浅议结构工程师应重视的几个问题

陈燕华董文军

（石河子大学石河子832003）（新华筑建筑设计有限公司石河子832003）

摘要：就应引起结构工程师重视的几个问题：对工程材料性能的认识、工程设计的风险性和确定性、土木工程概念设计等进行了探讨，可供设计者参考。

关键词：结构工程师材料性能风险性确定性概念设计

ELEM ENTARY I NTRODUCT I ON TO SEVERAL PROBLEM S T AT M ER IT

ATTENT I ON BY STRUCTURAL ENG I NEER

Chen Y anhua

（S h i hezi U n ivers it y S h i hezi832003）

D on g W en j un

（X i nhuazhu A rch itectural D es i g n C o.，L td S h i hezi832003）

Abstr t：T he p a p er d iscuss ions several p rob le m s wh ich lead structural en g i neer to p a y attention，such as reco g n ition o f p ro p erties o f m aterials，risk and defi n itude o f en g i neeri n g des i g n，conce p t des i g n o f civil en g i neeri n g etc.T h is p rovi des ref erence f or des i g ners.

y words：structural en g i neer p ro p erties o f m aterials risk defi n itude conce p t des i g n

作为一个结构工程师需要掌握的知识很多，比如力学知识、材料知识、先进的计算手段等。笔者认为，要成为一个合格的结构工程师，除了熟练掌握上述知识以外，还应有几个必须重视的问题。

1对材料性能的认识问题

材料是工程的基础。不同材料有不同的设计理论、方法以及不同的施工方法；设计和施工方法必须跟随材料的变化或更新而变化或更新。任何材料和技术都会有利有弊，有得有失。工程中的主要问题是如何处理使用材料时所遇到的各种相互矛盾的因素，取利弃弊。进而创造条件化弊为利。混凝土是一种最常用的结构材料，与结构的安全性和耐久性密切相关。混凝土是一种能用简单技术制作的复杂体系，用于处在环境复杂条件下的结构，绝不仅仅是通过计算就能保证承载安全的，一旦丧失耐久性，就会危害结构的安全，而结构的耐久性主要就涉及混凝土材料，不能脱离耐久性考虑混凝土结构的安全性。因此，结构设计人员应当具备这样的复杂体系的知识，并不断更新。

1.1对材料要一分为二的看待，不能只盯着强度

要充分发挥材料的各种潜能，趋利避害。比如在“利废”方面，燃煤电厂排出的粉煤灰，长期以来作为废品处理，不论设场堆放或排入江河都有后患。现在在拌制混凝土（或制造水泥）时用来替代部分水泥，不仅节约水泥（或熟料），而且找到了粉煤灰大量利用的出路。新型墙体材料中就有利用粉煤灰生产的蒸压粉煤灰砖及高掺量粉煤灰烧结砖。

第一作者：陈燕华女1957年2月出生副教授国家一级注册结构工程师

收稿日期：2006-03-21

再举一个氧化镁混凝土的例子。水泥或混凝土中含有氧化镁成分，在凝固后会产生体积膨胀，使混凝土开裂甚至解体，属于不稳定因素，所以有关规范中视其为有害成分，对其含量有严格限制。然而，氧化镁使混凝土体积膨胀的作用，正可抵消或补偿混凝土浇筑后由于温度下降以及自身体积变形导致的收缩，而后者正是混凝土建筑物特别是大体积结构断裂的重要原因。合适地在混凝土中加入氧化镁就可以化害为利，问题是要确切掌握它的变化机制并能严格地加以控制。值得作为例子的是：在一座国际招标施工的大水电站上，由于各种原因，施工进度严重滞后，已被世界银行认为是无可救药的工程。

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I ndustrial C onstruction V o l.36，S u pp le m ent，2006工业建筑2006年第36卷增刊

要抢回工期，只能在酷暑季节大规模高速度浇筑基础混凝土，而这正是工程界之大忌。经反复研究后决策在混凝土中掺加氧化镁来解决开裂顽症，结果奇迹般地挽回了工期，大坝至今运行正常［1］。!"#取长补短，使不同性能的材料结合在一起，更好地发挥材料的协同作用

