“安全系數”有學術定義和(And)口語兩種含義。學術定義比較狹窄，主要(Want)是在(Exist)建築、機械、工程結構等設計計算時(Hour)，爲(For)了防止因材料的(Of)缺點、計算的(Of)偏差、加工的(Of)誤差、外力的(Of)偶然增加、意外載荷、沖擊載荷等多種因素所引起的(Of)不(No)良後果，因此，在(Exist)計算時(Hour)，要(Want)考慮一(One)定的(Of)設計冗餘。所謂安全系數，,即設計的(Of)結構所能承受的(Of)最大(Big)載荷應大(Big)于(At)實際的(Of)載荷，二者之比叫做安全系數，其值一(One)般均應大(Big)于(At)等于(At)1。在(Exist)實際工作(Do)中，往往采用(Use)放大(Big)載荷的(Of)方法，以(By)計算其相應的(Of)應力值，如果在(Exist)放大(Big)後的(Of)載荷下，構件的(Of)最大(Big)應力仍然在(Exist)屈服應力之内，則認爲(For)是安全的(Of)。由于(At)每種工況下産品的(Of)安全等級不(No)同，設計的(Of)方法不(No)同，采用(Use)的(Of)材料不(No)同，應用(Use)場合不(No)同等，安全系數并非是一(One)個(Indivual)恒定值，在(Exist)很大(Big)程度上根據設計經驗來(Come)确定。比如核反應堆的(Of)安全系數就要(Want)大(Big)于(At)一(One)般民用(Use)建築，機場航站樓、大(Big)型劇場的(Of)安全系數就要(Want)大(Big)于(At)車間和(And)廠房，在(Exist)物流系統中，立體庫貨架的(Of)安全系數要(Want)大(Big)于(At)隔闆貨架，等等。

        日常口語環境中，也經常提到(Arrive)安全系數。比如我(I)們經常聽到(Arrive)什麽品牌的(Of)汽車安全系數高，其實不(No)是與結構的(Of)安全系數高低有關，而是與其它因素有關，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(Hour)，我(I)們還會根據其在(Exist)故障下人(People)員的(Of)生(Born)還率來(Come)定義安全系數。在(Exist)我(I)們熟知的(Of)其它領域，也有類似情況，如計算機中的(Of)雙機備份策略，就是爲(For)了提高系統的(Of)安全系數，防止災難性結果等。但這(This)些與學術上定義的(Of)安全系數沒有太大(Big)關系。

        1載荷，應力，許用(Use)應力，屈服應力及其它

        有幾個(Indivual)概念必須搞清楚。看起來(Come)這(This)些概念都非常簡單，但卻非常重要(Want)。

        載荷：即作(Do)用(Use)于(At)構件上的(Of)荷載。每一(One)構件均有多種形式的(Of)載荷。常見的(Of)荷載有自重、貨物、設備、風載、雨載、雪載、地震波引起的(Of)荷載等。自重有時(Hour)是非常關鍵的(Of)荷載。在(Exist)大(Big)跨度起重機設計時(Hour)，如岸橋起重機，跨度可能達到(Arrive)120米甚至更長，自重成爲(For)影響設計的(Of)關鍵荷載。有時(Hour)，我(I)們看到(Arrive)太大(Big)跨度下，因爲(For)自重的(Of)緣故，設計已經變得不(No)可能實現。這(This)就是現實中的(Of)橋梁跨度不(No)可能太大(Big)，建築的(Of)跨度也不(No)會無限大(Big)的(Of)根本原因。

        載荷的(Of)确定是設計與計算的(Of)第一(One)步，如何簡化載荷成爲(For)設計是否符合實際的(Of)關鍵因素。比如，在(Exist)堆垛機立柱設計時(Hour)，載荷主要(Want)包括立柱自重、載貨台自重、貨物重量，還要(Want)考慮在(Exist)加速提升時(Hour)産生(Born)的(Of)載荷等。貨架計算時(Hour)，載荷主要(Want)是自重與貨物（托盤）的(Of)重量，有時(Hour)要(Want)考慮堆垛機或叉車作(Do)業時(Hour)的(Of)側向力，特别關鍵的(Of)是要(Want)計算地震時(Hour)貨架的(Of)受力情況，即載荷情況等。

