議關(guān)于土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程荷載

牛新國

摘要:目前，土木工程的設(shè)計還是偏向于復(fù)雜多樣化，為了能夠承載復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模式強度也越來越迫切。因此，追求更為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程荷載能力是我們土木工程所研究的方向。進一步分析土木工程荷載及結(jié)構(gòu)問題，明確相關(guān)概念，綜合考慮各方面因素，從不同角度討論荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的實施。

關(guān)鍵詞:分析研究， 結(jié)構(gòu)設(shè)計， 土木

Abstract: at present, the design of the civil engineering is preferable to complex diverse, in order to be able to carry a complicated structure mode intensity is more and more urgent. Therefore, pursue the more reasonable structure design and engineering load ability is our civil engineering research direction. Further analysis civil engineering of load and structural problems, clear the related concept, comprehensive account of various factors, from the perspective of the different load structure design plan implementation.

Keywords: analysis and study of the structure design, civil

中圖分類號: TU318文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：

0 前言

結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性不可估量，由此，充分說明為了提高建筑的工程質(zhì)量，建筑結(jié)構(gòu)再設(shè)計時一定要綜合考慮自然因素和非自然因素所引起的荷載效應(yīng)。從施工開始、施工期間、施工結(jié)束，每個環(huán)節(jié)不同程度承受因素是必須重視的，從客觀因素到主觀因素的實施，都必須明確建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不同所產(chǎn)生的影響不同，從何設(shè)計更為適合的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效促進建筑工程的實施。

1土木工程荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1土木工程荷載

在土木工程領(lǐng)域，荷載是作用的一種體現(xiàn)，《工程結(jié)構(gòu)設(shè)計基本術(shù)語和通用符號》一文中曾對“作用”作如下的定義：施加在結(jié)構(gòu)上的

一組集中力或分布力，或引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因，統(tǒng)稱為 結(jié)構(gòu)E的作用。而建筑結(jié)構(gòu)在施工過程和使用過程中所受到的各種直接作用稱為荷載。

1.2土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是決定采用什么形式的骨架將相應(yīng)的建筑支撐起來，以及如何抵御各種災(zāi)害和傳遞作用力等，同時還包括建筑材料的制造以及建筑材料尺寸的選擇等。它具有安全性、適用性、耐久性和可靠性的特性。土木工程設(shè)計要完成的工作如下：一是結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計,在滿足結(jié)構(gòu)預(yù)定功能的條件下，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式；二是結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計，就是完成荷載計算、荷載效應(yīng)計算和機構(gòu)抗力的計算。

2對土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的分析

2.1容許應(yīng)力設(shè)計方法

容許應(yīng)力設(shè)計方法是19世紀(jì)以后，Nayier提出的一種基于彈性理 論的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，這種設(shè)計方法具有如下幾個方面的特點:首先， 所有不確定因素，包括荷載和抗力等使用同一個系數(shù)來進行考慮;其 次，材料橄限強度沒有統(tǒng)一的準(zhǔn)則 再次，安全系數(shù)憑經(jīng)驗確定;最后 不能考慮材料的塑性能力。

2.2破損階段設(shè)計方法

破損階段設(shè)計方法是20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)學(xué)者帕斯金爾納克和格沃茲捷夫等人經(jīng)研究，提出的基于按破損階段的設(shè)計方法，這種設(shè)計方法具有如下幾個方面的特點：首先，和容許應(yīng)力設(shè)計方法一樣所有不確定因素，都使用同一個系數(shù)來進行考慮；其次，安全系數(shù)也是完全憑經(jīng)驗確定；最后，該設(shè)計方法考慮了材料的塑性能力。

2.3多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能要求的臨界狀況，超過這一狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就不能滿足設(shè)計的要求。其中結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可以分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。這種設(shè)計方法具有如下幾個方面的特點：首先，明確了按不同極限狀態(tài)進行設(shè)計，包括承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計；其次，荷載和抗力系數(shù)仍然是憑經(jīng)驗確定的；再次，部分荷載和材料強度的確定采用了統(tǒng)計的方法，對調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析比較明確；最后，對不同荷載、影響抗力的不同因素采用了不同系數(shù)。

2.4結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法

隨著以概率論為基礎(chǔ)的可靠度理論的日益成熟； 相關(guān)學(xué)者提出了基于構(gòu)件可靠度設(shè)計的設(shè)計方法，這種設(shè)計方法具有 如下幾個方面的特點：首先，分不同極限狀態(tài)進行設(shè)計，包括承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和耐久性性極限狀態(tài)；其次，荷載和抗力系數(shù)按照確定的目標(biāo)概率標(biāo)定；最后，荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，對相應(yīng)的調(diào)查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

3常見的荷載效應(yīng)組合方式分析

3.1標(biāo)準(zhǔn)荷栽效應(yīng)控制組合方式

標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(yīng)控制組合方式在一定程度上與過去常用的短期效應(yīng)組合相似，這一荷載效益組合方式主要用來測算一般情況下結(jié)構(gòu)的撓度、裂縫等使用的極限狀態(tài)問題。在該組合中，可變荷載采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)值，荷載分項系數(shù)取為1.0，即超越概率為5％的上分位值，其中可變荷載的組合值系數(shù)按《荷載規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定取值。

