結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全性分析

茂名市城建設(shè)計(jì)院 廣東茂名 525000

摘要：本文分析了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中樹(shù)立正確觀(guān)念、提高結(jié)構(gòu)合理性、均衡安全與經(jīng)濟(jì)性、重視結(jié)構(gòu)耐久性，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些問(wèn)題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；安全性

建筑工程的安全性始終是衡量工程綜合質(zhì)量的重要指標(biāo)，兩千多年前維特魯威就在《建筑十書(shū)》中闡明了建筑“實(shí)用、堅(jiān)固、美觀(guān)”的基本原則，其中堅(jiān)固就與安全性有著必然聯(lián)系，無(wú)疑不堅(jiān)固的建筑是談不上安全性的。建筑結(jié)構(gòu)的安全性是由設(shè)計(jì)水平、施工水準(zhǔn)以及正確使用所決定的[1]。其中，設(shè)計(jì)水平是建筑結(jié)構(gòu)安全性的起點(diǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所帶來(lái)的不安全性是起決定性作用的，很難通過(guò)施工和使用予以改變。近年來(lái)，四川汶川與雅安、青海玉樹(shù)和云南魯?shù)樗l(fā)生的地震都造成了超乎預(yù)料的傷亡，建筑結(jié)構(gòu)抗震能力不夠是顯而易見(jiàn)的。結(jié)構(gòu)安全性還與經(jīng)濟(jì)適用性、耐久性有著緊密聯(lián)系，部分建筑工程因過(guò)于注重經(jīng)濟(jì)性而損害了安全性，耐久性考慮不足也會(huì)帶來(lái)安全性問(wèn)題。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全性不是一個(gè)很簡(jiǎn)單的問(wèn)題，牽涉到多種因素，如何把握好這個(gè)“度”是很關(guān)鍵的。

1 樹(shù)立正確設(shè)計(jì)觀(guān)念，提高結(jié)構(gòu)的合理性

1.1 夯實(shí)理論基礎(chǔ)，重視概念理解

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并非只有“規(guī)范”和“計(jì)算”這兩樣，更需要深厚的理論基礎(chǔ)和對(duì)概念的正確理解。目前，結(jié)構(gòu)計(jì)算幾乎都依賴(lài)軟件計(jì)算，但軟件的發(fā)展總是滯后于設(shè)計(jì)實(shí)踐，不少人都經(jīng)歷過(guò)一些外觀(guān)新穎、造型獨(dú)特的結(jié)構(gòu)難以利用軟件進(jìn)行計(jì)算的情況，于是一些人抱怨軟件更新太慢。實(shí)際上軟件也只是工具，軟件計(jì)算結(jié)果最終還是要靠力學(xué)概念和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，尤其在結(jié)構(gòu)安全性、合理性判斷方面。離開(kāi)軟件就不會(huì)計(jì)算的毛病有害無(wú)益，應(yīng)下決心深耕理論，重視概念的理解和運(yùn)用。

1.2 深入現(xiàn)場(chǎng)前線(xiàn)，尋求主動(dòng)配合

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，需要在實(shí)踐中不斷探索來(lái)提高設(shè)計(jì)水平，同時(shí)又要深入實(shí)踐才能獲取第一手資料。以抗震設(shè)計(jì)為例，如果不到地震前線(xiàn)并親臨現(xiàn)場(chǎng)，很難深刻認(rèn)識(shí)地震的危害以及結(jié)構(gòu)破壞形式。土木工程建設(shè)涉及眾多專(zhuān)業(yè)，不同專(zhuān)業(yè)之間需要通過(guò)有效的配合才能共同協(xié)調(diào)好結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)、適用、美觀(guān)的關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)始于建筑方案設(shè)計(jì)階段，好的建筑方案離不開(kāi)結(jié)構(gòu)工程師的參與和創(chuàng)造性的開(kāi)拓工作，因此應(yīng)注重主動(dòng)配合和積極參與，而不是總是被動(dòng)地去配合。