        載荷的(Of)簡化非常重要(Want)。在(Exist)計算時(Hour)常常要(Want)進行簡化，求出(Out)等效荷載等。這(This)對于(At)結構計算人(People)員來(Come)說是最基本的(Of)工作(Do)了。

        應力（stress）：應力是力學中一(One)個(Indivual)最常見的(Of)參數。其定義是單位面積上的(Of)載荷，即：N/mm2，分爲(For)正應力和(And)剪應力。要(Want)理解正應力并不(No)難，在(Exist)一(One)根截面積爲(For)A的(Of)細長杆件兩端，施加一(One)定的(Of)載荷Q，其截面上所承受的(Of)應力（拉應力或正應力）即爲(For)Q/A。當然，更爲(For)複雜的(Of)受力情況下，應力的(Of)表述也會不(No)同。

        屈服應力：屈服應力即材料達到(Arrive)屈服（即失效）時(Hour)的(Of)最小應力。顯然，不(No)同材料的(Of)屈服應力是不(No)同的(Of)，不(No)僅木材與鋼材有重大(Big)差異，不(No)同性質的(Of)鋼材之間，其屈服應力也相差甚大(Big)。要(Want)理解屈服應力，還需要(Want)明确不(No)同材料在(Exist)其失效前的(Of)表現，對大(Big)多數脆性材料來(Come)說，如鑄鐵，陶瓷等，其失效一(One)般表現爲(For)斷裂。因此，其屈服應力即取達到(Arrive)斷裂時(Hour)的(Of)應力值，對塑性材料而言，其失效前并非立即斷裂，而是先發生(Born)塑變。因此，屈服應力一(One)般取應力曲線的(Of)直線段的(Of)最大(Big)值。理解屈服應力對于(At)理解結構的(Of)安全性非常重要(Want)。對一(One)個(Indivual)複雜的(Of)系統來(Come)說，如貨架系統，往往一(One)根杆件的(Of)失效，就會導緻整個(Indivual)系統失效。這(This)是因爲(For)，尤其當一(One)個(Indivual)靜定系統（有時(Hour)，非靜定系統也是如此）中的(Of)一(One)個(Indivual)最弱的(Of)杆件發生(Born)塑性變形後，其載荷會加載到(Arrive)其它構件，從而導緻其它杆件的(Of)失效，最後擴大(Big)到(Arrive)整個(Indivual)系統的(Of)失效。這(This)就是去年我(I)們常常看到(Arrive)的(Of)，當叉車撞擊到(Arrive)貨架立柱，導緻其失效後，整個(Indivual)貨架迅速垮塌的(Of)原因。在(Exist)生(Born)活中，這(This)樣的(Of)例子很多。甚至在(Exist)其它領域也是如此，如股票市場的(Of)恐慌踩踏事件，其原理與此也是類似的(Of)。

        許用(Use)應力：可以(By)定義爲(For)設計構件時(Hour)允許的(Of)最大(Big)應力。顯然，這(This)個(Indivual)值不(No)得大(Big)于(At)屈服應力。事實上，在(Exist)定義安全系數時(Hour)，除了采用(Use)載荷法以(By)外，更爲(For)常用(Use)的(Of)是采用(Use)許用(Use)應力法。屈服應力除以(By)許用(Use)應力即爲(For)安全系數，這(This)個(Indivual)值必須大(Big)于(At)1。

        2安全系數是對缺陷和(And)簡化的(Of)一(One)種補償

        有一(One)個(Indivual)基本事實是：理論與實際是有偏差的(Of)。

        我(I)們對結構進行設計時(Hour)，如貨架、輸送機、提升機、堆垛機等，理論計算都是經過了一(One)定的(Of)簡化，并非實際構建的(Of)真實反映。如力學模型的(Of)建立，首先是對結構的(Of)拓撲結構、尺寸、受力情況、邊界條件進行簡化，簡化後的(Of)模型與實際結構之間存在(Exist)差異，對專業的(Of)和(And)有經驗的(Of)計算人(People)員來(Come)說，其差異會小一(One)點，對沒有經驗的(Of)人(People)來(Come)說，差異往往還會很大(Big)，當然也有例外。

