基于可靠度的建筑结构设计优化

摘要: 建筑结构设计优化是否基于可靠度的设计方法收到学术界激烈的讨论,对其的肯定态度成为重大科技进步,本文阐述了基本的可靠度结构设计理论,分析了图书馆建筑项目中抗震设计可靠度的设计方法,以设计实例分析?
引言
我国受到的自然灾害较多,珠三角地区常常遇到台风等气候影响,这些对于建筑结构的设计考验非常大,必须充分考虑建筑结构的可靠度?本文结合惠州市商贸学校的图书楼的结构设计实例,从结构设计的可靠度基础的理论分析着手,介绍了图书馆建筑中抗震设计的可靠度设计方法,继而对结构设计可靠度分析的应用进行思考,最后简要介绍了这一图书楼项目的基于可靠度的建筑结构设计优化,以期在类似建筑结构设计优化中提供参考?
结构设计的可靠度基础理论
在国家相关标准规范中已经有了关于结构设计要按照可靠度理论进行设计的规范规定,《建筑结构可靠度设计统一标准》和《工程结构可靠度设计统一标准》较为详细的做出了设计要求?进行建筑结构设计优化最根本的目的在于在限定的经济条件之下,提供给结构足够的可靠度,以使得结构在规定设计的使用期限以内,可以实现所预期各项功能的要求?通常说来,建筑结构一定要满足三个方面的功能要求?首先,正常的施工和正常的使用的时候要能够承受可能出现各种类型的荷载和作用设计规定出现的偶然因素时间发生的时候以及发生之后仍然要保持必要的整体稳定性能,也就是说建筑结构要始终保持足够的安全性能?其次,正常使用阶段要具有足够优秀的工作性能,也就是建筑结构在正常情况下始终保持良好地安全性能?此外就是要在正常维护情况下仍旧拥有良好地耐久性能?
结构的安全性?适用性以及耐久性也是建筑结构是否可靠最重要的标志,也被称为结构可靠性能,结构的可靠度就是对这些性能度量值,也就是结构在限定时间范围内,在规定条件之下,完成预期功能的概率?结构设计的可靠度主要基于概率的极限状态设计方法这一理论分析方法,国际上采用《结构可靠度总原则》相关内容进行明确表述?我国建筑结构设计优化的可靠度研究经历了破损阶段设计方法阶段?容许应力设计方法阶段和极限状态设计方法阶段等重大的变化?可靠度的表现集中于安全系数?分项系数及可靠指标上,此外还受到包括结构构造的规定?材料的强度和荷载标准值等方面的精度影响?
图书馆建筑中抗震设计的可靠度设计方法
1976年的唐山7.8级大地震和2008年汶川的8级特大地震等重大的地质灾害让更多的人关注到了学校的抗震结构设计之上,图书馆作为学校的核心部分?人员集中场所和文化氛围区域,对其进行可靠度的设计分析必不可少?对于竖向荷载?材料力学性能和风荷载等这些随机性非常强的影响因素需要根据大量实测数据及试验数据进行统计分析,工程中已经有了足够精度的统计规律及特征掌控?但是宏观上来讲,板块学说及局部机制情况下的弹性回跳理论作用机理较为复杂,人们对地震动的机理认识还处于十分肤浅的境界?强烈地震由于发生次数较少且在同一地区较少可能重复发生,要实现工程意义上更有价值的统计分析难度较大,其不确定性导致是去了可靠度设计分析最基本的根据?建筑结构设计优化的同时进行多安全系数综合考虑来设计的方法更好的适应了复杂的地震分析过程,从整体应用得综合角度着手保证结构的可靠性能?
