土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題及設(shè)計

李士杰

摘要： 本文以土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計為論述對象，以設(shè)計過程存在問題為論述手段，以強化設(shè)計措施為論述目的，以此展開技術(shù)分析。

關(guān)鍵詞： 土木工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計；強化措施

引言：安全性與耐久性乃當代土木建筑工程需遵循的兩大原則，其與土木工程設(shè)計具有十分密切的關(guān)聯(lián)，當土木工程設(shè)計不夠規(guī)范嚴謹時，土木建筑工程的安全性與耐久性勢必將受到折損。透過相關(guān)現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)我國土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中仍存在一系列亟待完善的問題。為此，相關(guān)部門應(yīng)細致地剖析現(xiàn)存問題，并透過現(xiàn)象窺見問題本質(zhì)，從而采取可行有效的解決對策。

1 關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的簡述

現(xiàn)代土木工程指利用各種施工機械進行勘察、施工的活動，其又可以被理解為因人類需求而開展的設(shè)施建造。隨著民眾生活水平的逐步提升，其對于建筑功能有了更為嚴苛的要求，普通的土木工程建筑儼然已難以滿足民眾的生活需求。鑒于此，建筑設(shè)計方則需借助更為科學的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案來滿足民眾的需要。一般而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計工作會先于土木施工工作，其對于土木建筑工程具有一定的指導作用。當結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠科學合理時，后續(xù)的工程環(huán)節(jié)則將受到嚴重影響，建筑的使用安全也得不到完全保障。因此，相關(guān)部門應(yīng)始終對土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計保持高度謹慎的態(tài)度，力求徹底完善不合理的設(shè)計細節(jié)，從而確保建筑的安全性與穩(wěn)固性并推動我國建筑行業(yè)的進一步發(fā)展。

2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計牢固性差

土木工程整體的安全性在很大程度上取決于其結(jié)構(gòu)的牢固性，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在工程設(shè)計中已逐漸發(fā)展為普遍性問題。一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)的局部破壞雖然不至于結(jié)構(gòu)物整體崩塌，但在火災(zāi)、地震以及其他自然災(zāi)害發(fā)生時，便會嚴峻考驗著結(jié)構(gòu)的冗余度設(shè)計。例如基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計時若未對地基承載力和沉降量、沉降差進行充分考慮，那么建筑整體結(jié)構(gòu)勢必會因沉降而出現(xiàn)開裂與失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2 構(gòu)造柱與承重柱的區(qū)分問題

設(shè)計合理的構(gòu)造柱與梁可有效避免墻體發(fā)生裂縫，進而確保建筑結(jié)構(gòu)抗震性能表現(xiàn)優(yōu)越。但在現(xiàn)實應(yīng)用中，部分設(shè)計人員混淆構(gòu)造柱與承重柱，將二者類似于同一原理進行設(shè)計，致使建筑結(jié)構(gòu)因構(gòu)造柱缺乏基礎(chǔ)而影響其抗震能力，最終反應(yīng)為結(jié)構(gòu)裂縫、沉降甚至倒塌等病害發(fā)生。另外，設(shè)計過程中有時為了方便對承重柱的受力情況進行分析，則會縮小其截面面積，如此一來當有外力作用時，柱體與梁極易發(fā)生開裂破壞[1]。

2.3 忽略環(huán)境影響因素

土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計除穩(wěn)定性與耐久性外，同時還需考慮外部環(huán)境（如土質(zhì)結(jié)構(gòu)、空氣溫度與濕度等）對結(jié)構(gòu)的影響，但是基于現(xiàn)實情況的分析，環(huán)境因素通常不受重視且忽于考慮，進而對工程結(jié)構(gòu)帶來嚴重的負面影響，致使建筑物因結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而降低其安全性。

3 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計強化措施

3.1 選擇設(shè)計方案

框架結(jié)構(gòu)的選擇、基礎(chǔ)布置等是結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的基本內(nèi)容，梁、柱等構(gòu)件組成了框架結(jié)構(gòu)，并通過節(jié)點連接，可有效承受豎向、水平荷載力，對于多層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定，還要將水平風荷載考慮進去；基礎(chǔ)布置時，要綜合考慮現(xiàn)場的地質(zhì)、水文及施工條件，低層建筑可選擇獨立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式，多層建筑則要選擇綜合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式；結(jié)構(gòu)措施要根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范要求實施，采取可行措施，加強抗震設(shè)計，選擇符合設(shè)計要求的配筋構(gòu)件。

3.2 確定構(gòu)件截面尺寸

土木工程需要嚴格控制截面尺寸的構(gòu)件，其主要有柱尺寸、梁尺寸、板尺寸三種，具體確定方法如下：

3.2.1 柱尺寸。土木工程的結(jié)構(gòu)主體柱截面一般都相同，因此可以估算中柱的截面尺寸，然后估算出整個結(jié)構(gòu)恒荷載的標準值、活荷載標準值，混凝土軸心抗壓強度的設(shè)計值和柱軸力的設(shè)計值等；

