結構設計中的安全性分析

茂名市城建設計院 廣東茂名 525000

摘要：本文分析了在結構設計中樹立正確觀念、提高結構合理性、均衡安全與經濟性、重視結構耐久性，并對結構設計中一些問題進行了討論。

關鍵詞：結構設計；安全性

建筑工程的安全性始終是衡量工程綜合質量的重要指標，兩千多年前維特魯威就在《建筑十書》中闡明了建筑“實用、堅固、美觀”的基本原則，其中堅固就與安全性有著必然聯系，無疑不堅固的建筑是談不上安全性的。建筑結構的安全性是由設計水平、施工水準以及正確使用所決定的[1]。其中，設計水平是建筑結構安全性的起點。結構設計缺陷所帶來的不安全性是起決定性作用的，很難通過施工和使用予以改變。近年來，四川汶川與雅安、青海玉樹和云南魯甸所發生的地震都造成了超乎預料的傷亡，建筑結構抗震能力不夠是顯而易見的。結構安全性還與經濟適用性、耐久性有著緊密聯系，部分建筑工程因過于注重經濟性而損害了安全性，耐久性考慮不足也會帶來安全性問題。因此，結構設計中的安全性不是一個很簡單的問題，牽涉到多種因素，如何把握好這個“度”是很關鍵的。

1 樹立正確設計觀念，提高結構的合理性

1.1 夯實理論基礎，重視概念理解

結構設計并非只有“規范”和“計算”這兩樣，更需要深厚的理論基礎和對概念的正確理解。目前，結構計算幾乎都依賴軟件計算，但軟件的發展總是滯后于設計實踐，不少人都經歷過一些外觀新穎、造型獨特的結構難以利用軟件進行計算的情況，于是一些人抱怨軟件更新太慢。實際上軟件也只是工具，軟件計算結果最終還是要靠力學概念和工程經驗進行判斷，尤其在結構安全性、合理性判斷方面。離開軟件就不會計算的毛病有害無益，應下決心深耕理論，重視概念的理解和運用。

1.2 深入現場前線，尋求主動配合

結構設計是一門實踐性很強的學科，需要在實踐中不斷探索來提高設計水平，同時又要深入實踐才能獲取第一手資料。以抗震設計為例，如果不到地震前線并親臨現場，很難深刻認識地震的危害以及結構破壞形式。土木工程建設涉及眾多專業，不同專業之間需要通過有效的配合才能共同協調好結構安全與經濟、適用、美觀的關系。結構設計應始于建筑方案設計階段，好的建筑方案離不開結構工程師的參與和創造性的開拓工作，因此應注重主動配合和積極參與，而不是總是被動地去配合。

2 均衡安全與經濟，重視結構耐久性

2.1 安全性固然重要，也要考慮經濟性

結構安全是綜合性問題，不是幾項指標達到了規范標準就能解決安全與耐久性問題。例如，為了提高結構安全性，如果只是片面地增加鋼筋、水泥用量，則會造成資源的很大浪費，而正確做法是在科學受力分析的基礎上選擇合適的結構體系。以鋼筋混凝土結構構件設計為例，除了要綜合考慮截面形狀、布筋形式、材料用量、結構尺寸等參數，還要注意建筑高度和高寬比方面的限值[2]。南方地區普遍采用框架結構，但框架結構的整體側向剛度較小，考慮抗震要求建筑高度不宜太高。現在大量工程實踐已經表明，在地震設防要求較高地區，采用純框架結構，即使控制指標滿足規范要求，結構受力上也不合理、不經濟，梁、柱截面偏大，鋼材用量多，結構側向位移大，抗震性能較差。這種情況下選擇框架-剪力墻或框架核心筒等結構體系更為有利。

2.2 設計安全性，須重耐久性

我國結構設計規范比較注重荷載作用下的結構強度要求，但環境因素作用下耐久性考慮不足仍對建筑安全性影響較大。須知，建筑物應在使用年限下結構性能衰減之后仍然保持足夠的安全性，但很多混凝土結構因鋼筋銹蝕或混凝土受到侵蝕，其結構受到破壞的程度已經超過了安全承載限度，這也是一些建筑受到不太大震級卻損毀嚴重的重要原因。因此，應重視結構耐久性，換句話說，結構安全性應是可以耐久的安全性。注重結構耐久性，應從以下幾個方面加以改進：改善技術標準和管理體制，提高結構設計的耐久性水準，采用以人為本的科學化管理方式，通過技術創新降低工程失效風險；結構設計和施工嚴格遵守現有技術規范；加強結構設計和施工的安全監管；對建筑物定期進行安全檢測等。

