海南文昌 571300
摘要：我们都知道现阶段对建筑工程最主要的考核指标便是其安全性，而想要生产出高质量、优品质、舒适的建筑，就不得不对土木工程结构的可靠性进行研究与探讨。为了提高建筑结构的可靠性，本文就将从影响土木工程结构可靠性的因素和解决方法进行展开。
关键词：土木工程；结构；可靠性；研究
引言：
土木工程包括非常广的范围，不仅涉猎到房屋建筑、桥梁建筑，而且还有铁路、桥梁、河堤、园林。另外随着社会的进步和经济的发展，我国的建筑行业也是发展得十分迅速的。为了在整个行业中站稳脚步，就必须要有足够的资本和竞争力。同时人们对不同的建筑例如：堤坝、桥梁、高层建筑等的需求也是在不同层次上开始增加，另一方面随着之前豆腐渣工程的出现，人们对土木工程的设计与结构的安全性、可靠性也是越来越关注了。
1.土木工程结构可靠性的含义
土木工程结构可靠性的定义是结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力（见《工程结构可靠性设计统一标准GB50153-2008》）。从其定义可知，土木工程结构可靠性隐含了安全、适宜、实用、耐用等四个方面的内涵。
首先是安全性，而针对安全性的结构可靠性设计包含以下几个方面：
1）安全生产及安全使用的要求，即结构使用时的正常情况。
2）临时情况比如施工和维修时，结构承受的荷载往往会超过正常情况。
3）遭受火灾、爆炸、撞击、台风、洪水等人为的或自然的灾害的偶然情况。
4）地震状况较为特殊，已经作为一项专项设计要求普及到了全国所有类型的土木工程结构设计中。
其次是适宜性。由于全国各行各业对于土木工程结构的功能、性能等要求各不相同，因此从结构体系的选择开始就大相径庭，必须选择适宜的结构形式，并针对建设单位的个体性需求进行设计，才能实现结构的整体可靠性。例如普通商品住宅通常都选择混凝土结构，而针对不同层数的高层、小高层、多层住宅，又分为剪力墙、框架剪力墙、框架等结构形式。如果选择了不适宜的结构形式，例如将框架结构用于高层住宅，则基本上很难协调业主对于户型美观实用的要求，同时对结构的抗震设计也提出了巨大的挑战。同理，相对于混凝土结构，钢结构具备构件截面积小、构件自重轻、强度高的特点，因此适宜于各种工业厂房大跨度、高承重能力的要求，以及各种大跨度空间结构的需求，如果不采用钢结构而采用混凝土结构，则各种机场、火车站宽广舒适的候机厅等都不可能实现。
再次就是实用性。由于全国各地区经济发展水平及所处的环境的不同，以及全国国民经济水平及科技发展水平在不同的时期处于不同的发展阶段，强制要求各个地区所有土木工程项目都需要满足同样的标准（比如达到同样的抗震等级、人防等级等）并实现完全一致的结构可靠性要求，显然是不合理的。比如如果强制性的要求农村农民的自建房屋具备某核电站的抗震水平或人防水平，小孩子都会觉得可笑。而针对国内当前的经济发展水平，我国的土木工程结构可靠性整体要求在借鉴了欧美发达国家的相关行业规范之后在很多不会导致较为严重后果的方面进行了让步，使得国内所有基建项目的成本得到了有效控制，因此我国的基建水平在近二十年得到了突飞猛进的发展。例如在《建筑抗震设计规范GB 50011-2010》的总则条文说明里写道：“抗震设防是以现有的科学水平和经济条件为前提。规范的科学依据只能是现有的经验和资料。目前对地震规律性的认识还很不足，随着科学水平的提高，规范的规定会有相应的突破；而且规范的编制要根据国家的经济条件的发展，适当地考虑抗震设防水平，制定相应的设防标准。”
最后是耐用性。耐用性要求土木工程项目能达到一个规定的时间要求，即设计使用年限。由于任何材料都有其寿命，性能会逐渐退化，导致结构构件或结构整体逐渐不能满足承载力要求，并且在经历过长期荷载作用之后结构构件会产生不可逆转的变形、局部损坏等，使得结构上逐渐不能满足该项目正常使用的要求。如果设计使用年限太短，显然不能满足对该项目拥有所有权的业主或建设单位的需要，而将设计使用年限定得太长，则会增大投资成本以及技术上实现的难度，甚至导致整个项目的流产。因此需要对结构的耐用性做出合理的规定，国内对一般工程项目的设计使用年限要求是50年，不同类型的重要项目可达到100年。
