鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的人為錯(cuò)誤研究分析

陳金永

人為錯(cuò)誤為人的不正確行為導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(構(gòu)件)的某項(xiàng)功能(指標(biāo))不滿足現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。文獻(xiàn)[1]對(duì)結(jié)構(gòu)失效的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明:達(dá) 90%的結(jié)構(gòu)失效及其正常使用功能出現(xiàn)問(wèn)題可歸因于人為錯(cuò)誤。目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范是基于可靠度理論，但建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際失效概率遠(yuǎn)大于理論分析值，造成這一差異的主要原因就是人為錯(cuò)誤的影響[2]。因此，有必要對(duì)建筑工程在建造階段中的人為錯(cuò)誤問(wèn)題進(jìn)行深入研究[3]。

1 人為錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因

人為錯(cuò)誤不可避免，它的發(fā)生概率與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、使用人員所處的環(huán)境條件、人員的技術(shù)水平、熟練程度及精神狀態(tài)等因素有關(guān)。現(xiàn)從人的自身因素，環(huán)境因素，所操作對(duì)象的設(shè)計(jì)、使用規(guī)程因素和管理方法及規(guī)章制度等方面的因素來(lái)說(shuō)明人為錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因。

1.1 人的自身因素

1)生理因素:疲勞、厭倦、患病、有傷、生理周期、酒精或藥物濫用等。當(dāng)人體處于“不適”的生理狀態(tài)或?yàn)E用了一些藥物時(shí)，就會(huì)造成注意力不集中，對(duì)事物的判斷力減弱，進(jìn)而造成人為差錯(cuò)的發(fā)生。2)心理因素:認(rèn)識(shí)能力、情感、意志力、個(gè)性傾向等。認(rèn)識(shí)能力是指人的感覺(jué)、知覺(jué)、記憶、想象、邏輯思維能力等。3)訓(xùn)練因素:熟練性、經(jīng)驗(yàn)性、技巧性等。4)精神壓力因素:精神壓力是影響人的行為動(dòng)作的一個(gè)主要因素，一個(gè)承受著過(guò)重精神壓力的人會(huì)有較大的可能性造成人為差錯(cuò)。據(jù)研究[4]，人的工作效率與精神壓力有密切聯(lián)系，如圖1所示。圖 1表明，壓力并不完全是消極因素。圖 1所示區(qū)域也可以分為兩個(gè)部分:區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ。在區(qū)域Ⅰ中，人的效率隨壓力的增加而提高，而在區(qū)域Ⅱ中，人的效率卻隨壓力的增加而降低。

1.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素包括工作場(chǎng)所的設(shè)計(jì)布局、照明、溫度、濕度、音響、振動(dòng)、粉塵、高空、氣味及色彩等。環(huán)境因素對(duì)人的影響很大，當(dāng)人處于一個(gè)不良的工作環(huán)境，比如工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)不合理，照明太亮或太暗，溫度、濕度太高或太低，強(qiáng)噪聲、高空作業(yè)等都會(huì)導(dǎo)致人為錯(cuò)誤的發(fā)生。

1.3 所操作對(duì)象的設(shè)計(jì)、使用規(guī)程等因素

若操作對(duì)象的設(shè)計(jì)不合理，則易造成人為差錯(cuò)。如某鑄造車間 23榀大跨輕鋼屋架倒塌，其主要原因就是設(shè)計(jì)不合理:未按規(guī)范要求選擇適當(dāng)形式的屋架。該廠房為加熱車間，20m跨，內(nèi)設(shè)吊車 2臺(tái)，處于 7度地震區(qū)，對(duì)于這種情況，屋蓋結(jié)構(gòu)本應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，但設(shè)計(jì)中卻選用了單榀和整體剛度都很差的三鉸拱式輕鋼屋架，《輕鋼設(shè)計(jì)資料集》和《工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中明確規(guī)定三鉸拱輕鋼屋架不宜用于有振動(dòng)荷載和屋架跨度超過(guò) 18m的工業(yè)廠房及高溫的廠房中;屋架斜梁上下弦桿強(qiáng)度不足且上弦斜梁不滿足整體穩(wěn)定性要求，屋架上弦采用 2∠50×5角鋼，下弦采用1φ20圓鋼，經(jīng)復(fù)算，在正常使用荷載作用下，上弦壓應(yīng)力為283.1MPa，下弦拉應(yīng)力為363.5MPa，均大于許用應(yīng)力。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的人為錯(cuò)誤

