土木工程結構設計安全問題及策略探析

王波

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

對于土木工程結構，設計人員需要高度重視結構設計的安全性和經濟性。在施工過程中，容易發生安全事故，給建筑業帶來很多麻煩，保證結構的安全性和邏輯性，從建筑功能和形式上滿足需要，是結構設計的主要目標。

在影響安全性的因素中，許多的因素是我們可以控制的，而環境因素是我們無法避免的，因此針對環境問題的措施需要我們單獨考慮，使土木工程結構的安全性達到合理，減少安全問題。地震危險區建筑結構抗震設計的主要目標是保證人民群眾的安全和物質資產的安全，抗震設計理論中的現代方法是避免在建筑中使用脆性材料，將不會導致整個結構倒塌的局部破壞視為可接受的[1]。

地震造成大量人員傷亡和財產損失。像其他自然災害一樣，這樣的災難性事件幾乎是不可能預測的。今天，結構免受地震災害的保護是一個非常重要的問題。現代抗震性能理論假定局部破壞是可接受的，不會導致建筑物整體結構的破壞。

1 土木工程結構設計安全問題分析

1.1 存在的安全問題

當前，土木工程結構設計存在的安全問題很多，建筑物嚴重損壞甚至完全倒塌的情況并不少見，因為它們的結構框架構件和連接的強度不足，影響因素中有主要因素，也有次要因素，有環境因素、人為因素、機械因素、施工因素、技術因素、原材料因素、設計因素等的影響。在這其中，常見的結構整體穩定性不夠屬于設計因素和施工因素，結構設計規范的設計值較低屬于設計因素，柱子設計不合理屬于設計因素，低估環境因素對結構耐久性的影響屬于人為因素。解決這些問題的需要我們從小處著手，從源頭抓起，如改進我國的建筑規范及標準、采購符合標準的原材料、施工時進行合理的監管以及驗收時仔細驗收等。

在這些存在的問題中，許多的因素是我們可以控制的，而環境因素是我們無法避免的，因此針對環境問題的措施需要我們單獨考慮，以減少安全問題。本文以抗震為例。

1.2 抗震設防措施

要實現土木工程結構的安全性，結構的抗震性就要合理。抗震工程專家認為，地基-地基界面的主動抗震是提高結構抗震性能的真正源泉。這種方法依賴于建筑物在水平方向上的位移能力，這種體系的缺點是鋼筋混凝土結構在豎向荷載作用下會產生顯著的局部應力，需要額外的鋼筋來承受。采用建筑復合材料鋼纖維混凝土可以提高結構的承載能力和可靠性，避免過度配筋，簡化施工工藝。

在承受反復荷載的結構中，最脆弱的構件是梁—柱、柱—柱的節點。鋼筋混凝土框架梁柱節點的荷載試驗表明，節點正常工作的主要的要求是限制混凝土的側向位移，特別是在反復荷載作用下。如果不滿足這樣的要求，混凝土在彎矩作用下就會斷裂，這比不考慮這一因素時計算的彎矩要小得多。較少的載荷循環足以將接頭的承載能力降低到幾乎為零。此外，即使相對較小的應力也會形成大的傾斜裂紋，為了提高其強度和耐久性，節點可以采用水平焊接鋼絲網或帶豎筋的箍筋進行加固。

1.3 鋼筋混凝土框架結構

鋼筋混凝土框架結構建筑在世界各地的地震危險地區得到了廣泛的建造。它們的特點是靈活、長周期的自然振蕩、大量的塑料儲備、易于獲得的框架材料。近幾次地震的記錄表明，鋼筋混凝土框架或支撐框架結構具有較高的抗強烈地震沖擊能力。結構中最脆弱的構件是節點和結構連接，抗震結構設計和施工的特殊性在于需要考慮的因素很多，這些因素影響著建筑物在地震作用下的運行可靠性和穩定性。框架結構的柱與柱之間的連接應該是剛性的，因為它們是為了承受地震作用下水平荷載引起的彎矩[2]。節點設計包括每根柱端的鋼靴，有兩種版本：帶加強板或不帶加強板，加強板連接的設計包括橫截面面積比配對柱中鋼筋的橫截面面積大25%的鋼筋，如圖1（a）所示，當接頭軸向壓縮時，使用沒有加強板的接頭，如圖1（b）所示。

圖1 柱節點

與剛性框架節點相鄰的部分梁、柱需要根據計算放置閉合箍筋進行橫向加固，但不少于每100mm 一個箍筋。框架節點及相鄰區域的缺陷會導致結構破壞，甚至導致建筑物倒塌。影響結構在地震作用下行為的最重要因素是梁柱節點，隱藏式梁柱節點在民用框架結構建筑中較為常見，其在室內空間設計上比敞開式節點更具美感。梁與柱的連接是通過焊接突出的鋼筋并進行進一步的灌漿來完成的。節點具有用于形成混凝土的波紋配合表面，以及形成梁和柱中間距緊密的橫向鋼筋的作用。

