土木工程荷载与结构设计探讨 毛加成

发表时间:2015/11/9   来源:《工程建设标准化》2015年7月供稿   作者:毛加成
[导读] 成都协合结构设计事务所有限责任公司 荷载和结构设计都是土木工程学科最重要的基础课程,在土木工程的教学目标中提出。

毛加成
  (成都协合结构设计事务所有限责任公司,四川,成都,610000)
  【摘  要】土木工程是一个包含比较广泛的学科,土木工程中荷载不仅有很多种类型,而且产生的作用也是相当复杂的,不同的荷载的随机的组合会给实际工程造成不一样的影响。在土木工程的建设中不仅要考虑工程的美观实用,也要重视其安全性和经济性。本文就土木工程载荷与结构设计的相关概念与方法进行了介绍,分析了工程载荷与结构设计的关系,总结了几种荷载组合的随机方法,提出了土木工程结构设计中存在的问题,并针对问题提出了解决对策,确保结构的安全性。
  【关键词】土木工程;荷载;结构设计
  荷载和结构设计都是土木工程学科最重要的基础课程,在土木工程的教学目标中提出,尽量让土木工程专业不同方向的学生对荷载和结构设计都有一定的了解,要掌握土木工程结构设计的基本理论、结构可靠原理以及结构设计方法。目前国内学者的相关研究存在一定局限性,在教学内容上缺少不同结构形式上不同荷载的计算方法和结构设计方法的对比,同时在具体的知识点上没有体现出其差异性和共同点。
  1.土木工程荷载和结构设计
  1.1土木工程荷载概念
  荷载是指作用于工程结构上的外力,根据大小、方向、位置是否改变可以分为静态荷载和动态荷载。作用是指能使工程结构产生效应的各种原因,包括内力、应力、变形、裂缝等等,分为直接作用和间接作用。作用效应是指作用产生的结果。根据时间变异分类,荷载可分为永久性荷载、可变荷载和偶然荷载。按照空间变异分类还可以分为固定荷载和可动荷载。日常生活中,比较常见的有:民用建筑楼面均布活荷载、屋面均布活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载、吊车荷载、风荷载、地震荷载和其它像是振动,撞击,爆炸等等。为了方便设计,我们把荷载按一定的量值规定,有标准值、频遇值、准永久至和组合值。
  1.2工程结构设计方法简介
  近年来,我国的工程技术部门渐渐开始编制和发布第一层次的工程结构可靠的具有统一性的标准,第二层的铁路工程结构、建筑工程结构、公路工程结构、港口工程结构等等都存在一套比较好的设计方法。但是由于当前还存在一些不同土木工程结构设计的方法仍没有达到统一,但是工程结构的可靠设计标准规定,结构设计规范都必须采用国际先进概率理论作为基础的极限态度设计,从而就使得土木工程结构逐渐达到了统一的标准了。
  1.3土木工程荷载与结构设计的关系
  在土木工程学科中,荷载以及作用这两个词出现的频率是最高的,对在现实的工程设计中,荷载和作用基本不会影响作用效应和结构的本身。就目前而言,最主要还是一个概念的问题,在我们国家,一般的情况下,荷载指的是直接作用,而作用有时指的是间接作用,有时是直接作用,但是在国际上,还是有不少的国家对作用和荷载没有明确严格的区分。
  2.荷载组合随机方法
  2.1随机荷载组合理论以及规则
  对于承受 n 种荷载作用的工程结构,如果抗力随时间的变化忽略不计,那这种荷载的极限状态方程式可以表示为:
  