        以(By)我(I)們熟知的(Of)貨架作(Do)爲(For)例子，貨架在(Exist)計算時(Hour)首先要(Want)簡化模型，比如一(One)座10個(Indivual)巷道的(Of)立體庫貨架，我(I)們并非對其整體進行計算，而是選取1~2個(Indivual)巷道進行計算即可。在(Exist)計算機出(Out)現的(Of)早期，這(This)種簡化非常必要(Want)，否則，由于(At)計算機内存、磁盤、速度等的(Of)限制，計算往往就無法實現。又比如橫梁與立柱的(Of)連接，既非剛性連接，也非鉸接，實際是處于(At)兩者之間的(Of)一(One)種連接，處理起來(Come)非常困難。此外，還有立柱的(Of)沖孔對立柱本身的(Of)力學性能影響很大(Big)，如何處理也非常困難。“非不(No)爲(For)也，是不(No)能也”。所以(By)隻能簡化。力學計算很大(Big)一(One)部分的(Of)工作(Do)是在(Exist)簡化模型，盡量尋求一(One)個(Indivual)與原結構基本等價的(Of)計算模型。

        爲(For)了彌補這(This)種差異（模型與實物之間），有時(Hour)可以(By)采用(Use)實驗的(Of)辦法來(Come)進行修正，但實驗常常限于(At)條件限制，往往隻能搭建一(One)個(Indivual)局部，或單一(One)構建進行有限的(Of)模拟試驗，其實際作(Do)用(Use)也是有限的(Of)，不(No)能說實驗的(Of)結果就會更好或更加準确。

        另一(One)方面，材料本身也是有缺陷的(Of)。所謂的(Of)材料特征，也是典型材料樣本的(Of)力學特征而已。真實的(Of)材料，可能配方存在(Exist)差異，可能冶煉的(Of)環境不(No)同，導緻瑕疵，等等，更是司空見慣。

        此外實驗本身具有一(One)定的(Of)偶然性，也促使這(This)種測量結果并非是一(One)成不(No)變的(Of)真理。測試方法的(Of)不(No)同、計量工具不(No)同、加載的(Of)方式不(No)同等都會影響測試的(Of)結果。爲(For)了彌補這(This)種誤差，往往需要(Want)進行多次測量，然後對測試結果進行評估，以(By)便獲得一(One)個(Indivual)比較可靠的(Of)參考值或者叫設計值。

        當然，随着計算手段的(Of)不(No)斷提高（如采用(Use)有限元分析），經驗的(Of)不(No)斷豐富，計算結果與實際相差并不(No)會太大(Big)，誤差會在(Exist)一(One)定範圍之中。安全系數的(Of)提出(Out)，就是彌補這(This)種誤差的(Of)一(One)種有效手段。

        3安全系數是對意外荷載的(Of)一(One)種防護

        真實的(Of)世界，往往比設計的(Of)環境要(Want)複雜很多。這(This)也爲(For)安全系數的(Of)制定提出(Out)了具體的(Of)要(Want)求。

        以(By)橋梁爲(For)例，橋梁設計時(Hour)，首先要(Want)進行地質勘探，以(By)此确定基礎的(Of)特征，并作(Do)爲(For)計算的(Of)前提條件。然後再簡化模型，進行力學分析。

        但實際計算時(Hour)，往往會陷入一(One)些迷茫之中，這(This)就是外部載荷的(Of)确定是一(One)個(Indivual)非常複雜的(Of)事情。比如風載荷、雨雪載荷、水流載荷的(Of)确定，就并非一(One)件容易的(Of)事情，既要(Want)考慮到(Arrive)載荷的(Of)合理性，又要(Want)有一(One)定的(Of)抗意外載荷的(Of)能力。于(At)是，我(I)們看到(Arrive)的(Of)報道是，抗幾級大(Big)風，或多少年一(One)遇的(Of)洪水等，這(This)都是影響橋梁的(Of)設計。

