土木工程荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，土木工程越來(lái)越多，土木工程中荷載不僅有很多種類型，而且產(chǎn)生的作用也是相當(dāng)復(fù)雜的，不同的荷載的隨機(jī)的組合會(huì)給實(shí)際工程造成不一樣的影響。在土木工程的建設(shè)中要對(duì)多方面內(nèi)容考慮，不僅要考慮工程的美觀實(shí)用，也要重視其安全性和經(jīng)濟(jì)性。土木工程安全性尤其重要，其余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，荷載也在土木工程建設(shè)中有著很重要的意義。本文作者結(jié)合多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)土木工程荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：土木工程;荷載;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著時(shí)代的發(fā)展，土木工程的建設(shè)也在向著更安全、更美觀、更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用發(fā)展。我國(guó)的土木工程建設(shè)有多年歷史，從早期的古代原始操作到今天的摩天大樓、萬(wàn)米長(zhǎng)橋，甚至神話中的移山倒海，現(xiàn)代土木工程領(lǐng)域也是百花盛開(kāi)，多姿多彩。本文主要介紹土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和荷載及二者之間的關(guān)系。

土木工程建設(shè)與我們的生活息息相關(guān)，現(xiàn)代的土木工程建設(shè)以生產(chǎn)力的發(fā)展為動(dòng)力，新開(kāi)發(fā)的多功能材料為基礎(chǔ)，新型的工藝和機(jī)械為手段積極地向前發(fā)展。土木工程的建設(shè)要對(duì)多方面內(nèi)容考慮，既考慮到工程的美觀實(shí)用，也要重視到安全性和經(jīng)濟(jì)性。特別是安全性，與土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著極為密切的關(guān)系，荷載也在土木工程建設(shè)中有著很重要的意義。下面就土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和荷載進(jìn)行探討。

一、土木工程荷載

荷載，指作用于工程結(jié)構(gòu)上的外力，可分為靜態(tài)荷載（恒載）和動(dòng)態(tài)荷載（活荷載），按照大小、方向、位置是否改變來(lái)區(qū)分。作用指能使工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)的各種原因，包括內(nèi)力、應(yīng)力、變形、裂縫等等，分為直接作用和間接作用。作用效應(yīng)則是指作用所產(chǎn)生的結(jié)果。按照時(shí)間變異分類，荷載除了不變的永久性荷載和可變荷載之外還有一種可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)的偶然荷載，但只要出現(xiàn)，其量值都是大而且持續(xù)時(shí)間比較短的。按照空間變異分類還可以分為固定荷載和可動(dòng)荷載。日常生活中，比較常見(jiàn)的有：民用建筑樓面均布活荷載、屋面均布活荷載、屋面積灰荷載、雪荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、地震荷載和其它像是振動(dòng)，撞擊，爆炸等等。

為了方便設(shè)計(jì)，我們把荷載按一定的量值規(guī)定，有標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值、準(zhǔn)永久至和組合值。

二、土木工程荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的牢固性不夠

土木工程結(jié)構(gòu)建設(shè)時(shí)，若是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的牢固性很差，必然會(huì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全性造成非常大的影響。盡管工程結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題不會(huì)影響總體結(jié)構(gòu)，但一旦發(fā)生地震、洪水、爆炸等事故，很可能導(dǎo)致建筑坍塌、損壞，比如唐山汶川地震時(shí)，就是因?yàn)榉课莸钠茡p倒塌造成了多人的傷亡。

（2）承重柱和構(gòu)造柱沒(méi)能有效區(qū)分

在土木工程建設(shè)中，磚混結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)造柱與承重柱的配合可有效的防止產(chǎn)生墻體裂縫，提高房屋抗震水平。而設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的時(shí)候沒(méi)有分清楚承重柱和構(gòu)造柱，按照設(shè)計(jì)承重柱的方式設(shè)計(jì)構(gòu)造柱，導(dǎo)致了日后建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，引起建筑物倒塌等等。另外，設(shè)計(jì)承重柱時(shí)僅是為了方便計(jì)算承重柱受力就把截面面積設(shè)計(jì)的太小，更容易使結(jié)構(gòu)柱和承重柱開(kāi)裂。

