“安全系數”有學(xué)術(shù)定義和口語(yǔ)兩種含義。學(xué)術(shù)定義比較狹窄，主要是在建筑、機械、工程結構等設計計算時(shí)，為了防止因材料的缺點(diǎn)、計算的偏差、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，在計算時(shí)，要考慮一定的設計冗余。所謂安全系數，,即設計的結構所能承受的最大載荷應大于實(shí)際的載荷，二者之比叫做安全系數，其值一般均應大于等于1。在實(shí)際工作中，往往采用放大載荷的方法，以計算其相應的應力值，如果在放大后的載荷下，構件的最大應力仍然在屈服應力之內，則認為是安全的。由于每種工況下產(chǎn)品的安全等級不同，設計的方法不同，采用的材料不同，應用場(chǎng)合不同等，安全系數并非是一個(gè)恒定值，在很大程度上根據設計經(jīng)驗來(lái)確定。比如核反應堆的安全系數就要大于一般民用建筑，機場(chǎng)航站樓、大型劇場(chǎng)的安全系數就要大于車(chē)間和廠(chǎng)房，在物流系統中，立體庫貨架的安全系數要大于隔板貨架，等等。

        日?？谡Z(yǔ)環(huán)境中，也經(jīng)常提到安全系數。比如我們經(jīng)常聽(tīng)到什么品牌的汽車(chē)安全系數高，其實(shí)不是與結構的安全系數高低有關(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 )根據其在故障下人員的生還率來(lái)定義安全系數。在我們熟知的其它領(lǐng)域，也有類(lèi)似情況，如計算機中的雙機備份策略，就是為了提高系統的安全系數，防止災難性結果等。但這些與學(xué)術(shù)上定義的安全系數沒(méi)有太大關(guān)系。

        1載荷，應力，許用應力，屈服應力及其它

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

        載荷：即作用于構件上的荷載。每一構件均有多種形式的載荷。常見(jiàn)的荷載有自重、貨物、設備、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。在大跨度起重機設計時(shí)，如岸橋起重機，跨度可能達到120米甚至更長(cháng)，自重成為影響設計的關(guān)鍵荷載。有時(shí)，我們看到太大跨度下，因為自重的緣故，設計已經(jīng)變得不可能實(shí)現。這就是現實(shí)中的橋梁跨度不可能太大，建筑的跨度也不會(huì )無(wú)限大的根本原因。

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

        載荷的簡(jiǎn)化非常重要。在計算時(shí)常常要進(jìn)行簡(jiǎn)化，求出等效荷載等。這對于結構計算人員來(lái)說(shuō)是最基本的工作了。

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

        屈服應力：屈服應力即材料達到屈服（即失效）時(shí)的最小應力。顯然，不同材料的屈服應力是不同的，不僅木材與鋼材有重大差異，不同性質(zhì)的鋼材之間，其屈服應力也相差甚大。要理解屈服應力，還需要明確不同材料在其失效前的表現，對大多數脆性材料來(lái)說(shuō)，如鑄鐵，陶瓷等，其失效一般表現為斷裂。因此，其屈服應力即取達到斷裂時(shí)的應力值，對塑性材料而言，其失效前并非立即斷裂，而是先發(fā)生塑變。因此，屈服應力一般取應力曲線(xiàn)的直線(xiàn)段的最大值。理解屈服應力對于理解結構的安全性非常重要。對一個(gè)復雜的系統來(lái)說(shuō)，如貨架系統，往往一根桿件的失效，就會(huì )導致整個(gè)系統失效。這是因為，尤其當一個(gè)靜定系統（有時(shí)，非靜定系統也是如此）中的一個(gè)最弱的桿件發(fā)生塑性變形后，其載荷會(huì )加載到其它構件，從而導致其它桿件的失效，最后擴大到整個(gè)系統的失效。這就是去年我們常?？吹降?，當叉車(chē)撞擊到貨架立柱，導致其失效后，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(lèi)似的。

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

        2安全系數是對缺陷和簡(jiǎn)化的一種補償

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

        我們對結構進(jìn)行設計時(shí)，如貨架、輸送機、提升機、堆垛機等，理論計算都是經(jīng)過(guò)了一定的簡(jiǎn)化，并非實(shí)際構建的真實(shí)反映。如力學(xué)模型的建立，首先是對結構的拓撲結構、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)際結構之間存在差異，對專(zhuān)業(yè)的和有經(jīng)驗的計算人員來(lái)說(shuō)，其差異會(huì )小一點(diǎn)，對沒(méi)有經(jīng)驗的人來(lái)說(shuō)，差異往往還會(huì )很大，當然也有例外。

