王波

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員需要高度重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在施工過(guò)程中，容易發(fā)生安全事故，給建筑業(yè)帶來(lái)很多麻煩，保證結(jié)構(gòu)的安全性和邏輯性，從建筑功能和形式上滿足需要，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

在影響安全性的因素中，許多的因素是我們可以控制的，而環(huán)境因素是我們無(wú)法避免的，因此針對(duì)環(huán)境問(wèn)題的措施需要我們單獨(dú)考慮，使土木工程結(jié)構(gòu)的安全性達(dá)到合理，減少安全問(wèn)題。地震危險(xiǎn)區(qū)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是保證人民群眾的安全和物質(zhì)資產(chǎn)的安全，抗震設(shè)計(jì)理論中的現(xiàn)代方法是避免在建筑中使用脆性材料，將不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌的局部破壞視為可接受的[1]。

地震造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。像其他自然災(zāi)害一樣，這樣的災(zāi)難性事件幾乎是不可能預(yù)測(cè)的。今天，結(jié)構(gòu)免受地震災(zāi)害的保護(hù)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題?，F(xiàn)代抗震性能理論假定局部破壞是可接受的，不會(huì)導(dǎo)致建筑物整體結(jié)構(gòu)的破壞。

1 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全問(wèn)題分析

1.1 存在的安全問(wèn)題

當(dāng)前，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的安全問(wèn)題很多，建筑物嚴(yán)重?fù)p壞甚至完全倒塌的情況并不少見(jiàn)，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)框架構(gòu)件和連接的強(qiáng)度不足，影響因素中有主要因素，也有次要因素，有環(huán)境因素、人為因素、機(jī)械因素、施工因素、技術(shù)因素、原材料因素、設(shè)計(jì)因素等的影響。在這其中，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性不夠?qū)儆谠O(shè)計(jì)因素和施工因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)值較低屬于設(shè)計(jì)因素，柱子設(shè)計(jì)不合理屬于設(shè)計(jì)因素，低估環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響屬于人為因素。解決這些問(wèn)題的需要我們從小處著手，從源頭抓起，如改進(jìn)我國(guó)的建筑規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)、采購(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)的原材料、施工時(shí)進(jìn)行合理的監(jiān)管以及驗(yàn)收時(shí)仔細(xì)驗(yàn)收等。

在這些存在的問(wèn)題中，許多的因素是我們可以控制的，而環(huán)境因素是我們無(wú)法避免的，因此針對(duì)環(huán)境問(wèn)題的措施需要我們單獨(dú)考慮，以減少安全問(wèn)題。本文以抗震為例。

1.2 抗震設(shè)防措施

要實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的安全性，結(jié)構(gòu)的抗震性就要合理?？拐鸸こ虒＜艺J(rèn)為，地基-地基界面的主動(dòng)抗震是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的真正源泉。這種方法依賴于建筑物在水平方向上的位移能力，這種體系的缺點(diǎn)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下會(huì)產(chǎn)生顯著的局部應(yīng)力，需要額外的鋼筋來(lái)承受。采用建筑復(fù)合材料鋼纖維混凝土可以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和可靠性，避免過(guò)度配筋，簡(jiǎn)化施工工藝。

在承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)中，最脆弱的構(gòu)件是梁—柱、柱—柱的節(jié)點(diǎn)。鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)的荷載試驗(yàn)表明，節(jié)點(diǎn)正常工作的主要的要求是限制混凝土的側(cè)向位移，特別是在反復(fù)荷載作用下。如果不滿足這樣的要求，混凝土在彎矩作用下就會(huì)斷裂，這比不考慮這一因素時(shí)計(jì)算的彎矩要小得多。較少的載荷循環(huán)足以將接頭的承載能力降低到幾乎為零。此外，即使相對(duì)較小的應(yīng)力也會(huì)形成大的傾斜裂紋，為了提高其強(qiáng)度和耐久性，節(jié)點(diǎn)可以采用水平焊接鋼絲網(wǎng)或帶豎筋的箍筋進(jìn)行加固。

