第13章土木工程設(shè)計13.1土木工程設(shè)計的特點土木工程設(shè)計主要包括外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計2部分。土木工程外形設(shè)計應(yīng)滿足使用要求、應(yīng)便利結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工、應(yīng)滿足美觀要求和經(jīng)濟要求、同時還應(yīng)注意與周邊環(huán)境的交融與和諧。結(jié)構(gòu)設(shè)計主要應(yīng)滿足荷載要求。目前結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采用概率極限狀態(tài)設(shè)計法。13.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求一般考慮3個因素，即結(jié)構(gòu)的安全等級、結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限、結(jié)構(gòu)的功能要求。1）結(jié)構(gòu)的安全等級。建筑物的重要程度是根據(jù)其用途決定的。不同用途的建筑物，發(fā)生破壞后所引起的生命財產(chǎn)損失是不一樣的。《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果（危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等）的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級。根據(jù)破壞后果的嚴(yán)重程度，建筑結(jié)構(gòu)劃分為三個安全等級（見表13-1-1）。2）結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是要使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)能完成預(yù)期的全部功能要求。所謂設(shè)計使用年限，是指設(shè)計規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進行大修即可按其預(yù)定目的使用的時期。換言之，設(shè)計使用年限就是房屋建筑在正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護下所應(yīng)達到的持久年限。我國結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限應(yīng)符合表13-1-2的規(guī)定。表13-1-1建筑結(jié)構(gòu)的安全等級表13-1-2結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限分類3）結(jié)構(gòu)的功能要求。建筑結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)滿足安全性、適用性和耐久性三項功能要求。安全性指結(jié)構(gòu)在正常施工和正常使用的條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；在設(shè)計規(guī)定的偶然事件（如強烈地震、爆炸、車輛撞擊等）發(fā)生時和發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性，即結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌。適用性指結(jié)構(gòu)在正常使用時具有良好的工作性能（例如，不會出現(xiàn)影響正常使用的過大變形或振動；不會產(chǎn)生使使用者感到不安的裂縫寬度等）。耐久性指結(jié)構(gòu)在正常維護條件下具有足夠的耐久性能，即在正常維護條件下結(jié)構(gòu)能夠正常使用到規(guī)定的設(shè)計使用年限（例如，結(jié)構(gòu)材料不致出現(xiàn)影響功能的損壞，鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋不致因保護層過薄或裂縫過寬而銹蝕等）。結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性是結(jié)構(gòu)可靠的標(biāo)志，總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。結(jié)構(gòu)可靠性的定義是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)、在規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的能力。但在各種隨機因素的影響下，結(jié)構(gòu)完成的能力不能事先確定，只能用概率來描述。為此，我們引入結(jié)構(gòu)可靠度的概念，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定條件下，完成預(yù)定功能的概率。在這里規(guī)定時間指設(shè)計使用年限；規(guī)定條件指正常設(shè)計、正常施工、正常使用和正常維護，不包括錯誤設(shè)計、錯誤施工和違反原來規(guī)定的使用情況；預(yù)定功能指結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。結(jié)構(gòu)的可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，即對結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述。結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)使用年限長短有關(guān)?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》以結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為計算結(jié)構(gòu)可靠度的時間基準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)注意，結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限雖與結(jié)構(gòu)使用壽命有聯(lián)系，但不等同。當(dāng)結(jié)構(gòu)的使用年限超過設(shè)計使用年限后，并不意味著結(jié)構(gòu)就要報廢，但其可靠度將逐漸降低。13.1.2結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)能滿足功能要求，稱結(jié)構(gòu)“可靠”或“有效”，否則稱結(jié)構(gòu)“不可靠”或“失效”。區(qū)分結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)“可靠”與“失效”的界限是“極限狀態(tài)”。因此，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可定義為：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部份，超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能（安全性、適用性、耐久性）要求，該特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。工程設(shè)計時，一般先按承載力極限狀態(tài)設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件，再按正常使用極限狀態(tài)驗算。承載能力極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。承載能力極限狀態(tài)主要考慮關(guān)于結(jié)構(gòu)安全性的功能。超過這一狀態(tài)，便不能滿足安全性的功能。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)：結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強度不夠而破壞；整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如柱子被壓曲等）。結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件一旦超過承載能力極限狀態(tài)，將造成結(jié)構(gòu)全部或部分破壞或倒塌，導(dǎo)致人員傷亡或重大經(jīng)濟損失，因此，在設(shè)計中對所有結(jié)構(gòu)和構(gòu)件都必須按承載力極限狀態(tài)進行計算，并保證具有足夠的可靠度。