        此外，車載荷也很重要(Want)，包括單輛車載荷、全橋的(Of)最大(Big)載荷以(By)及載荷的(Of)分布等都有很大(Big)影響。前段時(Hour)間，無錫出(Out)現大(Big)橋垮塌事故，就是因爲(For)設計的(Of)載荷與實際的(Of)載荷出(Out)現大(Big)的(Of)偏差所引起。但在(Exist)計算和(And)設計時(Hour)，盡管考慮了安全系數，也難以(By)對實際可能出(Out)現的(Of)情況進行全面的(Of)防範。

        有時(Hour)還要(Want)考慮一(One)些意外情況出(Out)現，如超載和(And)意外的(Of)撞擊等，曆史上出(Out)現大(Big)橋被輪船意外撞擊而垮塌的(Of)事故也是不(No)少的(Of)。當然，這(This)種意外，除了加強安全系數之外，更加積極和(And)節約的(Of)辦法是增加安全防護裝置等。

        地震載荷也是一(One)種意料之外的(Of)載荷，在(Exist)結構設計中也是需要(Want)考慮的(Of)。在(Exist)物流系統中，人(People)們往往對地震載荷産生(Born)很多疑惑，即到(Arrive)底如何考慮風險？

        地震載荷不(No)同于(At)普通的(Of)靜載荷或動載荷。它是一(One)種地震波（縱波和(And)橫波）。地震載荷的(Of)防範原則上要(Want)與當地的(Of)地震抗震等級關聯。但實際情況也并非完全照搬。以(By)立體庫爲(For)例，因爲(For)我(I)國(Country)的(Of)地震防護等級是按照區域劃分的(Of)。其原則主要(Want)有三：其一(One)是是否位于(At)地震帶上；其二是是否曾經發生(Born)過大(Big)地震；其三是地區的(Of)重要(Want)性如何（如特大(Big)城市的(Of)等級就要(Want)高）。根據這(This)一(One)原則，我(I)們知道，立體庫的(Of)建築應按照這(This)一(One)原則處理，而貨架就不(No)一(One)定要(Want)遵循這(This)一(One)原則。而是應綜合考慮儲存貨物的(Of)重要(Want)性、貨架垮塌的(Of)影響以(By)及當地實際可能發生(Born)的(Of)地震等級等。

        此外，地震載荷的(Of)安全系數設計也不(No)能與靜載荷混爲(For)一(One)談。因爲(For)地震是一(One)種偶發性很高的(Of)事件，差異很大(Big)，有些地方幾百年也未必發生(Born)一(One)次，有些地方幾年就發生(Born)一(One)次。從設計理念講，在(Exist)地震發生(Born)時(Hour)，隻要(Want)做到(Arrive)建築物不(No)垮塌即可。因此，核算的(Of)許用(Use)應力應是構件的(Of)屈服應力或斷裂應力，驗證的(Of)标準也是不(No)一(One)樣的(Of)。

        總之，對于(At)意外載荷的(Of)防範，是考慮安全系數的(Of)另一(One)個(Indivual)重要(Want)方面。有時(Hour)會采取額外的(Of)措施加以(By)防護。在(Exist)大(Big)型和(And)重要(Want)的(Of)建築結構設計時(Hour)，往往要(Want)注意采用(Use)超靜定結構而非靜定結構，因爲(For)超靜定結構的(Of)好處是有更大(Big)的(Of)冗餘和(And)安全性。前面說的(Of)的(Of)大(Big)型貨架即是如此，不(No)要(Want)出(Out)現因爲(For)局部的(Of)失效導緻整體垮塌的(Of)情況出(Out)現。

        由于(At)意外載荷的(Of)基本特征，不(No)同的(Of)建築結構或工程機械所要(Want)考慮的(Of)意外載荷及載荷大(Big)小是不(No)一(One)樣的(Of)。要(Want)根據具體情況靈活應用(Use)，不(No)能千篇一(One)律。

