jì)的環(huán)境要復(fù)雜很多。這也為安全系數(shù)的制定提出了具體的要求。

        以橋梁為例，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，首先要進(jìn)行地質(zhì)勘探，以此確定基礎(chǔ)的特征，并作為計(jì)算的前提條件。然后再簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行力學(xué)分析。

        但實(shí)際計(jì)算時(shí)，往往會(huì)陷入一些迷茫之中，這就是外部載荷的確定是一個(gè)非常復(fù)雜的事情。比如風(fēng)載荷、雨雪載荷、水流載荷的確定，就并非一件容易的事情，既要考慮到載荷的合理性，又要有一定的抗意外載荷的能力。于是，我們看到的報(bào)道是，抗幾級(jí)大風(fēng)，或多少年一遇的洪水等，這都是影響橋梁的設(shè)計(jì)。

        此外，車載荷也很重要，包括單輛車載荷、全橋的最大載荷以及載荷的分布等都有很大影響。前段時(shí)間，無錫出現(xiàn)大橋垮塌事故，就是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的載荷與實(shí)際的載荷出現(xiàn)大的偏差所引起。但在計(jì)算和設(shè)計(jì)時(shí)，盡管考慮了安全系數(shù)，也難以對(duì)實(shí)際可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行全面的防范。

        有時(shí)還要考慮一些意外情況出現(xiàn)，如超載和意外的撞擊等，歷史上出現(xiàn)大橋被輪船意外撞擊而垮塌的事故也是不少的。當(dāng)然，這種意外，除了加強(qiáng)安全系數(shù)之外，更加積極和節(jié)約的辦法是增加安全防護(hù)裝置等。

        地震載荷也是一種意料之外的載荷，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也是需要考慮的。在物流系統(tǒng)中，人們往往對(duì)地震載荷產(chǎn)生很多疑惑，即到底如何考慮風(fēng)險(xiǎn)？

        地震載荷不同于普通的靜載荷或動(dòng)載荷。它是一種地震波（縱波和橫波）。地震載荷的防范原則上要與當(dāng)?shù)氐牡卣鹂拐鸬燃?jí)關(guān)聯(lián)。但實(shí)際情況也并非完全照搬。以立體庫為例，因?yàn)槲覈牡卣鸱雷o(hù)等級(jí)是按照區(qū)域劃分的。其原則主要有三：其一是是否位于地震帶上；其二是是否曾經(jīng)發(fā)生過大地震；其三是地區(qū)的重要性如何（如特大城市的等級(jí)就要高）。根據(jù)這一原則，我們知道，立體庫的建筑應(yīng)按照這一原則處理，而貨架就不一定要遵循這一原則。而是應(yīng)綜合考慮儲(chǔ)存貨物的重要性、貨架垮塌的影響以及當(dāng)?shù)貙?shí)際可能發(fā)生的地震等級(jí)等。

        此外，地震載荷的安全系數(shù)設(shè)計(jì)也不能與靜載荷混為一談。因?yàn)榈卣鹗且环N偶發(fā)性很高的事件，差異很大，有些地方幾百年也未必發(fā)生一次，有些地方幾年就發(fā)生一次。從設(shè)計(jì)理念講，在地震發(fā)生時(shí)，只要做到建筑物不垮塌即可。因此，核算的許用應(yīng)力應(yīng)是構(gòu)件的屈服應(yīng)力或斷裂應(yīng)力，驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)也是不一樣的。

        總之，對(duì)于意外載荷的防范，是考慮安全系數(shù)的另一個(gè)重要方面。有時(shí)會(huì)采取額外的措施加以防護(hù)。在大型和重要的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往要注意采用超靜定結(jié)構(gòu)而非靜定結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)的好處是有更大的冗余和安全性。前面說的的大型貨架即是如此，不要出現(xiàn)因?yàn)榫植康氖?dǎo)致整體垮塌的情況出現(xiàn)。

        由于意外載荷的基本特征，不同的建筑結(jié)構(gòu)或工程機(jī)械所要考慮的意外載荷及載荷大小是不一樣的。要根據(jù)具體情況靈活應(yīng)用，不能千篇一律。

        4安全系數(shù)是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的一種評(píng)估

        安全系數(shù)的考慮還要分析風(fēng)險(xiǎn)的大小，以及對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的承受能力等因素。

        從理論上講，世界上幾乎沒有絕對(duì)安全的設(shè)計(jì)，只是概率高低的問題和抗風(fēng)險(xiǎn)能力的大小問題。因?yàn)橛行┤毕菔遣豢杀苊獾摹?

福島核電站

        如核電站，其安全系數(shù)就要求很高。不僅要考慮日常的載荷，還要重點(diǎn)考慮和防范地陷、洪水以及地震載荷等。日本311大地震，出現(xiàn)重大核事故，說明了這一防范的重要性。前面說過，建筑物在地震時(shí)考慮不垮塌即可，因?yàn)橹灰粋Φ饺松戆踩纯?，但核電站卻不能只考慮到這些。而應(yīng)該考慮到最惡劣的情況下，保持整體建筑和設(shè)備的完好性，所以其代價(jià)相應(yīng)也就會(huì)高很多。

        有些情況是要考慮破壞后修復(fù)的難度，以及對(duì)于生產(chǎn)的影響等因素，如跨海大橋，一旦受到破壞，其修復(fù)難度就非常大。因此，在考慮設(shè)計(jì)時(shí)，安全系數(shù)就會(huì)大一些。又比如大型立體庫，尤其是存放貴重物資的大型立體庫，其安全系數(shù)也相應(yīng)會(huì)大一些。

