建筑结构设计可靠度的影响因素与比较分析

2022-03-21版权声明我要投稿

摘要:为保证建筑物的安全性,需要对建筑结构设计可靠度进行分析,开展建筑结构设计可靠度的影响因素与比较分析。通过建筑结构设计可靠度含义概述可知,建筑结构设计可靠度主要为安全性、适用性以及耐久性,根据分析结果,对建筑结构设计可靠度的影响因素进行探讨,主要影响因素可分为荷载统计参数、建筑材料失效情况。对建筑结构设计可靠度进行对比,设定建筑结构设计可靠度比较方法,设定相应可靠度等级完成对比过程,为建筑工程的安全性与可靠性提供保障。

关键词:建筑结构设计;荷载统计参数;建筑材料;可靠度比较;

20世纪50年代,我国便开展了大规模的基础建筑建设,但其建设标准相对较低,在建筑物的鉴定与评估工作中使用的检测技术较为落后,且多为治标不治本的临时措施。随着城市化的不断发展,大量的建筑物出现在人们的生活中。为了有效控制坍塌事故的发生,保障人们生命安全与财产安全[1,2]。在此次分析中,将针对建筑物结构设计可靠性进行分析,结构可靠性指建筑物结构在规定时间以及规定条件下完成预定功能的能力。在此次分析中所设定的规定条件指建筑结构的设计使用年限以及正常施工正常使用维护下建筑的使用寿命,预设功能包含了建筑的安全性、适用性以及建筑结构的耐久性。通过对上述部分展开分析,提升建筑物的使用寿命。因此,需要设定相应的方案针对建筑结构设计可靠性的影响因素进行分析,并比较多种因素的比重,以此确定主要影响因素,设定针对性解决措施。

1 建筑结构设计可靠度概述

任何的建筑物都会存在相应的质量问题,为保证建筑结构的质量,必须规定质量指标,即性能指标。通过文献研究可知,建筑结构设计的性能指标可分为三种,即建筑居住的安全性、建筑结构的适用性以及建筑结构的耐久性[3,4]。

建筑结构安全性指建筑结构在正常施工与正常使用的情况下,历经突发安全事故时与安全事故发生后的建筑结构稳定性。建筑结构的适用性可理解为该建筑物结构在正常使用条件下,满足各类预设要求的能力。通常情况下,在相应的研究中会设定对应的性能指标体现其具体数值内容,例如人们受到建筑物的影响情况以及建筑结构的损坏情况等。如果该建筑不符合人们规定的要求,将其称为结构不具备相应的适用性。建筑物结构耐久性指该建筑结构在正常维护的条件下,材料性能随时间变化出现的退化情况。

建筑结构具有相应的安全性、适用性以及耐久性,可以认定存在一定的可靠性。将上述三种性能合并称为建筑结构设计可靠性,为了便于理解,将其整合为定义的形式。

在规定的时间内与预设条件下,可以实现建筑结构预定的功能,将这种情况称为建筑结构设计可靠性。为了对其进行系统的量化分析,结合可靠度理论,对内容进行优化。在规定的时间与条件内建筑结构可实现其功能的概率,称为建筑结构设计可靠度[5]。通过上述理论分析结果,作为此次分析的基础内容并实现对建筑结构设计可靠度影响因素的细致分析。

2 建筑结构设计可靠度的影响因素分析

随着建筑结构可靠性研究的不断发展,建筑结构可靠性理论提出了考虑其他不确定因素的可靠度分析方法。在此次分析中,将使用随机性与模糊性相结合的模糊可靠性分析方法,对目前建筑可靠性设计的影响因素进行分析。由于此次分析的问题较为复杂,在某些方面得不到统一要求,将建筑可靠性从复杂动态定性定量的研究方向转化为简单静止定量的理论研究分析过程,通过上述分析过程得到了相应的建筑结构设计可靠度影响因素分析结果。

2.1 荷载统计参数

有研究发现,荷载统计参数是影响建筑结构设计可靠性的重要原因之一。在建筑结构设计可靠性理论中,建筑物的使用年限通常指按照一定规定设计完成的结构或结构插件,不需要进行大量修理,即可完成预定使用期限目标的时限[6,7]。通过研究可知,影响此期限长短的主要原因可分为荷载与耐久性两个方面。因此,在建筑设计过程中,需要设定一定的荷载标准值,取得结构安全与经济的最佳平衡。

根据文献分析结果可知[8],风荷载是影响建筑结构主要的荷载之一。对于建筑结构设计可靠性而言,风荷载是其主要的控制荷载,并主要影响建筑物的形变情况。在正常的情况下,建筑物的迎风柱与背风柱之间的距离均不能超过一定的极限值,以此满足适用性要求。一般情况下,风荷载的数值可以通过规范给出的公式计算得到。对建筑物结构造成影响的荷载为雪荷载,考虑到房屋外层压力面积分布影响以及设计基准期最大荷载概率分布等元素,可将雪荷载的重现期分为1年、3年、5年、10年等。

