土木工程结构设计安全问题及策略探析

王波

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

对于土木工程结构，设计人员需要高度重视结构设计的安全性和经济性。在施工过程中，容易发生安全事故，给建筑业带来很多麻烦，保证结构的安全性和逻辑性，从建筑功能和形式上满足需要，是结构设计的主要目标。

在影响安全性的因素中，许多的因素是我们可以控制的，而环境因素是我们无法避免的，因此针对环境问题的措施需要我们单独考虑，使土木工程结构的安全性达到合理，减少安全问题。地震危险区建筑结构抗震设计的主要目标是保证人民群众的安全和物质资产的安全，抗震设计理论中的现代方法是避免在建筑中使用脆性材料，将不会导致整个结构倒塌的局部破坏视为可接受的[1]。

地震造成大量人员伤亡和财产损失。像其他自然灾害一样，这样的灾难性事件几乎是不可能预测的。今天，结构免受地震灾害的保护是一个非常重要的问题。现代抗震性能理论假定局部破坏是可接受的，不会导致建筑物整体结构的破坏。

1 土木工程结构设计安全问题分析

1.1 存在的安全问题

当前，土木工程结构设计存在的安全问题很多，建筑物严重损坏甚至完全倒塌的情况并不少见，因为它们的结构框架构件和连接的强度不足，影响因素中有主要因素，也有次要因素，有环境因素、人为因素、机械因素、施工因素、技术因素、原材料因素、设计因素等的影响。在这其中，常见的结构整体稳定性不够属于设计因素和施工因素，结构设计规范的设计值较低属于设计因素，柱子设计不合理属于设计因素，低估环境因素对结构耐久性的影响属于人为因素。解决这些问题的需要我们从小处着手，从源头抓起，如改进我国的建筑规范及标准、采购符合标准的原材料、施工时进行合理的监管以及验收时仔细验收等。

在这些存在的问题中，许多的因素是我们可以控制的，而环境因素是我们无法避免的，因此针对环境问题的措施需要我们单独考虑，以减少安全问题。本文以抗震为例。

1.2 抗震设防措施

要实现土木工程结构的安全性，结构的抗震性就要合理。抗震工程专家认为，地基-地基界面的主动抗震是提高结构抗震性能的真正源泉。这种方法依赖于建筑物在水平方向上的位移能力，这种体系的缺点是钢筋混凝土结构在竖向荷载作用下会产生显著的局部应力，需要额外的钢筋来承受。采用建筑复合材料钢纤维混凝土可以提高结构的承载能力和可靠性，避免过度配筋，简化施工工艺。

在承受反复荷载的结构中，最脆弱的构件是梁—柱、柱—柱的节点。钢筋混凝土框架梁柱节点的荷载试验表明，节点正常工作的主要的要求是限制混凝土的侧向位移，特别是在反复荷载作用下。如果不满足这样的要求，混凝土在弯矩作用下就会断裂，这比不考虑这一因素时计算的弯矩要小得多。较少的载荷循环足以将接头的承载能力降低到几乎为零。此外，即使相对较小的应力也会形成大的倾斜裂纹，为了提高其强度和耐久性，节点可以采用水平焊接钢丝网或带竖筋的箍筋进行加固。

1.3 钢筋混凝土框架结构

钢筋混凝土框架结构建筑在世界各地的地震危险地区得到了广泛的建造。它们的特点是灵活、长周期的自然振荡、大量的塑料储备、易于获得的框架材料。近几次地震的记录表明，钢筋混凝土框架或支撑框架结构具有较高的抗强烈地震冲击能力。结构中最脆弱的构件是节点和结构连接，抗震结构设计和施工的特殊性在于需要考虑的因素很多，这些因素影响着建筑物在地震作用下的运行可靠性和稳定性。框架结构的柱与柱之间的连接应该是刚性的，因为它们是为了承受地震作用下水平荷载引起的弯矩[2]。节点设计包括每根柱端的钢靴，有两种版本：带加强板或不带加强板，加强板连接的设计包括横截面面积比配对柱中钢筋的横截面面积大25%的钢筋，如图1（a）所示，当接头轴向压缩时，使用没有加强板的接头，如图1（b）所示。

图1 柱节点

与刚性框架节点相邻的部分梁、柱需要根据计算放置闭合箍筋进行横向加固，但不少于每100mm 一个箍筋。框架节点及相邻区域的缺陷会导致结构破坏，甚至导致建筑物倒塌。影响结构在地震作用下行为的最重要因素是梁柱节点，隐藏式梁柱节点在民用框架结构建筑中较为常见，其在室内空间设计上比敞开式节点更具美感。梁与柱的连接是通过焊接突出的钢筋并进行进一步的灌浆来完成的。节点具有用于形成混凝土的波纹配合表面，以及形成梁和柱中间距紧密的横向钢筋的作用。

