土木工程結構設計中的安全性與經濟性分析

徐碩 吳沙

（安徽華電工程咨詢設計有限公司 安徽合肥 230022）

土木工程結構設計中的安全性與經濟性分析

徐碩 吳沙

（安徽華電工程咨詢設計有限公司 安徽合肥 230022）

隨著城市進程加快和人們生活水平的不斷提高，人們對建筑工程提出了更多的要求，土木工程結構設計顯得越來越重要。土木工程結構牢固程度直接的關系到整個建筑工程的整體質量和安全性，而安全性和經濟性也是土木工程結構設計的主要問題，本文對于主題的介紹首先分析了當前階段土木工程結構設計中存在的一系列問題，然后分別對結構設計安全性和經濟性進行了分析。

土木工程；結構設計；安全性；經濟性

1 土木工程結構設計中存在的問題

土木工程設計中最主要的兩個問題分別是工程質量安全和經濟成本，并且這兩個方面是相輔相成的關系，工程質量在很大程度上會直接影響到工程成本，安全性和經濟性密切相關。例如橋梁工程，如果安全性得不到保障，導致橋梁坍塌，返工過程勢必會產生額外的工程成本，一方面安全性得不到保障，另一方面還會造成巨大的經濟損失，而這些問題的存在都是由于土木工程結構設計過程存在的諸多問題造成的：

1.1 結構穩定性差

土木工程結構設計最主要的是保證工程結構穩定性，結構穩定性直接的關系到建筑質量和使用安全，但是從我國土木工程結構設計現階段的發展來說，還存在很多的問題，最主要的就是結構穩定性不高。如果建筑結構穩定性非常高，即便是工程局部受到損壞，整體結構仍然能夠保證穩定，例如建筑框架結構中半框架結構體系，建筑底部的框架結構整體上都是不利于建筑抗震的結構設計體系，目前土木工程結構設計中過于依賴計算機軟件提供的參數，很多結構體系都不合理，但是可以通過局部的強化來滿足建筑要求，所以在結構設計過程中要合理的參考數據計算結果，然后通過合理的判斷來選擇更加穩定的結構體系，但是我國目前的土木工程在設計技術方面有很大的缺陷，所以經常性的會出現工程結構不合理造成的塌方等事故，例如四川地震、玉樹地震中的房屋倒塌都是穩定性方面出現的問題。同時土木工程中大多數都需要鋼筋和混凝土來作為主要材料，而環境濕度、土壤酸堿度等因素都會對這些材料造成不同程度的影響，縮短建筑使用周期，降低工程結構耐久性，而這一方面的主要原因是工程結構設計中忽視了對環境的考慮，導致后期出現結構安全問題。

1.2 建筑框架柱截面積設計不規范

通常情況下，工程設計人員在對抗震要求不高的地區進行建筑設計的過程中，為了能夠更好地分析受力狀況，會把建筑承重柱截面積設計的很小，所以會出現梁強柱弱的結果，但是土木工程結構設計理念要求的是柱強梁弱，所以這種設計方法會在建筑受到外力作用的時候，梁和柱會出現開裂現象，影響建筑的安全性和使用周期。一旦遇到強烈地震災害，很容易出現建筑坍塌現象。

1.3 缺乏結構設計安全性和經濟性規范要求

隨著國家經濟的不斷發展進步，建筑行業得到了前所未有的發展，國家為了規范建筑市場，逐步的推出了建筑結構設計規范要求，但是和國際上建筑行業發展相比，國內出臺的規范性要求指標存在很大的差距，所以質量監管部門在具體的工作過程中，很難開展監管工作，再加上建筑企業之間的差異，結構設計、施工工等方面存在的不同程度偏差，工程安全問題的解決僅僅停留在表面，結構設計規范要求很難涉及到關鍵性問題。

2 提高土木工程結構設計安全性措施

針對上面提到的結構設計過程中出現的穩定性差以及不規范問題，文章給出以下解決措施：

2.1 增強建筑結構耐久性

（1）工程結構設計完成之后，要通過嚴格的審核，同時再具體的施工過程中，施工人員和結構設計人員要加強后期溝通，對工程施工過程中遇到的結構問題要及時的溝通交流，設計人員通過核對設計圖紙，分析結構問題，及時的對結構設計進行修改，減少不必要的后期返工，提供工程結構安全性。

（2）在加強建筑結構的剛度設計，合理利用OptiStruct模型來優化結構剛度，圖1顯示的就是利用OptiStruct模型來對結構剛度進行優化。

圖1 優化結構剛度OptiStruct模型

在具體的建筑結構剛度設計過程中，因為設計人員設計理念的不同，設計水平也會出現很大的差異，所以一般情況下，建筑結構在設計的過程中，經濟指標會出現很大的差異。建筑抗側移剛度對建筑結構整體的抗震性能會產生很大的影響，圖2體現的是建筑側移剛度構成模型。