3 結構設計中的一些安全性問題分析

3.1 地基基礎設計中的問題

隨著高層建筑越來越多，出于建筑物安全性能的要求，樁身強度等級逐步提高，但是在一些工程設計中通過提高樁身混凝土強度等級來減小樁徑的做法卻可能產生安全問題。如果采用預制樁，例如PHC管樁、PC樁，其混凝土強度已達到C60以上，樁徑減小的確可以帶來可觀的經濟效益。然而對于灌注樁來說，盲目提高混凝土強度來減小樁徑，其安全性就很難保證。因為灌注樁的施工條件難以精確控制，混凝土質量不易保證，而樁徑減小必然導致安全性能下降。因此，灌注樁尤其是直接與土、水接觸的樁，其強度等級不宜超過C40。同時，主筋保護層不宜太小，一般灌注樁的主筋保護層厚度不應小于35mm，水下灌注樁主筋保護層厚度不應小于50mm，確保主筋保護層厚度可防止鋼筋銹蝕，提高結構耐久性。

3.2 混凝土結構板剛度突變處構造加強問題

在混凝土結構板剛度變化之處應當采取構造加強措施，例如地下室頂板、裙房頂板、轉換層樓板及嵌固點處的板，其板厚應大于180mm，并設置雙層雙向拉筋，對于單層單向配筋率不得小于0.25%。但結構設計中常忽略這一點，以致帶來安全隱患。在混凝土結構板豎向剛度變化處，發生地震時水平地震力的傳遞，會在剛度突變處產生應力集中，如果不采取構造加強措施，此處很容易受到破壞，因此這種情況應當得到足夠重視。

3.3 不合理設計影響框架結構“強柱弱梁”實現的問題

在鋼筋混凝土框架結構中，“強柱弱梁”是保證框架結構抗震性能的重要措施，也是框架結構抗震設計不容忽視的技術手段，但在實際設計時由于對影響“強柱弱梁”因素估計不足，這一手段可能無法真正實現。影響“強柱弱梁”實現的主要因素包括：梁端負彎矩太大，以致框架柱強度相對不足；梁端正彎矩與鄰跨梁端負彎矩構成“強柱弱梁”驗算的梁端力偶，故此梁端正彎矩取值太大，同樣影響“強柱弱梁”的實現；梁端樓板配筋不合理，加大了梁的剛度，影響“強柱弱梁”的實現；梁端實配鋼筋數量直接影響梁端受彎承載力，進而影響“強柱弱梁”的實現。在結構分析計算時，梁端負彎矩計算時不考慮柱截面尺寸對構件內力的影響，但是計算構件抗力時采用梁端截面，由于抗力與效應計算截面不同，截面位置不一致，加大了梁端截面配筋數量，導致“強柱弱梁”實現難度增加。再如驗算梁端裂縫寬度時，內力取值與實際截面位置不一致，也會造成梁端彎矩計算過大，裂縫寬度超過實際值，并且加大了梁端配筋，對“強柱弱梁”的實現也不利。因此，在結構設計中應正視這些因素的影響，例如考慮采用結構塑性內力重分布的方法，利用柱邊緣梁端內力設計值，在程序計算時設置梁靜跨單元，可改善“強柱弱梁”的計算結果。同樣，構件裂縫寬度驗算也可考慮這種方法。考慮梁端配筋時，應區分梁跨中截面配筋要求與梁端截面梁底配筋的概念差別，適當控制梁底鋼筋進入支座的數量。嚴格控制梁端實配鋼筋的數量，避免超配也是實現“強柱弱梁”的重要措施。

4 結語

在結構設計中，安全性是排在第一位的，但同時美觀、適用、經濟也不可或缺。結構設計的誤區是不能均衡地處理它們之間的關系，以致產生“胖柱闊梁”的設計，不僅經濟性差，美觀性也不好。因此，合理設計是非常重要的。本文對此進行了分析和討論，以供參考和借鑒。

參考文獻：

[1] 葉波明.建筑結構設計中提高安全性的幾點做法[J].赤子，2012（10）：214.

[2] 潘桂彬.淺談土木工程結構設計中的安全性與經濟性[J].建材與裝飾，2013（24）：29-30.