        以我們熟知的貨架作為例子，貨架在計算時(shí)首先要簡(jiǎn)化模型，比如一座10個(gè)巷道的立體庫貨架，我們并非對其整體進(jìn)行計算，而是選取1~2個(gè)巷道進(jìn)行計算即可。在計算機出現的早期，這種簡(jiǎn)化非常必要，否則，由于計算機內存、磁盤(pán)、速度等的限制，計算往往就無(wú)法實(shí)現。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(lái)非常困難。此外，還有立柱的沖孔對立柱本身的力學(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)與原結構基本等價(jià)的計算模型。

        為了彌補這種差異（模型與實(shí)物之間），有時(shí)可以采用實(shí)驗的辦法來(lái)進(jìn)行修正，但實(shí)驗常常限于條件限制，往往只能搭建一個(gè)局部，或單一構建進(jìn)行有限的模擬試驗，其實(shí)際作用也是有限的，不能說(shuō)實(shí)驗的結果就會(huì )更好或更加準確。

        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，導致瑕疵，等等，更是司空見(jiàn)慣。

        此外實(shí)驗本身具有一定的偶然性，也促使這種測量結果并非是一成不變的真理。測試方法的不同、計量工具不同、加載的方式不同等都會(huì )影響測試的結果。為了彌補這種誤差，往往需要進(jìn)行多次測量，然后對測試結果進(jìn)行評估，以便獲得一個(gè)比較可靠的參考值或者叫設計值。

        當然，隨著(zhù)計算手段的不斷提高（如采用有限元分析），經(jīng)驗的不斷豐富，計算結果與實(shí)際相差并不會(huì )太大，誤差會(huì )在一定范圍之中。安全系數的提出，就是彌補這種誤差的一種有效手段。

        3安全系數是對意外荷載的一種防護

        真實(shí)的世界，往往比設計的環(huán)境要復雜很多。這也為安全系數的制定提出了具體的要求。

        以橋梁為例，橋梁設計時(shí)，首先要進(jìn)行地質(zhì)勘探，以此確定基礎的特征，并作為計算的前提條件。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，我們看到的報道是，抗幾級大風(fēng)，或多少年一遇的洪水等，這都是影響橋梁的設計。

        此外，車(chē)載荷也很重要，包括單輛車(chē)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(wú)錫出現大橋垮塌事故，就是因為設計的載荷與實(shí)際的載荷出現大的偏差所引起。但在計算和設計時(shí)，盡管考慮了安全系數，也難以對實(shí)際可能出現的情況進(jìn)行全面的防范。

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

        地震載荷也是一種意料之外的載荷，在結構設計中也是需要考慮的。在物流系統中，人們往往對地震載荷產(chǎn)生很多疑惑，即到底如何考慮風(fēng)險？

        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地的地震抗震等級關(guān)聯(lián)。但實(shí)際情況也并非完全照搬。以立體庫為例，因為我國的地震防護等級是按照區域劃分的。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(guò)大地震；其三是地區的重要性如何（如特大城市的等級就要高）。根據這一原則，我們知道，立體庫的建筑應按照這一原則處理，而貨架就不一定要遵循這一原則。而是應綜合考慮儲存貨物的重要性、貨架垮塌的影響以及當地實(shí)際可能發(fā)生的地震等級等。

        此外，地震載荷的安全系數設計也不能與靜載荷混為一談。因為地震是一種偶發(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。從設計理念講，在地震發(fā)生時(shí)，只要做到建筑物不垮塌即可。因此，核算的許用應力應是構件的屈服應力或斷裂應力，驗證的標準也是不一樣的。

        總之，對于意外載荷的防范，是考慮安全系數的另一個(gè)重要方面。有時(shí)會(huì )采取額外的措施加以防護。在大型和重要的建筑結構設計時(shí)，往往要注意采用超靜定結構而非靜定結構，因為超靜定結構的好處是有更大的冗余和安全性。前面說(shuō)的的大型貨架即是如此，不要出現因為局部的失效導致整體垮塌的情況出現。

        由于意外載荷的基本特征，不同的建筑結構或工程機械所要考慮的意外載荷及載荷大小是不一樣的。要根據具體情況靈活應用，不能千篇一律。

        4安全系數是對風(fēng)險的一種評估

        安全系數的考慮還要分析風(fēng)險的大小，以及對風(fēng)險的承受能力等因素。

        從理論上講，世界上幾乎沒(méi)有絕對安全的設計，只是概率高低的問(wèn)題和抗風(fēng)險能力的大小問(wèn)題。因為有些缺陷是不可避免的。

福島核電站

        如核電站，其安全系數就要求很高。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，出現重大核事故，說(shuō)明了這一防范的重要性。前面說(shuō)過(guò)，建筑物在地震時(shí)考慮不垮塌即可，因為只要不傷害到人身安全即可，但核電站卻不能只考慮到這些。而應該考慮到最?lèi)毫拥那闆r下，保持整體建筑和設備的完好性，所以其代價(jià)相應也就會(huì )高很多。

