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土木建筑工程结构的安全性与耐久性设计探析张鹏

发表时间：2021/4/22 来源：《基层建设》2020年第33期作者：张鹏宋伟

[导读] 摘要：结构设计是建筑设计工作的有机组成部分，是建筑工程过程的重要关节，关乎整体建筑大局。

        国环科技发展（湖北）有限公司湖北武汉 430061
        摘要：结构设计是建筑设计工作的有机组成部分，是建筑工程过程的重要关节，关乎整体建筑大局。受制于建筑设计的结构设计，往往是出现在建筑设计之后的。虽然结构设计会对建筑设计产生一定的影响，但其影响绝不可能是破坏性的。建筑结构设计具有系统性，这要求相关技术人员要拥有严谨的工作态度和重组的理论功底。
        关键词：结构安全性与耐久性分析；方法
        1结构工程中的不确定性及其来源
        地层介质特性参数的不确定性，地层介质的形成经历了漫长的地质年代，并不断经历自然地址构造运动和人类活动的影响，使地层介质在多数情况下都明显呈现非均质、非线性、各向异性和随即离散等特性。岩土体分类的不确定性，各种岩土体分类法是根据相关的工程部门的规范或标准进行制定，通常这些标准都是经过了长期的计算结合结果和经验拟定，在实际工作中往往带有一些不确定性，在特殊情况下相关工程师对标准有些不同的理解和处理方法，因此会在使用岩土体分类法时得到不同的结果，导致岩土体分类的随机性，最后导致了建筑结构设计的不确定性。影响地下结构分析的主要不确定因素大致分为两类，分别为荷载与抗力的不确定性和抗力。结构施工、设计涉及的荷载包括已明确的荷载因素和未明确的其他因素。自然条件的不确定性：岩土介质的力学性状与自然条件有着密切关系。当自然条件发生较大的变化时，岩出介质的性状大多会发生很大变化，如果对这种影响估计不足或没有很好的掌握其规律，就会出现意想不到的严重事故，因此自然条件的不确定性对岩土体变破影响采用确定性分析方法是较难以模拟的。
        2我国结构设计方法的演变过程
        容许应立法以一个点的安全决定结构构件的安全，而且当时的安全系数主要依据经验确定。60年代：三系数极限状态设计发。三系数：工作条件系数；荷载系数；材料匀质系数。80年代：概率极限状态法，以安全性与耐久性理论为基础，用多个分项系数表达的设计方法。多个分项系数：结构构件重要性系数，荷载分项系数，材料分项系数等。21世纪初：概率极限状态法，与80年代的设计方法相比，设计理论与方法上无大的变化，但安全性与耐久性有较大的提高，用钢量增加10%，造假增加5%左右。
        3结构安全性与耐久性设计的基本原理
        结构上的作用和作用效益。作用：使结构或构件产生内力和变形的各种原因的总成。直接作用（荷载）：以力的形式直接作用于结构上；间接作用：以变形的形式作用在结构上，或者说引起结构外加变形和约束变形其他作用。作用按其随时间的变异性分类，永久作用：其值不随时间变化或变化与其平均值相比很小（恒载）；可变作用：数值随时间而变化或者变化与平均值相比不可忽略，比如活荷载；偶然作用：量值很大且持续时间很短的作用（使用期间不一定出现）。作用效应：由作用引起的结构或结构构件的内力和变形（轴力、剪力、弯矩、扭矩、变形、裂缝等）。结构抗力：整个结构或结构构件承受作用效应即内力和变形的能力，例如构件的承载能力、抗裂能力等。影响因素：材料性能（强度、变形模量等），几何参数（构件尺寸等），计算模式的精确性。
        4结构设计应满足的要求
        建筑结构设计主要由结构方案设计、结构计算和施工图纸设计三个阶段组成，在进行建筑设计的过程中，技术人员要勘察所要施工的建筑物，分析其重要性，根据该建筑物的高度和层数、该施工区域的抗震设防烈度和类型来确定所施工建筑物的结构形式。结构设计具有严格的规范性，因此结构设计有其特殊的功能要求。安全性与耐久性是技术人员首要考虑的问题，也就是说所设计的建筑应在符合规定的条件下，在应使用的期限中，达到耐久性、适用性、安全性这三种安全性与耐久性的要求。结构设计应保证整体的牢固性，充分考虑每个构件的各个连接是否结实，检查各个构件是否安全，以保证建筑结构的安全性；技术人员在考虑可靠性、安全性的同时，还应考虑结构自身的适应能力，即结构不发生超过正常使用范围的震动和变形，其工作性能仍然能被保持；最后结构设计还应考虑结构的耐久性，也就是说结构的刚度和承载力不会在外在因素的影响下而降低，对结构的安全性构成威胁。

