加强土木工程结构设计安全性的探讨

李嘉顺

（上海中建建筑设计院有限公司，上海 200135）

1 引言

结构设计的安全性，是确保建筑物拥有可靠性以及稳定性的重要标准。但目前大部分建筑企业的设计人员在对建筑结构进行设计时，一味地追寻经济效益，忽视了安全问题，很容易引发安全事故。而本文的研究旨在效解决这一问题，提高结构设计的安全性，保证建筑质量，使建筑物能够满足施工要求，不仅可以为用户提供良好的居住环境，还能保障用户的生命安全，推动建筑行业发展，并提高建筑行业的设计水平，使结构设计能够发挥应有的作用和价值。

2 土木工程结构设计

土木工程的结构设计主要包括两部分，分别为上部结构设计与基础设计[1]。其中，基础设计主要是根据地质勘测结果进行，并由材料供应情况、上部结构类型、施工技术水平、材料强度等级、荷载效应以及技术形式确定。一般来说基础设计分为深基础与浅基础两种。而上部结构设计主要有砌体结构、框架结构筒中筒结构，剪力墙结构框架核心筒以及框架剪力墙结构等[2]。

3 以上海某土木工程结构设计为例

3.1 项目概况

本文以上海某土木工程项目为例，该项目为住宅建筑，设计人员在对其结构进行设计时，选择5层框架结构，整个建筑的总高度在15 m，层高在3 m，建筑面积在1 250 m2。并且该建筑工程的抗震设防裂度为7度，同时抗震等级设为丙类，拥有良好的安全性。

3.2 两种方案设计对比

设计人员在对工程结构进行设计时，设计了两种方案，分别为钢结构方案与钢混结构方案[3]。

3.2.1 钢结构方案

钢结构主要是由钢制材料组成的结构，是现代建筑结构中常用的一种结果类型。整个结构主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，并采用硅烷化、纯锰磷化、水洗烘干、镀锌等除锈防锈工艺。各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。因其自重较轻，且施工简单，广泛应用于大型厂房、场馆、超高层等领域。钢结构容易锈蚀，一般钢结构要除锈、镀锌或涂料，且要定期维护。

钢结构方案中的钢柱结构为Q345钢，梁为H型钢梁，柱为箱形钢柱，如图1所示。设计人员在对框架横纵梁柱进行设计时，选择刚性连接方式将其连接在一起，由于该住宅工程属于多层建筑，因此，结构的轴力和弯矩与一般住宅不同。为了最大程度上发挥钢结构应力的价值与作用，设计人员在对各层柱结构进行设计时，可以选择多截面这种方式开展设计，以此提高结构的安全性，降低对梁的影响。并且还可以借助STS进行建模，利用建模分析获得钢结构方案各构件的参数，见表1。

图1 Q345钢

表1 钢结构方案构件参数

根据表1不难发现，钢结构设计方案能够有效满足该建筑工程对于抗震设计的要求，并且结构强度较高，能够有效发挥出钢柱强度的优势。而且该结构设计方案还能对长细比与轴压比科学、合理地进行控制。同时，在设计钢梁时，钢梁符合弹性挠度标准，能够发挥钢材的优势与作用，提高建筑工程的安全性。

不仅如此，相较于其他结构设计，钢结构不仅自重轻，而且材质相对均匀，和力学模型相吻合，可以满足结构设计对安全的需求，提高结构设计的安全性。而且钢结构设计不仅制作十分简便，施工工期短，并且拥有良好的密闭性，十分适合作为建筑结构，尤其是对于多层建筑来说，采用钢结构设计可以降低建筑工程的施工难度，控制建设成本，让整个建筑施工能够顺利进行。

除此之外，钢结构这种设计方案的空间与使用空间更大，而且使用的构件尺寸会比混凝土构件小，使建筑各楼层拥有较大的净高，为用户提供良好的居住环境。再加上钢结构方案中的钢柱尺寸相对较小，使整个建筑的楼板面积多，钢材能够提供较大的柱间距离，让住宅室内拥有较宽敞的视野，如此不仅能提高建筑的安全性，还能使建筑结构更加牢固、耐久，为用户提供良好的居住体验。

但需要注意的是，钢结构虽然具有良好的耐热性，但是耐火性极差，因此，无法有效防范火灾的发生，难以保障住宅安全。而且这种钢结构的耐腐蚀性极差，在使用过程中很容易受到锈蚀，对建筑结构质量造成影响，不仅会影响住宅的使用寿命，还容易引发安全事故的发生。同时，还需要定期对其进行养护，否则钢结构很容易出现损坏，增加建筑隐患，引发安全事故。所以，这种钢结构方案并不适用于高层住宅以及多层住宅当中，难以有效提高结构的安全性，无法保障结构安全，正因为如此，在本工程中，并不适合选择钢结构作为本建筑的施工结构。

