关于土木工程荷载与结构设计的分析

关于土木工程荷载与结构设计的分析摘要：本文在已有的理论基础之上，对土木共工程荷载进行了重新释义，对土木工程荷载与建筑结构设计的关系进行了分析，并且提出了土木工程的设计方法以及指出了影响建筑结构可靠性的因素，希望为建筑结构的设计工作提供一定的理论参考。

关键词：土木工程荷载与结构设计串联结构并联结构设计方法

中图分类号：tu2文献标识码：a文章编号：

前言

自上个世纪九十年代开始，我国的土木工程建设的发展速度便逐渐提高，但是土木工程结构在使用的过程中容易受到外界因素的侵蚀，建筑材料的质量会随着时间的推移而不断下降，这也就导致土木工程结构的承载力随之下降，使结构的安全性受到威胁。因此在建筑结构的设计时，要充分考虑到建筑结构所要承受的各种外界因素即施加在建筑结构之上的各种荷载。

土木工程荷载的概念

在《工程结构设计基本术语和通用符号》中对“作用”作了如下定义：“施加在结构上的一组集中力或分布力，或引起结构外加变形或约束变形的原因，统称为结构上的作用”。在土木工程领域，荷载一般是指能对结构产生的效应的各种因素（内力、应力、变形、应变、裂缝等）的总称，是作用的具体体现。其分类方式较多，按时间的变化可分为永久荷载（永久作用在设计的标准之内，不随时间的变化而变化）、偶然荷载（在设计的基准期不一定会出现）、可变荷载（在设计的基准期随着时间的变化而变化）；按结构动力反应可分为：静荷载或恒载（大小、位置和方向不变）、活荷载或可变荷载（大小、位置和方向随时间变化），荷载产生的后果就是导致内力、应力、变形、应变、裂缝等。

土木工程结构设计的概念

土木工程的结构设计及时指建筑中使用何种建筑材料、材料的尺寸以及何种形式的骨架进行支撑，采用何种方式抵御荷载等，它需要维持建筑的耐久性、安全性、可靠性，因此在土木工程结构的设计中要完成建筑结构的设计，设计出最合理最科学的建筑结构形式，既满足其该有的功能，也保证外观上的美观。同时在对结构要进行详细的设计，完成荷载的计算、荷载效应计算以及结构的抗力计算。

土木工程设计以及与荷载的关系

在我国一般将直接作用力称为结构的荷载，作用力一般指间接作用力，国际上很多国家队荷载和作用力没有严格的区分。土木工程建造主要有策划、设计、施工等步骤，而设计则是策划和施工的桥梁，是将策划具体化，确保施工正常进行的关键环节。设计包括对建筑的结构和功能的设计，这就关系到建筑的骨架、建筑材料、每个部分的尺寸、建筑的用途，同时还要考虑建筑结构的外形美观和可靠性（建筑结构的安全性、适用性、耐久性）。

荷载对结构设计的影响

（一）荷载设计对构件的影响

荷载的取值决定了构件的可靠性，在构建设计中如果荷载的取值错误，那么根据错误的荷载所设计的结构其抗力就不符合要求，将直接影响构件的可靠性。

（二）荷载对结构的影响

1.荷载对并联结构的影响

荷载参数的变化不明显的话，并联结构体系的可靠度就较高。并联结构中，若果荷载取值较大的化，对提高建筑结构可靠度的作用就较小；荷载取值偏小则“并联结构体系的可靠性会随着荷载取值错误发生概率的减小，而大幅度提升”。

2.荷载对串联结构的影响

根据有关的测算公式表面，串联结构的可靠性指标对荷载参数的变化较并联结构更明显，当荷载参数变小时，串联结构的可靠性则会降低。当荷载参数为负数时，串联结构的可靠性指标也是负值，这也即是说：“对于串联结构体系，如果结构设计荷载取值偏大的话，对串联结构体系可靠性的提高并不大，相反如果结构设计荷载取值偏小的话，随着荷载取值错误发生概率的增大，串联结构体系的可靠性会大幅度降低”，串联结构的各元件与荷载的可靠性指标的相关性直接影响系统的可靠性，两者之间相关性越大，结构就越安全。

荷载和结构、抗力的分析情况

（一）影响结构可靠性的主要因素

影响建筑结构的可靠性的因素有很多，但主要的有两方面：一方面是结构本身对作用效应的抵抗能力；另一方面是结构所承受的作用。施加在建筑结构上的作用会在支座处产生反力，致使结构产生变形、内力、滑移甚至倾覆。

（二）结构的可靠度

建筑结构的可靠度即是对结构的可靠性定量的概述，其实就是时间问题，即是在一定的条件之下，可完成预定功能的概率，也就是说在各种随即条件因素的影响下，结构能完成预定功能的能力是不可预知的，只能通过概率来确定。因为一般情况下结构失效是概率较小的事件，因此利用失效概率来评估结构的可靠度也显得更加直接。

土木工程结构的设计方法分析

（一）容许应力的设计方法

容许应力设计是nayier基于弹性理论提出关于土木工程结构的的设计方法，其在设计中主要注意以下四点：

包括抗力和荷载以及所有不确定因素都使用同一个系数进行考虑；

关于材料的强度极限没有准则；

安全系数平设计师的经验确定。

（二）多系数极限状态的设计方法

极限状态即是指“建筑结构满足设计所规定的某一功能要求的临界状况，超过这一状态结构就不满足设计的要求。”建筑结构的极限状态包括正常使用极限状态和承载能力极限状态两种，这种设计方法也有自己的特点：

1.明确按不同极限状态进行设计，这包括正常使用的极限状态和承载能力的极限状态；

2.抗力和荷载系数也是凭精要确定。

（三）破损阶段的设计方法

破损阶段设计方法是前苏联学者者格沃兹捷夫和帕斯金尔纳克等人通过研究在上个世纪三十年代提出的，这种方法主要以下几个特点：

所有不确定因素都采用同一个系数进行考虑；

安全系数完全凭经验决定；

要考虑材料的塑性能力。

（四）结构的可靠性设计方法

随着可靠度理论在上个世纪七十年代日臻成熟，有学者提出了结构可靠度的设计方法，其具有以下特点：

1.对不同的极限状态分别进行设计；

2.荷载以及抗力系数根据确定的目标概率进行标定；

3.荷载的标准值根据数据统计的结果进行确定。

结语

土木工程领域，建筑结构的荷载和结构设计之间有着十分密切的关系，在建筑机构设计前，一般会对不同的荷载按组合向结构施加，进行科学的分析，“借以获得建筑结构在不同荷载组合下的作用下的不同的响应”,只有通过不同的荷载组合，才能全方位地考虑到荷载对建筑的影响，从而在设计中采取有效的方式避免有关荷载对建筑结构的破坏。

参考文献：

[1]杨文东.关于土木工程荷载