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        5结构安全性与耐久性计算的主要方法综述
        验算点法：为使设计模式符合客观实际，提出当量正态变量，把结构安全性与耐久性计算中的极限状态对应的函数函数推广到多个变量的非线性情况，建立了验算点法，这种设计模式对任何分布类型都适用。多个非正态分布随机变量需在设计验算点Xi处将非正态分布随机变量装换成相当的正态分布随机变量（当量正态化处理）。正交变换法：近似计算安全性与耐久性指标时最简便的方法，只需要考虑随机变量的前一阶矩和二阶矩，和其对应的功能函数泰勒级数展开式的常数项和一次项，并且以随机变量是相对独立的为前提，最后在笛卡儿空间内建立出求解安全性与耐久性指标的公式即可。
        6荷载作用的统计分析方法以及作用效应组合
        6.1按结构的承载能力极限状态设计的作用效应
        在此分类标准下，可总结为为两种作用效应组合，即基本组合和偶然组合。作用效应基本组合表示为荷载的可变作用设计值效应和荷载的永久作用的设计效应的相关组合，这种组合在设计时比较常用，在进行结构安全性与耐久性设计时是应当考虑的。结构荷载的偶然组合则并不一定要考虑从可变作用效应参与在其中，在一些特殊的情况进行结构设计时，偶然组合不是所有的结构都要考虑的，一些特殊的组合可以直接采取其他特殊的相对应有效的措施解决。
        6.2按正常使用极限状态设计的作用效应组合
        在一些常见建筑结构例如桥梁路面等，在进行正常使用极限状态设计的作用效应组合时，需要考虑可变作用荷载中的长期和短期的效应组合。在考虑到正常使用状态下的裂缝开度和结构的挠度，根据承载能力极限状态得到的结构安全性与耐久性往往要低得多。
        7影响抗力的不定性因素与抗力的统计分析方法
        影响结构抗力的主要因素包括：结构构件材料性能的不定性；结构构件几何参数的不定性；结构构件计算模式的不定性。结构的作用或荷载的不定性影响作用。在结构抗力分析方法中，直接进行统计分析过程一般比较复杂不容易得到较好的结果，所以需要采取间接分析方法，即先确定统计参数，需要通过对结构抗力进行部分的统计分析并针对主要影响因素分析得到，其次结合结构抗力抗力与各个相关因素之间的函数关系，从相关影响因素的统计参数推求结构抗力的统计参数和概率分布类型，当确定构件抗力及其各项影响因素的统计参数时，采用近似公式。
        8现行规范采用的设计表达式以及各系数的来源
        （1）根据《荷载规范》的要求，结构构件承载力设计应根据荷载效应的基本组合或偶然组合进行，其一般表达式为：γ0•S≤Ｒ，式中：①γ0：结构重要性系数；②S：结构效应组合的设计值；③Ｒ：结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。（2）其中γ0、S、Ｒ都体现了安全性与耐久性。①结构效应组合的设计值相对于荷载标准作了一定的放大（设计值=分项系数x标准值）；②结构构件抗力的设计值国家规范在确定其数值时也考虑了构件安全性与耐久性使得规范的构件抗力比实际构件的抗力要小一些。
        结束语
        随着建筑工程技术的不断提升和建筑建设水平不断提高，建筑工程建设目前的发展趋势是大规模和高层化。基于此，对于建筑物的可靠度要求也越来越高。建筑结构设计中的可靠度和建筑物的安全性能有着巨大的联系，所以非常有必要对其进行深入的分析和研究，保证建筑结构的可靠度，提升安全系数。
        参考文献：
        ［1］王梓坤．概率论基础及其应用［M］．科学出版社，1976，7．
        ［2］刘楚中，舒兴平．建筑结构安全性与耐久性［M］．湖南科学技术出版社，1996，8．