3.2.2 梁尺寸。以柱距為標桿。如果柱距相同，則表示邊跨梁、中跨梁、邊柱聯(lián)系梁、中柱聯(lián)系梁等的截面尺寸一致；

3.2.3 板尺寸。需要考慮限制板的撓度、裂縫寬度等因素對鋪設(shè)在板內(nèi)管線的影響。

3.3 內(nèi)力組合設(shè)計

作為土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震性能控制的關(guān)鍵點，內(nèi)力組合需在調(diào)整結(jié)構(gòu)抗震系數(shù)的基礎(chǔ)上對框架梁內(nèi)力進行科學設(shè)計。

3.3.1 承載力抗震系數(shù)調(diào)整。土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，當有抗震要求時，其所用材料的強度值應(yīng)大于沒有抗震要求的情況，若在抗震結(jié)構(gòu)中采用非抗震材料進行計算與設(shè)計，則需實時調(diào)整承載力抗震系數(shù)。通過對綜合調(diào)整受彎梁、偏壓柱及受剪等系數(shù)，可使結(jié)構(gòu)的承載能力得到有效提升。

3.3.2 框架梁的內(nèi)力組合。一般情況下，多采用梁端和跨中的方式來控制梁體承載力的設(shè)計截面。當考慮地震作用組合時，截面控制除需利用梁端負彎矩與剪力進行設(shè)計外，同時還需對梁端的正彎矩進行組合。例如對于正在使用的工程結(jié)構(gòu)，其極有可能遭受不同可變荷載的同時作用，此時為了減少結(jié)構(gòu)的不利效應(yīng)，對可變荷載效應(yīng)組合可取值1.2，永久荷載效應(yīng)組合可取值1.35；而當作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計有利時，效應(yīng)取值則可為1.0，滑移、漂移、與傾覆等取值為0.9。

3.3.3 跨間彎矩計算。基于活載與恒載的共同作用，可對結(jié)構(gòu)跨間彎矩近似取值，同時以支座彎矩的調(diào)幅與平衡條件為依據(jù)可將相應(yīng)荷載計算得出。在此過程中，地震力組合、梁端左右彎矩與豎向荷載為計算過程主要考慮的因素[2]。

3.4 板設(shè)計與配筋

在對板及配筋設(shè)計過程中，主要分析因素為板邊尺寸的長寬比ω。當ω<2時，設(shè)計則宜采用雙向板形式進行計算；當2≤ω<3時，那么則可以短邊方向為依據(jù)以單向板形式進行計算，同時于長邊位置布置充足的構(gòu)造鋼筋。依據(jù)工程結(jié)構(gòu)板的實際大小，可靈活采用彈性模型計算；對于連續(xù)雙向板跨中最大彎矩的計算，應(yīng)以荷載分布的實際情況為依據(jù)分解滿布荷載與合理布置間距。通常情況下，在支承中間柱的位置處，對格板應(yīng)加以固定，同時結(jié)合具體的支承情況，將各個區(qū)域格板的彎矩計算而出，最后通過所得彎矩的疊加，便可獲得位于跨中的最大彎矩[3]。

3.5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全問題

隨著建筑設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變和我國民眾安全意識的提升，安全問題儼然成為了當代建筑工程中的首要問題。在進行土木結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)極力消除安全隱患，從而全面提升建筑的整體安全性。首先，為保證施工安全與質(zhì)量，設(shè)計人員務(wù)必從工程結(jié)構(gòu)入手，欲確保施工方可順利實施質(zhì)量與安全監(jiān)控，設(shè)計方則必須為施工方提供安全可行的設(shè)計方案。為此，相關(guān)管理人員需不斷細化設(shè)計標準，并參照工程實際開展結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。上文中提到，國外相關(guān)領(lǐng)域的安全設(shè)計標準較國內(nèi)而言相對嚴苛，因此，施工單位可引入國外領(lǐng)域的先進經(jīng)驗，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性詳加論證，以提升土木結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性。

3.6 保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體性

土木結(jié)構(gòu)設(shè)計中安全性的片面管理、可靠度的偏重管理、耐久性的部分管理都反映出了土木結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中整體觀念的缺失，由于這一疏忽而加劇的安全隱患較為突出[4]。為此，在土木結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)時刻將整體性置于首要位置，力求細致分析所有的工程細節(jié)，從而避免“蝴蝶效應(yīng)”的出現(xiàn)。

結(jié)語：

基于以上論述，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計為一項系統(tǒng)而復雜的任務(wù)，其過程只有依據(jù)規(guī)范實施標準化設(shè)計，方能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)使用性能與使用壽命的多元化發(fā)展方向。

參考文獻

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[3]張萬和.土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全性與經(jīng)濟性[J].科技展望，2015，25（02）：39.

[4]胡敏，王亮.土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題及對策探討[J].科技風，2016（16）：227.