  随机荷载组合比较合理的理论和规则主要包括很多种方法,如:峰值迭加法、穿越分析法、平方和方根法等。
  2.2常见的随机荷载组合规则比较
  为了把这么多随机荷载组合的规则进行有效的比较,使用比较耐久性的活性荷载 、比较临时性的荷载  、风荷载 W 等三个活性的荷载组合的算法来进行有效的对比。依据前面介绍的各种随机理论,分别对这三种荷载以及荷载效应进行荷载相遇法、F - B 组合、TR 组合、JCSS 组合的各种不一样的情况。同时为了这种三种不同的荷载方法能够更好的比较,组合结果都使用无量纲化的比值得出,然后找到组合效应最大的分布平均值,结合平均值得出荷载自身的规律,跟组合的方法没有任何的关系。各种不一样的组合规则计算结果都会随着荷载效应比例的变化,SL / SW 会增大,而且在荷载效应比的数值取 1 时,会产生最小值,可以看出 F - B 组合规则计算结果是三种之中最大的,那就说明这种计算方法比较保守。 JCSS 组合规则和 TR 组合规则在荷载效应值比较小的时候,计算结果值也偏小,所以 JCSS 和 TR 组合规则是偏于不保守的,但是随着荷载效应值的增大会慢慢的偏向保守。所以,在不同的荷载效应值得情况下,各种随机组合的风险是不同的。
  3.荷载和结构的抗力情况分析
  3.1 影响结构可靠度的因素
  影响结构可靠度的原因在实际的操作中有很多,其中最主要的两个原因:一是结构本身对不同作用效果的抵抗情况,另一方面是结构对自身所受到的不同压力来自于外界的作用。施加在结构上的不同作用会导致结构产生内力、变形、倾覆和滑移。
  3.2 结构的可靠度
  结构的可靠度是指完成预定功能的概率,是结构可靠性的概率度量。在不同的随机原因的影响下,结构完成的预先规定的功能的能力是不能确定的。所以结构的可靠度就只能用概率来表示了,因为结构失去作用是一个非常小的事件,失去作用的概率对结构的可靠度的把握也就显得更加的明显,所以大部分的情况都会用概率来表示结构的可靠度。
  4.结构设计中存在的问题
  根据《建筑结构荷载规范》,建筑结构的荷载一般分为三类,永久荷载、可变荷载和偶然荷载。荷载规范给出了常规情况下荷载的取值,然而随着建筑物功能越来越精细化个性化,荷载取值偏差过大是结构设计中存在的最为严重的问题。土木工程设计中,一类问题是很多设计者为了一味保守,片面人为的加大荷载取值,另一类是,在限额设计中,或当结构动荷载、设备等效荷载时,因经济指标或考虑不周而偏小。荷载过大的荷载容易引起“肥梁胖柱”等问题,浪费社会资源,荷载偏小引起结构构件开裂挠度过大等影响实际使用的问题,近年来尤为突出。
  5.解决对策
  5.1设计合理的机构设计方案
  以房屋工程结构设计为例,结构设计方案为结构形式选择、基础布置、确定结构措施等等。结构形式要根据体型等,综合考虑竖向和水平荷载,满足抗震的要求;基础布置要结合当地的地质、水文、气候等条件;结构措施则要具体针对建筑结构的抗震要求计算,采取必要的措施。
  5.2设计合理的内力组合
  内力组合设计要求工程结构设计在满足抗震设计的基础上,调整组合内力,并考虑不利布置。另外,内力组合也应根据抗震性能目标来进行调整。
  5.3荷载的合理等效
  等效分析法是常用结构设计方法,通常来说经过对永久荷载、可变荷载以及偶然荷载进行预算,将其荷载进行合理等效的承担。
  4.结束语
  土木工程多年来的发展,在社会建设中起到了举足轻重的作用。由于土木工程结构设计与工程建筑的安全性和经济性有直接关系,我们在设计土木工程结构时,要平衡好安全性和经济性,就需要在设计的时候多下功夫,综合考虑多方面影响因素。在今后的生活生产中,要采用科学的管理和设计模式实现安全性和经济性的统一,建设更美观、更安全,并能为企业带来更大的经济效益的土木工程。
  参考文献:
  [1]中国土木工程学会. 中国土木工程指南[M]. 版. 北京: 科学出版社,2000.
  [2]中华人民共和国国家标准. 建筑结构设计术语和符号标准.
  [3]张新培 .建筑结构可靠度分析与设计[M].北京:科学出版社,2001
  

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