鋼結構設計階段的人為錯誤研究分析

陳金永

人為錯誤為人的不正確行為導致結構系統(構件)的某項功能(指標)不滿足現行相關技術標準的要求。文獻[1]對結構失效的調查統計表明:達 90%的結構失效及其正常使用功能出現問題可歸因于人為錯誤。目前的結構設計規范是基于可靠度理論，但建筑結構的實際失效概率遠大于理論分析值，造成這一差異的主要原因就是人為錯誤的影響[2]。因此，有必要對建筑工程在建造階段中的人為錯誤問題進行深入研究[3]。

1 人為錯誤產生的原因

人為錯誤不可避免，它的發生概率與結構的復雜程度、使用人員所處的環境條件、人員的技術水平、熟練程度及精神狀態等因素有關。現從人的自身因素，環境因素，所操作對象的設計、使用規程因素和管理方法及規章制度等方面的因素來說明人為錯誤產生的原因。

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。當人體處于“不適”的生理狀態或濫用了一些藥物時，就會造成注意力不集中，對事物的判斷力減弱，進而造成人為差錯的發生。2)心理因素:認識能力、情感、意志力、個性傾向等。認識能力是指人的感覺、知覺、記憶、想象、邏輯思維能力等。3)訓練因素:熟練性、經驗性、技巧性等。4)精神壓力因素:精神壓力是影響人的行為動作的一個主要因素，一個承受著過重精神壓力的人會有較大的可能性造成人為差錯。據研究[4]，人的工作效率與精神壓力有密切聯系，如圖1所示。圖 1表明，壓力并不完全是消極因素。圖 1所示區域也可以分為兩個部分:區域Ⅰ和區域Ⅱ。在區域Ⅰ中，人的效率隨壓力的增加而提高，而在區域Ⅱ中，人的效率卻隨壓力的增加而降低。

1.2 環境因素

環境因素包括工作場所的設計布局、照明、溫度、濕度、音響、振動、粉塵、高空、氣味及色彩等。環境因素對人的影響很大，當人處于一個不良的工作環境，比如工作場所設計不合理，照明太亮或太暗，溫度、濕度太高或太低，強噪聲、高空作業等都會導致人為錯誤的發生。

1.3 所操作對象的設計、使用規程等因素

若操作對象的設計不合理，則易造成人為差錯。如某鑄造車間 23榀大跨輕鋼屋架倒塌，其主要原因就是設計不合理:未按規范要求選擇適當形式的屋架。該廠房為加熱車間，20m跨，內設吊車 2臺，處于 7度地震區，對于這種情況，屋蓋結構本應適當加強，但設計中卻選用了單榀和整體剛度都很差的三鉸拱式輕鋼屋架，《輕鋼設計資料集》和《工業廠房鋼結構設計手冊》中明確規定三鉸拱輕鋼屋架不宜用于有振動荷載和屋架跨度超過 18m的工業廠房及高溫的廠房中;屋架斜梁上下弦桿強度不足且上弦斜梁不滿足整體穩定性要求，屋架上弦采用 2∠50×5角鋼，下弦采用1φ20圓鋼，經復算，在正常使用荷載作用下，上弦壓應力為283.1MPa，下弦拉應力為363.5MPa，均大于許用應力。

2 鋼結構設計階段的人為錯誤

新中國成立以來，鋼結構的應用在很長時期受到限制，設計人員無緣接觸鋼結構，致使目前全國各大設計院鋼結構設計人員相對較少，設計經驗及水平較低。雖然鋼結構設計軟件不斷問世，給設計人員帶來極大便利，但年輕一代的設計人員過分依賴計算機，缺乏工程經驗，工程判斷能力較差。另外，當鋼結構鋪天蓋地迅猛發展的同時，殘酷的市場低價競爭致使設計人員為了生存一味追求低用鋼量，盲目降低工程造價，致使結構的可靠性偏低。這些客觀或人為的原因均可導致人為錯誤的發生。鋼結構設計階段常見的人為錯誤歸納如下。

2.1 材料選用不妥，不能滿足工程需求

1)選用鋼材時，未能根據結構的重要性、荷載特征(是否直接承受動力荷載)、結構形式、應力狀況、連接方法(焊接或非焊接結構)、工作環境(是否低溫或具有腐蝕性介質)和鋼材厚度等因素全面考慮，選用合適的鋼材牌號和材性，以保證承重結構的承載能力和防止在一定條件下出現脆性破壞。2)對于需要驗算疲勞的結構，未按鋼材沖擊韌性合格保證的具體要求來選擇材料。

