土木工程荷載與結構設計的研究

■吳傳偉 ■北京國科天創建筑設計院有限責任公司，江西 南昌 330000;身份證號碼:362226198611121210

荷載和結構設計是屬于土木工程專業的基礎課程，在土木工程的教學目標中有提到:盡量讓土木工程專業的不同方向的學生對荷載和結構設計都有一定的了解，盡最大的可能讓學生知道各種不一樣的荷載以及荷載相對應的方程式，在此基礎上應該要掌握結構設計的基本理論、結構可靠原理以及結構設計的方法。目前國內的相關研究方面存在一定缺陷，在教學內容上很少對比區分不同結構形式上不同荷載的計算方法和結構設計方法，也沒有在具體知識點上體現出差異性和共同點。

1 土木工程荷載和結構設計

1.1 工程結構設計方法的簡介

近年來，我國的工程技術部門也慢慢開始編制和發布第一層次的工程結構可靠的具有統一性的標準，第二層的鐵路工程結構、建筑工程結構、公路工程結構、港口工程結構等等都存在一套比較好的設計方法。但是由于當前還有一些不同的土木工程結構設計的方法依然沒有達到統一，但是工程結構的可靠設計標準規定，結構設計規范都必須采用國際先進概率理論作為基礎的極限態度設計，從而就使得土木工程結構逐漸達到了統一的標準了［2］。

1.2 土木工程荷載與結構設計的關系

在土木工程學科中，荷載以及作用這兩個詞在學習的時候出現的頻率是最高的，對于現實中的工程設計來說，荷載和作用大部分情況都不會影響作用效應和結構的本身。就目前而言，最主要還是一個概念的問題，在我們國家，一般的情況下，荷載指的是直接的作用，而作用有的時候指的就是間接作用和直接作用，但是在國際上，還是有不少的國家對作用和荷載沒有明確嚴格的區分［1］。

2 荷載組合隨機方法

2.1 隨機荷載組合理論以及規則

對承受n種荷載作用的結構，如果抗力隨時間的變化而忽略不計，這種荷載的極限狀態的方程式可以表示為:

其中公式中的R指的是結構抗壓力度，Si(t)是i種荷載的效應，而且這個過程是一個隨機的過程，S(t)是指n種荷載的所有效應，這個過程也是一個隨機的過程。

從上面的公式分析中可以看出，結構的可靠程度是由荷載組合來決定的，而且從數學的角度講，荷載的問題在很多個隨機過程中進行疊加方面都有關系。但是在實際的工作中，通常情況都是采用基準期最大的荷載隨機變量代替隨機過程進行有效的分析，所以荷載組合的關鍵是荷載組合的最大值SM所決定的，如下公式:

所以，隨機的荷載組合比較合理的理論和規則主要包括很多種方法，如:峰值迭加法、穿越分析法、平方和方根法等等。

2.2 常見的隨機荷載組合規則比較

為了把這么多隨機荷載組合的規則進行有效的比較，使用比較耐久性的活性荷載Li、比較臨時性的荷載Lr、風荷載W等等三個活性的荷載組合的算法來進行有效的對比。

依據前面介紹的各種隨機理論，分別對這三種荷載以及荷載效應進行荷載相遇法、F－B組合、TR組合、JCSS組合的各種不一樣的情況。同時為了這種三種不同的荷載方法能夠更好的比較，組合結果都使用無量綱化的比值得出，然后找到組合效應最大的分布平均值，結合平均值得出荷載自身的規律，跟組合的方法沒有任何的關系。

各種不一樣的組合規則計算結果都會隨著荷載效應比例的變化，SL/SW會增大，而且在荷載效應比的數值取1時，會產生最小值，可以看出F－B組合規則計算結果是三種之中最大的，那就說明這種計算方法比較保守;從圖3－1中還可以看出JCSS組合規則和TR組合規則在荷載效應值比較小的時候，計算結果值也偏小，所以JCSS和TR組合規則是偏于不保守的，但是隨著荷載效應值的增大會慢慢的偏向保守。所以，在不同的荷載效應值得情況下，各種隨機組合的風險是不同的。

3 荷載和結構的抗力情況分析

3.1 影響結構可靠性的因素

影響結構可靠性原因在實際的操作中有很多種，其中最主要的原因有兩個方面，一方面是結構本身對不同的作用效果的抵抗情況，另一方面是結構對自身所承受到的不同壓力來自于外界的作用。施加在結構上的不同的作用會在支座處生成反壓力，而且同時會導致結構產生內力、變形、傾覆和滑移。

3.2 結構的可靠度

結構的可靠度指的是什么呢，簡單地說就是一個結構所能夠承受的時間問題，打個比方說，一個工程一個結構的可靠時間是有規定的，而且這個規定是在特定的范圍之內以及特定的條件之下的，并且可以完成的所預定的功能的一個概率，這樣來看呢，結構的可靠度是結構可靠性的一個概率度量［3］。也就是說結構的可靠度是對結構的可靠性有一種規定好的概述。在不同的隨機原因的影響下，結構完成的預先規定的功能的能力是不能確定的。所以結構的可靠度就只能用概率來表示了，因為結構失去作用是一個非常小的事件，失去作用的概率對結構的可靠度的把握也就顯得更加的明顯，所以一般在學術上或者專業學習上大部分的情況都會用概率來表示結構的可靠度。

4 結束語

土木工程多年來的發展，在社會建設中起到了舉足輕重的作用，這種作用是不可以忽視的，然而隨著社會的不斷進步，科學技術的不斷發展，土木工程也隨之發展起來。隨著我們國家的科學技術發展越來越專業，逐漸創造新型的材料，而且好好的利用土木工程這一技術，使國家的發展更加完善。

［1］中國土木工程學會.中國土木工程指南［M］.版.北京:科學出版社，2000.

［2］中華人民共和國國家標準.建筑結構設計術語和符號標準.

［3］趙國藩.工程結構可靠性理論及應用［J］.大連:大連理工大學出版社2011，10(9):12－13.