我们从结构构件的发展过程来看协同工作原理的应用。混凝土结构从最初的素混凝土结构到钢筋混凝土结构再到预应力混凝土结构及钢管混凝土结构的发展过程就是最好的见证。有学者曾经说过，钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起，并让他们自行地共同工作。预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起，更好的发挥两种材料的协同作用。目前广泛使用的钢-混凝土组合构件也是钢结构与混凝土结构互相取长补短协同工作的一种新型结构形式。尤其是钢管混凝土，更将这两种材料能动地结合起来，实现了结构材料的又一次革命。钢管混凝土借助钢管对核心混凝土的约束，使钢管混凝土结构具备了高刚度、高抗力和更大的变性能力，而填充混凝土则可以减少钢管的局部屈服变形，防止随之而来的钢管抗力下降，且因混凝土充满整个钢管，不易出现一般混凝土和钢筋混凝土结构中发生的混凝土开裂、脱落现象，依靠套箍作用提高了混凝土的抗压强度。同时，核心混凝土又对钢管壁的稳定提供了有效可靠的支撑，从而使钢管混凝土的极限承载力远大于钢管和混凝土两者的承载力之和，约为两者之和的1.7!2.0倍，其极限变形能力是普通钢筋混凝土的几倍甚至几十倍［2］。深圳某广场大厦，柱的最大轴压达9000k N，若采用钢筋混凝土柱，则柱截面为2200mm X 2400mm（C60混凝土）。若采用钢管混凝土，截面为"1600mm，钢管壁厚28mm，材料为@345钢材和C60混凝土。柱截面可减少一半以上。增加了使用面积将近3000m2。同时，钢管混凝土结构可以从某种程度上解决长期存在的“胖柱”问题［3］。钢管混凝土的应用有力地证明了不同性能的材料协同工作、取长补短的设计思想具有深刻的理论意义及实用价值，也为结构的创造指明了方向。

!"$大力发展绿色建材

绿色建材是指采用清洁生产技术、少用天然资源和能源、大量使用工业或城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料。绿色建材可满足现代人的需要，安居乐业，健康长寿，又不损害后代人对环境、资源

的更大需求。作为建筑材料而言，在生产、使用过程中，一方面消耗大量的能源，产生大量的粉尘和有害气体，污染大气和环境，另一方面，使用中会挥发出有害气体，对长期居住的人来说，会对健康产生影响。我国每年产生各类工业固体废物1亿t以上，累计堆存量已达几十亿吨，不仅占用了大量土地，其中所含的有害物质严重污染着周围的土壤、水体和大气环境。

推进墙体材料革新和推广节能建筑是基本国策也是绿色建筑材料的内容。推进墙体材料革新和推广节能建筑是改善建筑功能、提高资源利用效率和保护环境的重要措施。采用优质新型墙体材料建造房屋，建筑功能将得到有效改善，舒适度显著上升，可以提高建筑的质量和居住条件，满足经济社会发展和人民生活水平提高的需要。加快发展以煤矸石、粉煤灰、建筑渣土、冶金和化工废渣等固体废物为原料的新型墙体材料，是提高资源利用率、改善环境、促进绿色建材工业发展的重要途径，不但关系到建材工业目前的发展问题，还关系到国计民生能否可持续发展的大事。鼓励和倡导生产、使用绿色建材，对保护环境，改善人民的居住质量，作到可持续的经济发展是至关重要的。

#正确认识风险性和确定性

很多年轻的工程师们总把工程设计工作看作是个“确定性”的问题。他们掌握现代化科技知识和手段，能进行复杂的分析、计算、试验，熟悉规程、规范和标准。但他们忽视了一点：许多基础性的资料、参数、假定、方法等都有相当的任意性，规范条文也只是已往经验的总结，规范条文也是随着技术的进步而逐步改变的，不存在绝对的正确性。

在20世纪40年代以前，人们在工程结构设计时，把设计参数都看成是不变的数值，实际上工程结构设计中存在各种不确定的因素。其中主要有两种不确定性，一是随机性，由偶然因素引起的；二是模糊性，主要由于边界的不清晰引起的。例如，在设计一座水坝时，我们无法查清地基中的一切情况，无法完全掌握材料的特性和反应，更无法预知建成后会遭遇什么样的洪水、会诱发多强烈的地震。举个例子，我们现在能在理论上对结构在地震时的反应计算得很精确，连缝的开合等情况也可考虑，但这一切结果都取决于所给的地震动过程，而这恰恰是不可知的。我们只能假设很多条过程线来做研究。在结构设计中，一定程度上还得依靠过去的经验和工程师的判断。所以，基于现代科学理论，通过现代手段

