土木工程荷載與結構設計探討

摘要：隨著社會的發展，土木工程越來越多，土木工程中荷載不僅有很多種類型，而且產生的作用也是相當復雜的，不同的荷載的隨機的組合會給實際工程造成不一樣的影響。在土木工程的建設中要對多方面內容考慮，不僅要考慮工程的美觀實用，也要重視其安全性和經濟性。土木工程安全性尤其重要，其余結構設計緊密相關，荷載也在土木工程建設中有著很重要的意義。本文作者結合多年來的工作經驗，對土木工程荷載與結構設計進行了研究，具有重要的參考意義。

關鍵詞：土木工程;荷載;結構設計

隨著時代的發展，土木工程的建設也在向著更安全、更美觀、更經濟、更實用發展。我國的土木工程建設有多年歷史，從早期的古代原始操作到今天的摩天大樓、萬米長橋，甚至神話中的移山倒海，現代土木工程領域也是百花盛開，多姿多彩。本文主要介紹土木工程的結構設計和荷載及二者之間的關系。

土木工程建設與我們的生活息息相關，現代的土木工程建設以生產力的發展為動力，新開發的多功能材料為基礎，新型的工藝和機械為手段積極地向前發展。土木工程的建設要對多方面內容考慮，既考慮到工程的美觀實用，也要重視到安全性和經濟性。特別是安全性，與土木工程的結構設計有著極為密切的關系，荷載也在土木工程建設中有著很重要的意義。下面就土木工程的結構設計和荷載進行探討。

一、土木工程荷載

荷載，指作用于工程結構上的外力，可分為靜態荷載（恒載）和動態荷載（活荷載），按照大小、方向、位置是否改變來區分。作用指能使工程結構產生效應的各種原因，包括內力、應力、變形、裂縫等等，分為直接作用和間接作用。作用效應則是指作用所產生的結果。按照時間變異分類，荷載除了不變的永久性荷載和可變荷載之外還有一種可能出現也可能不出現的偶然荷載，但只要出現，其量值都是大而且持續時間比較短的。按照空間變異分類還可以分為固定荷載和可動荷載。日常生活中，比較常見的有：民用建筑樓面均布活荷載、屋面均布活荷載、屋面積灰荷載、雪荷載、吊車荷載、風荷載、地震荷載和其它像是振動，撞擊，爆炸等等。

為了方便設計，我們把荷載按一定的量值規定，有標準值、頻遇值、準永久至和組合值。

二、土木工程荷載與結構設計

1.結構設計中的問題

（1）結構設計的牢固性不夠

土木工程結構建設時，若是結構設計的牢固性很差，必然會對工程結構的安全性造成非常大的影響。盡管工程結構的部分設計出現問題不會影響總體結構，但一旦發生地震、洪水、爆炸等事故，很可能導致建筑坍塌、損壞，比如唐山汶川地震時，就是因為房屋的破損倒塌造成了多人的傷亡。

（2）承重柱和構造柱沒能有效區分

在土木工程建設中，磚混結構建筑的構造柱與承重柱的配合可有效的防止產生墻體裂縫，提高房屋抗震水平。而設計人員在設計建筑結構的時候沒有分清楚承重柱和構造柱，按照設計承重柱的方式設計構造柱，導致了日后建筑結構出現裂縫，引起建筑物倒塌等等。另外，設計承重柱時僅是為了方便計算承重柱受力就把截面面積設計的太小，更容易使結構柱和承重柱開裂。

（3）忽略了環境因素的影響

除了工程結構建設中建筑結構本身的影響因素，還要考慮到很多外界因素：溫度、濕度、酸堿度、化學腐蝕等等。尤其是建筑結構中常用到的鋼筋混凝土，這些環境因素都會產生很不好的負面影響，存在很大的安全隱患。

2.解決對策

（1）設計合理的機構設計方案

以房屋工程結構設計為例，結構設計方案為：框架結構選擇、基礎布置、確定結構措施等等。框架結構選擇用鋼筋混凝土，綜合考慮豎向和水平荷載，滿足抗震的要求;基礎布置要結合當地的地質、水文、氣候等條件;結構措施則要具體針對建筑結構的抗震要求計算，采取必要的措施。

（2）設計合理的內力組合

內力組合設計要求工程結構設計在滿足抗震條件的基礎上，調整組合內力，包括框架梁內力組合，承載力抗震系數，跨間彎矩。

（3）板設計和配筋

按照板的規格采用雙向或沿著短邊受力單向進行計算，將構造鋼筋布置在適合的位置，并根據實際情況計算出跨中的最大彎矩。

（4）控制轉換層模板的側壓力

三、對土木工程結構設計方法的分析

3.1容許應力設計方法

容許應力設計方法是19世紀以后，Nayier提出的一種基于彈性理論的結構設計方法，這種設計方法具有如下幾個方面的特點：首先，所有不確定因素，包括荷載和抗力等使用同一個系數來進行考慮;其次，材料橄限強度沒有統一的準則;再次，安全系數憑經驗確定;最后，不能考慮材料的塑性能力。

3.2破損階段設計方法

破損階段設計方法是20世紀30年代，前蘇聯學者帕斯金爾納克和格沃茲捷夫等人經研究，提出的基于按破損階段的設計方法，這種設計方法具有如下幾個方面的特點：首先，和容許應力設計方法一樣所有不確定因素，都使用同一個系數來進行考慮;其次，安全系數也是完全憑經驗確定;最后，該設計方法考慮了材料的塑性能力。

3.3多系數極限狀態設計方法

結構的極限狀態是指結構能滿足設計規定的某一功能要求的臨界狀況，超過這一狀態結構或構件就不能滿足設計的要求。其中結構的極限狀態可以分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩類。這種設計方法具有如下幾個方面的特點：首先，明確了按不同極限狀態進行設計，包括承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的設計;其次，荷載和抗力系數仍然是憑經驗確定的;再次，部分荷載和材料強度的確定采用了統計的方法，對調查數據統計分析比較明確;最后，對不同荷載、影響抗力的不同因素采用了不同系數。

4常見的荷載效應組合方式分析

4.1標準荷載效應控制組合方式

標準荷載效應控制組合方式在一定程度上與過去常用的短期效應組合相似，這一荷載效益組合方式主要用來測算一般情況下結構的撓度、裂縫等使用的極限狀態問題。在該組合中，可變荷載采用標準的數據值，荷載分項系數取為1.0，即超越概率為5%的上分位值，其中可變荷載的組合值系數按《荷載規范》的相關規定取值。

4.2準永久荷載效應控制組合方式

準永久荷載效應控制組合方式要求在設計基準期內，可變荷載超越荷載準永久值的概率應保持在50%左右。準永久荷載效應控制組合方式常用于考慮荷載長期效應對結構正常使用狀態的影響。一個比較典型的例子是：對于裂縫控制等級為二級的結構，按照標準荷載效應控制組合方式的要求，結構受拉邊緣混凝土的應力不會超過混凝土的抗拉強度標準值，而按照準永久荷載效應控制組合方式要求，不應該出現拉應力。

結語

土木工程結構設計與工程建筑的安全性和經濟性有直接關系，我們在設計土木工程結構時，要平衡好安全性和經濟性，就需要在設計的時候多下功夫，綜合考慮多方面影響因素。在今后的生活生產中，要采用科學的管理和設計模式實現安全性和經濟性的統一，建設更美觀、更安全，并能為企業帶來更大的經濟效益的土木工程。

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