關于土木工程荷載與結構設計的分析

李睿

（江西洪城水業股份有限公司，江西南昌 330000）

目前，我國經濟水平有了極大提高，城市化進程不斷加快，建筑行業規模越來越大，建筑結構類型也越來越多樣，建筑結構的復雜性也導致了工程建設難度的增加，所以建設土木工程建筑時，要合理設計工程結構，保證建筑負載能力達到標準，從而提高建筑的穩定性和安全性。

1 土木工程相關理論闡述

1.1 結構設計理論內涵

簡單來講，土木工程結構就是支撐建筑物不可缺少的一種承受骨架，合理設計工程結構，選擇合適施工材料，以高超施工技術為輔助可以有效提高工程質量，促進建筑行業發展。

1.2 荷載設計理論內涵

根據對土木工程建筑結構相關專家的著作、研究成果等等內容的分析發現，載荷設計的內涵其實就是建筑結構在受到外力作用后出現的不同程度形變量，簡單來講就是結構的抗壓能力和負載能力。

2 關于土木工程結構承受的載荷分類

一般情況下，土木工程載荷主要分為以下兩種：①時間變化。②結構動力反應。而時間變化又有三個不同表現形式：①永久作用載荷。永久作用載荷不受時間變化影響，設計與使用過程中數據平均值波動不大，基本可以忽略，但是永久作用載荷同樣具有隨機性，容易受到空間位置變換影響，例如，土壓力、預加壓力、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于土木建筑來講影響范圍很小，基本可以忽略不計；②偶然性載荷，這種載荷出現在設計基準期的概率不大，但是如果出現偶然性載荷會對土木建筑造成比較大的影響，比如由于出現臺風、龍卷風或者地震等等大型自然災害而產生的巨大沖擊力可能會導致建筑損毀；③可變的作用變化值波動較大，設計期內不能忽略，許多常見載荷都是屬于可變作用載荷，例如，由于水位變化而產生的水壓力載荷、密集人群造成的載荷、橋梁結構過重車輛載荷等等，這些載荷量能值都是跟隨時間變化的，設計合理支撐結構時要重視這幾方面內容。而結構動力反應也分為以下兩個類別：①靜態作用，靜態作用基本不會產生加速度，對結構或者構件產生加速度可以忽略不計，我們熟知到房屋的樓面活載荷就屬于靜態作用；②動態作用產生的加速度比較大，對于建筑結構來講無法忽視，地震、龍卷風、行駛車輛等等都屬于動態作用載荷。

3 關于土木工程結構的幾種典型設計方法

建筑行業的發展也帶動了土木工程結構設計行業的發展，經過長時間的發展，土木工程結構設計也有幾種比較典型的設計方法，其中較為經典的有19世紀后期產生的容許應力設計，這種結構設計方法的起因是彈性理論，主要有以下四個特點：①使用同一個參考系數確定各種不同類型的抗力和載荷；②不設定統一的材料最大強度；③依靠過往工作經驗確定設計安全裕度；④設計時忽略原材料塑性變形能力。除此之外，20世紀30年代產生的破損階段設計方法也比較常用，這種方法是由幾個蘇聯學者提出的，包括以下三個方面特點：①在處理不確定因素以及載荷，破損階段設計方法與容許應力設計方法相同，即使用統一系數分析所有不確定因素；②在結構安全裕度方面，破損階段設計方法也要根據過往經驗進行裕度值確定；③與容許應力設計方法不同的是，這種設計方法考慮到了原始材料的塑性變形能力。另外，建筑行業經過不斷發展之后，又有學者提出了多系數極限狀態設計方法。這種設計方法主要通過分析建筑結構在滿足設計需求時的臨界狀態來提高設計質量，主要包括以下四個特點：①分析建筑結構在不同狀態下的極限值，例如正常使用極限值和承載能力極限值，然后在針對不同狀態進行不同設計；②在處理載荷與抗力系數的時候，選擇與傳統設計相同的處理方法，即根據相關經驗確定結構載荷與抗力系數；③多系數極限狀態設計方法通過統計學確定材料強度；④針對不同載荷以及不同狀態的抗力因素，選擇合適的安全系數，提高結構穩定性和安全性。最后，20世紀70年代設計方開始大規模推廣應用結構可靠度設計方法，這種方法的來源是部分學者改進傳統設計方案，融合傳統設計方法中的優勢部分，然后根據概率論的可靠性理論創造了結構可靠度設計方法，主要有以下三個特點：①測試不同狀態下的結構極限值，例如結構承載能力極限。②依據結構設計強度目標確定結構載荷與抗力系數。③以概率論原理為基礎，結合統計學，確定結構可承擔的最大負荷值，提高建筑結構使用性能。