1.3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑在世界各地的地震危險(xiǎn)地區(qū)得到了廣泛的建造。它們的特點(diǎn)是靈活、長(zhǎng)周期的自然振蕩、大量的塑料儲(chǔ)備、易于獲得的框架材料。近幾次地震的記錄表明，鋼筋混凝土框架或支撐框架結(jié)構(gòu)具有較高的抗強(qiáng)烈地震沖擊能力。結(jié)構(gòu)中最脆弱的構(gòu)件是節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)連接，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的特殊性在于需要考慮的因素很多，這些因素影響著建筑物在地震作用下的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的柱與柱之間的連接應(yīng)該是剛性的，因?yàn)樗鼈兪菫榱顺惺艿卣鹱饔孟滤胶奢d引起的彎矩[2]。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括每根柱端的鋼靴，有兩種版本：帶加強(qiáng)板或不帶加強(qiáng)板，加強(qiáng)板連接的設(shè)計(jì)包括橫截面面積比配對(duì)柱中鋼筋的橫截面面積大25%的鋼筋，如圖1（a）所示，當(dāng)接頭軸向壓縮時(shí)，使用沒(méi)有加強(qiáng)板的接頭，如圖1（b）所示。

圖1 柱節(jié)點(diǎn)

與剛性框架節(jié)點(diǎn)相鄰的部分梁、柱需要根據(jù)計(jì)算放置閉合箍筋進(jìn)行橫向加固，但不少于每100mm 一個(gè)箍筋?？蚣芄?jié)點(diǎn)及相鄰區(qū)域的缺陷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，甚至導(dǎo)致建筑物倒塌。影響結(jié)構(gòu)在地震作用下行為的最重要因素是梁柱節(jié)點(diǎn)，隱藏式梁柱節(jié)點(diǎn)在民用框架結(jié)構(gòu)建筑中較為常見(jiàn)，其在室內(nèi)空間設(shè)計(jì)上比敞開(kāi)式節(jié)點(diǎn)更具美感。梁與柱的連接是通過(guò)焊接突出的鋼筋并進(jìn)行進(jìn)一步的灌漿來(lái)完成的。節(jié)點(diǎn)具有用于形成混凝土的波紋配合表面，以及形成梁和柱中間距緊密的橫向鋼筋的作用。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)配筋率高，可以在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中充分利用鋼構(gòu)件。因此，人們可以利用鋼的塑性變形能力。然而，由于經(jīng)濟(jì)上的考慮和防腐的需要，這種解決方案的使用受到限制。由于混凝土的脆性，現(xiàn)有的鋼筋混凝土被動(dòng)抗震構(gòu)件不能完全抵抗地震作用。需要使用高變形能力的延性材料，其中之一就是已經(jīng)提到的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，即鋼纖維混凝土。采用此種辦法，反抗震性能可以在原本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高17%。

1.4 重視土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性

為了充分反映土木工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和功能，設(shè)計(jì)師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該重視安全性和成本，可大大減少人力和財(cái)政資源的損失。這對(duì)建筑業(yè)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。首先要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全的重要性，土木工程的安全是其質(zhì)量的保證，為了保證其質(zhì)量，有必要對(duì)設(shè)計(jì)單位的選擇進(jìn)行綜合考慮。承包人應(yīng)當(dāng)在多年經(jīng)驗(yàn)和高質(zhì)量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，安全有效地建立土木工程項(xiàng)目。其次要加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性重視。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，公路橋和公路工程的建設(shè)極大地消耗了我國(guó)的財(cái)政資源，它對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著巨大的影響。因此，設(shè)計(jì)單位應(yīng)不斷提高自身的專業(yè)水平，設(shè)計(jì)師應(yīng)該改進(jìn)計(jì)劃，減少成本支出。

2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略分析

2.1 折疊式鋼板樓梯設(shè)計(jì)

在與普通的梁板結(jié)構(gòu)鋼樓梯相比，折疊式鋼板樓梯具有細(xì)節(jié)簡(jiǎn)潔、造型輕巧等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了現(xiàn)代建筑的簡(jiǎn)潔性。

