土木工程荷载与结构设计的研究

■吴传伟 ■北京国科天创建筑设计院有限责任公司，江西 南昌 330000;身份证号码:362226198611121210

荷载和结构设计是属于土木工程专业的基础课程，在土木工程的教学目标中有提到:尽量让土木工程专业的不同方向的学生对荷载和结构设计都有一定的了解，尽最大的可能让学生知道各种不一样的荷载以及荷载相对应的方程式，在此基础上应该要掌握结构设计的基本理论、结构可靠原理以及结构设计的方法。目前国内的相关研究方面存在一定缺陷，在教学内容上很少对比区分不同结构形式上不同荷载的计算方法和结构设计方法，也没有在具体知识点上体现出差异性和共同点。

1 土木工程荷载和结构设计

1.1 工程结构设计方法的简介

近年来，我国的工程技术部门也慢慢开始编制和发布第一层次的工程结构可靠的具有统一性的标准，第二层的铁路工程结构、建筑工程结构、公路工程结构、港口工程结构等等都存在一套比较好的设计方法。但是由于当前还有一些不同的土木工程结构设计的方法依然没有达到统一，但是工程结构的可靠设计标准规定，结构设计规范都必须采用国际先进概率理论作为基础的极限态度设计，从而就使得土木工程结构逐渐达到了统一的标准了［2］。

1.2 土木工程荷载与结构设计的关系

在土木工程学科中，荷载以及作用这两个词在学习的时候出现的频率是最高的，对于现实中的工程设计来说，荷载和作用大部分情况都不会影响作用效应和结构的本身。就目前而言，最主要还是一个概念的问题，在我们国家，一般的情况下，荷载指的是直接的作用，而作用有的时候指的就是间接作用和直接作用，但是在国际上，还是有不少的国家对作用和荷载没有明确严格的区分［1］。

2 荷载组合随机方法

2.1 随机荷载组合理论以及规则

对承受n种荷载作用的结构，如果抗力随时间的变化而忽略不计，这种荷载的极限状态的方程式可以表示为:

其中公式中的R指的是结构抗压力度，Si(t)是i种荷载的效应，而且这个过程是一个随机的过程，S(t)是指n种荷载的所有效应，这个过程也是一个随机的过程。

从上面的公式分析中可以看出，结构的可靠程度是由荷载组合来决定的，而且从数学的角度讲，荷载的问题在很多个随机过程中进行叠加方面都有关系。但是在实际的工作中，通常情况都是采用基准期最大的荷载随机变量代替随机过程进行有效的分析，所以荷载组合的关键是荷载组合的最大值SM所决定的，如下公式:

所以，随机的荷载组合比较合理的理论和规则主要包括很多种方法，如:峰值迭加法、穿越分析法、平方和方根法等等。

2.2 常见的随机荷载组合规则比较

为了把这么多随机荷载组合的规则进行有效的比较，使用比较耐久性的活性荷载Li、比较临时性的荷载Lr、风荷载W等等三个活性的荷载组合的算法来进行有效的对比。

依据前面介绍的各种随机理论，分别对这三种荷载以及荷载效应进行荷载相遇法、F－B组合、TR组合、JCSS组合的各种不一样的情况。同时为了这种三种不同的荷载方法能够更好的比较，组合结果都使用无量纲化的比值得出，然后找到组合效应最大的分布平均值，结合平均值得出荷载自身的规律，跟组合的方法没有任何的关系。

各种不一样的组合规则计算结果都会随着荷载效应比例的变化，SL/SW会增大，而且在荷载效应比的数值取1时，会产生最小值，可以看出F－B组合规则计算结果是三种之中最大的，那就说明这种计算方法比较保守;从图3－1中还可以看出JCSS组合规则和TR组合规则在荷载效应值比较小的时候，计算结果值也偏小，所以JCSS和TR组合规则是偏于不保守的，但是随着荷载效应值的增大会慢慢的偏向保守。所以，在不同的荷载效应值得情况下，各种随机组合的风险是不同的。

3 荷载和结构的抗力情况分析

3.1 影响结构可靠性的因素

影响结构可靠性原因在实际的操作中有很多种，其中最主要的原因有两个方面，一方面是结构本身对不同的作用效果的抵抗情况，另一方面是结构对自身所承受到的不同压力来自于外界的作用。施加在结构上的不同的作用会在支座处生成反压力，而且同时会导致结构产生内力、变形、倾覆和滑移。

3.2 结构的可靠度

结构的可靠度指的是什么呢，简单地说就是一个结构所能够承受的时间问题，打个比方说，一个工程一个结构的可靠时间是有规定的，而且这个规定是在特定的范围之内以及特定的条件之下的，并且可以完成的所预定的功能的一个概率，这样来看呢，结构的可靠度是结构可靠性的一个概率度量［3］。也就是说结构的可靠度是对结构的可靠性有一种规定好的概述。在不同的随机原因的影响下，结构完成的预先规定的功能的能力是不能确定的。所以结构的可靠度就只能用概率来表示了，因为结构失去作用是一个非常小的事件，失去作用的概率对结构的可靠度的把握也就显得更加的明显，所以一般在学术上或者专业学习上大部分的情况都会用概率来表示结构的可靠度。

4 结束语

土木工程多年来的发展，在社会建设中起到了举足轻重的作用，这种作用是不可以忽视的，然而随着社会的不断进步，科学技术的不断发展，土木工程也随之发展起来。随着我们国家的科学技术发展越来越专业，逐渐创造新型的材料，而且好好的利用土木工程这一技术，使国家的发展更加完善。

［1］中国土木工程学会.中国土木工程指南［M］.版.北京:科学出版社，2000.

［2］中华人民共和国国家标准.建筑结构设计术语和符号标准.

［3］赵国藩.工程结构可靠性理论及应用［J］.大连:大连理工大学出版社2011，10(9):12－13.