新中國(guó)成立以來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在很長(zhǎng)時(shí)期受到限制，設(shè)計(jì)人員無(wú)緣接觸鋼結(jié)構(gòu)，致使目前全國(guó)各大設(shè)計(jì)院鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員相對(duì)較少，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及水平較低。雖然鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件不斷問(wèn)世，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大便利，但年輕一代的設(shè)計(jì)人員過(guò)分依賴計(jì)算機(jī)，缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，工程判斷能力較差。另外，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)鋪天蓋地迅猛發(fā)展的同時(shí)，殘酷的市場(chǎng)低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)致使設(shè)計(jì)人員為了生存一味追求低用鋼量，盲目降低工程造價(jià)，致使結(jié)構(gòu)的可靠性偏低。這些客觀或人為的原因均可導(dǎo)致人為錯(cuò)誤的發(fā)生。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段常見(jiàn)的人為錯(cuò)誤歸納如下。

2.1 材料選用不妥，不能滿足工程需求

1)選用鋼材時(shí)，未能根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征(是否直接承受動(dòng)力荷載)、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀況、連接方法(焊接或非焊接結(jié)構(gòu))、工作環(huán)境(是否低溫或具有腐蝕性介質(zhì))和鋼材厚度等因素全面考慮，選用合適的鋼材牌號(hào)和材性，以保證承重結(jié)構(gòu)的承載能力和防止在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞。2)對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)，未按鋼材沖擊韌性合格保證的具體要求來(lái)選擇材料。

2.2 連接設(shè)計(jì)不合理，造成致命缺憾

1)連接設(shè)計(jì)應(yīng)合理的選型、選材。其選型、選材不僅應(yīng)與構(gòu)件的強(qiáng)度、材質(zhì)性能相匹配，而且應(yīng)滿足在特殊工作條件下的連接接頭抗震性能、抗疲勞性能和抗脆斷性能等應(yīng)用的專門要求。2)連接設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮連接可靠、構(gòu)造合理、施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等因素。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)連(拼)接應(yīng)充分考慮其合理位置、操作空間等條件，避免仰焊、高空大量焊接接頭等構(gòu)造。3)對(duì)一般構(gòu)件的連接宜采用焊接，現(xiàn)場(chǎng)連接應(yīng)優(yōu)先采用高強(qiáng)(普通)螺栓連接，對(duì)重要的連接與拼接，應(yīng)選用高強(qiáng)度螺栓摩擦型栓—焊連接。4)構(gòu)件的連接應(yīng)按連接強(qiáng)度大于桿件截面強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)按抗震設(shè)防的構(gòu)件連接(框架梁、柱連接、支撐連接等)，除按有地震作用的組合并計(jì)入豎向地震作用 VRE外，尚應(yīng)進(jìn)行連接最大承載力的驗(yàn)算。5)在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)按GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，正確合理的要求各類焊縫應(yīng)保證達(dá)到的質(zhì)量等級(jí)。6)在工程設(shè)計(jì)的技術(shù)文件中，應(yīng)注明連接的形式與類型，連接材料的選材要求，焊縫的質(zhì)量要求，高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力與摩擦面的處理要求及其他技術(shù)要求。

