我國高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干安全隱患及其應(yīng)對(duì)措施研究

何 皞，陳 偉

（解放軍總后勤部建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100036）

引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷邁上新的臺(tái)階，尤其是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷成熟與普及，許多城市都在大力興建各種高樓大廈，而這些建筑也在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中扮演著無可替代的角色，不少鋼結(jié)構(gòu)建筑更是因其獨(dú)特的魅力和功能已經(jīng)有機(jī)的融入到了人們的日常生活中，成為了一個(gè)城市的名片。然而，作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，并不能因?yàn)檠矍暗姆睒s景象而變得自滿，反而需要不斷提醒自己更加深刻的去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，只有合理的解決了高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能存在的一些安全隱患，才能真正的實(shí)現(xiàn)“百年大計(jì)”。

1 高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)堅(jiān)持的原則和需注意的事項(xiàng)

當(dāng)前階段在全球范圍內(nèi)進(jìn)行高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，均需要根據(jù)當(dāng)?shù)匦袠I(yè)規(guī)范的要求開展相關(guān)工作，而這些行業(yè)規(guī)范多是融合了建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)以及概率論等諸多學(xué)科的知識(shí)以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展情況、建筑施工水平等因素，從而制定了一系列比較詳細(xì)的條文規(guī)則。不同國家的設(shè)計(jì)規(guī)范肯定具有一定差別，但是所有的規(guī)范對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最基本的要求卻是相同的，那便是安全性問題：即在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)建筑物在正常使用的情況下其安全性不能夠出現(xiàn)任何問題，同時(shí)，建筑物在一些突發(fā)情況下還需要保持足夠的穩(wěn)定性，例如地震、極端惡劣天氣的影響。

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了需要嚴(yán)格堅(jiān)持“安全第一”的設(shè)計(jì)原則，還應(yīng)該注意到建筑的適用性、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面的問題。一個(gè)合格的鋼結(jié)構(gòu)建筑物，不僅要應(yīng)該滿足安全性的要求，其適用性是否能夠滿足用戶的要求也是至關(guān)重要的，畢竟建筑物是用來為人服務(wù)的，其空間結(jié)構(gòu)布置的合理與否直接影響著用戶使用過程中的舒適度；鋼結(jié)構(gòu)建筑物從前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)到后期的施工建設(shè)，需要投入巨大的人力、物力與財(cái)力，以期能夠?qū)崿F(xiàn)“百年大計(jì)”的目的，所以在設(shè)計(jì)過程中就必須充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的耐久性問題；雖然我們國家已經(jīng)渡過了曾經(jīng)的“困難時(shí)期”，但在當(dāng)前時(shí)期經(jīng)濟(jì)性仍然是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，建筑行業(yè)的投資往往是非常巨大的，所以在設(shè)計(jì)過程中還需考慮到經(jīng)濟(jì)性的問題。

2 國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為常見的安全隱患

2.1 建筑結(jié)構(gòu)空間布局缺乏人性化

如果設(shè)計(jì)人員在前期沒有進(jìn)行認(rèn)真調(diào)研，沒有充分領(lǐng)悟業(yè)主對(duì)建筑物使用方面的要求，僅僅是憑自己感覺或者是套用以前的設(shè)計(jì)方案，那么最終的建筑結(jié)構(gòu)空間布局很有可能因?yàn)槿狈侠硇远y以滿足業(yè)主的需求。同時(shí)，還會(huì)在安全性方面埋下一些隱患。比如：若是在結(jié)構(gòu)空間布局過程中把承重結(jié)構(gòu)與裝飾結(jié)構(gòu)混為一體，未規(guī)劃出符合要求的消防通道，那么萬一發(fā)生緊急事件，將很有可能對(duì)建筑物內(nèi)人員的生命財(cái)產(chǎn)造成危害。此外，如果建筑結(jié)構(gòu)空間布局不夠人性化，還會(huì)在一定程度上增加使用成本、縮短使用壽命。

2.2 建筑的抗震性能多難以滿足規(guī)范要求

雖然我國現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于建筑物的抗震性能均做出了比較詳細(xì)、具體的規(guī)定，但有些業(yè)主為了節(jié)約開支，認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能比較好，會(huì)讓設(shè)計(jì)人員降低建筑物的抗震等級(jí)，如此以來，建筑物的抗震性能將會(huì)成為一個(gè)比較嚴(yán)重的安全隱患，因?yàn)槲覈罱呀?jīng)進(jìn)入地震的高發(fā)期，汶川、玉樹以及雅安等地區(qū)相繼發(fā)生了非常嚴(yán)重的地震災(zāi)害，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大傷害。如果高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能不能滿足要求，可能會(huì)出現(xiàn)如下幾種震害。

2.2.1 連接節(jié)點(diǎn)破壞

這是鋼結(jié)構(gòu)建筑物在地震災(zāi)害經(jīng)常出現(xiàn)的破壞，究其根本原因，多是最初的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造不符合要求，因而致使一些節(jié)點(diǎn)連接處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而造成了破壞。