2 均衡安全與經(jīng)濟(jì)，重視結(jié)構(gòu)耐久性

2.1 安全性固然重要，也要考慮經(jīng)濟(jì)性

結(jié)構(gòu)安全是綜合性問(wèn)題，不是幾項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)就能解決安全與耐久性問(wèn)題。例如，為了提高結(jié)構(gòu)安全性，如果只是片面地增加鋼筋、水泥用量，則會(huì)造成資源的很大浪費(fèi)，而正確做法是在科學(xué)受力分析的基礎(chǔ)上選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)為例，除了要綜合考慮截面形狀、布筋形式、材料用量、結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)，還要注意建筑高度和高寬比方面的限值[2]。南方地區(qū)普遍采用框架結(jié)構(gòu)，但框架結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向剛度較小，考慮抗震要求建筑高度不宜太高?，F(xiàn)在大量工程實(shí)踐已經(jīng)表明，在地震設(shè)防要求較高地區(qū)，采用純框架結(jié)構(gòu)，即使控制指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)受力上也不合理、不經(jīng)濟(jì)，梁、柱截面偏大，鋼材用量多，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移大，抗震性能較差。這種情況下選擇框架-剪力墻或框架核心筒等結(jié)構(gòu)體系更為有利。

2.2 設(shè)計(jì)安全性，須重耐久性

我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范比較注重荷載作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，但環(huán)境因素作用下耐久性考慮不足仍對(duì)建筑安全性影響較大。須知，建筑物應(yīng)在使用年限下結(jié)構(gòu)性能衰減之后仍然保持足夠的安全性，但很多混凝土結(jié)構(gòu)因鋼筋銹蝕或混凝土受到侵蝕，其結(jié)構(gòu)受到破壞的程度已經(jīng)超過(guò)了安全承載限度，這也是一些建筑受到不太大震級(jí)卻損毀嚴(yán)重的重要原因。因此，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)耐久性，換句話(huà)說(shuō)，結(jié)構(gòu)安全性應(yīng)是可以耐久的安全性。注重結(jié)構(gòu)耐久性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)：改善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理體制，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的耐久性水準(zhǔn)，采用以人為本的科學(xué)化管理方式，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新降低工程失效風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工嚴(yán)格遵守現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范；加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的安全監(jiān)管；對(duì)建筑物定期進(jìn)行安全檢測(cè)等。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些安全性問(wèn)題分析

3.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

隨著高層建筑越來(lái)越多，出于建筑物安全性能的要求，樁身強(qiáng)度等級(jí)逐步提高，但是在一些工程設(shè)計(jì)中通過(guò)提高樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)來(lái)減小樁徑的做法卻可能產(chǎn)生安全問(wèn)題。如果采用預(yù)制樁，例如PHC管樁、PC樁，其混凝土強(qiáng)度已達(dá)到C60以上，樁徑減小的確可以帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。然而對(duì)于灌注樁來(lái)說(shuō)，盲目提高混凝土強(qiáng)度來(lái)減小樁徑，其安全性就很難保證。因?yàn)楣嘧兜氖┕l件難以精確控制，混凝土質(zhì)量不易保證，而樁徑減小必然導(dǎo)致安全性能下降。因此，灌注樁尤其是直接與土、水接觸的樁，其強(qiáng)度等級(jí)不宜超過(guò)C40。同時(shí)，主筋保護(hù)層不宜太小，一般灌注樁的主筋保護(hù)層厚度不應(yīng)小于35mm，水下灌注樁主筋保護(hù)層厚度不應(yīng)小于50mm，確保主筋保護(hù)層厚度可防止鋼筋銹蝕，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

