淺談工程結構設計體系的完善與改進

張 征,吳瓊超

(陜西國防工業職業技術學院,陜西 西安 710300)

1 引言

工程結構設計體系非常重要,不僅會直接決定施工成效,還將影響施工和企業的經濟效益。工程結構設計包括方案設計階段、初步設計階段和施工圖設計階段。在方案設計階段,引入概念設計,將結構的頻率和振型作為工程結構設計的概念設計指標,進而選擇出性能更加優越的結構設計方案。在初步設計階段和施工圖設計階段,進一步優化設計布置和保證設計質量。本文針對工程結構設計不同階段的現狀及存在的問題進行了分析,并提出了相應的意見和建議,以期為完善和改進工程結構設計體系提供一些參考和依據。

2 工程結構設計中存在的問題

2.1 方案設計階段

在方案設計階段,設計人員通常只注重單一評價指標,而忽略其他評價指標的影響。例如,以工程造價作為不同方案的比選標準,這將降低結構的質量要求和增大其造成的生態破壞影響。節約經濟原則固然是工程結構設計的基本原則,但并非首要原則。一味壓縮工程成本,使工程結構設計滿足最低質量要求,成為了工程結構設計中一種亂象。這樣設計出的結構僅僅滿足基本的使用功能,且后期的養護修復費用較大,潛在的安全隱患較大,在遇到突發事件或自然災害情況時,沒有足夠的安全儲備,造成重大的人員傷亡和財產損失。如重慶綦江彩虹橋事件,在橋梁設計初期即以工程造價來確定橋梁方案,使得整個橋梁的經濟成本被壓縮。由于工程造價的限制,施工階段出現了相應的偷工減料行為,從而引發了重大事故。數十名過橋者經過彩虹橋時,橋梁突然整體垮塌,過橋者隨大橋墜入橋下,導致了人員傷亡,同時引起了極大的社會影響,這次事故共造成18名武警戰士和22名群眾的死亡,造成了慘痛的教訓。因此,在方案設計階段確定出正確合理的方案,是整體工程結構設計體系的前提。

2.2 初步設計階段

在初步設計階段,設計人員需要完成工程結構的主要設計布置,是之后具體施工圖設計和工程施工的重要基礎。當前設計人員為了縮短設計周期,常常采用套圖設計,直接套用之前相似設計中的部分設計圖,而未進行適用性分析,這必然使得整個設計存在缺陷。在工程結構建成之后,再對其進行設計加固,將大大增加了經濟成本。如天津開發區泰達大街京山橋,在初步設計階段未能進行嚴密的設計,橋墩采用獨柱墩進行設計,使得京山橋的安全穩定性受到影響。在京山橋實現通車之后,政府發現了設計缺陷,進行了雙柱加固處理,不僅增加了工程經濟成本,同時對當地交通造成了影響,更對人們對橋梁的安全性產生了質疑,造成了社會不良影響。

2.3 施工圖設計階段

施工圖設計階段是整個工程結構設計的最后質量關卡,包括結構設計的安全驗算、關鍵部位的構造設計布置等。在施工圖設計階段,設計人員需要對設計圖中的每個部位進行嚴格驗算,并查驗其設計是否遵循相關規范標準,而目前還存在因設計人員疏忽大意,或心存僥幸心理,使得整個設計中存在部分不合規范要求的薄弱環節。一旦薄弱環節遭到破壞,會引發相鄰結構部位的破壞,進而導致整個結構發生破壞。如哈爾濱陽明灘大橋事故,在施工圖設計階段中蓋梁設計存在局部承壓和抗剪能力的問題,在一般荷載情況下,蓋梁不會發生受力破壞。但在事故當天,幾輛大型運送石灰的貨車排列行駛在大橋上,形成單側連續荷載,造成蓋梁發生壓剪破壞,進而引發橋墩傾覆,造成3人死亡,5人受傷。

3 工程結構設計體系的完善與改進

3.1 引入概念設計

在結構設計的方案比選階段,引入結構的概念設計思想。由于方案設計階段不涉及荷載分析,因此從結構的整體剛度分布和局部剛度分布情況出發,在生態影響、經濟成本、施工難度等方面相近情況下,優選選擇結構剛度性能優越的工程結構設計方案。

頻率作為結構整體剛度的表征指標,可通過結構頻率的大小來衡量結構的整體剛度性能。以底部固接的桁架結構為例,在保證桿件數量一定的前提下,改變桿件的受力位置,可實現改變桁架結構的頻率,即桁架結構的整體剛度分布。由對比可知,在桿件數量相同即經濟成本相同時,采用斜桿均勻布置的底部固接桁架基本頻率更高,其抗側向變形能力更強,也表明其具有較好的抗震性能。