443工业建筑2006年第36卷增刊

分析试验，能满足规程和规范要求的设计在法理上是站得住的，但任何设计师都不能说他的设计没有风险。由于不确定性是工程结构设计、施工和使用中存在的客观事实，故必须引起设计者的高度重视。

目前现实结构工程的设计中，“确定论”的影响大了一些，这也许与学校教育有关，老师总是要学生求出一个确定的答案。有些领导还经常要求专家们下简单的结论，例如，“在这个地方建这个规模的工程有没有问题”，有的专家们也敢于做出肯定的答案：“没问题。”对这样的问答，我们应该有所怀疑。随着科技发展和经济实力增强，不计风险与投入，也许是可行的，反过来说，不附加任何约束条件地加以肯定也太简单了些。我们必须清楚的认识到，我们对自然界的认识还远远没有达到什么问题都搞清楚的程度，因此我们应该有风险意识。事实上，不存在没有风险的设计或工程，只是风险性有高低，工程失事的后果有大小而已，这就要求设计者做全面衡量。

!重视概念设计

由于影响结构设计的因素很多，就目前的技术水平还不能完全通过计算来解决所有问题，还必须根据结构设计基本理论及长期结构设计经验总结的基本概念，用符合工程客观规律和本质的方法，综合考虑各方面因素，确定合理的分析、处理方法对设计的对象做宏观的控制。这就是所谓的概念设计。概念设计不仅可以保证正确的设计原则，还可以通过它来解决设计中出现的问题，提高设计水平。下面仅就概念设计在建筑抗震设计中的应用进行讨论。

建筑抗震概念设计是广大科技人员通过对大量建筑地震震害实例进行分析，归纳总结出来的实践经验。建筑抗震概念设计在抗震设防区的建筑抗震设计中是非常重要的，贯穿于抗震设计的各个环节，大多数结构是用抗震概念设计与抗震构造措施共同来保证抗震设防的三水准目标（即大震不倒）。因此可以说，未经抗震概念设计的结构不能称其为抗震结构。地震灾害实践表明：缺乏抗震概念设计的房屋，在场地环境等条件相同的情况下，其破坏程度往往较满足抗震概念设计的房屋重得多。建筑抗震概念设计主要有以下几方面的内容。

!"#房屋平立面规则性要求［4］

规则建筑的结构体形简单，结构抗侧力构件的刚度和承载力在平面内规则、对称，在竖向则上下连续且均匀，即在平面、竖向和抗侧力体系上没有明显的和实质上的不连续变化。

规则与不规则是相对而言的，不能要求建筑师

将房屋都设计成绝对规则的方格子形状，因此抗震规范使用了不规则、特别不规则和严重不规则三个不同程度的用词。对结构工程师来说，体型规则的结构受力简单、明确，容易判断其地震时的反应，便于采取抗震构造措施和进行细部处理。而体形复杂、特别或严重不规则的结构则受力复杂，结构分析难度大，易造成较多的抗震薄弱部位，在抗震措施处理上难免顾此失彼而留下破坏隐患。如丽江地震中在转角处设有圆弧墙的房屋，所有圆弧墙均遭受严重破坏，原因是角部圆弧墙刚度相对较大（平面内刚度突变），在水平地震作用下吸收了较大地震力造成剪扭破坏。这种破坏现象也出现在新疆伽师地震中，又如平面L形房屋易在转角处破坏。

!"$抗震结构体系要求

抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题，结构体系的确定受震级大小、震中远近、场地好坏以及建筑材料、施工条件、经济条件等诸多因素影响，是一个综合的技术经济问题，须进行周密考虑确定。合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的。结构过刚则变形能力差，当强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损，甚至全部毁坏；而过柔的结构虽可很好地消减外力，但容易造成变形过大而无法使用，甚至全部倾覆。刚是立足之本，结构必须要一定的刚度才能把变形控制在容许的范围以内，才不会失去本质的东西；柔为护身之法，要学会以柔克刚，提高消化和转换外力的能力，牺牲一点变形来抵抗突然到来的摧毁力是必要的。例如结构的抗风设计和抗震设计是相互矛盾的，抗震设计希望结构适当柔一点，能吸收地震的能量；而抗风设计则希望结构的刚度大点，在风的作用下动力效应及变形能小点。要同时兼顾这两个方面，解决矛盾的最好方法就是灵活的运用刚柔相济的思想进行分析。