3.2 混凝土結(jié)構(gòu)板剛度突變處構(gòu)造加強(qiáng)問(wèn)題

在混凝土結(jié)構(gòu)板剛度變化之處應(yīng)當(dāng)采取構(gòu)造加強(qiáng)措施，例如地下室頂板、裙房頂板、轉(zhuǎn)換層樓板及嵌固點(diǎn)處的板，其板厚應(yīng)大于180mm，并設(shè)置雙層雙向拉筋，對(duì)于單層單向配筋率不得小于0.25%。但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常忽略這一點(diǎn)，以致帶來(lái)安全隱患。在混凝土結(jié)構(gòu)板豎向剛度變化處，發(fā)生地震時(shí)水平地震力的傳遞，會(huì)在剛度突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果不采取構(gòu)造加強(qiáng)措施，此處很容易受到破壞，因此這種情況應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶銐蛑匾暋?/p>

3.3 不合理設(shè)計(jì)影響框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，“強(qiáng)柱弱梁”是保證框架結(jié)構(gòu)抗震性能的重要措施，也是框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不容忽視的技術(shù)手段，但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)由于對(duì)影響“強(qiáng)柱弱梁”因素估計(jì)不足，這一手段可能無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)。影響“強(qiáng)柱弱梁”實(shí)現(xiàn)的主要因素包括：梁端負(fù)彎矩太大，以致框架柱強(qiáng)度相對(duì)不足；梁端正彎矩與鄰跨梁端負(fù)彎矩構(gòu)成“強(qiáng)柱弱梁”驗(yàn)算的梁端力偶，故此梁端正彎矩取值太大，同樣影響“強(qiáng)柱弱梁”的實(shí)現(xiàn)；梁端樓板配筋不合理，加大了梁的剛度，影響“強(qiáng)柱弱梁”的實(shí)現(xiàn)；梁端實(shí)配鋼筋數(shù)量直接影響梁端受彎承載力，進(jìn)而影響“強(qiáng)柱弱梁”的實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)，梁端負(fù)彎矩計(jì)算時(shí)不考慮柱截面尺寸對(duì)構(gòu)件內(nèi)力的影響，但是計(jì)算構(gòu)件抗力時(shí)采用梁端截面，由于抗力與效應(yīng)計(jì)算截面不同，截面位置不一致，加大了梁端截面配筋數(shù)量，導(dǎo)致“強(qiáng)柱弱梁”實(shí)現(xiàn)難度增加。再如驗(yàn)算梁端裂縫寬度時(shí)，內(nèi)力取值與實(shí)際截面位置不一致，也會(huì)造成梁端彎矩計(jì)算過(guò)大，裂縫寬度超過(guò)實(shí)際值，并且加大了梁端配筋，對(duì)“強(qiáng)柱弱梁”的實(shí)現(xiàn)也不利。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)正視這些因素的影響，例如考慮采用結(jié)構(gòu)塑性?xún)?nèi)力重分布的方法，利用柱邊緣梁端內(nèi)力設(shè)計(jì)值，在程序計(jì)算時(shí)設(shè)置梁靜跨單元，可改善“強(qiáng)柱弱梁”的計(jì)算結(jié)果。同樣，構(gòu)件裂縫寬度驗(yàn)算也可考慮這種方法?？紤]梁端配筋時(shí)，應(yīng)區(qū)分梁跨中截面配筋要求與梁端截面梁底配筋的概念差別，適當(dāng)控制梁底鋼筋進(jìn)入支座的數(shù)量。嚴(yán)格控制梁端實(shí)配鋼筋的數(shù)量，避免超配也是實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的重要措施。

4 結(jié)語(yǔ)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全性是排在第一位的，但同時(shí)美觀(guān)、適用、經(jīng)濟(jì)也不可或缺。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的誤區(qū)是不能均衡地處理它們之間的關(guān)系，以致產(chǎn)生“胖柱闊梁”的設(shè)計(jì)，不僅經(jīng)濟(jì)性差，美觀(guān)性也不好。因此，合理設(shè)計(jì)是非常重要的。本文對(duì)此進(jìn)行了分析和討論，以供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉波明.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提高安全性的幾點(diǎn)做法[J].赤子，2012（10）：214.

[2] 潘桂彬.淺談土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全性與經(jīng)濟(jì)性[J].建材與裝飾，2013（24）：29-30.