2.3 構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理，造成事故隱患

1)傳力要明確。在整個(gè)傳力過(guò)程中，各個(gè)構(gòu)件的受力情況都應(yīng)加以考慮，不使某一個(gè)負(fù)擔(dān)過(guò)重。連接構(gòu)造的實(shí)際性能應(yīng)盡量和計(jì)算簡(jiǎn)圖一致，有多余的約束時(shí)，應(yīng)不致對(duì)結(jié)構(gòu)起不利作用。2)互相連接的節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能避免偏心，不能完全避免時(shí)應(yīng)考慮偏心的影響。3)盡量減緩應(yīng)力集中，對(duì)承受疲勞荷載的結(jié)構(gòu)、處于低溫的結(jié)構(gòu)更應(yīng)注意，不能忽視任何一個(gè)細(xì)小零件。4)要考慮結(jié)構(gòu)或零件變形的影響，如變形引起的次應(yīng)力和變形引起的應(yīng)力分布不均勻等。5)避免在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生過(guò)大的殘余應(yīng)力，尤其是約束造成的殘余應(yīng)力，要避免焊縫立體交叉或不必要的圍焊焊縫及大量的焊縫集中。6)沿厚度方向可能出現(xiàn)層狀撕裂，偏析集中區(qū)容易出現(xiàn)裂紋等都是設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素，應(yīng)予以注意。

2.4 忽視結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)計(jì)算的原則

鋼材和其他建筑材料相比，強(qiáng)度要高的多。在同樣的荷載條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小，截面組成部分的厚度也小。因此，穩(wěn)定問(wèn)題在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一個(gè)突出問(wèn)題。在鋼結(jié)構(gòu)中，為了保證不喪失穩(wěn)定，以下幾點(diǎn)不能忽視:1)結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系及其組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多是按平面體系來(lái)設(shè)計(jì)的，保證這些結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)的整體布置來(lái)解決，亦即設(shè)置必要的支撐構(gòu)件。這就是說(shuō)，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。這種一致性如受到忽視，將會(huì)釀成事故。2)桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)或典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必須確知所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。如框架柱穩(wěn)定計(jì)算所用的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)是針對(duì)橫梁不承受軸力的情況得出的，如果橫梁承受較大的軸力，采用這些數(shù)據(jù)就會(huì)得出不安全的結(jié)果。這就是說(shuō)，計(jì)算方法的前提假設(shè)和具體計(jì)算對(duì)象應(yīng)該相一致。3)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。構(gòu)造和計(jì)算相符合一直是設(shè)計(jì)者所關(guān)注的問(wèn)題。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。如簡(jiǎn)支梁的不動(dòng)鉸支座，就強(qiáng)度而言，只要能阻止位移并允許梁端在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng);而對(duì)整體穩(wěn)定來(lái)說(shuō)，還要能阻止梁繞縱軸扭動(dòng)和梁端翹曲。如果梁支座不能有效阻止這些變形，則穩(wěn)定承載力將有所降低。

2.5 對(duì)荷載作用情況考慮不周

門式剛架的檁條設(shè)計(jì)中常忽略驗(yàn)算在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定，導(dǎo)致大風(fēng)吸力作用下很容易失穩(wěn)破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意驗(yàn)算檁條截面在風(fēng)吸力作用下是否滿足要求;在求解屋架的內(nèi)力時(shí)，未考慮全跨永久荷載+半跨屋面活荷載(或半跨雪荷載)+半跨積灰荷載，這種組合可能導(dǎo)致某些腹桿的內(nèi)力增大或變號(hào);對(duì)于屋面為大型屋面板的屋架，尚應(yīng)考慮安裝時(shí)的半跨荷載組合:屋架及天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷載。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外大量工程實(shí)例表明:人為錯(cuò)誤在工程事故中起著主要作用，許多工程事故的發(fā)生都直接或間接地由人為錯(cuò)誤所造成。如何掌握人為錯(cuò)誤的發(fā)生及其影響規(guī)律從而有效地控制和減少人為錯(cuò)誤的發(fā)生，提高結(jié)構(gòu)實(shí)際可靠度已成為不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究課題。本文從人為錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因出發(fā)，較為詳細(xì)的闡述了鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段中的人為錯(cuò)誤，對(duì)從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員有一定的參考價(jià)值，同時(shí)對(duì)建立考慮人為錯(cuò)誤影響的結(jié)構(gòu)模糊可靠度理論也有一定的借鑒作用。

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