        4安全系數是對風險的(Of)一(One)種評估

        安全系數的(Of)考慮還要(Want)分析風險的(Of)大(Big)小，以(By)及對風險的(Of)承受能力等因素。

        從理論上講，世界上幾乎沒有絕對安全的(Of)設計，隻是概率高低的(Of)問題和(And)抗風險能力的(Of)大(Big)小問題。因爲(For)有些缺陷是不(No)可避免的(Of)。

福島核電站

        如核電站，其安全系數就要(Want)求很高。不(No)僅要(Want)考慮日常的(Of)載荷，還要(Want)重點考慮和(And)防範地陷、洪水以(By)及地震載荷等。日本311大(Big)地震，出(Out)現重大(Big)核事故，說明了這(This)一(One)防範的(Of)重要(Want)性。前面說過，建築物在(Exist)地震時(Hour)考慮不(No)垮塌即可，因爲(For)隻要(Want)不(No)傷害到(Arrive)人(People)身安全即可，但核電站卻不(No)能隻考慮到(Arrive)這(This)些。而應該考慮到(Arrive)最惡劣的(Of)情況下，保持整體建築和(And)設備的(Of)完好性，所以(By)其代價相應也就會高很多。

        有些情況是要(Want)考慮破壞後修複的(Of)難度，以(By)及對于(At)生(Born)産的(Of)影響等因素，如跨海大(Big)橋，一(One)旦受到(Arrive)破壞，其修複難度就非常大(Big)。因此，在(Exist)考慮設計時(Hour)，安全系數就會大(Big)一(One)些。又比如大(Big)型立體庫，尤其是存放貴重物資的(Of)大(Big)型立體庫，其安全系數也相應會大(Big)一(One)些。

        一(One)項設計往往要(Want)考慮很多方面。比如說立體庫的(Of)基礎設計就是如此。很多人(People)不(No)大(Big)清楚基礎設計中載荷的(Of)具體意義，比如不(No)均勻沉陷，平均載荷，以(By)及集中載荷等。實際上，不(No)均勻沉陷主要(Want)是對基礎變形的(Of)一(One)種描述，不(No)僅僅是載荷問題，還有基礎本身的(Of)變形，有時(Hour)是不(No)均勻變形的(Of)問題，因爲(For)立體庫貨架和(And)堆垛機要(Want)維持其正常運行，必須要(Want)保持一(One)定的(Of)精度。平均荷載描述的(Of)是整個(Indivual)基礎之上極端情況下的(Of)總載荷，它與樁基的(Of)設計是密切相關的(Of)。有些設計者不(No)明白這(This)一(One)關系，往往會犯比較大(Big)大(Big)的(Of)錯誤。一(One)般來(Come)說，立體庫的(Of)平均荷載包括設備的(Of)自重，以(By)及全部放滿貨物後的(Of)貨物載荷。我(I)們知道，對于(At)一(One)個(Indivual)立體庫來(Come)說，貨物的(Of)總重量往往與存放的(Of)貨物有關，差異不(No)小，比如說生(Born)産牛奶、啤酒和(And)水的(Of)工廠，它的(Of)貨物每托盤基本是一(One)緻的(Of)。因此，貨物總量基本就是托盤數乘以(By)貨位數，盡管貨位不(No)一(One)定能夠放滿。但對于(At)一(One)個(Indivual)流通領域的(Of)倉庫來(Come)說，可能品種數很多，每個(Indivual)托盤的(Of)重量呈一(One)個(Indivual)正态分布的(Of)狀況，這(This)時(Hour)的(Of)總荷載将大(Big)打折扣，所以(By)，平均載荷會相應降低。集中載荷描述的(Of)是局部載荷，對于(At)基礎層闆的(Of)設計和(And)梁的(Of)分布有很大(Big)關系，集中載荷應充分考慮到(Arrive)載荷的(Of)偶然性和(And)極端性，一(One)般來(Come)說應對極端情況予以(By)認真評估。

