“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、機械、工程結(jié)構(gòu)等設(shè)計計算時，為了防止因材料的缺點、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，要考慮一定的設(shè)計冗余。所謂安全系數(shù)，,即設(shè)計的結(jié)構(gòu)所能承受的最大載荷應(yīng)大于實際的載荷，二者之比叫做安全系數(shù)，其值一般均應(yīng)大于等于1。在實際工作中，往往采用放大載荷的方法，以計算其相應(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)，則認為是安全的。由于每種工況下產(chǎn)品的安全等級不同，設(shè)計的方法不同，采用的材料不同，應(yīng)用場合不同等，安全系數(shù)并非是一個恒定值，在很大程度上根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗來確定。比如核反應(yīng)堆的安全系數(shù)就要大于一般民用建筑，機場航站樓、大型劇場的安全系數(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，我們還會根據(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，如計算機中的雙機備份策略，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

        有幾個概念必須搞清楚。看起來這些概念都非常簡單，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。自重有時是非常關(guān)鍵的荷載。在大跨度起重機設(shè)計時，如岸橋起重機，跨度可能達到120米甚至更長，自重成為影響設(shè)計的關(guān)鍵荷載。有時，我們看到太大跨度下，因為自重的緣故，設(shè)計已經(jīng)變得不可能實現(xiàn)。這就是現(xiàn)實中的橋梁跨度不可能太大，建筑的跨度也不會無限大的根本原因。

        載荷的確定是設(shè)計與計算的第一步，如何簡化載荷成為設(shè)計是否符合實際的關(guān)鍵因素。比如，在堆垛機立柱設(shè)計時，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產(chǎn)生的載荷等。貨架計算時，載荷主要是自重與貨物（托盤）的重量，有時要考慮堆垛機或叉車作業(yè)時的側(cè)向力，特別關(guān)鍵的是要計算地震時貨架的受力情況，即載荷情況等。

        載荷的簡化非常重要。在計算時常常要進行簡化，求出等效荷載等。這對于結(jié)構(gòu)計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的細長桿件兩端，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。當然，更為復(fù)雜的受力情況下，應(yīng)力的表述也會不同。

        屈服應(yīng)力：屈服應(yīng)力即材料達到屈服（即失效）時的最小應(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)力即取達到斷裂時的應(yīng)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(yīng)力一般取應(yīng)力曲線的直線段的最大值。理解屈服應(yīng)力對于理解結(jié)構(gòu)的安全性非常重要。對一個復(fù)雜的系統(tǒng)來說，如貨架系統(tǒng)，往往一根桿件的失效，就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。這是因為，尤其當一個靜定系統(tǒng)（有時，非靜定系統(tǒng)也是如此）中的一個最弱的桿件發(fā)生塑性變形后，其載荷會加載到其它構(gòu)件，從而導(dǎo)致其它桿件的失效，最后擴大到整個系統(tǒng)的失效。這就是去年我們常常看到的，當叉車撞擊到貨架立柱，導(dǎo)致其失效后，整個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)計構(gòu)件時允許的最大應(yīng)力。顯然，這個值不得大于屈服應(yīng)力。事實上，在定義安全系數(shù)時，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)，這個值必須大于1。

        2安全系數(shù)是對缺陷和簡化的一種補償

        有一個基本事實是：理論與實際是有偏差的。

        我們對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，如貨架、輸送機、提升機、堆垛機等，理論計算都是經(jīng)過了一定的簡化，并非實際構(gòu)建的真實反映。如力學(xué)模型的建立，首先是對結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)、尺寸、受力情況、邊界條件進行簡化，簡化后的模型與實際結(jié)構(gòu)之間存在差異，對專業(yè)的和有經(jīng)驗的計算人員來說，其差異會小一點，對沒有經(jīng)驗的人來說，差異往往還會很大，當然也有例外。

        以我們熟知的貨架作為例子，貨架在計算時首先要簡化模型，比如一座10個巷道的立體庫貨架，我們并非對其整體進行計算，而是選取1~2個巷道進行計算即可。在計算機出現(xiàn)的早期，這種簡化非常必要，否則，由于計算機內(nèi)存、磁盤、速度等的限制，計算往往就無法實現(xiàn)。又比如橫梁與立柱的連接，既非剛性連接，也非鉸接，實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”。所以只能簡化。力學(xué)計算很大一部分的工作是在簡化模型，盡量尋求一個與原結(jié)構(gòu)基本等價的計算模型。

        為了彌補這種差異（模型與實物之間），有時可以采用實驗的辦法來進行修正，但實驗常常限于條件限制，往往只能搭建一個局部，或單一構(gòu)建進行有限的模擬試驗，其實際作用也是有限的，不能說實驗的結(jié)果就會更好或更加準確。

        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。

        此外實驗本身具有一定的偶然性，也促使這種測量結(jié)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影響測試的結(jié)果。為了彌補這種誤差，往往需要進行多次測量，然后對測試結(jié)果進行評估，以便獲得一個比較可靠的參考值或者叫設(shè)計值。

        當然，隨著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(jié)果與實際相差并不會太大，誤差會在一定范圍之中。安全系數(shù)的提出，就是彌補這種誤差的一種有效手段。