3.2.2 钢混结构方案

所谓钢混结构是一种综合了钢结构以及钢筋混凝土结构的设计方案，结构方案的施工材料主要为型钢与钢筋混凝土，可以细分为混凝土、型钢以及钢筋。使用这种结构进行住宅建设，可以让住宅内房间的开间以及进深变得更大，让整个室内空间的分割更加自由，从而为用户提供更加优质的居住环境。通常情况下，这种钢混结构设计被广泛应用于多层以及高层住宅中，并发挥着至关重要的作用。但是，这种钢混结构的工艺相对复杂，因此，施工难度较大，造价也相对较高。

需要注意的是，钢混结构和钢筋混凝土结构是两个概念。钢筋混凝土结构是指承重的主要构件是用钢筋混凝土建造的，包括薄壳结构、大模板现浇结构及使用滑模、升板等建造的钢筋混凝土结构的建筑物。通常情况下钢筋混凝土结构分两种：（1）整体式钢筋混凝土结构。在施工现场架设模板，配置钢筋，浇捣混凝土而筑成。（2）装配式钢筋混凝土结构。用在工厂或施工现场预先制成的钢筋混凝土构件，在现场拼装而成。因此，在实际施工过程中，施工人员需要根据工程项目的具体情况科学、合理地进行选择，只有这样才能最大程度上保证结构质量，避免建筑物出现安全隐患。

在应用钢混结构设计方案时，最大柱网开间一致，并且在对梁柱结构进行设计时，以方柱作为结构框架，选择C30混凝土结构进行梁柱结构施工。另外，为了使钢混结构中的应力消除，设计人员选择多种截面的设计形式对各层柱结构进行设计。并且为了提高结构设计的安全性，设计人员通过PMCAD软件对结构进行建模，然后进行结构计算。这种结构设计方案具有良好的适应性与安全性，能够满足工程项目对结构安全的要求，保障结构质量，防止安全事故的发生。同时钢混结构方案参数见表2。

表2 钢混结构方案相关参数

此外，相较于钢结构设计方案，钢混结构方案具有整体性、可塑性、耐久性、环保性以及耐火性等特点。

首先，由于钢混结构的建筑材料为钢材以及混凝土，结构的整体性较好，拥有良好的抗爆性以及抗震性。

其次，进行混凝土浇筑时，施工人员可以结合设计图进行浇筑，十分灵活，拥有极强的可塑性。再加上和其他结构的住宅相比，这种结构设计的住宅的耐用性较好，并且使用寿命极强，不易发生粉化等情况。

再次，钢混结构还拥有良好的环保性，这是因为钢混结构施工中会使用石材以及砂石等材料，能够就地取材，还能利用矿物废渣进行施工，有效节约材料，从而起到环保的作用。

最后，部分结构为混凝土结构，内部是钢筋，因此，拥有良好的耐火性，能有效提高抗火灾能力，提高住宅的安全性。

3.2.3 总结

通过对上述两种结构设计方案的对比，得出如下结论：虽然钢混结构设计的复杂程度较高，施工难度较大，但是可以有效保证工程结构的安全性。钢结构设计方案不仅结构设计简单，强度高，满足抗震设计要求，能够有效发挥出钢柱的强度优势，但是相较于钢混结构来说，钢结构的安全性较差，因此，应选择钢混结构进行住宅设计，这样能够有效协调结构设计的经济性与安全性，使工程项目建设的经济效益得到提升。并且相较于钢混结构而言，钢结构的防火能力较差，使用钢结构对房屋建筑进行设计，存在极大的火灾风险，结构设计的安全性较低，而钢混结构则可以有效解决这一问题，使房屋建筑的防火性能得到提升，防止在施工以及后续使用中出现安全事故。尤其是该工程对防火有极高的要求，所以，钢结构设计方案无法满足该工程对安全性的要求，应将钢混结构作为该工程项目的结构设计方案。

不仅如此，通过对两种建筑结构设计方案的对比研究，有效解决了土木结构设计中存在的耐久性、安全性以及加固性等问题，使土木工程的结构设计更加科学、合理，提高结构质量，从而防止安全事故的发生。

4 结语

综上所述，要加强土木工程结构设计的安全性，需要全面考虑各种加强结构设计安全性的方法和具体情况，并且科学、合理地选择合适的方法。并以此为基础，将各种加强结构设计安全性的方法整合在一起，进而加强土木工程结构设计的安全性，提高建筑企业的经济效益。另外，还应加强钢混结构设计在建筑工程中的应用，这样可以有效提高结构设计的质量，提升建筑设计水平，确保符合相关要求，为用户提供良好的居住环境。