關(guān)于土木工程荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

李睿

（江西洪城水業(yè)股份有限公司，江西南昌 330000）

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平有了極大提高，城市化進(jìn)程不斷加快，建筑行業(yè)規(guī)模越來越大，建筑結(jié)構(gòu)類型也越來越多樣，建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也導(dǎo)致了工程建設(shè)難度的增加，所以建設(shè)土木工程建筑時(shí)，要合理設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，保證建筑負(fù)載能力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，從而提高建筑的穩(wěn)定性和安全性。

1 土木工程相關(guān)理論闡述

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論內(nèi)涵

簡(jiǎn)單來講，土木工程結(jié)構(gòu)就是支撐建筑物不可缺少的一種承受骨架，合理設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，選擇合適施工材料，以高超施工技術(shù)為輔助可以有效提高工程質(zhì)量，促進(jìn)建筑行業(yè)發(fā)展。

1.2 荷載設(shè)計(jì)理論內(nèi)涵

根據(jù)對(duì)土木工程建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)專家的著作、研究成果等等內(nèi)容的分析發(fā)現(xiàn)，載荷設(shè)計(jì)的內(nèi)涵其實(shí)就是建筑結(jié)構(gòu)在受到外力作用后出現(xiàn)的不同程度形變量，簡(jiǎn)單來講就是結(jié)構(gòu)的抗壓能力和負(fù)載能力。

2 關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)承受的載荷分類

一般情況下，土木工程載荷主要分為以下兩種：①時(shí)間變化。②結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)。而時(shí)間變化又有三個(gè)不同表現(xiàn)形式：①永久作用載荷。永久作用載荷不受時(shí)間變化影響，設(shè)計(jì)與使用過程中數(shù)據(jù)平均值波動(dòng)不大，基本可以忽略，但是永久作用載荷同樣具有隨機(jī)性，容易受到空間位置變換影響，例如，土壓力、預(yù)加壓力、建筑自身重量等等都屬于永久作用類型的載荷，但是這些永久作用的載荷對(duì)于土木建筑來講影響范圍很小，基本可以忽略不計(jì)；②偶然性載荷，這種載荷出現(xiàn)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的概率不大，但是如果出現(xiàn)偶然性載荷會(huì)對(duì)土木建筑造成比較大的影響，比如由于出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)或者地震等等大型自然災(zāi)害而產(chǎn)生的巨大沖擊力可能會(huì)導(dǎo)致建筑損毀；③可變的作用變化值波動(dòng)較大，設(shè)計(jì)期內(nèi)不能忽略，許多常見載荷都是屬于可變作用載荷，例如，由于水位變化而產(chǎn)生的水壓力載荷、密集人群造成的載荷、橋梁結(jié)構(gòu)過重車輛載荷等等，這些載荷量能值都是跟隨時(shí)間變化的，設(shè)計(jì)合理支撐結(jié)構(gòu)時(shí)要重視這幾方面內(nèi)容。而結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)也分為以下兩個(gè)類別：①靜態(tài)作用，靜態(tài)作用基本不會(huì)產(chǎn)生加速度，對(duì)結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件產(chǎn)生加速度可以忽略不計(jì)，我們熟知到房屋的樓面活載荷就屬于靜態(tài)作用；②動(dòng)態(tài)作用產(chǎn)生的加速度比較大，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)來講無法忽視，地震、龍卷風(fēng)、行駛車輛等等都屬于動(dòng)態(tài)作用載荷。

3 關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)的幾種典型設(shè)計(jì)方法

建筑行業(yè)的發(fā)展也帶動(dòng)了土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有幾種比較典型的設(shè)計(jì)方法，其中較為經(jīng)典的有19世紀(jì)后期產(chǎn)生的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的起因是彈性理論，主要有以下四個(gè)特點(diǎn)：①使用同一個(gè)參考系數(shù)確定各種不同類型的抗力和載荷；②不設(shè)定統(tǒng)一的材料最大強(qiáng)度；③依靠過往工作經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)安全裕度；④設(shè)計(jì)時(shí)忽略原材料塑性變形能力。除此之外，20世紀(jì)30年代產(chǎn)生的破損階段設(shè)計(jì)方法也比較常用，這種方法是由幾個(gè)蘇聯(lián)學(xué)者提出的，包括以下三個(gè)方面特點(diǎn)：①在處理不確定因素以及載荷，破損階段設(shè)計(jì)方法與容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法相同，即使用統(tǒng)一系數(shù)分析所有不確定因素；②在結(jié)構(gòu)安全裕度方面，破損階段設(shè)計(jì)方法也要根據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裕度值確定；③與容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法不同的是，這種設(shè)計(jì)方法考慮到了原始材料的塑性變形能力。另外，建筑行業(yè)經(jīng)過不斷發(fā)展之后，又有學(xué)者提出了多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法主要通過分析建筑結(jié)構(gòu)在滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)的臨界狀態(tài)來提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，主要包括以下四個(gè)特點(diǎn)：①分析建筑結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的極限值，例如正常使用極限值和承載能力極限值，然后在針對(duì)不同狀態(tài)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)；②在處理載荷與抗力系數(shù)的時(shí)候，選擇與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相同的處理方法，即根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)載荷與抗力系數(shù)；③多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法通過統(tǒng)計(jì)學(xué)確定材料強(qiáng)度；④針對(duì)不同載荷以及不同狀態(tài)的抗力因素，選擇合適的安全系數(shù)，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。最后，20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)方開始大規(guī)模推廣應(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法，這種方法的來源是部分學(xué)者改進(jìn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，融合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的優(yōu)勢(shì)部分，然后根據(jù)概率論的可靠性理論創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)方法，主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：①測(cè)試不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)極限值，例如結(jié)構(gòu)承載能力極限。②依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度目標(biāo)確定結(jié)構(gòu)載荷與抗力系數(shù)。③以概率論原理為基礎(chǔ)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)，確定結(jié)構(gòu)可承擔(dān)的最大負(fù)荷值，提高建筑結(jié)構(gòu)使用性能。