        總之，确定安全系數要(Want)考慮的(Of)方面是比較多的(Of)。安全系數構成主要(Want)是考慮三方面的(Of)因素，即設計的(Of)簡化和(And)材料的(Of)缺陷因素k1≥1，意外荷載的(Of)因素k2≥1，以(By)及重要(Want)性因素k3≥1，三者是疊加的(Of)，總體安全系數爲(For)k=k1+k2+k3-2。當然，也有其它表述方式。需要(Want)說明的(Of)是，每一(One)項系數的(Of)确定，應根據具體情況，如果系統簡單，k的(Of)值就會低一(One)些；如果系統重要(Want)，k值就會高一(One)些；但就總體而言，結構形式有時(Hour)會比單純增加鋼材重量更有效果一(One)些。有些企業根據用(Use)鋼量來(Come)計算貨架、屋架等鋼結構的(Of)價格，而不(No)考慮系統的(Of)優化和(And)受力的(Of)合理性，其實隻是單純用(Use)重量來(Come)做安全性的(Of)評估。這(This)種做法有時(Hour)不(No)僅無益，而且有害。

        5需要(Want)引起注意的(Of)問題

        要(Want)注意一(One)些錯誤的(Of)認知問題，如建築和(And)結構設計中，人(People)們往往對安全系數的(Of)定義和(And)内涵沒有準确的(Of)理解，認爲(For)安全系數就是一(One)種設計冗餘，從而得出(Out)一(One)些簡單的(Of)卻非常危險的(Of)結論。如超載就是如此。我(I)國(Country)汽車超載非常嚴重，事故頻發，與人(People)們對于(At)安全系數的(Of)錯誤認知是有非常大(Big)的(Of)關系的(Of)。以(By)爲(For)設計10噸的(Of)車，可以(By)承載20噸甚至更多（在(Exist)靜載時(Hour)的(Of)确如此）。他(He)們還樂于(At)從自身或朋友的(Of)經驗出(Out)發來(Come)考慮問題。認爲(For)僥幸沒有出(Out)事就可以(By)了。其實已經将自身置于(At)非常危險的(Of)境地。比如遇到(Arrive)道路颠簸、路滑制動、橋梁等，就非常危險。        一(One)旦發生(Born)事故，就悔之已晚。

        結構的(Of)破壞方式，不(No)僅僅是斷裂一(One)種。對于(At)塑性材料如鋼材來(Come)說，達到(Arrive)塑性變形就屬于(At)破壞了，有些情況下還是疲勞破壞，有些情況是整體失穩。這(This)不(No)僅要(Want)在(Exist)設計中注意，更要(Want)在(Exist)日常使用(Use)中了解其中的(Of)機理。經常看到(Arrive)有人(People)抱着試一(One)試的(Of)方法來(Come)驗證結構的(Of)承載能力，如起重機、吊車、貨車等，殊不(No)知一(One)旦能夠看到(Arrive)明顯的(Of)變形時(Hour)，其實結構已經破壞了。有時(Hour)，重大(Big)事故在(Exist)剛剛察覺時(Hour)，已經不(No)可挽回了。

        如前所述，安全系數并非完全是一(One)種設計冗餘，而是應對缺陷和(And)偶發事故的(Of)一(One)種保護手段。這(This)種缺陷和(And)偶發事故的(Of)無法預知的(Of)，人(People)們不(No)能因爲(For)一(One)次僥幸而誤将安全系數理解爲(For)一(One)種冗餘，而可以(By)随意利用(Use)；更不(No)能将安全系數簡單的(Of)理解爲(For)可以(By)任意超越的(Of)許可。需要(Want)解釋的(Of)是，實際應用(Use)中，當載荷超過了設計值，并非一(One)定會立即發生(Born)事故，隻是表示危險性已經非常高了，事故發生(Born)的(Of)概率變得高了。

        另一(One)方面，要(Want)有科學的(Of)工作(Do)方法和(And)态度。在(Exist)實際工作(Do)中，經常看到(Arrive)有人(People)對于(At)力學計算不(No)重視或重視不(No)夠的(Of)現象。這(This)是極其危險的(Of)，也是不(No)經濟的(Of)。當結構的(Of)尺寸、材料、載荷等發生(Born)改變時(Hour)，計算和(And)實驗驗證必不(No)可少。有人(People)爲(For)此付出(Out)了慘痛的(Of)代價。