钢结构设计的安全性问题浅析——由钢结构酒店倒塌事故引起的思考

尚剑飞

紫泉能源技术股份有限公司 江苏南京 210016

1 背景

钢结构工程的倒塌事故属于结构失稳破坏，由于破坏时间短，可造成较大伤亡和经济损失。据悉，某倒塌的酒店为钢框架结构体系，初步估判结构用途改变，对结构进行了改造，由于结构超载导致构件失稳，造成整个结构在短时间内倒塌。

钢结构构件主要包括由型钢和钢板等轧制或焊接而成的钢梁、钢柱、钢桁架等。因钢结构具有强度高、自重轻、各向同性好、抵抗变形能力强的特点[1]，制作安装机械化程度高，施工进度快，广泛用于工业厂房、多高层结构和大跨度结构等。

2 钢结构倒塌事故原因分析

2.1 钢结构原材料的影响

尽管钢结构具有材料强度高，塑性韧性好，材质均匀等优势。但是，钢结构的性能优势也对原材料的性能指标提出了较高的要求，钢材应具有满足设计要求的强度、塑性、韧性等力学性能和冷热加工、可焊性等加工性能，以满足建筑结构的可靠性要求。不合格钢材的使用和钢材性能指标的降低是造成工程事故的重要因素。

2.2 设计方面的原因

（1）结构设计方案选取不合理。多高层钢结构根据结构的功能要求的不同分为抗重力结构体系和抗侧力结构体系。通常所讲的多高层建筑钢结构根据其抗侧力结构体系的特点分为框架结构体系，框架-支撑结构体系，筒体结构体系和巨型结构体系[2]。同时，工业建筑设计中常用的还有门式刚架和桁架结构体系等。进行钢结构设计时，合理的结构体系不仅对建筑的经济指标影响大。同时，结构方案的合理性也是充分发挥钢材高强度优势的必要条件，合理的传力路径和受力体系，可以有效减少结构的薄弱部位出现，进而达到满足结构安全可靠的要求。（2）结构设计荷载选取不合理。结构最重要的功能就是承受其施工和使用过程中可能出现的各种环境荷载与作用。结构设计时应该充分考虑有可能出现的荷载类型和荷载取值，不得漏算荷载。对局部荷载进行等效换算时，应严格按照规范要求进行计算，不得随意折减。（3）结构计算假定不符合实际工程条件。结构整体布置必须考虑整个结构体系及其各组成构件的稳定性要求。平面结构构件在平面外的稳定计算必须和结构布置相一致，侧向支撑点的位置分别设在上弦或下弦时，对平面体系的稳定性会带来截然不同的结果[3]。钢结构设计时的计算假定必须符合构件的实际约束条件，尤其对构件计算长度系数的取值要严格根据杆端约束和构件实际受力进行确定。（4）结构构件构造不满足规范要求。由于钢材的强度高，在满足结构构件强度和刚度计算要求的前提下，钢构件的截面厚度往往较小，很可能造成板件局部稳定不满足规范要求。因此，在钢结构设计过程中，应该重视构件的长细比和板件的宽厚比、高厚比控制，强化构件的构造要求，避免出现局部失稳。

2.3 施工方面的问题

由于工程项目建设进度快，周期短，导致了在施工过程中不严格按照设计图纸施工的工程问题屡屡出现，倘若在关键部位、关键节点施工时偷工减料，欺上瞒下，必将造成安全隐患。施工过程中应科学制定施工进度计划，合理安排不同工种，不同工序的衔接。现场监理和项目管理者应严格按照规范制度监督和管理。

2.4 使用过程中结构安全储备透支的问题

人们为了生产生活需要，利用已有建筑进行结构改造，改变原有建筑的使用功能成为一种流行。然而，对既有建筑的改造也是应该建立在结构检测、评估、加固的基础上，不得私自破坏原结构体系，擅自改变建筑使用功能。在原有结构中增设重型设备或者局部超载时，必须复核原结构的安全储备，在未经复核的结构上任意堆载，难免会造成结构的承载能力超限，结构失稳。

3 提高钢结构安全性的设计措施

3.1 选择合理的结构体系

在进行钢结构方案设计时，应根据各结构体系的受力性能确定合理的结构体系。结构的平面布置和竖向布置应尽量规则，抗侧力的支撑构件宜双向对称均匀，剪力墙和筒体的尺寸和布置宜规则对称，避免出现剪力滞后效应。

3.2 结构概念设计与结构计算并重

结构抗震设计包括概念设计、抗震计算和构造措施。概念设计可以弥补因地震作用复杂而造成的抗震计算不准确的不足，结构计算为结构设计提供定量保证，构造措施则为概念设计和抗震计算提供有效的安全储备保障。以上几个方面是相辅相成的整体，不可顾此失彼。

3.3 充分考虑结构施工和使用中的荷载形式

结构设计计算中应充分考虑建筑功能的需求，按使用荷载进行结构计算，不可遗漏或者忽略相应荷载，施工过程中的局部堆载应足够重视，并认真核算。鉴于钢结构本身的结构特性，其对风荷载比较敏感，计算主结构和围护结构时，应当依据规范对不同部位的风荷载进行调整。风压高度变化系数、风载体型系数和阵风系数的取值应按相应荷载规范正确选取。

3.4 合理运用包络设计提高安全储备

钢结构设计中节点设计尤为重要，然而刚接和铰接节点形式的选择对计算结果影响很大，实际设计中当不能确定节点的刚接程度时，可以采用包络设计的思想，综合考虑最不利条件，提高结构的安全储备。

3.5 不以降低结构安全度为前提进行结构优化和改造

随着工程建设成本的提高，建设方为追求经济效益最大化，往往会要求结构设计进行构件尺寸的优化，进而降低建设成本。另外，为满足建筑使用功能的需要，不可避免的需要进行结构的改造加固，甚至是抽掉柱和梁等结构构件。不管是结构优化还是后期加固改造，必须不得以降低安全度为代价，应经过准确的荷载和计算复核，满足规范要求方可实施。

总之，钢结构工程的安全性是一个全过程的控制问题，从设计源头开始严格按规范进行设计，对构件的构造措施提高重视。施工时，严格把控制作、运输、安装和防护环节，规范施工工法。在使用过程中，不得擅自拆改结构构件，不得过度透支结构安全储备。