圖2 建筑剛度構成模型

根據圖2的模型展示設計具體的建筑結構，例如在具體的剛度設計中，對于在土地相對比較好、巖基埋深比較淺的地方，建筑結構應該以樁基為主要結構基礎，這樣能夠保證建筑持力層能夠處于微化巖層中，建筑地基穩定性和強度能夠得到很大的提高，這種結構設計，可以適當的降低建筑抗震剛度，控制的標準可以根據具體的結構極限變形能力來進行合理的調整，如圖3所示水平荷載作用下的框架彎矩。

圖3 水平荷載作用下的框架彎矩圖

合理的利用建筑結構的變形極限結合剛度設計，提高土木工程結構設計的耐久性。

2.2 建筑結構內力組合設計

內力組合設計主要的目的是提高土工程結構的抗震能力，是抗震設計的重要環節，內力組合首先要充分的了解工程結構承載力抗震系數，其次要注重工程材料的選擇。

材料的選擇一定要嚴格的按照工程抗震要求來選擇抗震性能優良的工程材料，同時在具體的設計環節，要合理的利用建筑受彎梁、偏壓柱以及相應構件承載力等因素對組合系數進行調整，通過內力組合設計適當的提高建筑結構承載能力。文章這里拿建筑梁柱的內力組合來具體說明：

梁柱支座邊緣的內力計算公式如下：

M（邊）=M－V×b/2；

V（邊）=V－q×b/2；

式中：M（邊）是支座邊緣界面的彎曲標準值；V（邊）是支座邊緣界面建立的標準值，在各種荷載情況下的框架內力求得之后，通過考慮結構塑性內力重分布的有利影響，在內力組合設計之前對豎向荷載作用下的內力進行調整，計算可控制界面處的內力值，合理的進行內力組合。

2.3 轉換層設計

作為土木工程中重要的承載結構，轉換層設計的合理性將會對建筑整體承載力產生很大的影響，合理的轉換層設計能夠很好的避免因為上層結構過大的承載力對下層結構產生的壓迫。所以對于轉換層設計，要合理的控制混凝土施工環節，選用高性能的混凝土，在此基礎上，澆筑過程中要強化對混凝土內部的振搗作業，這樣能夠增強混凝土強度，提高結構的承載力。

3 提高土木工程結構設計經濟性措施

3.1 合理評估工程設計方案

（1）設計人員要合理的控制建筑成本，針對工程結構的每一個階段都要細分圖紙規劃，這樣能夠避免出現無效的工程量，優化工程結構細節方面的施工，這樣一方面能夠提高工程質量，另一方面能夠縮短工程工期，降低工程成本。同時強化對工程預算的全面管理，統一管控建筑材料，制定清晰全面的經濟性指標。

（2）要控制成本，從工程招標到具體施工環節，要制定嚴格的招標準則，保證招標過程的公平公正性。具體的招標過程中，要從不同的方面來考慮工程設計方案，方案的選擇要在保證結構設計安全性的基礎上，考慮到建筑其他方面的因素，例如工期、建筑造型燈。

3.2 選取合理的標準圖

施工招標部門通常為了規范建筑結構設計以及較少設計人員的負擔，通常會使用施工標準圖，工程施工標準圖的使用能夠節省設計人員的工作，同時能夠保證結構設計的合理性，有效地提高工程進度，有效地監督工程安全性和經濟性，但是針對大型的建筑工程，由于考慮的因素會比較多，所以大型的建筑工程不適合完全參考標準圖，需要根據工程概況進行實地考察，制定經濟性的設計方案。

4 結論

總之隨著建筑行業的不斷發展，結構設計水平高低將會直接關系到建筑的安全性，而建筑安全性的高低也會影響到建筑經濟性，所以就要求建筑結構設計人員從工程實際出發，合理的設計工程結構。工程結構設計要和經濟性設計相結合，實現建筑結構設計優化，提高結構設計合理性和經濟性。

[1]李凱.基于安全性、經濟價值前提下的土木工程結構設計[J].中國建筑金屬結構，2013.

[2]朱來慶，吳立娜.淺談土木工程結構設計中存在的問題及對策[J].黑龍江科技信息，2012.

[3]薛揚欣.土木工程結構設計安全問題分析及策略研究[J].建設科技，2012.

[4]段亞洲，郎宏偉.土木工程建設中對建筑結構基礎設計的探析[J].經營管理者，2013.

[5]鄒純純.淺析土木建筑工程結構的安全性與耐久性設計[J].黑龍江科技信息，2012.

TU318

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1004-7344（2016）17-0310-02

2016-5-20