我國高層鋼結構設計中若干安全隱患及其應對措施研究

何 皞，陳 偉

（解放軍總后勤部建筑工程規劃設計研究院，北京 100036）

引言

改革開放以來，我國經濟建設不斷邁上新的臺階，尤其是鋼結構設計技術的不斷成熟與普及，許多城市都在大力興建各種高樓大廈，而這些建筑也在當前社會發展中扮演著無可替代的角色，不少鋼結構建筑更是因其獨特的魅力和功能已經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，作為鋼結構設計人員，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現問題、解決問題，只有合理的解決了高層鋼結構設計中可能存在的一些安全隱患，才能真正的實現“百年大計”。

1 高層鋼結構設計中應堅持的原則和需注意的事項

當前階段在全球范圍內進行高層鋼結構設計時，均需要根據當地行業規范的要求開展相關工作，而這些行業規范多是融合了建筑學、結構力學、材料力學、統計學以及概率論等諸多學科的知識以及當地經濟發展情況、建筑施工水平等因素，從而制定了一系列比較詳細的條文規則。不同國家的設計規范肯定具有一定差別，但是所有的規范對于高層鋼結構設計最基本的要求卻是相同的，那便是安全性問題：即在規定的時間段內建筑物在正常使用的情況下其安全性不能夠出現任何問題，同時，建筑物在一些突發情況下還需要保持足夠的穩定性，例如地震、極端惡劣天氣的影響。

在鋼結構設計中除了需要嚴格堅持“安全第一”的設計原則，還應該注意到建筑的適用性、耐久性以及經濟性等幾個方面的問題。一個合格的鋼結構建筑物，不僅要應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重要的，畢竟建筑物是用來為人服務的，其空間結構布置的合理與否直接影響著用戶使用過程中的舒適度；鋼結構建筑物從前期的規劃設計到后期的施工建設，需要投入巨大的人力、物力與財力，以期能夠實現“百年大計”的目的，所以在設計過程中就必須充分考慮鋼結構的耐久性問題；雖然我們國家已經渡過了曾經的“困難時期”，但在當前時期經濟性仍然是非常重要的一個指標，建筑行業的投資往往是非常巨大的，所以在設計過程中還需考慮到經濟性的問題。

2 國內高層鋼結構設計中較為常見的安全隱患

2.1 建筑結構空間布局缺乏人性化

如果設計人員在前期沒有進行認真調研，沒有充分領悟業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計方案，那么最終的建筑結構空間布局很有可能因為缺乏合理性而難以滿足業主的需求。同時，還會在安全性方面埋下一些隱患。比如：若是在結構空間布局過程中把承重結構與裝飾結構混為一體，未規劃出符合要求的消防通道，那么萬一發生緊急事件，將很有可能對建筑物內人員的生命財產造成危害。此外，如果建筑結構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范要求

雖然我國現行的設計規范對于建筑物的抗震性能均做出了比較詳細、具體的規定，但有些業主為了節約開支，認為鋼結構的抗震性能比較好，會讓設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重的安全隱患，因為我國最近已經進入地震的高發期，汶川、玉樹以及雅安等地區相繼發生了非常嚴重的地震災害，對人民的生命財產造成了巨大傷害。如果高層鋼結構建筑的抗震性能不能滿足要求，可能會出現如下幾種震害。

2.2.1 連接節點破壞

這是鋼結構建筑物在地震災害經常出現的破壞，究其根本原因，多是最初的設計環節，相關節點的構造不符合要求，因而致使一些節點連接處容易產生應力集中的現象，進而造成了破壞。

2.2.2 局部構件破壞

高層鋼結構在地震中的局部構件破壞主要是某些支撐桿件的失穩或斷裂破壞、鋼柱脆性斷裂等，而這些多是因為在設計中未充分考慮鋼結構的低周疲勞破壞、構件的寬厚比以及塑性設計等方面。

2.2.3 結構發生坍塌

這是高層鋼結構最為嚴重破壞形式，多是因為鋼結構中存在薄弱層或結構選型不合理而引發此類災害，由于后果極為嚴重，所以在設計中必須盡一切可能避免出現這種情況。

2.3 設計過程中過分追求經濟性

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，在高層鋼結構建筑施工成本中占據非常大的比重，業主為了降低成本多會要求設計單位控制用鋼量，或聘請第三方對原有設計進行優化以降低用鋼量，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；有時即使在設計計算時滿足了常規條件下的要求，但是在地震等特殊荷載作用下，很有可能造成梁、柱開裂，甚至是結構坍塌的現象。

3 合理改善和提高鋼結構建筑的安全性能

3.1 在建筑結構設計中始終堅持“以人為本”的原則

一名合格的建筑結構設計人員首先應該具有非常專業的知識、靈活的思維方式以及足夠的責任心，同時還需要十分清晰的認識到建筑的最終目的是為人服務。這就要求設計人員在工作中認真對待每一個細節，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 在設計環節重視地震作用的影響

首先，對于最初的建筑場地選擇，就應該充分考慮地震的影響，根據業主的要求、建筑物自身的特點以及規范中的相關規定進行綜合分析，盡量選擇對抗震比較有利的場地；其次，應該選擇一個合理的建筑結構體系，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構的抗震性能同樣予以足夠重視，避免因為局部構件的破壞造成整個結構的失穩；再次，在建筑結構設計過程中還應該注重通過一些隔震、減震措施以緩解地震作用，對于那些超高鋼結構建筑和重要建筑，則應該開展風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 不斷學習使用新的知識與技術

雖然我們國家頒布了許多建筑設計規范，但是現階段這些規范多多少少都具有一定局限性，設計人員在使用的過程中要敢于質疑，對于一些欠合理的條款要進行適當修正；同時，設計人員還需要不斷學習使用新的設計計算分析軟件，從而實現在保證建筑物安全性不受影響的情況下適當降低造價。

3.4 其他一些需要予以重視的方面

在高層鋼結構建筑的受力計算與分析中，要注意連接部位的承載力應該大于被連接的構件才可以，同時還需要確保不同構件之間能夠正常傳力，必要情況下則應該采取一定的加固措施；除了充分考慮鋼結構構件連接的問題，結構連接處變形的影響同樣不能被忽略，連接處應該具備一定的變形協調能力。

由于鋼結構自身的特殊性，其整體性與耐久性問題必須引起設計人員的注意，如果建筑的耐久性無法滿足要求，很有可能發生腐蝕等現象，那么便會直接或間接的影響到結構構件的承載能力，進而威脅到整個建筑物的安全性能。

4 結語

高層鋼結構建筑結構安全的重要性已無需多言，本文首先從安全性、適用性、耐久性以及經濟性等幾個方面闡述了在高層鋼結構在設計中應堅持和注意的事項，進而從空間結構布置、抗震性能以及過分追求經濟性等三個方面指出了目前我國鋼結構設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對措施與建議，以供有關鋼結構設計人員參考。

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[2]李彩虹.多高層鋼框架結構連接節點抗震設計相關問題探討[J].鋼結構，2012（12）.

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