土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全性與經(jīng)濟(jì)性分析

徐碩 吳沙

（安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司 安徽合肥 230022）

土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全性與經(jīng)濟(jì)性分析

徐碩 吳沙

（安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司 安徽合肥 230022）

隨著城市進(jìn)程加快和人們生活水平的不斷提高，人們對建筑工程提出了更多的要求，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得越來越重要。土木工程結(jié)構(gòu)牢固程度直接的關(guān)系到整個(gè)建筑工程的整體質(zhì)量和安全性，而安全性和經(jīng)濟(jì)性也是土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題，本文對于主題的介紹首先分析了當(dāng)前階段土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的一系列問題，然后分別對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

土木工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；安全性；經(jīng)濟(jì)性

1 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

土木工程設(shè)計(jì)中最主要的兩個(gè)問題分別是工程質(zhì)量安全和經(jīng)濟(jì)成本，并且這兩個(gè)方面是相輔相成的關(guān)系，工程質(zhì)量在很大程度上會(huì)直接影響到工程成本，安全性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。例如橋梁工程，如果安全性得不到保障，導(dǎo)致橋梁坍塌，返工過程勢必會(huì)產(chǎn)生額外的工程成本，一方面安全性得不到保障，另一方面還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而這些問題的存在都是由于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程存在的諸多問題造成的：

1.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差

土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是保證工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接的關(guān)系到建筑質(zhì)量和使用安全，但是從我國土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)階段的發(fā)展來說，還存在很多的問題，最主要的就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高。如果建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常高，即便是工程局部受到損壞，整體結(jié)構(gòu)仍然能夠保證穩(wěn)定，例如建筑框架結(jié)構(gòu)中半框架結(jié)構(gòu)體系，建筑底部的框架結(jié)構(gòu)整體上都是不利于建筑抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，目前土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中過于依賴計(jì)算機(jī)軟件提供的參數(shù)，很多結(jié)構(gòu)體系都不合理，但是可以通過局部的強(qiáng)化來滿足建筑要求，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要合理的參考數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，然后通過合理的判斷來選擇更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，但是我國目前的土木工程在設(shè)計(jì)技術(shù)方面有很大的缺陷，所以經(jīng)常性的會(huì)出現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)不合理造成的塌方等事故，例如四川地震、玉樹地震中的房屋倒塌都是穩(wěn)定性方面出現(xiàn)的問題。同時(shí)土木工程中大多數(shù)都需要鋼筋和混凝土來作為主要材料，而環(huán)境濕度、土壤酸堿度等因素都會(huì)對這些材料造成不同程度的影響，縮短建筑使用周期，降低工程結(jié)構(gòu)耐久性，而這一方面的主要原因是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中忽視了對環(huán)境的考慮，導(dǎo)致后期出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問題。

1.2 建筑框架柱截面積設(shè)計(jì)不規(guī)范

通常情況下，工程設(shè)計(jì)人員在對抗震要求不高的地區(qū)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的過程中，為了能夠更好地分析受力狀況，會(huì)把建筑承重柱截面積設(shè)計(jì)的很小，所以會(huì)出現(xiàn)梁強(qiáng)柱弱的結(jié)果，但是土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念要求的是柱強(qiáng)梁弱，所以這種設(shè)計(jì)方法會(huì)在建筑受到外力作用的時(shí)候，梁和柱會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，影響建筑的安全性和使用周期。一旦遇到強(qiáng)烈地震災(zāi)害，很容易出現(xiàn)建筑坍塌現(xiàn)象。

1.3 缺乏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性和經(jīng)濟(jì)性規(guī)范要求

隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，建筑行業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，國家為了規(guī)范建筑市場，逐步的推出了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但是和國際上建筑行業(yè)發(fā)展相比，國內(nèi)出臺的規(guī)范性要求指標(biāo)存在很大的差距，所以質(zhì)量監(jiān)管部門在具體的工作過程中，很難開展監(jiān)管工作，再加上建筑企業(yè)之間的差異，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工等方面存在的不同程度偏差，工程安全問題的解決僅僅停留在表面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求很難涉及到關(guān)鍵性問題。

2 提高土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性措施

針對上面提到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的穩(wěn)定性差以及不規(guī)范問題，文章給出以下解決措施：

2.1 增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)耐久性

（1）工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，要通過嚴(yán)格的審核，同時(shí)再具體的施工過程中，施工人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要加強(qiáng)后期溝通，對工程施工過程中遇到的結(jié)構(gòu)問題要及時(shí)的溝通交流，設(shè)計(jì)人員通過核對設(shè)計(jì)圖紙，分析結(jié)構(gòu)問題，及時(shí)的對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，減少不必要的后期返工，提供工程結(jié)構(gòu)安全性。

（2）在加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)，合理利用OptiStruct模型來優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度，圖1顯示的就是利用OptiStruct模型來對結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度OptiStruct模型

在具體的建筑結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)理念的不同，設(shè)計(jì)水平也會(huì)出現(xiàn)很大的差異，所以一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過程中，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)會(huì)出現(xiàn)很大的差異。建筑抗側(cè)移剛度對建筑結(jié)構(gòu)整體的抗震性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響，圖2體現(xiàn)的是建筑側(cè)移剛度構(gòu)成模型。

