关于土木工程荷载与结构设计的分析

2020-02-15李睿

建材与装饰 2020年24期

李睿

（江西洪城水业股份有限公司，江西南昌 330000）

目前，我国经济水平有了极大提高，城市化进程不断加快，建筑行业规模越来越大，建筑结构类型也越来越多样，建筑结构的复杂性也导致了工程建设难度的增加，所以建设土木工程建筑时，要合理设计工程结构，保证建筑负载能力达到标准，从而提高建筑的稳定性和安全性。

1 土木工程相关理论阐述

1.1 结构设计理论内涵

简单来讲，土木工程结构就是支撑建筑物不可缺少的一种承受骨架，合理设计工程结构，选择合适施工材料，以高超施工技术为辅助可以有效提高工程质量，促进建筑行业发展。

1.2 荷载设计理论内涵

根据对土木工程建筑结构相关专家的著作、研究成果等等内容的分析发现，载荷设计的内涵其实就是建筑结构在受到外力作用后出现的不同程度形变量，简单来讲就是结构的抗压能力和负载能力。

2 关于土木工程结构承受的载荷分类

一般情况下，土木工程载荷主要分为以下两种：①时间变化。②结构动力反应。而时间变化又有三个不同表现形式：①永久作用载荷。永久作用载荷不受时间变化影响，设计与使用过程中数据平均值波动不大，基本可以忽略，但是永久作用载荷同样具有随机性，容易受到空间位置变换影响，例如，土压力、预加压力、建筑自身重量等等都属于永久作用类型的载荷，但是这些永久作用的载荷对于土木建筑来讲影响范围很小，基本可以忽略不计；②偶然性载荷，这种载荷出现在设计基准期的概率不大，但是如果出现偶然性载荷会对土木建筑造成比较大的影响，比如由于出现台风、龙卷风或者地震等等大型自然灾害而产生的巨大冲击力可能会导致建筑损毁；③可变的作用变化值波动较大，设计期内不能忽略，许多常见载荷都是属于可变作用载荷，例如，由于水位变化而产生的水压力载荷、密集人群造成的载荷、桥梁结构过重车辆载荷等等，这些载荷量能值都是跟随时间变化的，设计合理支撑结构时要重视这几方面内容。而结构动力反应也分为以下两个类别：①静态作用，静态作用基本不会产生加速度，对结构或者构件产生加速度可以忽略不计，我们熟知到房屋的楼面活载荷就属于静态作用；②动态作用产生的加速度比较大，对于建筑结构来讲无法忽视，地震、龙卷风、行驶车辆等等都属于动态作用载荷。

3 关于土木工程结构的几种典型设计方法

建筑行业的发展也带动了土木工程结构设计行业的发展，经过长时间的发展，土木工程结构设计也有几种比较典型的设计方法，其中较为经典的有19世纪后期产生的容许应力设计，这种结构设计方法的起因是弹性理论，主要有以下四个特点：①使用同一个参考系数确定各种不同类型的抗力和载荷；②不设定统一的材料最大强度；③依靠过往工作经验确定设计安全裕度；④设计时忽略原材料塑性变形能力。除此之外，20世纪30年代产生的破损阶段设计方法也比较常用，这种方法是由几个苏联学者提出的，包括以下三个方面特点：①在处理不确定因素以及载荷，破损阶段设计方法与容许应力设计方法相同，即使用统一系数分析所有不确定因素；②在结构安全裕度方面，破损阶段设计方法也要根据过往经验进行裕度值确定；③与容许应力设计方法不同的是，这种设计方法考虑到了原始材料的塑性变形能力。另外，建筑行业经过不断发展之后，又有学者提出了多系数极限状态设计方法。这种设计方法主要通过分析建筑结构在满足设计需求时的临界状态来提高设计质量，主要包括以下四个特点：①分析建筑结构在不同状态下的极限值，例如正常使用极限值和承载能力极限值，然后在针对不同状态进行不同设计；②在处理载荷与抗力系数的时候，选择与传统设计相同的处理方法，即根据相关经验确定结构载荷与抗力系数；③多系数极限状态设计方法通过统计学确定材料强度；④针对不同载荷以及不同状态的抗力因素，选择合适的安全系数，提高结构稳定性和安全性。最后，20世纪70年代设计方开始大规模推广应用结构可靠度设计方法，这种方法的来源是部分学者改进传统设计方案，融合传统设计方法中的优势部分，然后根据概率论的可靠性理论创造了结构可靠度设计方法，主要有以下三个特点：①测试不同状态下的结构极限值，例如结构承载能力极限。②依据结构设计强度目标确定结构载荷与抗力系数。③以概率论原理为基础，结合统计学，确定结构可承担的最大负荷值，提高建筑结构使用性能。