圖2 顯示了一棟別墅中的一段樓梯，該樓梯由鋼板以折疊形式焊接而成。從這種樓梯結(jié)構(gòu)的外觀可以發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：①折疊鋼板樓梯是一種特殊的空間結(jié)構(gòu)。由于樓梯臺(tái)階尺寸的限制和鋼材力學(xué)性能的限制，有效結(jié)構(gòu)高度較小，結(jié)構(gòu)剛度較弱，在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)或變形幅度較大的問(wèn)題；②樓梯采用較厚的鋼板焊接，鋼板與樓梯成90°接觸。因此，樓梯的安全性取決于接頭的可靠性和焊接殘余應(yīng)力的大??；③建筑物的主體結(jié)構(gòu)一般為砌體結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)。鋼樓梯與主建筑結(jié)構(gòu)之間保持較強(qiáng)的連接對(duì)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

針對(duì)以上三個(gè)問(wèn)題，對(duì)普通的梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。首先，采用折疊式鋼板樓梯，不但能使其具有細(xì)節(jié)簡(jiǎn)潔、造型輕巧的優(yōu)點(diǎn)，而且能體現(xiàn)現(xiàn)代建筑的簡(jiǎn)潔性；其次，采用高強(qiáng)度復(fù)合合金材料制作折疊式樓梯，以解決鋼材力學(xué)性能差，有效結(jié)構(gòu)高度較小，結(jié)構(gòu)剛度較弱，在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)或變形幅度較大的問(wèn)題；最后，焊接鋼板是采用現(xiàn)代先進(jìn)的焊接技術(shù)，使焊接處的質(zhì)量水平和強(qiáng)度提高，降低出現(xiàn)若縫連接處的概率，延長(zhǎng)使用壽命；最后從安全、舒適、美觀、經(jīng)濟(jì)的原則出發(fā)，主體結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)間的連接要選擇匹配度最高的，以減少連接處的缺陷，增強(qiáng)耐久性。

圖2 普通的梁板結(jié)構(gòu)

2.2 設(shè)計(jì)理論

由于折板樓梯的結(jié)構(gòu)特殊性，需要對(duì)其進(jìn)行靜力分析和動(dòng)力性能分析，以判斷結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。顯然，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化分析方法不能得到理想的結(jié)果，機(jī)械學(xué)方程不僅可以分析結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等靜載荷響應(yīng)，還可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等動(dòng)力特性[3]。將結(jié)構(gòu)視為僅在節(jié)點(diǎn)內(nèi)連接的有限單元的連接。根據(jù)單元的幾何特征、荷載和所需變形，建立各種單元的計(jì)算模型，然后根據(jù)質(zhì)量和精度，寫(xiě)出單元任意點(diǎn)的位移函數(shù)，根據(jù)位移函數(shù)計(jì)算其使用效果，研究表明，折疊式鋼板樓梯比普通的梁板結(jié)構(gòu)的薄弱接口少很多，使用時(shí)的耐久性強(qiáng)很多。

3 結(jié)束語(yǔ)

在工程建設(shè)過(guò)程中，工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性是非常重要的。在土木工程中應(yīng)合理處理安全事故、降低工程造價(jià)，對(duì)整個(gè)具有至關(guān)重要的作用。解決安全問(wèn)題的需要我們從小處著手，從源頭抓起，如改進(jìn)我國(guó)的建筑規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)、采購(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)的原材料、施工時(shí)進(jìn)行合理的監(jiān)管以及驗(yàn)收時(shí)仔細(xì)驗(yàn)收等。

要實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的安全性，結(jié)構(gòu)的抗震性就要合理，可以采用鋼纖維混凝土，鋼纖維混凝土在結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接中的應(yīng)用研究成果，可以提高在地震危險(xiǎn)情況下建造的民用建筑的使用性能和延長(zhǎng)其預(yù)期壽命。而不會(huì)增加成本和任何額外的人力。這種方法為民用建筑項(xiàng)目取得優(yōu)于現(xiàn)有項(xiàng)目的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能開(kāi)辟了道路。