鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性問(wèn)題淺析
——由鋼結(jié)構(gòu)酒店倒塌事故引起的思考

尚劍飛

紫泉能源技術(shù)股份有限公司 江蘇南京 210016

1 背景

鋼結(jié)構(gòu)工程的倒塌事故屬于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，由于破壞時(shí)間短，可造成較大傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)悉，某倒塌的酒店為鋼框架結(jié)構(gòu)體系，初步估判結(jié)構(gòu)用途改變，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，由于結(jié)構(gòu)超載導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)，造成整個(gè)結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)倒塌。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括由型鋼和鋼板等軋制或焊接而成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等。因鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、各向同性好、抵抗變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)[1]，制作安裝機(jī)械化程度高，施工進(jìn)度快，廣泛用于工業(yè)廠房、多高層結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)等。

2 鋼結(jié)構(gòu)倒塌事故原因分析

2.1 鋼結(jié)構(gòu)原材料的影響

盡管鋼結(jié)構(gòu)具有材料強(qiáng)度高，塑性韌性好，材質(zhì)均勻等優(yōu)勢(shì)。但是，鋼結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)也對(duì)原材料的性能指標(biāo)提出了較高的要求，鋼材應(yīng)具有滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能和冷熱加工、可焊性等加工性能，以滿足建筑結(jié)構(gòu)的可靠性要求。不合格鋼材的使用和鋼材性能指標(biāo)的降低是造成工程事故的重要因素。

2.2 設(shè)計(jì)方面的原因

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選取不合理。多高層鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求的不同分為抗重力結(jié)構(gòu)體系和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。通常所講的多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)分為框架結(jié)構(gòu)體系，框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，筒體結(jié)構(gòu)體系和巨型結(jié)構(gòu)體系[2]。同時(shí)，工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中常用的還有門式剛架和桁架結(jié)構(gòu)體系等。進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，合理的結(jié)構(gòu)體系不僅對(duì)建筑的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響大。同時(shí)，結(jié)構(gòu)方案的合理性也是充分發(fā)揮鋼材高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)的必要條件，合理的傳力路徑和受力體系，可以有效減少結(jié)構(gòu)的薄弱部位出現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到滿足結(jié)構(gòu)安全可靠的要求。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載選取不合理。結(jié)構(gòu)最重要的功能就是承受其施工和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種環(huán)境荷載與作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮有可能出現(xiàn)的荷載類型和荷載取值，不得漏算荷載。對(duì)局部荷載進(jìn)行等效換算時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，不得隨意折減。（3）結(jié)構(gòu)計(jì)算假定不符合實(shí)際工程條件。結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)體系及其各組成構(gòu)件的穩(wěn)定性要求。平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件在平面外的穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致，側(cè)向支撐點(diǎn)的位置分別設(shè)在上弦或下弦時(shí)，對(duì)平面體系的穩(wěn)定性會(huì)帶來(lái)截然不同的結(jié)果[3]。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算假定必須符合構(gòu)件的實(shí)際約束條件，尤其對(duì)構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取值要嚴(yán)格根據(jù)桿端約束和構(gòu)件實(shí)際受力進(jìn)行確定。（4）結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)造不滿足規(guī)范要求。由于鋼材的強(qiáng)度高，在滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度計(jì)算要求的前提下，鋼構(gòu)件的截面厚度往往較小，很可能造成板件局部穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該重視構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和板件的寬厚比、高厚比控制，強(qiáng)化構(gòu)件的構(gòu)造要求，避免出現(xiàn)局部失穩(wěn)。

2.3 施工方面的問(wèn)題

由于工程項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度快，周期短，導(dǎo)致了在施工過(guò)程中不嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工的工程問(wèn)題屢屢出現(xiàn)，倘若在關(guān)鍵部位、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工時(shí)偷工減料，欺上瞞下，必將造成安全隱患。施工過(guò)程中應(yīng)科學(xué)制定施工進(jìn)度計(jì)劃，合理安排不同工種，不同工序的銜接。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理和項(xiàng)目管理者應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范制度監(jiān)督和管理。

