鋼結構設計的安全性問題淺析
——由鋼結構酒店倒塌事故引起的思考

尚劍飛

紫泉能源技術股份有限公司 江蘇南京 210016

1 背景

鋼結構工程的倒塌事故屬于結構失穩破壞，由于破壞時間短，可造成較大傷亡和經濟損失。據悉，某倒塌的酒店為鋼框架結構體系，初步估判結構用途改變，對結構進行了改造，由于結構超載導致構件失穩，造成整個結構在短時間內倒塌。

鋼結構構件主要包括由型鋼和鋼板等軋制或焊接而成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等。因鋼結構具有強度高、自重輕、各向同性好、抵抗變形能力強的特點[1]，制作安裝機械化程度高，施工進度快，廣泛用于工業廠房、多高層結構和大跨度結構等。

2 鋼結構倒塌事故原因分析

2.1 鋼結構原材料的影響

盡管鋼結構具有材料強度高，塑性韌性好，材質均勻等優勢。但是，鋼結構的性能優勢也對原材料的性能指標提出了較高的要求，鋼材應具有滿足設計要求的強度、塑性、韌性等力學性能和冷熱加工、可焊性等加工性能，以滿足建筑結構的可靠性要求。不合格鋼材的使用和鋼材性能指標的降低是造成工程事故的重要因素。

2.2 設計方面的原因

（1）結構設計方案選取不合理。多高層鋼結構根據結構的功能要求的不同分為抗重力結構體系和抗側力結構體系。通常所講的多高層建筑鋼結構根據其抗側力結構體系的特點分為框架結構體系，框架-支撐結構體系，筒體結構體系和巨型結構體系[2]。同時，工業建筑設計中常用的還有門式剛架和桁架結構體系等。進行鋼結構設計時，合理的結構體系不僅對建筑的經濟指標影響大。同時，結構方案的合理性也是充分發揮鋼材高強度優勢的必要條件，合理的傳力路徑和受力體系，可以有效減少結構的薄弱部位出現，進而達到滿足結構安全可靠的要求。（2）結構設計荷載選取不合理。結構最重要的功能就是承受其施工和使用過程中可能出現的各種環境荷載與作用。結構設計時應該充分考慮有可能出現的荷載類型和荷載取值，不得漏算荷載。對局部荷載進行等效換算時，應嚴格按照規范要求進行計算，不得隨意折減。（3）結構計算假定不符合實際工程條件。結構整體布置必須考慮整個結構體系及其各組成構件的穩定性要求。平面結構構件在平面外的穩定計算必須和結構布置相一致，側向支撐點的位置分別設在上弦或下弦時，對平面體系的穩定性會帶來截然不同的結果[3]。鋼結構設計時的計算假定必須符合構件的實際約束條件，尤其對構件計算長度系數的取值要嚴格根據桿端約束和構件實際受力進行確定。（4）結構構件構造不滿足規范要求。由于鋼材的強度高，在滿足結構構件強度和剛度計算要求的前提下，鋼構件的截面厚度往往較小，很可能造成板件局部穩定不滿足規范要求。因此，在鋼結構設計過程中，應該重視構件的長細比和板件的寬厚比、高厚比控制，強化構件的構造要求，避免出現局部失穩。

2.3 施工方面的問題

由于工程項目建設進度快，周期短，導致了在施工過程中不嚴格按照設計圖紙施工的工程問題屢屢出現，倘若在關鍵部位、關鍵節點施工時偷工減料，欺上瞞下，必將造成安全隱患。施工過程中應科學制定施工進度計劃，合理安排不同工種，不同工序的銜接。現場監理和項目管理者應嚴格按照規范制度監督和管理。

2.4 使用過程中結構安全儲備透支的問題

人們為了生產生活需要，利用已有建筑進行結構改造，改變原有建筑的使用功能成為一種流行。然而，對既有建筑的改造也是應該建立在結構檢測、評估、加固的基礎上，不得私自破壞原結構體系，擅自改變建筑使用功能。在原有結構中增設重型設備或者局部超載時，必須復核原結構的安全儲備，在未經復核的結構上任意堆載，難免會造成結構的承載能力超限，結構失穩。

3 提高鋼結構安全性的設計措施

3.1 選擇合理的結構體系

在進行鋼結構方案設計時，應根據各結構體系的受力性能確定合理的結構體系。結構的平面布置和豎向布置應盡量規則，抗側力的支撐構件宜雙向對稱均勻，剪力墻和筒體的尺寸和布置宜規則對稱，避免出現剪力滯后效應。

3.2 結構概念設計與結構計算并重

結構抗震設計包括概念設計、抗震計算和構造措施。概念設計可以彌補因地震作用復雜而造成的抗震計算不準確的不足，結構計算為結構設計提供定量保證，構造措施則為概念設計和抗震計算提供有效的安全儲備保障。以上幾個方面是相輔相成的整體，不可顧此失彼。

3.3 充分考慮結構施工和使用中的荷載形式

結構設計計算中應充分考慮建筑功能的需求，按使用荷載進行結構計算，不可遺漏或者忽略相應荷載，施工過程中的局部堆載應足夠重視，并認真核算。鑒于鋼結構本身的結構特性，其對風荷載比較敏感，計算主結構和圍護結構時，應當依據規范對不同部位的風荷載進行調整。風壓高度變化系數、風載體型系數和陣風系數的取值應按相應荷載規范正確選取。

3.4 合理運用包絡設計提高安全儲備

鋼結構設計中節點設計尤為重要，然而剛接和鉸接節點形式的選擇對計算結果影響很大，實際設計中當不能確定節點的剛接程度時，可以采用包絡設計的思想，綜合考慮最不利條件，提高結構的安全儲備。

3.5 不以降低結構安全度為前提進行結構優化和改造

隨著工程建設成本的提高，建設方為追求經濟效益最大化，往往會要求結構設計進行構件尺寸的優化，進而降低建設成本。另外，為滿足建筑使用功能的需要，不可避免的需要進行結構的改造加固，甚至是抽掉柱和梁等結構構件。不管是結構優化還是后期加固改造，必須不得以降低安全度為代價，應經過準確的荷載和計算復核，滿足規范要求方可實施。

總之，鋼結構工程的安全性是一個全過程的控制問題，從設計源頭開始嚴格按規范進行設計，對構件的構造措施提高重視。施工時，嚴格把控制作、運輸、安裝和防護環節，規范施工工法。在使用過程中，不得擅自拆改結構構件，不得過度透支結構安全儲備。