浅谈工程结构设计体系的完善与改进

张 征,吴琼超

(陕西国防工业职业技术学院,陕西 西安 710300)

1 引言

工程结构设计体系非常重要,不仅会直接决定施工成效,还将影响施工和企业的经济效益。工程结构设计包括方案设计阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。在方案设计阶段,引入概念设计,将结构的频率和振型作为工程结构设计的概念设计指标,进而选择出性能更加优越的结构设计方案。在初步设计阶段和施工图设计阶段,进一步优化设计布置和保证设计质量。本文针对工程结构设计不同阶段的现状及存在的问题进行了分析,并提出了相应的意见和建议,以期为完善和改进工程结构设计体系提供一些参考和依据。

2 工程结构设计中存在的问题

2.1 方案设计阶段

在方案设计阶段,设计人员通常只注重单一评价指标,而忽略其他评价指标的影响。例如,以工程造价作为不同方案的比选标准,这将降低结构的质量要求和增大其造成的生态破坏影响。节约经济原则固然是工程结构设计的基本原则,但并非首要原则。一味压缩工程成本,使工程结构设计满足最低质量要求,成为了工程结构设计中一种乱象。这样设计出的结构仅仅满足基本的使用功能,且后期的养护修复费用较大,潜在的安全隐患较大,在遇到突发事件或自然灾害情况时,没有足够的安全储备,造成重大的人员伤亡和财产损失。如重庆綦江彩虹桥事件,在桥梁设计初期即以工程造价来确定桥梁方案,使得整个桥梁的经济成本被压缩。由于工程造价的限制,施工阶段出现了相应的偷工减料行为,从而引发了重大事故。数十名过桥者经过彩虹桥时,桥梁突然整体垮塌,过桥者随大桥坠入桥下,导致了人员伤亡,同时引起了极大的社会影响,这次事故共造成18名武警战士和22名群众的死亡,造成了惨痛的教训。因此,在方案设计阶段确定出正确合理的方案,是整体工程结构设计体系的前提。

2.2 初步设计阶段

在初步设计阶段,设计人员需要完成工程结构的主要设计布置,是之后具体施工图设计和工程施工的重要基础。当前设计人员为了缩短设计周期,常常采用套图设计,直接套用之前相似设计中的部分设计图,而未进行适用性分析,这必然使得整个设计存在缺陷。在工程结构建成之后,再对其进行设计加固,将大大增加了经济成本。如天津开发区泰达大街京山桥,在初步设计阶段未能进行严密的设计,桥墩采用独柱墩进行设计,使得京山桥的安全稳定性受到影响。在京山桥实现通车之后,政府发现了设计缺陷,进行了双柱加固处理,不仅增加了工程经济成本,同时对当地交通造成了影响,更对人们对桥梁的安全性产生了质疑,造成了社会不良影响。

2.3 施工图设计阶段

施工图设计阶段是整个工程结构设计的最后质量关卡,包括结构设计的安全验算、关键部位的构造设计布置等。在施工图设计阶段,设计人员需要对设计图中的每个部位进行严格验算,并查验其设计是否遵循相关规范标准,而目前还存在因设计人员疏忽大意,或心存侥幸心理,使得整个设计中存在部分不合规范要求的薄弱环节。一旦薄弱环节遭到破坏,会引发相邻结构部位的破坏,进而导致整个结构发生破坏。如哈尔滨阳明滩大桥事故,在施工图设计阶段中盖梁设计存在局部承压和抗剪能力的问题,在一般荷载情况下,盖梁不会发生受力破坏。但在事故当天,几辆大型运送石灰的货车排列行驶在大桥上,形成单侧连续荷载,造成盖梁发生压剪破坏,进而引发桥墩倾覆,造成3人死亡,5人受伤。

3 工程结构设计体系的完善与改进

3.1 引入概念设计

在结构设计的方案比选阶段,引入结构的概念设计思想。由于方案设计阶段不涉及荷载分析,因此从结构的整体刚度分布和局部刚度分布情况出发,在生态影响、经济成本、施工难度等方面相近情况下,优选选择结构刚度性能优越的工程结构设计方案。

频率作为结构整体刚度的表征指标,可通过结构频率的大小来衡量结构的整体刚度性能。以底部固接的桁架结构为例,在保证杆件数量一定的前提下,改变杆件的受力位置,可实现改变桁架结构的频率,即桁架结构的整体刚度分布。由对比可知,在杆件数量相同即经济成本相同时,采用斜杆均匀布置的底部固接桁架基本频率更高,其抗侧向变形能力更强,也表明其具有较好的抗震性能。