4 荷載和結(jié)構(gòu)、抗力的分析情況

4.1 影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素以及它的隨機(jī)性

土木工程結(jié)構(gòu)在建設(shè)過程中會(huì)受到很多因素影響，其中最主要的是這兩個(gè)方面：①土木工程結(jié)構(gòu)本身對(duì)于外界影響的抵抗。②各種各樣的外界影響因素。土木工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、傾覆、滑移等等作用最主要的原因是外力作用工程結(jié)構(gòu)支座位置會(huì)產(chǎn)生支座反力，而最常見的土木工程結(jié)構(gòu)由于受到外力影響而產(chǎn)生內(nèi)力，包括扭轉(zhuǎn)、剪應(yīng)力等等，這些改變這很大程度上影響了土木工程結(jié)構(gòu)抗力的幾何參數(shù)，以及材料性能。

4.2 土木工程結(jié)構(gòu)的可靠度

簡(jiǎn)而言之，土木工程結(jié)構(gòu)的可靠度就是時(shí)間問題，也就是說要在一定范圍內(nèi)，或者說是一定時(shí)間內(nèi)定量完成規(guī)定任務(wù)，這就變成了土木工程結(jié)構(gòu)可以完成預(yù)定功能的一個(gè)概率，所以說可靠度其實(shí)是一種概率度量，但是實(shí)際上土木工程結(jié)構(gòu)的可靠度是會(huì)受到外界因素影響的，基本是不可能完成土木工程結(jié)構(gòu)定量需求的，所以，我們需要用概率來描述土木工程結(jié)構(gòu)的可靠度，一般來講，土木工程結(jié)構(gòu)的可靠度是比較高的，所以在描述時(shí)通常選用失敗的概率來衡量土木結(jié)構(gòu)是否可靠。

5 關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與載荷間的關(guān)系

一般情況下，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作主要由策劃、設(shè)計(jì)、施工三個(gè)步驟組成，其中方案設(shè)計(jì)是最重要的環(huán)節(jié)，一個(gè)合理的土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案要包括建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程功能設(shè)計(jì)。首先人員要保證設(shè)計(jì)方案能夠通過合理結(jié)構(gòu)形式支撐建筑本身，另外，還要保證結(jié)構(gòu)負(fù)載能力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，能夠減小外界載荷作用對(duì)建筑的傷害。原始材料質(zhì)量好壞與結(jié)構(gòu)工作性能也有直接關(guān)系，材料采購(gòu)工作人員要在采購(gòu)之前深入了解結(jié)構(gòu)所需材料情況，確保購(gòu)入材料能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)制造。為方便施工，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要在設(shè)計(jì)方案中標(biāo)明施工尺寸、施工注意點(diǎn)等等。

6 土木工程荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

一般情況下，載荷取值會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量，土木工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)載荷的取值確定相關(guān)數(shù)據(jù)，所以一旦載荷取值出現(xiàn)誤差，就很容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中所需要的結(jié)構(gòu)抗力產(chǎn)生誤差，那么結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性和穩(wěn)定性會(huì)就會(huì)大大降低。另外，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力值或者結(jié)構(gòu)取值偏大時(shí)，構(gòu)件穩(wěn)定性沒有明顯提高，如果載荷取值比較小，結(jié)構(gòu)取值誤差大，土木工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性則會(huì)大大降低。除此之外，載荷設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)影響也很大，根據(jù)公式計(jì)算數(shù)據(jù)之后發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系對(duì)于載荷參數(shù)變化敏感度非常高，載荷數(shù)值降低會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大降低，載荷參數(shù)值與串聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性成正比關(guān)系，例如，載荷參數(shù)值為負(fù)值，結(jié)構(gòu)可靠性也為會(huì)負(fù)值。

7 做好土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和荷載的主要措施

7.1 確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的措施

我們以樓房土木工程的結(jié)構(gòu)為案例，可知設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案要包括框架結(jié)構(gòu)選擇、基礎(chǔ)布置、結(jié)構(gòu)措施等等，具體要考慮以下兩點(diǎn)：①梁和柱的構(gòu)件是框架的主要組成部分，而節(jié)點(diǎn)又是主要連接方式，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮構(gòu)件的載荷能力；②基礎(chǔ)布置要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行，另外，要根據(jù)樓層層數(shù)進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

7.2 做好后期工作

后期工作是整個(gè)建設(shè)工程非常重要的一個(gè)工作，施工時(shí)設(shè)計(jì)人員與施工人員缺乏溝通，容易造成施工問題，所以，在實(shí)際工程建設(shè)時(shí)，各環(huán)節(jié)工作人員要全程保持聯(lián)系，確定所有員工都可以明確施工信息，便于改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的不足，為后續(xù)施工提供方案保障，設(shè)計(jì)人員也要明白，修改方案只是為了獲得更加優(yōu)秀的建筑成果，不是否定初始方案。

7.3 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性

安全是所有工程建設(shè)的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，所以設(shè)計(jì)方案也要注重結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)師應(yīng)該嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性。另外，施工單位在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)該全程監(jiān)控施工過程，避免安全問題發(fā)生。

8 結(jié)束語

綜上所述，建筑工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定與土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有直接關(guān)聯(lián)，好的設(shè)計(jì)方案不僅可以提高工程質(zhì)量，為企業(yè)帶來更多經(jīng)濟(jì)效益，也能促進(jìn)建筑行業(yè)發(fā)展，所以，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合全面因素合理進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。