振型作為結構相對剛度的指標,是結構的固有屬性,結構的振型特征將表現在結構任意荷載作用下的受力變形中。振型的特點是在沒有受力荷載,僅知道結構的質量和剛度情況下,即可計算出結構振型。通常情況下,框架結構在地震作用下表現為典型的扭轉破壞,原因在于其結構振型存在扭轉振型。框架結構模型的第三階振型一般為扭轉振型,振型特征與框架結構的破壞特征相一致。工程結構都具有拉壓振型、彎曲振型等優良振型,將保證結構具有良好的變形性能。因此,利用振型的優劣即可對工程結構的變形性能進行初步地評價。

綜上,針對結構的方案設計階段,引入概念設計,將結構的頻率和振型作為工程結構設計的概念設計指標,進而選擇出性能更加優越的結構設計方案。

3.2 完善結構設計方案的評價體系

針對當前的方案評價體系中注重單項指標的現狀,應試圖建立完善的評價體系,進而選擇出更加適合實際情況的結構設計方案。本文嘗試采用構建數學模型來實現量化評價結構設計方案。

工程結構設計不能以單一指標作為評價指標,需要綜合考慮結構的各項指標,包括生態指標、經濟指標、美觀指標等。這就表明,結構設計體系合理評價的前提在于目標函數的確定。利用專家打分制確定各個指標的量化,依據層次分析法確定最終的目標函數,從而得到更加科學合理的評價體系。

在確定目標函數之后,需要進一步確定結構設計評價數學模型中的約束條件,質量安全作為工程結構設計的第一準則和底線,須作為整個結構設計中的硬性約束條件。由此構建出了結構設計方案評價體系的數學模型。以斜桿支撐的框架結構為例,以結構的受力性能和經濟成本為評價指標,通過改變斜支撐的位置來改變結構的整體抗側能力,進而影響結構的水平抗震性能；通過控制斜支撐的數量,進而影響整個結構的經濟成本。由此,以結構的質量滿足規范要求最為數學模型的約束條件,通過求解數學模型,即可確定斜支撐的數量和位置,選擇出最優的結構設計方案。

綜上,依據科學合理的數學模型,構建了一套更加完善的工程結構設計方案的評價體系,從而確定出更加合理的結構設計方案。

3.3 注重結構設計的實用創新

工程結構設計創新是一種實用創新,是以“更好地為人們生活服務”為第一準則的,而不能是盲目地創新。為了所謂的政績和虛名,浪費人力和物力,是毫無實際意義的。

中國現在還遠未達到懸索橋最大跨徑的極限,不能為了創造紀錄而不考慮經濟因素。在武漢長江大橋上游和白沙洲大橋之間建立的楊泗港大橋,與相鄰的武漢一橋的跨度極不協調。為了追求大跨徑,楊泗港大橋采用一跨過江,設置為1700m的懸索橋,僅僅為了追求跨度創新,大大增加了經濟成本。若將其設置為2×600m的三塔斜拉橋讓上下行船只分孔通航,就會更經濟合理,也更美觀。

工程結構設計作為實用性極強的行業,其目的是為了設計出滿足人們需求的結構,而不是為了所謂的虛名,浪費人們的物力和財力,工程結構設計的實用性創新將是未來結構設計創新的主流方向。設計人員不能因為近期國內經濟的迅速發展而使得創新方形進入誤區,需將創新更多地投入到工程結構實踐中。

3.4 嚴謹工程結構設計的審查制度

工程結構設計的審查是保證工程結構設計合理和質量安全的最后環節,也是最為重要的環節。在初步設計階段和施工圖設計階段,設計人員難免會存在疏忽,造成工程質量存在隱患。審查制度的完善和嚴謹并不意味著增設更多的審查門檻,設置過多的審查門檻將會導致設計進度的滯后,同時對結構設計的安全保證并沒有顯著的提高,且增加了更多的人力和物力成本。如何把控結構設計的重要節點才是審查制度的重點,對關鍵節點增設專門的復查制度,并設置相互獨立的渠道按照相應規范進行驗收,從而把控整個結構設計體系的安全性。

因此,嚴謹工程結構設計的審查制度是工程結構設計體系完善中不可缺失的重要環節。隨著工程結構設計的不斷發展,審查制度亦將隨著結構設計的發展而不斷完善,從而進一步保證工程結構設計體系的合理性和安全性。

4 結論

工程結構設計體系的完善和改進是推動工程結構行業發展的強大動力,其重要性日益增加。本文在結構設計各個階段進行了詳細分析,針對當前的問題和不足,引入結構的概念設計,以彌補結構設計初選階段的不足,期望在根源上解決結構設計存在的一些問題。進而依據科學合理的數學模型,提出一套更加完善的工程結構設計方案的評價體系。在此基礎上,對結構設計的實用創新和審查制度提出了一些建議,從而為完善和改進工程結構設計體系提供一些參考和依據。