振型作为结构相对刚度的指标,是结构的固有属性,结构的振型特征将表现在结构任意荷载作用下的受力变形中。振型的特点是在没有受力荷载,仅知道结构的质量和刚度情况下,即可计算出结构振型。通常情况下,框架结构在地震作用下表现为典型的扭转破坏,原因在于其结构振型存在扭转振型。框架结构模型的第三阶振型一般为扭转振型,振型特征与框架结构的破坏特征相一致。工程结构都具有拉压振型、弯曲振型等优良振型,将保证结构具有良好的变形性能。因此,利用振型的优劣即可对工程结构的变形性能进行初步地评价。

综上,针对结构的方案设计阶段,引入概念设计,将结构的频率和振型作为工程结构设计的概念设计指标,进而选择出性能更加优越的结构设计方案。

3.2 完善结构设计方案的评价体系

针对当前的方案评价体系中注重单项指标的现状,应试图建立完善的评价体系,进而选择出更加适合实际情况的结构设计方案。本文尝试采用构建数学模型来实现量化评价结构设计方案。

工程结构设计不能以单一指标作为评价指标,需要综合考虑结构的各项指标,包括生态指标、经济指标、美观指标等。这就表明,结构设计体系合理评价的前提在于目标函数的确定。利用专家打分制确定各个指标的量化,依据层次分析法确定最终的目标函数,从而得到更加科学合理的评价体系。

在确定目标函数之后,需要进一步确定结构设计评价数学模型中的约束条件,质量安全作为工程结构设计的第一准则和底线,须作为整个结构设计中的硬性约束条件。由此构建出了结构设计方案评价体系的数学模型。以斜杆支撑的框架结构为例,以结构的受力性能和经济成本为评价指标,通过改变斜支撑的位置来改变结构的整体抗侧能力,进而影响结构的水平抗震性能；通过控制斜支撑的数量,进而影响整个结构的经济成本。由此,以结构的质量满足规范要求最为数学模型的约束条件,通过求解数学模型,即可确定斜支撑的数量和位置,选择出最优的结构设计方案。

综上,依据科学合理的数学模型,构建了一套更加完善的工程结构设计方案的评价体系,从而确定出更加合理的结构设计方案。

3.3 注重结构设计的实用创新

工程结构设计创新是一种实用创新,是以“更好地为人们生活服务”为第一准则的,而不能是盲目地创新。为了所谓的政绩和虚名,浪费人力和物力,是毫无实际意义的。

中国现在还远未达到悬索桥最大跨径的极限,不能为了创造纪录而不考虑经济因素。在武汉长江大桥上游和白沙洲大桥之间建立的杨泗港大桥,与相邻的武汉一桥的跨度极不协调。为了追求大跨径,杨泗港大桥采用一跨过江,设置为1700m的悬索桥,仅仅为了追求跨度创新,大大增加了经济成本。若将其设置为2×600m的三塔斜拉桥让上下行船只分孔通航,就会更经济合理,也更美观。

工程结构设计作为实用性极强的行业,其目的是为了设计出满足人们需求的结构,而不是为了所谓的虚名,浪费人们的物力和财力,工程结构设计的实用性创新将是未来结构设计创新的主流方向。设计人员不能因为近期国内经济的迅速发展而使得创新方形进入误区,需将创新更多地投入到工程结构实践中。

3.4 严谨工程结构设计的审查制度

工程结构设计的审查是保证工程结构设计合理和质量安全的最后环节,也是最为重要的环节。在初步设计阶段和施工图设计阶段,设计人员难免会存在疏忽,造成工程质量存在隐患。审查制度的完善和严谨并不意味着增设更多的审查门槛,设置过多的审查门槛将会导致设计进度的滞后,同时对结构设计的安全保证并没有显著的提高,且增加了更多的人力和物力成本。如何把控结构设计的重要节点才是审查制度的重点,对关键节点增设专门的复查制度,并设置相互独立的渠道按照相应规范进行验收,从而把控整个结构设计体系的安全性。

因此,严谨工程结构设计的审查制度是工程结构设计体系完善中不可缺失的重要环节。随着工程结构设计的不断发展,审查制度亦将随着结构设计的发展而不断完善,从而进一步保证工程结构设计体系的合理性和安全性。

4 结论

工程结构设计体系的完善和改进是推动工程结构行业发展的强大动力,其重要性日益增加。本文在结构设计各个阶段进行了详细分析,针对当前的问题和不足,引入结构的概念设计,以弥补结构设计初选阶段的不足,期望在根源上解决结构设计存在的一些问题。进而依据科学合理的数学模型,提出一套更加完善的工程结构设计方案的评价体系。在此基础上,对结构设计的实用创新和审查制度提出了一些建议,从而为完善和改进工程结构设计体系提供一些参考和依据。