4 荷載和結構、抗力的分析情況

4.1 影響結構可靠性的因素以及它的隨機性

土木工程結構在建設過程中會受到很多因素影響，其中最主要的是這兩個方面：①土木工程結構本身對于外界影響的抵抗。②各種各樣的外界影響因素。土木工程結構產生變形、傾覆、滑移等等作用最主要的原因是外力作用工程結構支座位置會產生支座反力，而最常見的土木工程結構由于受到外力影響而產生內力，包括扭轉、剪應力等等，這些改變這很大程度上影響了土木工程結構抗力的幾何參數，以及材料性能。

4.2 土木工程結構的可靠度

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

5 關于土木工程結構設計與載荷間的關系

一般情況下，土木工程結構設計工作主要由策劃、設計、施工三個步驟組成，其中方案設計是最重要的環節，一個合理的土木工程結構設計方案要包括建筑結構設計和工程功能設計。首先人員要保證設計方案能夠通過合理結構形式支撐建筑本身，另外，還要保證結構負載能力達到標準，能夠減小外界載荷作用對建筑的傷害。原始材料質量好壞與結構工作性能也有直接關系，材料采購工作人員要在采購之前深入了解結構所需材料情況，確保購入材料能夠進行結構制造。為方便施工，結構設計人員要在設計方案中標明施工尺寸、施工注意點等等。

6 土木工程荷載效應組合設計對結構設計的影響

一般情況下，載荷取值會直接影響結構質量，土木工程結構構件設計時會根據載荷的取值確定相關數據，所以一旦載荷取值出現誤差，就很容易導致設計過程中所需要的結構抗力產生誤差，那么結構構件的安全性和穩定性會就會大大降低。另外，根據多次實驗發現，當應力值或者結構取值偏大時，構件穩定性沒有明顯提高，如果載荷取值比較小，結構取值誤差大，土木工程結構穩定性和安全性則會大大降低。除此之外，載荷設計對結構系統影響也很大，根據公式計算數據之后發現，串聯結構體系對于載荷參數變化敏感度非常高，載荷數值降低會導致建筑結構穩定性大大降低，載荷參數值與串聯結構可靠性成正比關系，例如，載荷參數值為負值，結構可靠性也為會負值。

7 做好土木工程結構設計和荷載的主要措施

7.1 確定結構設計方案的措施

我們以樓房土木工程的結構為案例，可知設計結構方案要包括框架結構選擇、基礎布置、結構措施等等，具體要考慮以下兩點：①梁和柱的構件是框架的主要組成部分，而節點又是主要連接方式，在設計時要考慮構件的載荷能力；②基礎布置要根據施工現場的實際情況進行，另外，要根據樓層層數進行具體結構的設計。

7.2 做好后期工作

后期工作是整個建設工程非常重要的一個工作，施工時設計人員與施工人員缺乏溝通，容易造成施工問題，所以，在實際工程建設時，各環節工作人員要全程保持聯系，確定所有員工都可以明確施工信息，便于改進設計方案的不足，為后續施工提供方案保障，設計人員也要明白，修改方案只是為了獲得更加優秀的建筑成果，不是否定初始方案。

7.3 提高結構設計的安全性

安全是所有工程建設的重點關注內容，所以設計方案也要注重結構安全，設計師應該嚴格按照國家標準進行結構設計，提高結構設計安全性。另外，施工單位在實際施工時應該全程監控施工過程，避免安全問題發生。

8 結束語

綜上所述，建筑工程結構安全穩定與土木工程結構設計方案有直接關聯，好的設計方案不僅可以提高工程質量，為企業帶來更多經濟效益，也能促進建筑行業發展，所以，設計人員要結合全面因素合理進行方案設計。