2.4 使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備透支的問(wèn)題

人們?yōu)榱松a(chǎn)生活需要，利用已有建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，改變?cè)薪ㄖ氖褂霉δ艹蔀橐环N流行。然而，對(duì)既有建筑的改造也是應(yīng)該建立在結(jié)構(gòu)檢測(cè)、評(píng)估、加固的基礎(chǔ)上，不得私自破壞原結(jié)構(gòu)體系，擅自改變建筑使用功能。在原有結(jié)構(gòu)中增設(shè)重型設(shè)備或者局部超載時(shí)，必須復(fù)核原結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，在未經(jīng)復(fù)核的結(jié)構(gòu)上任意堆載，難免會(huì)造成結(jié)構(gòu)的承載能力超限，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3 提高鋼結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)計(jì)措施

3.1 選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各結(jié)構(gòu)體系的受力性能確定合理的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置應(yīng)盡量規(guī)則，抗側(cè)力的支撐構(gòu)件宜雙向?qū)ΨQ均勻，剪力墻和筒體的尺寸和布置宜規(guī)則對(duì)稱，避免出現(xiàn)剪力滯后效應(yīng)。

3.2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算并重

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算和構(gòu)造措施。概念設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)因地震作用復(fù)雜而造成的抗震計(jì)算不準(zhǔn)確的不足，結(jié)構(gòu)計(jì)算為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供定量保證，構(gòu)造措施則為概念設(shè)計(jì)和抗震計(jì)算提供有效的安全儲(chǔ)備保障。以上幾個(gè)方面是相輔相成的整體，不可顧此失彼。

3.3 充分考慮結(jié)構(gòu)施工和使用中的荷載形式

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)充分考慮建筑功能的需求，按使用荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，不可遺漏或者忽略相應(yīng)荷載，施工過(guò)程中的局部堆載應(yīng)足夠重視，并認(rèn)真核算。鑒于鋼結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)特性，其對(duì)風(fēng)荷載比較敏感，計(jì)算主結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)規(guī)范對(duì)不同部位的風(fēng)荷載進(jìn)行調(diào)整。風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)載體型系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)的取值應(yīng)按相應(yīng)荷載規(guī)范正確選取。

3.4 合理運(yùn)用包絡(luò)設(shè)計(jì)提高安全儲(chǔ)備

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尤為重要，然而剛接和鉸接節(jié)點(diǎn)形式的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大，實(shí)際設(shè)計(jì)中當(dāng)不能確定節(jié)點(diǎn)的剛接程度時(shí)，可以采用包絡(luò)設(shè)計(jì)的思想，綜合考慮最不利條件，提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

3.5 不以降低結(jié)構(gòu)安全度為前提進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改造

隨著工程建設(shè)成本的提高，建設(shè)方為追求經(jīng)濟(jì)效益最大化，往往會(huì)要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行構(gòu)件尺寸的優(yōu)化，進(jìn)而降低建設(shè)成本。另外，為滿足建筑使用功能的需要，不可避免的需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改造加固，甚至是抽掉柱和梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。不管是結(jié)構(gòu)優(yōu)化還是后期加固改造，必須不得以降低安全度為代價(jià)，應(yīng)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確的荷載和計(jì)算復(fù)核，滿足規(guī)范要求方可實(shí)施。

總之，鋼結(jié)構(gòu)工程的安全性是一個(gè)全過(guò)程的控制問(wèn)題，從設(shè)計(jì)源頭開(kāi)始嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)構(gòu)件的構(gòu)造措施提高重視。施工時(shí)，嚴(yán)格把控制作、運(yùn)輸、安裝和防護(hù)環(huán)節(jié)，規(guī)范施工工法。在使用過(guò)程中，不得擅自拆改結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不得過(guò)度透支結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備。