3.2準(zhǔn)永久荷載效應(yīng)控制組合方式

準(zhǔn)永久荷載效應(yīng)控制組合方式在一定程度上與過去的長期效應(yīng)組合相似，其數(shù)值等于荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以準(zhǔn)永久值的系數(shù)。在該組合中充分考慮了可變荷載對結(jié)構(gòu)作用的長期性。準(zhǔn)永久荷載效應(yīng)控制組合方式要求在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，可變荷載超越荷載準(zhǔn)永久值的概率應(yīng)保持在50％左右。準(zhǔn)永久荷載效應(yīng)控制組合方式常用于考慮荷載長期效應(yīng)對結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的影響。一個比較典型的例子是：對于裂縫控制等級為二級的結(jié)構(gòu)，按照標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(yīng)控制組合方式的要求，結(jié)構(gòu)受拉邊緣混凝土的應(yīng)力不會超過混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，而按照準(zhǔn)永久荷載效應(yīng)控制組合方式要求，不應(yīng)該出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.3頻遇荷載效應(yīng)控制組合方式

頻遇荷載效應(yīng)控制組合方式是一種新型的效應(yīng)控制組合方式，可 變荷載的頻遇值等于可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以小于組合值系數(shù)的頻遇值系數(shù)。頻遇荷載效應(yīng)控制組合方式的選值充分考慮了可變荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)超越其值的次數(shù)和大小。目前頻遇荷載效應(yīng)控制組合方式的應(yīng)用范圍還比較狹小，其中吊車梁的設(shè)計就是采用的頻遇荷載效應(yīng)控制組合方式。由于頻遇荷載效應(yīng)控制組合方式還有很多的頻遇值系數(shù)沒有統(tǒng)計出來，該組合的推廣運用還需要一段比較長的時間。

4土木工程荷載效應(yīng)組合的設(shè)計對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

4.1荷載設(shè)計對結(jié)構(gòu)件的影響

構(gòu)件的可靠性依賴于荷載的取值，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時如果荷載取值出 錯，按照錯誤荷載設(shè)計的結(jié)構(gòu)其抗力應(yīng)與錯誤荷載相對應(yīng)，這樣的話 將嚴重影響構(gòu)件的可靠性，而且通過一些理論計算公式我們會發(fā)現(xiàn)如 果結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載取值偏大的話，對構(gòu)件可靠性的提高作用并不大，相 反如果結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載取值偏小，隨著錯誤發(fā)生概率的增大，構(gòu)件的可 靠性會大幅度降低。

4.2荷載設(shè)計對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

4.2.1荷載設(shè)計對串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的影響

相關(guān)的測算公式表明，串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的可靠性指標(biāo)對荷載相應(yīng)參數(shù)的變化比較敏感，隨著荷載相應(yīng)參數(shù)的減小，串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的可靠 性能降低。當(dāng)荷載相應(yīng)參數(shù)為負值時，串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的可靠性指標(biāo)也 將變?yōu)樨撝?，也就是說，對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載取值偏大的話，對串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系可靠性的提高并不大，相反如果結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載取值偏小的話，隨著荷載取值錯誤發(fā)生概率的增大，串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的可靠性會大幅度降低。同時串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系各元件與荷載可靠指 標(biāo)的相關(guān)性也影響系統(tǒng)的可靠性，二者的相關(guān)性越大，系統(tǒng)越安全。4.2.2荷載設(shè)計對并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的影響

相關(guān)的測算公式表明，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的可 靠性指標(biāo)對荷載相應(yīng)參數(shù)的變化不是非常敏感，如果荷載相應(yīng)參數(shù)的 變化不明顯的話，并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的可靠性趨于穩(wěn)定。對于并聯(lián)結(jié)構(gòu)體 系，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載取值偏大的話，對并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系可靠性的提高 同樣作用不大，同樣如果結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載取值偏小的話，并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系 的可靠性會隨著荷載取值錯誤發(fā)生概率的減小，而大幅度提升。但是 并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系各元件與荷載可靠指標(biāo)的相關(guān)性對系統(tǒng)的可靠性影響并不明顯，系統(tǒng)安全幾乎不受二者相關(guān)性的影響。

5 結(jié)束語

土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計離不開荷載，兩者相輔相成，互相影響互相促進。因此，在對土木工程進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對不同情況下的荷載量進行分析，將不同的結(jié)構(gòu)同時施加于荷載，通過科學(xué)的分析，獲取不同結(jié)構(gòu)荷載組合下的響應(yīng)，通過數(shù)據(jù)分析，綜合評估荷載作用對建筑結(jié)構(gòu)的影響效果。由此，可以減少和避免因荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計不適，所導(dǎo)致的不良效果。

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