关于土木工程结构设计安全性和经济性的探讨

关于土木工程结构设计安全性和经济性的探讨

张荣珍

阳朔县建设规划管理站541999

摘要：随着近年来经济的空前发展和社会各项改革的不断深化，建筑业已成为国民经济的支柱产业和重要的经济增长点。与此同时，建筑行业、房地产等产业自身的结构性调整也在不断进行，由此对结构设计也提出了更高的要求。本文结合结构设计的相关原理，就其安全性和经济性设计方法进行了探讨。

关键词：土木工程；结构设计；安全性；经济性

前言

改革开放以来，我国为满足日益复杂、高效的现代化生产及生活的需要，加快了基础性工程建设的步伐，特别是与能源、交通、生产及生活密切相关的土木工程，如水利高坝、高层建筑、道路桥梁、港口码头、地铁隧道、海洋工程等，构成了现代土木工程的代表群，其建设项目越来越多、建筑规模越来越大。随着现代化建设的需要，近代科学理论和计算技术的创新，学科之间的交叉渗透，以及计算机科学、材料科学的发展，预示着更大规模的土木工程的建设正朝着更经济、更安全的结构优化设计方向发展。由此加强对土木工程结构设计安全性和经济性的研究有着重要的经济意义。

1土木工程的不确定性问题分析

1.1材料参数的不确定性

材料参数的不确定性主要包括三个方面：

一是弱不确定性因素：是指一类因素虽存在一定程度的不确定性，但其变异性范围相对较小，其变异性对分析和设计不会产生实质意义的影响。因此，在分析中可以将这类因素近似地认为是不变的“定值”。如几何尺寸、重力加速度、人工材料的密度等。

二是中等不确定性因素：木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等土木工程中常用的工业与民用建筑材料由于加工制作工艺、材料配比、养护等因素的影响，使其物理力学性质和变形特性存在一定程度的变异性。

三是强不确定性因素：岩土体介质是经历了长期的地质构造运动所形成的“非人工材料”，其物理力学性质和变形特性均存在很大程度的不确定性，不仅随时间和空间的变化，而且还具有模糊性、知识不完备性和结构特性。

1.2荷载和作用因素的不确定性

结构工程分析通常是根据“荷载一结构模式”进行的。因此，结构的稳定性与变形特征取决于结构的承载力和作用在结构上的荷载。对于结构工程，在未来可能发生的自然现象，如地震、降雨、风、雪荷载等都是概率现象，不仅对结构所产生作用的时间、地点和量值存在很大程度的不确定性，而且荷载组合也存在很大的变数。对于地下工程，“荷载一结构模式”并不十分明确，很多情况下，很难确定其荷载量值，更多的情况是根据围岩特性和结构类型做出一定的假定加以估算，由此给出的荷载也存在很大的变数[1]。

1.3结构安全评价准则的不确定性

破坏是一个模糊概念。根据此准则，只要结构中某一点的应力达到或超过其材料强度，就意味着结构破坏，这显然是不尽合理的。实际上，结构体局部屈服或破坏并不一定意味其功能失效。例如，超静定结构出现某些塑性铰，结构仍维持稳定。另一方面，有些结构尽管不出现强度失效，但仍可能导致结构不能满足使用要求，例如，结构变形过大，超出结构的使用要求。

2土木工程结构安全性和经济性设计概述

2.1基本设计原则

结构存在三种基本功能要求。要满足此三种要求，原则上应对结构进行三种极限状态设计，即承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计及整体性极限状态设计。整体性极限状态设计尚处于研究中，未能进入工程实用，故目前进行结构设计时，仅进行结构承载力极限状态设计与结构正常使用极限状态设计。考虑到结构存在设计状况，此三种设计状况出现概率不同，持续期不同，对结构功能函数也不同。从经济、适用角度考虑，应有所区分。

2.2目标可靠度的确定

目标可靠度应考虑结构极限状态类别以及结构极限状态准则，不考虑各种过失误差的事实。设计目标可靠度应综合考虑结构失效后果(以所引起的生命危险、经济损失及社会不便来衡量)、失效方式(有无预兆)以及为降低失效概率所需花费的工作量与费用等因素。确定目标可靠度应考虑进行结构可靠度分析时所采用的概率模型与分析方法。

2.3直接设计方法

（1）基本原理

已知结构构件所承受荷载、结构类型及截面几何特征，检验其是否满足预定的可靠度水准，这即为结构构件可靠度校核，其校核准则可表为：

（2）基本做法

首先是针对结构某一功能要求，建立该功能不同荷载组合时的各极限状态方程，其次是确定各极限状态方程中基本随机变量的概率分布类型及统计参数(如均值、均方差等)；最后针对不同荷载组合的各极限状态方程，采用FORM算法，逐一计算其可靠指标，取其极小值检验是否满足上式[2]。

3土木工程结构安全性和经济性优化设计

在结构安全性和经济性优化问题中，一般包含三方面的内容：质量(重量)、成本和可靠度。据此，确定优化的目标函数和约束条件。对可靠性最优的结构是这样的结构，即在给定结构布局和结构可靠度情况下，结构有最小质量或最小成本。

3.1结构质量优化

结构安全性和经济性的优化设计，也可以看做是结构可靠性设计，必须以结构的可靠性分析为基础。在优化设计中，可根据实际工程情况，直接应用所给出的计算方法，求解结构或系统的可靠指标或失效概率。这里对复杂结构体系，再概要地给出分析计算。

考察由n个构件组成的具有给定构造的结构系统，假设该系统有m个失效模式，则失效模式i(i=1，2，…，m)的功能函数可表示为如下形式：

若任何一个功能函数为非正值，即时，则结构系统失效。在失效模式的失效概率P约束之下，能够确定使结构质量最小的设计变量的最佳值。

3.2结构成本优化

可靠性的结构成本优化的实质在于限定结构失效概率条件下，确定结构各构件的构造尺寸，使得结构所耗费用(成本)最小。当仅考虑结构的建造成本时，其优化方法与结构质量的优化方法完全相同，只要把目标函数中的结构质量改为成本。但在结构总成本优化问题中，必须顾及到由于结构失效而付出的代价。即所谓失效成本[3]。

当结构失效的时候，我们必须为之付出各种费用，诸如检查费、修理费、重建费、赔偿费、社会信用丧失的代价等。对于很多重要结构，失效后成本要比初始建造成本大得多。若能够估算由于失效而出现的这些成本，那么期望的失效成本将作为失效概率P，的函数给出。显然，期望的失效成本将随失效概率的增加而增加。这样，失效成本和初始成本对确定设计变量而言是相矛盾的。期望的结构总成本由下式给出：

4结语

通过本文分析，土木工程结构设计安全性和经济性优化的关键在于解决三个方面的问题：一是随机变量的概率描述，尤其是随机过程的描述，这是进行全概率设计的关键课题；二是复杂系统的可靠度计算方法。三是结构目标可靠度的确定。与确定传统安全系数设计法中的允许安全系数一样，目标可靠度的确定是进行结构可靠度设计的基础。做好这三个方面的工作，才能最终实现工程效益的真正提高。

参考文献：

[1]张万和.土木工程结构设计中的安全性与经济性[J].科技展望.2015(02).

[2]杨晓峰.如何保障土木工程设计工作的安全性与经济性[J].山西建筑.2014(29).

[3]郝敏.浅谈土木工程结构设计中的安全性与经济性[J].黑龙江科技信息.2013(27).

作者简介：

张荣珍（1983—），女（壮族），广西桂林人，助理工程师，大学本科，从事建设规划管理工作。