钢筋混凝土框架结构梁柱节点配筋率高，可以在节点设计中充分利用钢构件。因此，人们可以利用钢的塑性变形能力。然而，由于经济上的考虑和防腐的需要，这种解决方案的使用受到限制。由于混凝土的脆性，现有的钢筋混凝土被动抗震构件不能完全抵抗地震作用。需要使用高变形能力的延性材料，其中之一就是已经提到的现代结构复合材料，即钢纤维混凝土。采用此种办法，反抗震性能可以在原本结构的基础上提高17%。

1.4 重视土木工程结构设计的安全性

为了充分反映土木工程结构的特点和功能，设计师在结构设计过程中应该重视安全性和成本，可大大减少人力和财政资源的损失。这对建筑业来说是至关重要的。首先要加强结构设计安全的重要性，土木工程的安全是其质量的保证，为了保证其质量，有必要对设计单位的选择进行综合考虑。承包人应当在多年经验和高质量实践的基础上，安全有效地建立土木工程项目。其次要加强对结构设计经济性重视。随着社会的不断进步，公路桥和公路工程的建设极大地消耗了我国的财政资源，它对中国经济的发展有着巨大的影响。因此，设计单位应不断提高自身的专业水平，设计师应该改进计划，减少成本支出。

2 土木工程结构设计策略分析

2.1 折叠式钢板楼梯设计

在与普通的梁板结构钢楼梯相比，折叠式钢板楼梯具有细节简洁、造型轻巧等优点，体现了现代建筑的简洁性。

图2 显示了一栋别墅中的一段楼梯，该楼梯由钢板以折叠形式焊接而成。从这种楼梯结构的外观可以发现以下问题：①折叠钢板楼梯是一种特殊的空间结构。由于楼梯台阶尺寸的限制和钢材力学性能的限制，有效结构高度较小，结构刚度较弱，在使用过程中容易产生过大的振动或变形幅度较大的问题；②楼梯采用较厚的钢板焊接，钢板与楼梯成90°接触。因此，楼梯的安全性取决于接头的可靠性和焊接残余应力的大小；③建筑物的主体结构一般为砌体结构或混凝土结构。钢楼梯与主建筑结构之间保持较强的连接对结构至关重要。

针对以上三个问题，对普通的梁板结构进行改进。首先，采用折叠式钢板楼梯，不但能使其具有细节简洁、造型轻巧的优点，而且能体现现代建筑的简洁性；其次，采用高强度复合合金材料制作折叠式楼梯，以解决钢材力学性能差，有效结构高度较小，结构刚度较弱，在使用过程中容易产生过大的振动或变形幅度较大的问题；最后，焊接钢板是采用现代先进的焊接技术，使焊接处的质量水平和强度提高，降低出现若缝连接处的概率，延长使用寿命；最后从安全、舒适、美观、经济的原则出发，主体结构与梁板结构间的连接要选择匹配度最高的，以减少连接处的缺陷，增强耐久性。

图2 普通的梁板结构

2.2 设计理论

由于折板楼梯的结构特殊性，需要对其进行静力分析和动力性能分析，以判断结构的安全性和舒适性。显然，传统的简化分析方法不能得到理想的结果，机械学方程不仅可以分析结构的位移、应力、应变等静载荷响应，还可以得到结构的固有频率和振型等动力特性[3]。将结构视为仅在节点内连接的有限单元的连接。根据单元的几何特征、荷载和所需变形，建立各种单元的计算模型，然后根据质量和精度，写出单元任意点的位移函数，根据位移函数计算其使用效果，研究表明，折叠式钢板楼梯比普通的梁板结构的薄弱接口少很多，使用时的耐久性强很多。

3 结束语

在工程建设过程中，工程的安全性和经济性是非常重要的。在土木工程中应合理处理安全事故、降低工程造价，对整个具有至关重要的作用。解决安全问题的需要我们从小处着手，从源头抓起，如改进我国的建筑规范及标准、采购符合标准的原材料、施工时进行合理的监管以及验收时仔细验收等。

要实现土木工程结构的安全性，结构的抗震性就要合理，可以采用钢纤维混凝土，钢纤维混凝土在结构构件及其连接中的应用研究成果，可以提高在地震危险情况下建造的民用建筑的使用性能和延长其预期寿命。而不会增加成本和任何额外的人力。这种方法为民用建筑项目取得优于现有项目的技术和经济性能开辟了道路。