        有些情況是要考慮破壞后修復的難度，以及對于生產(chǎn)的影響等因素，如跨海大橋，一旦受到破壞，其修復難度就非常大。因此，在考慮設計時(shí)，安全系數就會(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，其安全系數也相應會(huì )大一些。

        一項設計往往要考慮很多方面。比如說(shuō)立體庫的基礎設計就是如此。很多人不大清楚基礎設計中載荷的具體意義，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基礎變形的一種描述，不僅僅是載荷問(wèn)題，還有基礎本身的變形，有時(shí)是不均勻變形的問(wèn)題，因為立體庫貨架和堆垛機要維持其正常運行，必須要保持一定的精度。平均荷載描述的是整個(gè)基礎之上極端情況下的總載荷，它與樁基的設計是密切相關(guān)的。有些設計者不明白這一關(guān)系，往往會(huì )犯比較大大的錯誤。一般來(lái)說(shuō)，立體庫的平均荷載包括設備的自重，以及全部放滿(mǎn)貨物后的貨物載荷。我們知道，對于一個(gè)立體庫來(lái)說(shuō)，貨物的總重量往往與存放的貨物有關(guān)，差異不小，比如說(shuō)生產(chǎn)牛奶、啤酒和水的工廠(chǎng)，它的貨物每托盤(pán)基本是一致的。因此，貨物總量基本就是托盤(pán)數乘以貨位數，盡管貨位不一定能夠放滿(mǎn)。但對于一個(gè)流通領(lǐng)域的倉庫來(lái)說(shuō)，可能品種數很多，每個(gè)托盤(pán)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 )相應降低。集中載荷描述的是局部載荷，對于基礎層板的設計和梁的分布有很大關(guān)系，集中載荷應充分考慮到載荷的偶然性和極端性，一般來(lái)說(shuō)應對極端情況予以認真評估。

        總之，確定安全系數要考慮的方面是比較多的。安全系數構成主要是考慮三方面的因素，即設計的簡(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，總體安全系數為k=k1+k2+k3-2。當然，也有其它表述方式。需要說(shuō)明的是，每一項系數的確定，應根據具體情況，如果系統簡(jiǎn)單，k的值就會(huì )低一些；如果系統重要，k值就會(huì )高一些；但就總體而言，結構形式有時(shí)會(huì )比單純增加鋼材重量更有效果一些。有些企業(yè)根據用鋼量來(lái)計算貨架、屋架等鋼結構的價(jià)格，而不考慮系統的優(yōu)化和受力的合理性，其實(shí)只是單純用重量來(lái)做安全性的評估。這種做法有時(shí)不僅無(wú)益，而且有害。

        5需要引起注意的問(wèn)題

        要注意一些錯誤的認知問(wèn)題，如建筑和結構設計中，人們往往對安全系數的定義和內涵沒(méi)有準確的理解，認為安全系數就是一種設計冗余，從而得出一些簡(jiǎn)單的卻非常危險的結論。如超載就是如此。我國汽車(chē)超載非常嚴重，事故頻發(fā)，與人們對于安全系數的錯誤認知是有非常大的關(guān)系的。以為設計10噸的車(chē)，可以承載20噸甚至更多（在靜載時(shí)的確如此）。他們還樂(lè )于從自身或朋友的經(jīng)驗出發(fā)來(lái)考慮問(wèn)題。認為僥幸沒(méi)有出事就可以了。其實(shí)已經(jīng)將自身置于非常危險的境地。比如遇到道路顛簸、路滑制動(dòng)、橋梁等，就非常危險。        一旦發(fā)生事故，就悔之已晚。

        結構的破壞方式，不僅僅是斷裂一種。對于塑性材料如鋼材來(lái)說(shuō)，達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。這不僅要在設計中注意，更要在日常使用中了解其中的機理。經(jīng)?？吹接腥吮е?zhù)試一試的方法來(lái)驗證結構的承載能力，如起重機、吊車(chē)、貨車(chē)等，殊不知一旦能夠看到明顯的變形時(shí)，其實(shí)結構已經(jīng)破壞了。有時(shí)，重大事故在剛剛察覺(jué)時(shí)，已經(jīng)不可挽回了。

        如前所述，安全系數并非完全是一種設計冗余，而是應對缺陷和偶發(fā)事故的一種保護手段。這種缺陷和偶發(fā)事故的無(wú)法預知的，人們不能因為一次僥幸而誤將安全系數理解為一種冗余，而可以隨意利用；更不能將安全系數簡(jiǎn)單的理解為可以任意超越的許可。需要解釋的是，實(shí)際應用中，當載荷超過(guò)了設計值，并非一定會(huì )立即發(fā)生事故，只是表示危險性已經(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τ诹W(xué)計算不重視或重視不夠的現象。這是極其危險的，也是不經(jīng)濟的。當結構的尺寸、材料、載荷等發(fā)生改變時(shí)，計算和實(shí)驗驗證必不可少。有人為此付出了慘痛的代價(jià)。