作为一门工程科学，土木工程结构的可靠性最主要的还是靠数据说话，而反映结构可靠性高低的数据是可靠度（结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率）。计算过程中需要考虑许多外界客观亦或是主观的因素，外界环境的各种荷载、原材料的物理性能指标、结构及其构件本身的几何性质及物理性质、甚至施工人员的技术等等都是要考虑进去的（例如钢结构的焊接工程焊缝质量对焊缝强度的影响）。
2.影响工程可靠性的因素
2.1土木工程本身的随机性
我们知道，虽然每一个土木工程施工的地点、时间、环境都是确定的，但材料性能、荷载、施工误差等都具有随机性。在土木工程设计应用上，我国“采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法；当缺乏统计资料时，工程结构设计可根据可靠的工程经验或必要的试验研究进行，也可采用容许应力或单一安全系数等经验方法进行。”（见《工程结构可靠性设计统一标准GB50153-2008》）这种设计原则的理论依据在于：我们不可能准确地预知施工采用某种型号材料的性能，也不可能准确预知结构在其使用年限内所遇到的所有荷载作用的具体数据，但是我们可以通过概率分布理论来计算这种材料和这些荷载作用在通常情况下具有95%以上保证率的数据，这种数据就是设计时采用的材料性能和荷载作用的标准值。而为了达到比95%更高的要求，设计上采用了按有利原则对标准值进行了乘以分项系数进行折减或增大，这种称为折减或增大后的数据称为设计值。这也是目前国际上主流的土木工程可靠性设计方法。
2.2土木工程结构理论及设计理念的不完善
对于土木工程行业来说虽然很多理论及技术已经应用得非常成熟，并且通过大量工程实例积累了丰富的经验数据，但土木工程的结构理论方面仍然还有巨大的改革和创新的空间。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆设计理念、理论知识都是在不断地更新与翻替当中，这种快速的更替无疑会影响土木工程结构的可靠性。
建筑工程结构的理论知识最终都是要在具体的工程项目中得以体现和验证，可能之前还受用的理论在另外一项工程中并不受用，这个时候你也不能全盘否定理论的可靠性，因为具体工程都是有具体的使用的理论知识作为基础的。例如在美国911恐怖袭击事件中的世贸中心双子塔，在受到了大型波音客机的撞击之后并没有立刻倒塌，这按照结构设计的要求来说已经达到了预期的目的。并且考虑到这种撞击本身就是极其罕见的（在任何土木工程设计当中几乎都不可能将大型客机的撞击作用考虑在内），其设计甚至可以说相当成功（应归功于双子塔的抗震和抗风设计对侧向作用力的充分预期）。然而，设计双子塔时还没有现代才有的抗连续倒塌这么先进的设计理念，所以当飞机爆炸后倾泻而下的航空燃油将其钢结构核心筒烧得滚烫时，其悲剧性的命运就已经注定了。
另一个例子是建筑抗震设计理论，在早期的建筑设计中，我国甚至根本没有抗震设防方面的考虑和要求。在经历过几次大地震后，我国为了保护人民群众的生命和财产安全，结合国外的抗震设计标准制定了我国的标准，并在全国推广强制执行，并几经修订、版本更替，才将当前的建筑抗震设计理及应用论水平提高到国际主流水准。早期的建筑抗震设计用现在的眼光来看属于简单粗暴的类型，多数采用底部剪力法，结构工程师通过手算计算出建筑在地震作用下承受的荷载，然后针对这个荷载设计结构构件以满足其强度要求。而现在随着计算机的普及，结构设计越来越精细化，在电脑上建立有限元模型，针对每个构件甚至每个构件还要细分成更小的有限元单元，来模拟现实中各个部分的相互作用与约束，并且各种有限元的性质设定也力求接近现实情况，大大提高了计算的精度。而更为复杂和重要的建筑当中，现在已经要求采用结构动力学的理论、结合历史上曾经发生过的地震的地震波数据来进行地震作用的计算，并补充模拟的地震波数据作为假想敌考虑，而不是仅仅将地震作用作为一项静力施加到结构上，将建筑抗震设计的科学性提高到了一个新的水平。
2.3人为因素