（3）忽略了環(huán)境因素的影響

除了工程結(jié)構(gòu)建設(shè)中建筑結(jié)構(gòu)本身的影響因素，還要考慮到很多外界因素：溫度、濕度、酸堿度、化學(xué)腐蝕等等。尤其是建筑結(jié)構(gòu)中常用到的鋼筋混凝土，這些環(huán)境因素都會(huì)產(chǎn)生很不好的負(fù)面影響，存在很大的安全隱患。

2.解決對(duì)策

（1）設(shè)計(jì)合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

以房屋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為：框架結(jié)構(gòu)選擇、基礎(chǔ)布置、確定結(jié)構(gòu)措施等等。框架結(jié)構(gòu)選擇用鋼筋混凝土，綜合考慮豎向和水平荷載，滿足抗震的要求;基礎(chǔ)布置要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文、氣候等條件;結(jié)構(gòu)措施則要具體針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震要求計(jì)算，采取必要的措施。

（2）設(shè)計(jì)合理的內(nèi)力組合

內(nèi)力組合設(shè)計(jì)要求工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足抗震條件的基礎(chǔ)上，調(diào)整組合內(nèi)力，包括框架梁內(nèi)力組合，承載力抗震系數(shù)，跨間彎矩。

（3）板設(shè)計(jì)和配筋

按照板的規(guī)格采用雙向或沿著短邊受力單向進(jìn)行計(jì)算，將構(gòu)造鋼筋布置在適合的位置，并根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出跨中的最大彎矩。

（4）控制轉(zhuǎn)換層模板的側(cè)壓力

三、對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的分析

3.1容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法

容許應(yīng)力設(shè)計(jì)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(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：首先，所有不確定因素，包括荷載和抗力等使用同一個(gè)系數(shù)來(lái)進(jìn)行考慮;其次，材料橄限強(qiáng)度沒(méi)有統(tǒng)一的準(zhǔn)則;再次，安全系數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)確定;最后，不能考慮材料的塑性能力。

3.2破損階段設(shè)計(jì)方法

破損階段設(shè)計(jì)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(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：首先，和容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法一樣所有不確定因素，都使用同一個(gè)系數(shù)來(lái)進(jìn)行考慮;其次，安全系數(shù)也是完全憑經(jīng)驗(yàn)確定;最后，該設(shè)計(jì)方法考慮了材料的塑性能力。

3.3多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求的臨界狀況，超過(guò)這一狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件就不能滿足設(shè)計(jì)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(jì)方法具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：首先，明確了按不同極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì);其次，荷載和抗力系數(shù)仍然是憑經(jīng)驗(yàn)確定的;再次，部分荷載和材料強(qiáng)度的確定采用了統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析比較明確;最后，對(duì)不同荷載、影響抗力的不同因素采用了不同系數(shù)。

4常見(jiàn)的荷載效應(yīng)組合方式分析

4.1標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(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(guò)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(lái)測(cè)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(wèn)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(xiàng)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。

4.2準(zhǔn)永久荷載效應(yīng)控制組合方式

準(zhǔn)永久荷載效應(yīng)控制組合方式要求在設(shè)計(jì)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(zhǎng)期效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的影響。一個(gè)比較典型的例子是：對(duì)于裂縫控制等級(jí)為二級(jí)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(huì)超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)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。

結(jié)語(yǔ)

土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程建筑的安全性和經(jīng)濟(jì)性有直接關(guān)系，我們?cè)谠O(shè)計(jì)土木工程結(jié)構(gòu)時(shí)，要平衡好安全性和經(jīng)濟(jì)性，就需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候多下功夫，綜合考慮多方面影響因素。在今后的生活生產(chǎn)中，要采用科學(xué)的管理和設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，建設(shè)更美觀、更安全，并能為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益的土木工程。

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