4 荷载和结构、抗力的分析情况

4.1 影响结构可靠性的因素以及它的随机性

土木工程结构在建设过程中会受到很多因素影响，其中最主要的是这两个方面：①土木工程结构本身对于外界影响的抵抗。②各种各样的外界影响因素。土木工程结构产生变形、倾覆、滑移等等作用最主要的原因是外力作用工程结构支座位置会产生支座反力，而最常见的土木工程结构由于受到外力影响而产生内力，包括扭转、剪应力等等，这些改变这很大程度上影响了土木工程结构抗力的几何参数，以及材料性能。

4.2 土木工程结构的可靠度

简而言之，土木工程结构的可靠度就是时间问题，也就是说要在一定范围内，或者说是一定时间内定量完成规定任务，这就变成了土木工程结构可以完成预定功能的一个概率，所以说可靠度其实是一种概率度量，但是实际上土木工程结构的可靠度是会受到外界因素影响的，基本是不可能完成土木工程结构定量需求的，所以，我们需要用概率来描述土木工程结构的可靠度，一般来讲，土木工程结构的可靠度是比较高的，所以在描述时通常选用失败的概率来衡量土木结构是否可靠。

5 关于土木工程结构设计与载荷间的关系

一般情况下，土木工程结构设计工作主要由策划、设计、施工三个步骤组成，其中方案设计是最重要的环节，一个合理的土木工程结构设计方案要包括建筑结构设计和工程功能设计。首先人员要保证设计方案能够通过合理结构形式支撑建筑本身，另外，还要保证结构负载能力达到标准，能够减小外界载荷作用对建筑的伤害。原始材料质量好坏与结构工作性能也有直接关系，材料采购工作人员要在采购之前深入了解结构所需材料情况，确保购入材料能够进行结构制造。为方便施工，结构设计人员要在设计方案中标明施工尺寸、施工注意点等等。

6 土木工程荷载效应组合设计对结构设计的影响

一般情况下，载荷取值会直接影响结构质量，土木工程结构构件设计时会根据载荷的取值确定相关数据，所以一旦载荷取值出现误差，就很容易导致设计过程中所需要的结构抗力产生误差，那么结构构件的安全性和稳定性会就会大大降低。另外，根据多次实验发现，当应力值或者结构取值偏大时，构件稳定性没有明显提高，如果载荷取值比较小，结构取值误差大，土木工程结构稳定性和安全性则会大大降低。除此之外，载荷设计对结构系统影响也很大，根据公式计算数据之后发现，串联结构体系对于载荷参数变化敏感度非常高，载荷数值降低会导致建筑结构稳定性大大降低，载荷参数值与串联结构可靠性成正比关系，例如，载荷参数值为负值，结构可靠性也为会负值。

7 做好土木工程结构设计和荷载的主要措施

7.1 确定结构设计方案的措施

我们以楼房土木工程的结构为案例，可知设计结构方案要包括框架结构选择、基础布置、结构措施等等，具体要考虑以下两点：①梁和柱的构件是框架的主要组成部分，而节点又是主要连接方式，在设计时要考虑构件的载荷能力；②基础布置要根据施工现场的实际情况进行，另外，要根据楼层层数进行具体结构的设计。

7.2 做好后期工作

后期工作是整个建设工程非常重要的一个工作，施工时设计人员与施工人员缺乏沟通，容易造成施工问题，所以，在实际工程建设时，各环节工作人员要全程保持联系，确定所有员工都可以明确施工信息，便于改进设计方案的不足，为后续施工提供方案保障，设计人员也要明白，修改方案只是为了获得更加优秀的建筑成果，不是否定初始方案。