正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。超過這一狀態(tài)，便不能滿足適用性或耐久性的功能。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)：影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動；影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。雖然超過正常使用極限狀態(tài)的后果一般不如超過承載能力極限狀態(tài)那樣嚴(yán)重，但也不可忽視。比如過大的變形會造成房屋內(nèi)粉刷層剝落、門窗變形、屋面積水等后果，水池和油罐等結(jié)構(gòu)開裂會引起滲漏，等等。我國在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中目前習(xí)慣將結(jié)構(gòu)的工作性能用結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z描述，并采用作用效應(yīng)、結(jié)構(gòu)抗力等指標(biāo)進行結(jié)構(gòu)分析。所謂作用效應(yīng)是指結(jié)構(gòu)上的各種作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力（軸力、彎矩、剪力、扭矩等）和變形（如撓度、轉(zhuǎn)角、裂縫等）的總稱、用S表示，由直接作用產(chǎn)生的效應(yīng)通常稱為荷載效應(yīng)。結(jié)構(gòu)抗力則是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力（比如構(gòu)件的承載力、剛度、抗裂度、等）、用R表示，結(jié)構(gòu)抗力是結(jié)構(gòu)內(nèi)部固有的，其大小主要取決于材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)及計算模式的精確性等。結(jié)構(gòu)分析式為：Z=G（S，R）=R－S式中，S、R、Z均為隨機變量。當(dāng)Z＞0時R＞S，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；當(dāng)Z＜0時R＜S，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)；當(dāng)Z＝0時R=S，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。G（S，R）＝R－S＝0稱為極限狀態(tài)方程。我國現(xiàn)行規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法、用分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行計算，并給出了按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計的實用表達式及按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計的實用表達式。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計的極限狀態(tài)設(shè)計表達式為γ0S≤R，其中，γ0為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)，γ0S為荷載效應(yīng)基本組合或偶然組合的設(shè)計值，R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計值（即抗力設(shè)計值）。荷載效應(yīng)的基本組合是指承載能力極限狀態(tài)計算時，永久荷載和可變荷載的組合；而荷載效應(yīng)的偶然組合則是永久荷載、可變荷載和一個偶然荷載的組合。按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，一般考慮荷載效應(yīng)的基本組合，必要時尚應(yīng)考慮偶然組合。結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件超過正常使用極限狀態(tài)的表達式為S≤C，其中，S為變形、裂縫等荷載效應(yīng)的設(shè)計值，C為結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求所規(guī)定的限值（比如變形、裂縫寬度等）。結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中，混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)主要是驗算構(gòu)件的變形、抗裂度或裂縫寬度，使其不超過相應(yīng)的規(guī)定限值；鋼結(jié)構(gòu)通過構(gòu)件的變形（剛度）驗算保證；而砌體結(jié)構(gòu)一般情況下可不做驗算，由相應(yīng)的構(gòu)造措施保證。荷載效應(yīng)組合設(shè)計值也分標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合。13.2土木工程設(shè)計的基本方法與要求建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟依次為建筑結(jié)構(gòu)模型的建立→結(jié)構(gòu)荷載的計算→構(gòu)件內(nèi)力計算和構(gòu)件選擇→施工圖繪制。下面以橋梁設(shè)計為例介紹一下土木工程設(shè)計的基本方法與要求。1）準(zhǔn)備工作。熟悉用戶提供的設(shè)計用的原始數(shù)據(jù)和有關(guān)資料以及設(shè)計任務(wù)書，明確設(shè)計目的和設(shè)計內(nèi)容。認(rèn)真閱讀地質(zhì)剖面圖，全面了解橋位處地質(zhì)水文、等情況。2）方案比較。在方案比較階段，應(yīng)首先完成有關(guān)的水力水文計算，確定橋長、跨徑、確定主要標(biāo)高。綜合考慮各方面的因素，遵循橋梁設(shè)計的基本原則，設(shè)計出不少于3個的可行橋型方案。經(jīng)過分析比較，選出推薦方案。分析比較主要從橋型、工程材料指標(biāo)和造價、施工技術(shù)力量、施工設(shè)備、工期等幾方面考慮。推薦方案要求理由充足，方案比較要繪制比較方案圖，編寫方案比較部分的說明書。在進行方案設(shè)計時，思路要寬廣，先不管高次超靜定結(jié)構(gòu)計算是否有復(fù)雜性，只要認(rèn)為是可行的、合理的橋梁方案均可以提出來。每個方案繪制一張圖紙，圖上要標(biāo)出橋梁總長、跨徑、矢高、矢跨比、主梁高度、低水位、常水位、設(shè)計洪水位、通航水位、路線標(biāo)高等，在方案比較圖中，每一個方案應(yīng)繪制立、平面圖和橫剖面圖，同一圖中X向與Z向只準(zhǔn)用同一比例尺。立面圖與剖面圖可以用不同的比例尺，橫剖面圖可以大一些。方案比較圖應(yīng)有必要的附注說明和工程材料數(shù)量比較表。編寫方案比較說明書的主要內(nèi)容包括橋梁設(shè)計的任務(wù)、各個方案的優(yōu)缺點、水力水文計算、方案分析比較的論證說明、工程材料數(shù)量計算的依據(jù)、施工吊裝的方法、等。3）結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算和驗算。用選定的推薦方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和驗算。正確擬定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，進行上、下部結(jié)構(gòu)受力分析，構(gòu)件的截面設(shè)計與驗算，橋面板的設(shè)計計算等（結(jié)構(gòu)體系比較簡單時，應(yīng)對橋梁支座、橋面連續(xù)構(gòu)造進行驗算或設(shè)計計算），進一步了解與應(yīng)用橋涵設(shè)計規(guī)范、查閱和應(yīng)用有關(guān)資料，最后做出結(jié)構(gòu)設(shè)計詳圖。擬定結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造及尺寸估算要按照有關(guān)規(guī)范進行，內(nèi)力計算和截面驗算可參考有關(guān)設(shè)計資料、橋梁計算示例集和橋涵設(shè)計手冊進行，必須采用現(xiàn)行《橋梁規(guī)范》進行設(shè)計計算。設(shè)計計算書要詳細(xì)（應(yīng)包括詳細(xì)的計算過程、力學(xué)圖式、依據(jù)和必要的說明等）。計算數(shù)據(jù)要正確、思路清楚、字跡清晰、圖表整齊。設(shè)計計算完成后，繪制結(jié)構(gòu)詳圖，其內(nèi)容包括橋跨結(jié)構(gòu)；主梁或主梁節(jié)段的構(gòu)造；墩、臺基礎(chǔ)的構(gòu)造