钢筋混凝土结构构件由钢筋和混凝土两种材料组成,其抗力统计参数不仅受到上述三方面的影响,还与构件截面尺寸、配筋率、钢筋和混凝土的材料强度比值等因素有关,影响因素众多。规范中给出混凝土结构构件材料性能、几何参数及计算模式不定性的统计参数,以一种典型构件的设计参数为条件,根据抗力计算公式和统计数学中的误差传递公式计算得到各类构件的抗力统计参数。参数根据《钢筋混凝土结构设计规范》(TJ 10—74)的相关材料性能和抗力计算公式给出,本文根据现行《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)的材料性能和抗力计算公式对其进行适当调整。

除上述内容外,房屋结构的恒定荷载也是荷载统计参数主要组成部分。此荷载对于建筑结构设计稳定性影响较小,将其放置于荷载统计参数中的最后一项,并由上述三部分组成荷载统计参数。恒荷载属于永久荷载,在环境不变的情况下,基本可保持相对恒定,其对于建筑结构设计基准期的计算结果较小,可将其认定为恒定系数[9]。

2.2 建筑材料失效情况

除外界影响因素外,建筑结构设计中所选用材料的失效情况也会对其可靠性造成一定影响。通过分析可知,在正常的使用极限情况下,结构设计中使用材料的破坏程度与结构设计结果的使用年限具有一定关联性。结构允许的破坏程度取决于结构本身的耐久性与实用性,即取决于使用者对于建筑结构的主观因素。

综合在第一部分提出的外界荷载影响,在此部分中,将内部失效准则设定为两个部分。侧移或挠度失效准则,对于建筑结构设计可靠性而言,建筑物的结构失效通常由其位移所控制。在此次分析,将此两项的失效准则用于评估建筑发生位移后的失效可靠性,通过允许位移,保证结构的适用性。在现行的结构设计规范中,将建筑物设计结果规范于风荷载标准值下,若建筑物结构水平位移不超过规定值,则建筑物的可靠性较高;反之,建筑可靠性较低。舒适性失效准则,对于建筑结构设计结果,由于此次分析中的建筑物多为可拆卸结构,使用时间相对较短,暂不将其列入考虑范围。

在进行建筑结构设计结果的可靠性分析中,一般需要搜集大量的资料进行数据分析,对各个变量的概率分布参数进行分析。为了降低计算难度,将建筑结构的形变数据、材料性能荷载等变量在原有的基础上进行对比。通过此对比结果,计算获取材料敏感度,敏感度越高的材料其建筑结构设计后的可靠性越低。

3 建筑结构设计可靠度比较方法

在此次设计的方法中,将使用有限元分析法将建筑结构设计结果进行单元划分,并将其结构极限状态方程通过数据的形式表达出来。通过计算极限状态中各参数的分布情况以及统计参数的比值,得到有限元结构下建筑结构设计结果的标准值与均值,利用一次二阶距方程得到此结构的可靠度。

在进行有限元分析的过程中,使用随机有限元对建筑结构进行分析,求出结构的随机反应,并根据此反应得到相应的平均值与结构的变异系数。将此计算结果与常用的可靠性分析方法相结合,对建筑结构设计结果的失效概率进行求解。使用此种方法不仅可以求得结构可靠性的具体数据,还可以对建筑结构的外在载荷与结构材料进行分析,具有很好的计算效果。在有限元分析的过程中,需要进行大量的迭代运算,应选择更为高级的计算软件,作为有限元分析的载体。通过上述方法获取建筑结构设计可靠性的具体数值,并根据此数值完成对比过程,对比结果具象化体现,可设定相应的等级划分结果,确定建筑结构设计中的可靠度等级,以此完成建筑结构设计可靠度比较分析。

4 结语

本文主要对建筑结构设计可靠度的影响因素与比较展开分析。通过研究相关文献得到了相应的可靠度影响因素分析结果,设定了建筑结构设计可靠度比较方法。本研究还存在不足,在有限元计算过程中未设定对应的边界条件以及建筑结构三维模型。今后的研究中将针对上述不足展开优化,以此获得更完善的建筑结构设计结果,提升建筑物使用年限,保证人们的生命和财产安全。

参考文献

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[2]徐春一,苑永胜,逯彪,等.双相体不锈钢筋与混凝土锚固设计及可靠度分析[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2019,35(3):445-452.

[3]张艳青,符瑞安,韩石,等.中美欧建筑结构抗震设计对比[J].应用力学学报,2020,37(5):2288-2296,2339-2340.

[4]钟永,武国芳,任海青.国产结构用规格材的抗弯强度可靠度分析和设计值[J].建筑结构学报,2018,39(12):119-127.

[5]孟丽.基于增量动力分析方法的高层建筑框架结构抗倒塌可靠性评估[J].地震工程学报,2020,42(1):52-56.

[6]程政,周建民,彭泽政,等.基于“性能效率”概念的既有公共建筑可靠性评价方法研究[J].工程抗震与加固改造,2018,40(4):9-15.

[7]何化南,杜彦成,幸坤涛.单层工业厂房上部承重结构体系可靠性评定方法[J].大连理工大学学报,2019,59(5):526-535.

[8]杜玉龙,马军海,王桂立.建筑消防设施可靠性管理研究现状与思考[J].安全与环境学报,2019,19(1):126-133.

[9]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

作者:靳曰森 杨蕾 单位:青岛国立设计有限公司

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