圖2 建筑剛度構(gòu)成模型

根據(jù)圖2的模型展示設(shè)計(jì)具體的建筑結(jié)構(gòu)，例如在具體的剛度設(shè)計(jì)中，對于在土地相對比較好、巖基埋深比較淺的地方，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該以樁基為主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，這樣能夠保證建筑持力層能夠處于微化巖層中，建筑地基穩(wěn)定性和強(qiáng)度能夠得到很大的提高，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以適當(dāng)?shù)慕档徒ㄖ拐饎偠?，控制的?biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)極限變形能力來進(jìn)行合理的調(diào)整，如圖3所示水平荷載作用下的框架彎矩。

圖3 水平荷載作用下的框架彎矩圖

合理的利用建筑結(jié)構(gòu)的變形極限結(jié)合剛度設(shè)計(jì)，提高土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的耐久性。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合設(shè)計(jì)

內(nèi)力組合設(shè)計(jì)主要的目的是提高土工程結(jié)構(gòu)的抗震能力，是抗震設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，內(nèi)力組合首先要充分的了解工程結(jié)構(gòu)承載力抗震系數(shù)，其次要注重工程材料的選擇。

材料的選擇一定要嚴(yán)格的按照工程抗震要求來選擇抗震性能優(yōu)良的工程材料，同時(shí)在具體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要合理的利用建筑受彎梁、偏壓柱以及相應(yīng)構(gòu)件承載力等因素對組合系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過內(nèi)力組合設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)奶岣呓ㄖY(jié)構(gòu)承載能力。文章這里拿建筑梁柱的內(nèi)力組合來具體說明：

梁柱支座邊緣的內(nèi)力計(jì)算公式如下：

M（邊）=M－V×b/2；

V（邊）=V－q×b/2；

式中：M（邊）是支座邊緣界面的彎曲標(biāo)準(zhǔn)值；V（邊）是支座邊緣界面建立的標(biāo)準(zhǔn)值，在各種荷載情況下的框架內(nèi)力求得之后，通過考慮結(jié)構(gòu)塑性內(nèi)力重分布的有利影響，在內(nèi)力組合設(shè)計(jì)之前對豎向荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算可控制界面處的內(nèi)力值，合理的進(jìn)行內(nèi)力組合。

2.3 轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

作為土木工程中重要的承載結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的合理性將會(huì)對建筑整體承載力產(chǎn)生很大的影響，合理的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)能夠很好的避免因?yàn)樯蠈咏Y(jié)構(gòu)過大的承載力對下層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓迫。所以對于轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)，要合理的控制混凝土施工環(huán)節(jié)，選用高性能的混凝土，在此基礎(chǔ)上，澆筑過程中要強(qiáng)化對混凝土內(nèi)部的振搗作業(yè)，這樣能夠增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)的承載力。

3 提高土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性措施

3.1 合理評估工程設(shè)計(jì)方案

（1）設(shè)計(jì)人員要合理的控制建筑成本，針對工程結(jié)構(gòu)的每一個(gè)階段都要細(xì)分圖紙規(guī)劃，這樣能夠避免出現(xiàn)無效的工程量，優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)方面的施工，這樣一方面能夠提高工程質(zhì)量，另一方面能夠縮短工程工期，降低工程成本。同時(shí)強(qiáng)化對工程預(yù)算的全面管理，統(tǒng)一管控建筑材料，制定清晰全面的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

（2）要控制成本，從工程招標(biāo)到具體施工環(huán)節(jié)，要制定嚴(yán)格的招標(biāo)準(zhǔn)則，保證招標(biāo)過程的公平公正性。具體的招標(biāo)過程中，要從不同的方面來考慮工程設(shè)計(jì)方案，方案的選擇要在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的基礎(chǔ)上，考慮到建筑其他方面的因素，例如工期、建筑造型燈。

3.2 選取合理的標(biāo)準(zhǔn)圖

施工招標(biāo)部門通常為了規(guī)范建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及較少設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，通常會(huì)使用施工標(biāo)準(zhǔn)圖，工程施工標(biāo)準(zhǔn)圖的使用能夠節(jié)省設(shè)計(jì)人員的工作，同時(shí)能夠保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，有效地提高工程進(jìn)度，有效地監(jiān)督工程安全性和經(jīng)濟(jì)性，但是針對大型的建筑工程，由于考慮的因素會(huì)比較多，所以大型的建筑工程不適合完全參考標(biāo)準(zhǔn)圖，需要根據(jù)工程概況進(jìn)行實(shí)地考察，制定經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

總之隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平高低將會(huì)直接關(guān)系到建筑的安全性，而建筑安全性的高低也會(huì)影響到建筑經(jīng)濟(jì)性，所以就要求建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員從工程實(shí)際出發(fā)，合理的設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要和經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性和經(jīng)濟(jì)性。

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1004-7344（2016）17-0310-02

2016-5-20