        3安全系數(shù)是對意外荷載的一種防護

        真實的世界，往往比設(shè)計的環(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)計時，首先要進行地質(zhì)勘探，以此確定基礎(chǔ)的特征，并作為計算的前提條件。然后再簡化模型，進行力學(xué)分析。

        但實際計算時，往往會陷入一些迷茫之中，這就是外部載荷的確定是一個非常復(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(shè)計。

        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。前段時間，無錫出現(xiàn)大橋垮塌事故，就是因為設(shè)計的載荷與實際的載荷出現(xiàn)大的偏差所引起。但在計算和設(shè)計時，盡管考慮了安全系數(shù)，也難以對實際可能出現(xiàn)的情況進行全面的防范。

        有時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。當然，這種意外，除了加強安全系數(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)計中也是需要考慮的。在物流系統(tǒng)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?shù)氐牡卣鹂拐鸬燃夑P(guān)聯(lián)。但實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(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)綜合考慮儲存貨物的重要性、貨架垮塌的影響以及當?shù)貙嶋H可能發(fā)生的地震等級等。

        此外，地震載荷的安全系數(shù)設(shè)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(shè)計理念講，在地震發(fā)生時，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(shù)的另一個重要方面。有時會采取額外的措施加以防護。在大型和重要的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，往往要注意采用超靜定結(jié)構(gòu)而非靜定結(jié)構(gòu)，因為超靜定結(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)因為局部的失效導(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)是對風(fēng)險的一種評估

        安全系數(shù)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，世界上幾乎沒有絕對安全的設(shè)計，只是概率高低的問題和抗風(fēng)險能力的大小問題。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(shù)就要求很高。不僅要考慮日常的載荷，還要重點考慮和防范地陷、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(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，所以其代價相應(yīng)也就會高很多。

        有些情況是要考慮破壞后修復(fù)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(fù)難度就非常大。因此，在考慮設(shè)計時，安全系數(shù)就會大一些。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)會大一些。

        一項設(shè)計往往要考慮很多方面。比如說立體庫的基礎(chǔ)設(shè)計就是如此。很多人不大清楚基礎(chǔ)設(shè)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。實際上，不均勻沉陷主要是對基礎(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，有時是不均勻變形的問題，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基礎(chǔ)之上極端情況下的總載荷，它與樁基的設(shè)計是密切相關(guān)的。有些設(shè)計者不明白這一關(guān)系，往往會犯比較大大的錯誤。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，對于一個立體庫來說，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。但對于一個流通領(lǐng)域的倉庫來說，可能品種數(shù)很多，每個托盤的重量呈一個正態(tài)分布的狀況，這時的總荷載將大打折扣，所以，平均載荷會相應(yīng)降低。集中載荷描述的是局部載荷，對于基礎(chǔ)層板的設(shè)計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)對極端情況予以認真評估。

        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)計的簡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。當然，也有其它表述方式。需要說明的是，每一項系數(shù)的確定，應(yīng)根據(jù)具體情況，如果系統(tǒng)簡單，k的值就會低一些；如果系統(tǒng)重要，k值就會高一些；但就總體而言，結(jié)構(gòu)形式有時會比單純增加鋼材重量更有效果一些。有些企業(yè)根據(jù)用鋼量來計算貨架、屋架等鋼結(jié)構(gòu)的價格，而不考慮系統(tǒng)的優(yōu)化和受力的合理性，其實只是單純用重量來做安全性的評估。這種做法有時不僅無益，而且有害。

        5需要引起注意的問題

        要注意一些錯誤的認知問題，如建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計中，人們往往對安全系數(shù)的定義和內(nèi)涵沒有準確的理解，認為安全系數(shù)就是一種設(shè)計冗余，從而得出一些簡單的卻非常危險的結(jié)論。如超載就是如此。我國汽車超載非常嚴重，事故頻發(fā)，與人們對于安全系數(shù)的錯誤認知是有非常大的關(guān)系的。以為設(shè)計10噸的車，可以承載20噸甚至更多（在靜載時的確如此）。他們還樂于從自身或朋友的經(jīng)驗出發(fā)來考慮問題。認為僥幸沒有出事就可以了。其實已經(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、橋梁等，就非常危險。        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。對于塑性材料如鋼材來說，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(wěn)。這不僅要在設(shè)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囈辉嚨姆椒▉眚炞C結(jié)構(gòu)的承載能力，如起重機、吊車、貨車等，殊不知一旦能夠看到明顯的變形時，其實結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞了。有時，重大事故在剛剛察覺時，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)計冗余，而是應(yīng)對缺陷和偶發(fā)事故的一種保護手段。這種缺陷和偶發(fā)事故的無法預(yù)知的，人們不能因為一次僥幸而誤將安全系數(shù)理解為一種冗余，而可以隨意利用；更不能將安全系數(shù)簡單的理解為可以任意超越的許可。需要解釋的是，實際應(yīng)用中，當載荷超過了設(shè)計值，并非一定會立即發(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。在實際工作中，經(jīng)常看到有人對于力學(xué)計算不重視或重視不夠的現(xiàn)象。這是極其危險的，也是不經(jīng)濟的。當結(jié)構(gòu)的尺寸、材料、載荷等發(fā)生改變時，計算和實驗驗證必不可少。有人為此付出了慘痛的代價。