2.2.2 局部構(gòu)件破壞

高層鋼結(jié)構(gòu)在地震中的局部構(gòu)件破壞主要是某些支撐桿件的失穩(wěn)或斷裂破壞、鋼柱脆性斷裂等，而這些多是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中未充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的低周疲勞破壞、構(gòu)件的寬厚比以及塑性設(shè)計(jì)等方面。

2.2.3 結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌

這是高層鋼結(jié)構(gòu)最為嚴(yán)重破壞形式，多是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)中存在薄弱層或結(jié)構(gòu)選型不合理而引發(fā)此類災(zāi)害，由于后果極為嚴(yán)重，所以在設(shè)計(jì)中必須盡一切可能避免出現(xiàn)這種情況。

2.3 設(shè)計(jì)過程中過分追求經(jīng)濟(jì)性

建筑物在施工過程中需要投入大量的財(cái)力購買各種建筑材料，尤其是鋼材，在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑施工成本中占據(jù)非常大的比重，業(yè)主為了降低成本多會(huì)要求設(shè)計(jì)單位控制用鋼量，或聘請(qǐng)第三方對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以降低用鋼量，眾所周知，用鋼量過低不僅會(huì)影響建筑物的安全儲(chǔ)備，還會(huì)削弱其抗震、抗沖擊性能；有時(shí)即使在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)滿足了常規(guī)條件下的要求，但是在地震等特殊荷載作用下，很有可能造成梁、柱開裂，甚至是結(jié)構(gòu)坍塌的現(xiàn)象。

3 合理改善和提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性能

3.1 在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中始終堅(jiān)持“以人為本”的原則

一名合格的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)該具有非常專業(yè)的知識(shí)、靈活的思維方式以及足夠的責(zé)任心，同時(shí)還需要十分清晰的認(rèn)識(shí)到建筑的最終目的是為人服務(wù)。這就要求設(shè)計(jì)人員在工作中認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)細(xì)節(jié)，對(duì)于同一個(gè)問題要善于從不同的角度去思考解決，在辯證的過程中尋求最佳解決方案，要切實(shí)做到“以人為本”，如此以來便可提高建筑物的人性化與合理性，從根本上保證其安全性能。

3.2 在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)重視地震作用的影響

首先，對(duì)于最初的建筑場地選擇，就應(yīng)該充分考慮地震的影響，根據(jù)業(yè)主的要求、建筑物自身的特點(diǎn)以及規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行綜合分析，盡量選擇對(duì)抗震比較有利的場地；其次，應(yīng)該選擇一個(gè)合理的建筑結(jié)構(gòu)體系，從而使得地震作用力的傳遞路徑非常明確，而對(duì)于建筑物自身的一些附屬結(jié)構(gòu)的抗震性能同樣予以足夠重視，避免因?yàn)榫植繕?gòu)件的破壞造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；再次，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)該注重通過一些隔震、減震措施以緩解地震作用，對(duì)于那些超高鋼結(jié)構(gòu)建筑和重要建筑，則應(yīng)該開展風(fēng)洞試驗(yàn)和地震臺(tái)試驗(yàn)，以充分驗(yàn)證建筑物的抗震能力是否滿足要求。

3.3 不斷學(xué)習(xí)使用新的知識(shí)與技術(shù)

雖然我們國家頒布了許多建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，但是現(xiàn)階段這些規(guī)范多多少少都具有一定局限性，設(shè)計(jì)人員在使用的過程中要敢于質(zhì)疑，對(duì)于一些欠合理的條款要進(jìn)行適當(dāng)修正；同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還需要不斷學(xué)習(xí)使用新的設(shè)計(jì)計(jì)算分析軟件，從而實(shí)現(xiàn)在保證建筑物安全性不受影響的情況下適當(dāng)降低造價(jià)。

3.4 其他一些需要予以重視的方面

在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的受力計(jì)算與分析中，要注意連接部位的承載力應(yīng)該大于被連接的構(gòu)件才可以，同時(shí)還需要確保不同構(gòu)件之間能夠正常傳力，必要情況下則應(yīng)該采取一定的加固措施；除了充分考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的問題，結(jié)構(gòu)連接處變形的影響同樣不能被忽略，連接處應(yīng)該具備一定的變形協(xié)調(diào)能力。

由于鋼結(jié)構(gòu)自身的特殊性，其整體性與耐久性問題必須引起設(shè)計(jì)人員的注意，如果建筑的耐久性無法滿足要求，很有可能發(fā)生腐蝕等現(xiàn)象，那么便會(huì)直接或間接的影響到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，進(jìn)而威脅到整個(gè)建筑物的安全性能。

4 結(jié)語

高層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)安全的重要性已無需多言，本文首先從安全性、適用性、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面闡述了在高層鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中應(yīng)堅(jiān)持和注意的事項(xiàng)，進(jìn)而從空間結(jié)構(gòu)布置、抗震性能以及過分追求經(jīng)濟(jì)性等三個(gè)方面指出了目前我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較常見的安全性問題，并進(jìn)行了比較深入的分析，進(jìn)而提出了一些較為合理可行的應(yīng)對(duì)措施與建議，以供有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

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