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

何 皞，陳 偉

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

引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟建設(shè)不斷邁上新的臺階，尤其是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(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)建筑更是因其獨特的魅力和功能已經(jīng)有機的融入到了人們的日常生活中，成為了一個城市的名片。然而，作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，并不能因為眼前的繁榮景象而變得自滿，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)計中可能存在的一些安全隱患，才能真正的實現(xiàn)“百年大計”。

1 高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)堅持的原則和需注意的事項

當(dāng)前階段在全球范圍內(nèi)進行高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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)計學(xué)以及概率論等諸多學(xué)科的知識以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(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)計規(guī)范肯定具有一定差別，但是所有的規(guī)范對于高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計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，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)計中除了需要嚴(yán)格堅持“安全第一”的設(shè)計原則，還應(yīng)該注意到建筑的適用性、耐久性以及經(jīng)濟性等幾個方面的問題。一個合格的鋼結(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)計到后期的施工建設(shè)，需要投入巨大的人力、物力與財力，以期能夠?qū)崿F(xiàn)“百年大計”的目的，所以在設(shè)計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“困難時期”，但在當(dāng)前時期經(jīng)濟性仍然是非常重要的一個指標(biāo)，建筑行業(yè)的投資往往是非常巨大的，所以在設(shè)計過程中還需考慮到經(jīng)濟性的問題。

2 國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計人員在前期沒有進行認(rèn)真調(diào)研，沒有充分領(lǐng)悟業(yè)主對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)計方案，那么最終的建筑結(jié)構(gòu)空間布局很有可能因為缺乏合理性而難以滿足業(yè)主的需求。同時，還會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，將很有可能對建筑物內(nèi)人員的生命財產(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)計規(guī)范對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，會讓設(shè)計人員降低建筑物的抗震等級，如此以來，建筑物的抗震性能將會成為一個比較嚴(yán)重的安全隱患，因為我國最近已經(jīng)進入地震的高發(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，對人民的生命財產(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，可能會出現(xiàn)如下幾種震害。

2.2.1 連接節(jié)點破壞

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)計環(huán)節(jié)，相關(guān)節(jié)點的構(gòu)造不符合要求，因而致使一些節(jié)點連接處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進而造成了破壞。

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，而這些多是因為在設(shè)計中未充分考慮鋼結(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，多是因為鋼結(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)計中必須盡一切可能避免出現(xiàn)這種情況。

2.3 設(shè)計過程中過分追求經(jīng)濟性

建筑物在施工過程中需要投入大量的財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要求設(shè)計單位控制用鋼量，或聘請第三方對原有設(shè)計進行優(yōu)化以降低用鋼量，眾所周知，用鋼量過低不僅會影響建筑物的安全儲備，還會削弱其抗震、抗沖擊性能；有時即使在設(shè)計計算時滿足了常規(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)計中始終堅持“以人為本”的原則

一名合格的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員首先應(yīng)該具有非常專業(yè)的知識、靈活的思維方式以及足夠的責(zé)任心，同時還需要十分清晰的認(rèn)識到建筑的最終目的是為人服務(wù)。這就要求設(shè)計人員在工作中認(rèn)真對待每一個細(xì)節(jié)，對于同一個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)計環(huán)節(jié)重視地震作用的影響

首先，對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、建筑物自身的特點以及規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定進行綜合分析，盡量選擇對抗震比較有利的場地；其次，應(yīng)該選擇一個合理的建筑結(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，避免因為局部構(gòu)件的破壞造成整個結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；再次，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還應(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)洞試驗和地震臺試驗，以充分驗證建筑物的抗震能力是否滿足要求。

3.3 不斷學(xué)習(xí)使用新的知識與技術(shù)

雖然我們國家頒布了許多建筑設(shè)計規(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)計人員在使用的過程中要敢于質(zhì)疑，對于一些欠合理的條款要進行適當(dāng)修正；同時，設(shè)計人員還需要不斷學(xué)習(xí)使用新的設(shè)計計算分析軟件，從而實現(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。

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，那么便會直接或間接的影響到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，進而威脅到整個建筑物的安全性能。

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)濟性等幾個方面闡述了在高層鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計中應(yīng)堅持和注意的事項，進而從空間結(jié)構(gòu)布置、抗震性能以及過分追求經(jīng)濟性等三個方面指出了目前我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中比較常見的安全性問題，并進行了比較深入的分析，進而提出了一些較為合理可行的應(yīng)對措施與建議，以供有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考。

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