根据以上分析，抗震规范对建筑结构体系做了一些相应的具体规定［4］，如：l）结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；2）结构体系宜具有多道抗震防线；3）结构应避免竖向刚度突变：地震中因竖向刚度突变形成薄弱层而导致房屋倒塌的实例很多。如2003年新疆巴楚6.8级地震中一粮库因在屋内门两侧设置了半截柱（柱顶到大门上沿）使柱顶标高处沿纵向形成薄弱部位而严重破坏，远端的库房则基本完好。

!"!结构构件要求

l）砌体结构要求按规定设置钢筋混凝土圈梁、构造柱、芯柱或采用配筋砌体。

（下转第357页）

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浅议结构工程师应重视的几个问题———陈燕华，等

方面与材料强度的测试值与结构中材料强度的实际值的差距有关，另一方面分离式模型中没有考虑箍筋的影响，也使模拟值较试验值低。

6）从试验结果和计算模拟的比较看出，计算模拟得到的结构裂缝分布、各组成部分的应力、特征荷载以及荷载-位移骨架曲线等各项指标均与试验结果较为吻合，表明该有限元模型能够较好的模拟试验中再生混凝土框架结构所表现出的非线性性能；在本试验过程中，结构的非线性性能主要是由于钢筋和混凝土材料的非线性性能造成的，由此可知文中有限元计算模型中采用的混凝土和钢筋材料的非线性本构关系模型、破坏准则及相关材料参数的取值较为准确地反映了再生混凝土和钢筋的非线性力学性能。

!结论

本文的计算结果表明，文中采用的再生混凝土材料的本构关系模型及其相关的材料参数取值能够较好地反映再生混凝土的非线性力学特性，可以用于再生混凝土结构的有限元计算。

钢筋混凝土分离式有限元模型能够实现单调荷载作用下再生混凝土框架结构的受力过程模拟，较为精确地计算出结构在受力过程中的各特征荷载，并能描绘出与试验结果较为吻合的荷载-位移骨架曲线。该模型不仅能从宏观上反映结构的整体性能，还能直观地显示结构各细部（钢筋和混凝土）在不同加载阶段的应力和应变状态，分别给出荷载作用下钢筋和混凝土的内力量值及其随加载过程的变化规律。计算结果与试验结果较为吻合，因此可以作为结构设计的依据。

参考文献

1GB J50010-2002混凝土结构设计规范

2J G J101-96建筑抗震试验方法规程

3姚振纲，刘祖华.建筑结构试验.上海：同济大学出版社，2002：135-156

4李佳彬.再生混凝土基本力学性能研究.［硕士学位论文］.上海：同济大学，2004

5ANSYS IHO.ANSYS T heor y R ef ereHOe.北京：ANSYS中国，2002：479-592

6朱伯龙.结构抗震试验.北京：地震出版社，1989：136-137

（上接第345页）

2）应合理选择混凝土结构构件的截面尺寸、纵向配筋和箍筋；设计中采用“强剪弱弯”原则，以避免剪切破坏先于弯曲破坏。

"#!结构构件之间的连接要求

1）构件节点的破坏不应先于其连接的构件。即俗称的“强节点，弱杆件”。

2）预埋件的锚固破坏不应先于连接件。在连接件破坏之前不应将预埋件的锚筋拔出或拉断。

3）装配式结构构件的连接应能保证结构的整体性。如加强装配式楼板之间的锚固连接等。

!结论

通过以上分析可以看出，材料是工程的基础。不同材料有不同的设计理论和方法，以及不同的施工方法；设计和施工方法必须跟随材料的变化或更新而变化或更新。作为结构设计者应能够掌握各种工程材料的性能取长补短，充分发挥材料的性能；正确认识风险性和确定性，我们必须清醒的认识到，我们对自然界的认识还远远没有达到什么问题都搞清楚的程度，因此我们应该有风险意识。事实上，不存在没有风险的设计或工程，只是风险性有高低，工程失事的后果有大小而已。重视概念设计，概念设计不仅可以保证正确的设计原则，还可以通过它来解决设计中出现的问题，提高设计水平。因此，结构工程师应该对工程材料有一定的认识，充分考虑材料的效用，节约材料；具有风险意识并且重视概念设计才能使结构尽量安全、适用、经济、美观。

参考文献

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2田国安.结构设计中的协同工作原则.淮海工学院学报，1993（3）：66-68

3张浦阳，丁红阳.钢管混凝土结构的技术经济评价.福建建筑，2004，（4）：29-31

4GB50011-2001建筑抗震设计规范

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再生混凝土框架结构受力性能非线性分析———张鹏，等