鋼筋混凝土框架結構梁柱節點配筋率高，可以在節點設計中充分利用鋼構件。因此，人們可以利用鋼的塑性變形能力。然而，由于經濟上的考慮和防腐的需要，這種解決方案的使用受到限制。由于混凝土的脆性，現有的鋼筋混凝土被動抗震構件不能完全抵抗地震作用。需要使用高變形能力的延性材料，其中之一就是已經提到的現代結構復合材料，即鋼纖維混凝土。采用此種辦法，反抗震性能可以在原本結構的基礎上提高17%。

1.4 重視土木工程結構設計的安全性

為了充分反映土木工程結構的特點和功能，設計師在結構設計過程中應該重視安全性和成本，可大大減少人力和財政資源的損失。這對建筑業來說是至關重要的。首先要加強結構設計安全的重要性，土木工程的安全是其質量的保證，為了保證其質量，有必要對設計單位的選擇進行綜合考慮。承包人應當在多年經驗和高質量實踐的基礎上，安全有效地建立土木工程項目。其次要加強對結構設計經濟性重視。隨著社會的不斷進步，公路橋和公路工程的建設極大地消耗了我國的財政資源，它對中國經濟的發展有著巨大的影響。因此，設計單位應不斷提高自身的專業水平，設計師應該改進計劃，減少成本支出。

2 土木工程結構設計策略分析

2.1 折疊式鋼板樓梯設計

在與普通的梁板結構鋼樓梯相比，折疊式鋼板樓梯具有細節簡潔、造型輕巧等優點，體現了現代建筑的簡潔性。

圖2 顯示了一棟別墅中的一段樓梯，該樓梯由鋼板以折疊形式焊接而成。從這種樓梯結構的外觀可以發現以下問題：①折疊鋼板樓梯是一種特殊的空間結構。由于樓梯臺階尺寸的限制和鋼材力學性能的限制，有效結構高度較小，結構剛度較弱，在使用過程中容易產生過大的振動或變形幅度較大的問題；②樓梯采用較厚的鋼板焊接，鋼板與樓梯成90°接觸。因此，樓梯的安全性取決于接頭的可靠性和焊接殘余應力的大小；③建筑物的主體結構一般為砌體結構或混凝土結構。鋼樓梯與主建筑結構之間保持較強的連接對結構至關重要。

針對以上三個問題，對普通的梁板結構進行改進。首先，采用折疊式鋼板樓梯，不但能使其具有細節簡潔、造型輕巧的優點，而且能體現現代建筑的簡潔性；其次，采用高強度復合合金材料制作折疊式樓梯，以解決鋼材力學性能差，有效結構高度較小，結構剛度較弱，在使用過程中容易產生過大的振動或變形幅度較大的問題；最后，焊接鋼板是采用現代先進的焊接技術，使焊接處的質量水平和強度提高，降低出現若縫連接處的概率，延長使用壽命；最后從安全、舒適、美觀、經濟的原則出發，主體結構與梁板結構間的連接要選擇匹配度最高的，以減少連接處的缺陷，增強耐久性。

圖2 普通的梁板結構

2.2 設計理論

由于折板樓梯的結構特殊性，需要對其進行靜力分析和動力性能分析，以判斷結構的安全性和舒適性。顯然，傳統的簡化分析方法不能得到理想的結果，機械學方程不僅可以分析結構的位移、應力、應變等靜載荷響應，還可以得到結構的固有頻率和振型等動力特性[3]。將結構視為僅在節點內連接的有限單元的連接。根據單元的幾何特征、荷載和所需變形，建立各種單元的計算模型，然后根據質量和精度，寫出單元任意點的位移函數，根據位移函數計算其使用效果，研究表明，折疊式鋼板樓梯比普通的梁板結構的薄弱接口少很多，使用時的耐久性強很多。

3 結束語

在工程建設過程中，工程的安全性和經濟性是非常重要的。在土木工程中應合理處理安全事故、降低工程造價，對整個具有至關重要的作用。解決安全問題的需要我們從小處著手，從源頭抓起，如改進我國的建筑規范及標準、采購符合標準的原材料、施工時進行合理的監管以及驗收時仔細驗收等。

要實現土木工程結構的安全性，結構的抗震性就要合理，可以采用鋼纖維混凝土，鋼纖維混凝土在結構構件及其連接中的應用研究成果，可以提高在地震危險情況下建造的民用建筑的使用性能和延長其預期壽命。而不會增加成本和任何額外的人力。這種方法為民用建筑項目取得優于現有項目的技術和經濟性能開辟了道路。