加強(qiáng)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的探討

李嘉順

（上海中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200135）

1 引言

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，是確保建筑物擁有可靠性以及穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)。但目前大部分建筑企業(yè)的設(shè)計(jì)人員在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一味地追尋經(jīng)濟(jì)效益，忽視了安全問(wèn)題，很容易引發(fā)安全事故。而本文的研究旨在效解決這一問(wèn)題，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，保證建筑質(zhì)量，使建筑物能夠滿足施工要求，不僅可以為用戶提供良好的居住環(huán)境，還能保障用戶的生命安全，推動(dòng)建筑行業(yè)發(fā)展，并提高建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)水平，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用和價(jià)值。

2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括兩部分，分別為上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[1]。其中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果進(jìn)行，并由材料供應(yīng)情況、上部結(jié)構(gòu)類型、施工技術(shù)水平、材料強(qiáng)度等級(jí)、荷載效應(yīng)以及技術(shù)形式確定。一般來(lái)說(shuō)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分為深基礎(chǔ)與淺基礎(chǔ)兩種。而上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)框架核心筒以及框架剪力墻結(jié)構(gòu)等[2]。

3 以上海某土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例

3.1 項(xiàng)目概況

本文以上海某土木工程項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目為住宅建筑，設(shè)計(jì)人員在對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇5層框架結(jié)構(gòu)，整個(gè)建筑的總高度在15 m，層高在3 m，建筑面積在1 250 m2。并且該建筑工程的抗震設(shè)防裂度為7度，同時(shí)抗震等級(jí)設(shè)為丙類，擁有良好的安全性。

3.2 兩種方案設(shè)計(jì)對(duì)比

設(shè)計(jì)人員在對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了兩種方案，分別為鋼結(jié)構(gòu)方案與鋼混結(jié)構(gòu)方案[3]。

3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)方案

鋼結(jié)構(gòu)主要是由鋼制材料組成的結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中常用的一種結(jié)果類型。整個(gè)結(jié)構(gòu)主要由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件組成，并采用硅烷化、純錳磷化、水洗烘干、鍍鋅等除銹防銹工藝。各構(gòu)件或部件之間通常采用焊縫、螺栓或鉚釘連接。因其自重較輕，且施工簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于大型廠房、場(chǎng)館、超高層等領(lǐng)域。鋼結(jié)構(gòu)容易銹蝕，一般鋼結(jié)構(gòu)要除銹、鍍鋅或涂料，且要定期維護(hù)。

鋼結(jié)構(gòu)方案中的鋼柱結(jié)構(gòu)為Q345鋼，梁為H型鋼梁，柱為箱形鋼柱，如圖1所示。設(shè)計(jì)人員在對(duì)框架橫縱梁柱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇剛性連接方式將其連接在一起，由于該住宅工程屬于多層建筑，因此，結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩與一般住宅不同。為了最大程度上發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力的價(jià)值與作用，設(shè)計(jì)人員在對(duì)各層柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇多截面這種方式開展設(shè)計(jì)，以此提高結(jié)構(gòu)的安全性，降低對(duì)梁的影響。并且還可以借助STS進(jìn)行建模，利用建模分析獲得鋼結(jié)構(gòu)方案各構(gòu)件的參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖1 Q345鋼

表1 鋼結(jié)構(gòu)方案構(gòu)件參數(shù)

根據(jù)表1不難發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠有效滿足該建筑工程對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的要求，并且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，能夠有效發(fā)揮出鋼柱強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。而且該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案還能對(duì)長(zhǎng)細(xì)比與軸壓比科學(xué)、合理地進(jìn)行控制。同時(shí)，在設(shè)計(jì)鋼梁時(shí)，鋼梁符合彈性撓度標(biāo)準(zhǔn)，能夠發(fā)揮鋼材的優(yōu)勢(shì)與作用，提高建筑工程的安全性。

不僅如此，相較于其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)不僅自重輕，而且材質(zhì)相對(duì)均勻，和力學(xué)模型相吻合，可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)安全的需求，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。而且鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅制作十分簡(jiǎn)便，施工工期短，并且擁有良好的密閉性，十分適合作為建筑結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)于多層建筑來(lái)說(shuō)，采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以降低建筑工程的施工難度，控制建設(shè)成本，讓整個(gè)建筑施工能夠順利進(jìn)行。

除此之外，鋼結(jié)構(gòu)這種設(shè)計(jì)方案的空間與使用空間更大，而且使用的構(gòu)件尺寸會(huì)比混凝土構(gòu)件小，使建筑各樓層擁有較大的凈高，為用戶提供良好的居住環(huán)境。再加上鋼結(jié)構(gòu)方案中的鋼柱尺寸相對(duì)較小，使整個(gè)建筑的樓板面積多，鋼材能夠提供較大的柱間距離，讓住宅室內(nèi)擁有較寬敞的視野，如此不僅能提高建筑的安全性，還能使建筑結(jié)構(gòu)更加牢固、耐久，為用戶提供良好的居住體驗(yàn)。

但需要注意的是，鋼結(jié)構(gòu)雖然具有良好的耐熱性，但是耐火性極差，因此，無(wú)法有效防范火災(zāi)的發(fā)生，難以保障住宅安全。而且這種鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性極差，在使用過(guò)程中很容易受到銹蝕，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量造成影響，不僅會(huì)影響住宅的使用壽命，還容易引發(fā)安全事故的發(fā)生。同時(shí)，還需要定期對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，否則鋼結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)損壞，增加建筑隱患，引發(fā)安全事故。所以，這種鋼結(jié)構(gòu)方案并不適用于高層住宅以及多層住宅當(dāng)中，難以有效提高結(jié)構(gòu)的安全性，無(wú)法保障結(jié)構(gòu)安全，正因?yàn)槿绱耍诒竟こ讨?，并不適合選擇鋼結(jié)構(gòu)作為本建筑的施工結(jié)構(gòu)。