        一項(xiàng)設(shè)計(jì)往往要考慮很多方面。比如說立體庫的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)就是如此。很多人不大清楚基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中載荷的具體意義，比如不均勻沉陷，平均載荷，以及集中載荷等。實(shí)際上，不均勻沉陷主要是對(duì)基礎(chǔ)變形的一種描述，不僅僅是載荷問題，還有基礎(chǔ)本身的變形，有時(shí)是不均勻變形的問題，因?yàn)榱Ⅲw庫貨架和堆垛機(jī)要維持其正常運(yùn)行，必須要保持一定的精度。平均荷載描述的是整個(gè)基礎(chǔ)之上極端情況下的總載荷，它與樁基的設(shè)計(jì)是密切相關(guān)的。有些設(shè)計(jì)者不明白這一關(guān)系，往往會(huì)犯比較大大的錯(cuò)誤。一般來說，立體庫的平均荷載包括設(shè)備的自重，以及全部放滿貨物后的貨物載荷。我們知道，對(duì)于一個(gè)立體庫來說，貨物的總重量往往與存放的貨物有關(guān)，差異不小，比如說生產(chǎn)牛奶、啤酒和水的工廠，它的貨物每托盤基本是一致的。因此，貨物總量基本就是托盤數(shù)乘以貨位數(shù)，盡管貨位不一定能夠放滿。但對(duì)于一個(gè)流通領(lǐng)域的倉庫來說，可能品種數(shù)很多，每個(gè)托盤的重量呈一個(gè)正態(tài)分布的狀況，這時(shí)的總荷載將大打折扣，所以，平均載荷會(huì)相應(yīng)降低。集中載荷描述的是局部載荷，對(duì)于基礎(chǔ)層板的設(shè)計(jì)和梁的分布有很大關(guān)系，集中載荷應(yīng)充分考慮到載荷的偶然性和極端性，一般來說應(yīng)對(duì)極端情況予以認(rèn)真評(píng)估。

        總之，確定安全系數(shù)要考慮的方面是比較多的。安全系數(shù)構(gòu)成主要是考慮三方面的因素，即設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化和材料的缺陷因素k1≥1，意外荷載的因素k2≥1，以及重要性因素k3≥1，三者是疊加的，總體安全系數(shù)為k=k1+k2+k3-2。當(dāng)然，也有其它表述方式。需要說明的是，每一項(xiàng)系數(shù)的確定，應(yīng)根據(jù)具體情況，如果系統(tǒng)簡(jiǎn)單，k的值就會(huì)低一些；如果系統(tǒng)重要，k值就會(huì)高一些；但就總體而言，結(jié)構(gòu)形式有時(shí)會(huì)比單純?cè)黾愉摬闹亓扛行Ч恍Ｓ行┢髽I(yè)根據(jù)用鋼量來計(jì)算貨架、屋架等鋼結(jié)構(gòu)的價(jià)格，而不考慮系統(tǒng)的優(yōu)化和受力的合理性，其實(shí)只是單純用重量來做安全性的評(píng)估。這種做法有時(shí)不僅無益，而且有害。

        5需要引起注意的問題

        要注意一些錯(cuò)誤的認(rèn)知問題，如建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人們往往對(duì)安全系數(shù)的定義和內(nèi)涵沒有準(zhǔn)確的理解，認(rèn)為安全系數(shù)就是一種設(shè)計(jì)冗余，從而得出一些簡(jiǎn)單的卻非常危險(xiǎn)的結(jié)論。如超載就是如此。我國汽車超載非常嚴(yán)重，事故頻發(fā)，與人們對(duì)于安全系數(shù)的錯(cuò)誤認(rèn)知是有非常大的關(guān)系的。以為設(shè)計(jì)10噸的車，可以承載20噸甚至更多（在靜載時(shí)的確如此）。他們還樂于從自身或朋友的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)來考慮問題。認(rèn)為僥幸沒有出事就可以了。其實(shí)已經(jīng)將自身置于非常危險(xiǎn)的境地。比如遇到道路顛簸、路滑制動(dòng)、橋梁等，就非常危險(xiǎn)。        一旦發(fā)生事故，就悔之已晚。

        結(jié)構(gòu)的破壞方式，不僅僅是斷裂一種。對(duì)于塑性材料如鋼材來說，達(dá)到塑性變形就屬于破壞了，有些情況下還是疲勞破壞，有些情況是整體失穩(wěn)。這不僅要在設(shè)計(jì)中注意，更要在日常使用中了解其中的機(jī)理。經(jīng)常看到有人抱著試一試的方法來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的承載能力，如起重機(jī)、吊車、貨車等，殊不知一旦能夠看到明顯的變形時(shí)，其實(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞了。有時(shí)，重大事故在剛剛察覺時(shí)，已經(jīng)不可挽回了。

        如前所述，安全系數(shù)并非完全是一種設(shè)計(jì)冗余，而是應(yīng)對(duì)缺陷和偶發(fā)事故的一種保護(hù)手段。這種缺陷和偶發(fā)事故的無法預(yù)知的，人們不能因?yàn)橐淮蝺e幸而誤將安全系數(shù)理解為一種冗余，而可以隨意利用；更不能將安全系數(shù)簡(jiǎn)單的理解為可以任意超越的許可。需要解釋的是，實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)載荷超過了設(shè)計(jì)值，并非一定會(huì)立即發(fā)生事故，只是表示危險(xiǎn)性已經(jīng)非常高了，事故發(fā)生的概率變得高了。

        另一方面，要有科學(xué)的工作方法和態(tài)度。在實(shí)際工作中，經(jīng)?？吹接腥藢?duì)于力學(xué)計(jì)算不重視或重視不夠的現(xiàn)象。這是極其危險(xiǎn)的，也是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)結(jié)構(gòu)的尺寸、材料、載荷等發(fā)生改變時(shí)，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證必不可少。有人為此付出了慘痛的代價(jià)。