结构设计可靠度分析应用思考
影响结构可靠性的因素是很多的,概括地说主要是两个方面?一方面是结构受到的各种外界作用?施加在结构上的各种作用将在支座处产生反力,同时使结构产生内力?变形?倾覆和滑移?内力包括弯矩?轴力?剪力与扭转?变形包括挠度?侧移和转角?这些都是影响结构安全的因素,总称为作用效应?另一方面是结构本身对各种作用效应的抵抗能力即结构的抗力?在结构设计体系之中,运用可靠度数值大小的问题一直受到国际广泛探讨,实现强度和功能两大原则便是核心的需求?国家综合的经济及资源状况?整个社会的财富积累和设计施工的水平与建筑材料质量水平综合的影响了结构设计的可靠度高低?首先要分析国家及社会的经济技术水平,明确结构需要的生命周期?建筑结构所预期的需求功能和增加了可靠度情况下的费用增加情况,再进行综合评判确定结构安全储备以及可靠度的水平?因此实现建筑结构可靠度分设计就是权衡结构造价同投资风险间的得失问题,遵照最优化的设计方案?大量的工程实践表明,结构设计的可靠度选择在牵涉生命财产安全的同时,更会产生深刻的社会影响,部分特殊建筑甚至产生严肃的政治后果,涉及到国家技术经济政策及经济基础?
然而由于对荷载和抗力等因素的统计特性的研究和资料积累都不够,所以在建筑结构工程中目前完全采用理想的全概率法尚有困难,只是在某些特别重要的工程结构(如核电站的安全壳以及飞机和宇航业中的金属结构)中,才花很大力量进行大量的试验并作较精确的概率分析?针对我国的幅员非常辽阔,各个地方的经济发展水平非常不平衡,相互间的技术力量也悬殊很大,环境条件差异明显,这些客观因素要求在执行规范的时候,结构设计人员必须更有灵活性和领悟性,不要拘泥于强制性,根据工程实际特点及具体的条件解决实际问题,更好的实现规范的指导作用?建筑设计的安全性与耐久性要求随着地域的不同差异明显,仅珠三角地区,广州同惠州在可靠度上就需要区别对待?
某学校图书楼结构设计分析
5.1工程设计概况
某学校图书楼项目,建筑性质为综合办公楼,建筑总面积17890.33m2?规划有四个书库,综合阅览室数量为10个,办公室数量是39个,建筑层数为九层,建筑高度37.5m,取一级耐火等级?结构设计方面,该工程项目属于一类高层建筑类别,主要采用框架体系的建筑结构形式,设计使用年限50年,按照最新的抗震规范规定去七度的抗震设防烈度,屋面采用二级防水,工程设计0.000标高相当于绝对标高44.90m?
图书楼桩基础施工图,基础的良好设计是保证可靠度的前提和关键,其依据了《岩土工程勘察报告》?《建筑桩基技术规范》和《预应力混凝土管桩基础技术规程》等?采用PHC管桩,AB型,管桩外径为400厚,壁厚95厚(500外径的壁厚为125),其性能满足相应国家技术标准,单桩承载力特征值达到400厚的1200kN?承台材料选用C30混凝土,钢筋为HRB335级?HPB300级,所有桩头均进入承台内100mm,承台周围回填土采用素土分层夯实,承台下做C15素混凝土垫层100mm厚,每边扩出承台100mm?下图3为首层结构平面图,该工程项目较为规则,各层结构类似,在处理可靠度问题上也较为方便,实现结构的安全性较简单?结构板面标高为-0.350范围为室外屋面,此范围板厚160mm,配筋双层双向直径10@150,水?电井楼板待设备管道安装完成后浇注,板厚100mm,配筋双层双向,直径8@180,梁上预埋套管加强节点详结构总说明?
结语
进行 建筑结构设计优化最根本的目的在于在限定的经济条件之下,提供给结构足够的可靠度,以使得结构在规定设计的使用期限以内,可以实现所预期各项功能的要求?文章通过结合惠州市商贸学校的图书楼的结构设计实例,从结构设计的可靠度基础的理论分析着手,介绍了图书馆建筑中抗震设计的可靠度设计方法.