3.2.2 鋼混結(jié)構(gòu)方案

所謂鋼混結(jié)構(gòu)是一種綜合了鋼結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)方案的施工材料主要為型鋼與鋼筋混凝土，可以細(xì)分為混凝土、型鋼以及鋼筋。使用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行住宅建設(shè)，可以讓住宅內(nèi)房間的開間以及進(jìn)深變得更大，讓整個(gè)室內(nèi)空間的分割更加自由，從而為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的居住環(huán)境。通常情況下，這種鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于多層以及高層住宅中，并發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但是，這種鋼混結(jié)構(gòu)的工藝相對(duì)復(fù)雜，因此，施工難度較大，造價(jià)也相對(duì)較高。

需要注意的是，鋼混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是兩個(gè)概念。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是指承重的主要構(gòu)件是用鋼筋混凝土建造的，包括薄殼結(jié)構(gòu)、大模板現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)及使用滑模、升板等建造的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物。通常情況下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分兩種：（1）整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在施工現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)模板，配置鋼筋，澆搗混凝土而筑成。（2）裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。用在工廠或施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先制成的鋼筋混凝土構(gòu)件，在現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，施工人員需要根據(jù)工程項(xiàng)目的具體情況科學(xué)、合理地進(jìn)行選擇，只有這樣才能最大程度上保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量，避免建筑物出現(xiàn)安全隱患。

在應(yīng)用鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí)，最大柱網(wǎng)開間一致，并且在對(duì)梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，以方柱作為結(jié)構(gòu)框架，選擇C30混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行梁柱結(jié)構(gòu)施工。另外，為了使鋼混結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力消除，設(shè)計(jì)人員選擇多種截面的設(shè)計(jì)形式對(duì)各層柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并且為了提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，設(shè)計(jì)人員通過(guò)PMCAD軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有良好的適應(yīng)性與安全性，能夠滿足工程項(xiàng)目對(duì)結(jié)構(gòu)安全的要求，保障結(jié)構(gòu)質(zhì)量，防止安全事故的發(fā)生。同時(shí)鋼混結(jié)構(gòu)方案參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鋼混結(jié)構(gòu)方案相關(guān)參數(shù)

此外，相較于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，鋼混結(jié)構(gòu)方案具有整體性、可塑性、耐久性、環(huán)保性以及耐火性等特點(diǎn)。

首先，由于鋼混結(jié)構(gòu)的建筑材料為鋼材以及混凝土，結(jié)構(gòu)的整體性較好，擁有良好的抗爆性以及抗震性。

其次，進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，施工人員可以結(jié)合設(shè)計(jì)圖進(jìn)行澆筑，十分靈活，擁有極強(qiáng)的可塑性。再加上和其他結(jié)構(gòu)的住宅相比，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的住宅的耐用性較好，并且使用壽命極強(qiáng)，不易發(fā)生粉化等情況。

再次，鋼混結(jié)構(gòu)還擁有良好的環(huán)保性，這是因?yàn)殇摶旖Y(jié)構(gòu)施工中會(huì)使用石材以及砂石等材料，能夠就地取材，還能利用礦物廢渣進(jìn)行施工，有效節(jié)約材料，從而起到環(huán)保的作用。

最后，部分結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是鋼筋，因此，擁有良好的耐火性，能有效提高抗火災(zāi)能力，提高住宅的安全性。

3.2.3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比，得出如下結(jié)論：雖然鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度較高，施工難度較大，但是可以有效保證工程結(jié)構(gòu)的安全性。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不僅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，滿足抗震設(shè)計(jì)要求，能夠有效發(fā)揮出鋼柱的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，但是相較于鋼混結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)的安全性較差，因此，應(yīng)選擇鋼混結(jié)構(gòu)進(jìn)行住宅設(shè)計(jì)，這樣能夠有效協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性與安全性，使工程項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益得到提升。并且相較于鋼混結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)的防火能力較差，使用鋼結(jié)構(gòu)對(duì)房屋建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在極大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性較低，而鋼混結(jié)構(gòu)則可以有效解決這一問(wèn)題，使房屋建筑的防火性能得到提升，防止在施工以及后續(xù)使用中出現(xiàn)安全事故。尤其是該工程對(duì)防火有極高的要求，所以，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案無(wú)法滿足該工程對(duì)安全性的要求，應(yīng)將鋼混結(jié)構(gòu)作為該工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

不僅如此，通過(guò)對(duì)兩種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比研究，有效解決了土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的耐久性、安全性以及加固性等問(wèn)題，使土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理，提高結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而防止安全事故的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，要加強(qiáng)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，需要全面考慮各種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的方法和具體情況，并且科學(xué)、合理地選擇合適的方法。并以此為基礎(chǔ)，將各種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的方法整合在一起，進(jìn)而加強(qiáng)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，提高建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。另外，還應(yīng)加強(qiáng)鋼混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑工程中的應(yīng)用，這樣可以有效提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，提升建筑設(shè)計(jì)水平，確保符合相關(guān)要求，為用戶提供良好的居住環(huán)境。