2.2 連接設計不合理，造成致命缺憾

1)連接設計應合理的選型、選材。其選型、選材不僅應與構件的強度、材質性能相匹配，而且應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用的專門要求。2)連接設計應綜合考慮連接可靠、構造合理、施工方便、造價經濟等因素。對現場連(拼)接應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造。3)對一般構件的連接宜采用焊接，現場連接應優先采用高強(普通)螺栓連接，對重要的連接與拼接，應選用高強度螺栓摩擦型栓—焊連接。4)構件的連接應按連接強度大于桿件截面強度進行設計，對按抗震設防的構件連接(框架梁、柱連接、支撐連接等)，除按有地震作用的組合并計入豎向地震作用 VRE外，尚應進行連接最大承載力的驗算。5)在工程設計中，應按GB 50017-2003鋼結構設計規范的規定，正確合理的要求各類焊縫應保證達到的質量等級。6)在工程設計的技術文件中，應注明連接的形式與類型，連接材料的選材要求，焊縫的質量要求，高強螺栓的預拉力與摩擦面的處理要求及其他技術要求。

2.3 構造設計不合理，造成事故隱患

1)傳力要明確。在整個傳力過程中，各個構件的受力情況都應加以考慮，不使某一個負擔過重。連接構造的實際性能應盡量和計算簡圖一致，有多余的約束時，應不致對結構起不利作用。2)互相連接的節點應盡可能避免偏心，不能完全避免時應考慮偏心的影響。3)盡量減緩應力集中，對承受疲勞荷載的結構、處于低溫的結構更應注意，不能忽視任何一個細小零件。4)要考慮結構或零件變形的影響，如變形引起的次應力和變形引起的應力分布不均勻等。5)避免在結構內產生過大的殘余應力，尤其是約束造成的殘余應力，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層狀撕裂，偏析集中區容易出現裂紋等都是設計時考慮的因素，應予以注意。

2.4 忽視結構穩定設計計算的原則

鋼材和其他建筑材料相比，強度要高的多。在同樣的荷載條件下，鋼結構構件截面小，截面組成部分的厚度也小。因此，穩定問題在鋼結構設計中是一個突出問題。在鋼結構中，為了保證不喪失穩定，以下幾點不能忽視:1)結構整體布置必須考慮整個體系及其組成部分的穩定性要求。目前結構大多是按平面體系來設計的，保證這些結構不致出平面失穩，需要從結構的整體布置來解決，亦即設置必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的出平面穩定計算必須和結構布置相一致。這種一致性如受到忽視，將會釀成事故。2)桿件穩定計算的常用方法，往往是依據一定的簡化假設或典型情況得出的，設計者必須確知所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。如框架柱穩定計算所用的計算長度系數是針對橫梁不承受軸力的情況得出的，如果橫梁承受較大的軸力，采用這些數據就會得出不安全的結果。這就是說，計算方法的前提假設和具體計算對象應該相一致。3)設計結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合，使二者有一致性。構造和計算相符合一直是設計者所關注的問題。但是，當涉及穩定性能時，構造上常有不同于強度的要求或特殊考慮。如簡支梁的不動鉸支座，就強度而言，只要能阻止位移并允許梁端在平面內轉動;而對整體穩定來說，還要能阻止梁繞縱軸扭動和梁端翹曲。如果梁支座不能有效阻止這些變形，則穩定承載力將有所降低。

2.5 對荷載作用情況考慮不周

門式剛架的檁條設計中常忽略驗算在風吸力作用下的穩定，導致大風吸力作用下很容易失穩破壞，設計時應注意驗算檁條截面在風吸力作用下是否滿足要求;在求解屋架的內力時，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，這種組合可能導致某些腹桿的內力增大或變號;對于屋面為大型屋面板的屋架，尚應考慮安裝時的半跨荷載組合:屋架及天窗架自重+半跨屋面板重+半跨屋面活荷載。

3 結語

國內外大量工程實例表明:人為錯誤在工程事故中起著主要作用，許多工程事故的發生都直接或間接地由人為錯誤所造成。如何掌握人為錯誤的發生及其影響規律從而有效地控制和減少人為錯誤的發生，提高結構實際可靠度已成為不少國內外學者的研究課題。本文從人為錯誤產生的原因出發，較為詳細的闡述了鋼結構在設計階段中的人為錯誤，對從事鋼結構設計的人員有一定的參考價值，同時對建立考慮人為錯誤影響的結構模糊可靠度理論也有一定的借鑒作用。

[1] Waller.A.C.Study and Analysis of the First 120 Failures Cases，Syme.Struct.，Failure in Bldgs.，Inst.of Struct.Engrs.，London UK，1980.

[2] H.O.Madesen，S.Krenk，N.C.Link.Method of Structural Safety，Prentice-Hall，Inc，Englewood，Cliffs，New Jersey，1986.

[3] 劉西拉.結構工程學科的現狀與展望[M].北京:人民交通出版社，1997.

[4] Balbir.S.，Dhillon.Human Reliability(With Human Factor). Pergamon Books LTD Oxford England，1986:40-44.

[5] 歐陽紅星.單層鋼結構廠房設計中需要注意的幾個問題[J].山西建筑，2009，35(16):64-65.