即使设计理论和设计理念以及相关技术再完美，具体的工程项目的实施最后也要落实到人身上，而当把人为因素考虑进来，那么结构可靠性很难再作为一门科学而继续存在下去。良莠不齐的设计、施工、监理单位人员素质、错综复杂的经济利益关系、工程法律法规方面的种种疏漏等等都可以成为影响一项工程成败的关键，而其影响的重要性丝毫不亚于设计理论本身。
2.4环境因素
土木工程结构的可靠性还受到环境因素的影响。这里的环境不单指设计时已经考虑到的自然环境和使用环境因素，还包括设计时不曾考虑到的因素。比如在山体滑坡、泥石流多发的地区修建的道路，不管道路本身设计得多么坚固多么平稳沉降控制多么优秀，在遇到泥石流冲击路面淹没过往的车辆、滑坡滚下来的巨石砸向车辆或人群时，再先进的设计理论和高质量的施工都无法使结构的可靠性得到保障。
3.提高土木工程结构可靠性的方法
3.1优化设计
优化土木工程建筑的设计是不可缺少的，想要有可靠的、安全的、耐用的建筑设计是第一步。而针对设计的优化离不开大量工程实践带来的经验积累，同时部分设计优化也会带来项目整体成本的提高，需要得到建设单位的资金支持。对于经验丰富、高水平的工程师而言，有时则会通过发挥他们自身的经验优势或创新能力，在不提高工程成本的情况下实现结构可靠性的提升。例如在2013年4月20日的四川省雅安市芦山县7.1级地震中，笔者本人设计的芦山县人民医院新建不久的隔振大楼轻易地经历该地震的考验，几乎完好无损地矗立在一片地震废墟之中，不但很好的保护了医院医护人员及病人的安全，也对地震灾区的救援行动提供了硬件方面的保障。而该大楼在设计时采用的新型隔振技术不但没有大幅提高结构工程的建设成本，反而在进行造价预算时发现在芦山县所在的较高地震烈度区修建医院类型建筑会使得成本降低。
3.2进行技术与理论的提高与创新
技术和理论的提高与创新无疑是在行业全局提高结构可靠性最关键的环节。正如科技创新对于社会发展水平的贡献一样。技术与理论的提高与创新离不开土木工程行业所有的上至专家学者下至一般从业人员的刻苦专研精神以及工程实践经验的积累。基础科学方面的理论进展虽然缓慢，但是随着计算机等硬件设备水平的日益提高，在理论方面即使没有突破性进展的情况下，算力上的突破也能将一些以前不可能实现的理论用于工程实践中。二十多年前的计算机设备初步应用到结构设计中进行有限元模型计算的时候，计算大型土木工程项目往往需要一台计算机连续工作几十个小时，甚至几天时间，在它计算工程中设计人员往往无所事事地干等，计算机完成计算之后再对设计进行优化，然后再次计算，循环往复。更早以前没有计算机设备的时候，同样的计算依靠人力则完全不可能完成，因此那时候全国范围内现在常见的大型项目基本上极其罕见。而现在进行同样的设计，计算机只需几分钟即可完成计算，对结果进行优化也变得更加高效，大大提高了行业整体水平，自然也对全国范围内的土木工程项目结构可靠性有着巨大的提升效果。
3.3经济发展水平的整体提高
全国经济发展水平的高低对土木工程结构可靠性高低有巨大影响，当经济发展水平更高时，人们对结构可靠性有更高的要求，愿意为了提高整体可靠性而投入资金。因此当理论和技术水平没有明显进步的情况下，投资更多的项目明显可以在影响结构可靠性的各个方面提出更高的要求，例如提高抗震等级、降低挠度限值、提高设计使用年限等。而随着国民经济发展水平的提高，国家规范制订的结构可靠性要求也越来越高，也相应地具备提高全国工程项目整体可靠性的经济实力，因此经济水平也是影响土木工程结构可靠性的重要因素。
3.4提高土木工程从业人员的整体素质
工程建设离不开人，只有提高了土木工程行业从业人员的整体素质，不仅限于其业务水平，还包括其职业道德水平，才能相应的降低影响工程结构可靠性的人为因素，最大限度地发挥科学技术因素的有利影响。目前我国提高从业人员整体素质的方式是注册职业资格考试，强制性的提高从业人员的理论和技术业务水平，这在相当程度上起到了积极的效果（职业资格考试的难度逐年加大就是一个很明显的例子）。而影响同样重大的职业道德水平，则不是通过考试来告诉从业者什么该做什么不该做就能提高的。这需要在工程建设制度上、法律法规上进行更完善的奖惩措施来进行约束，也需要从业者本人有良好的道德操守意识及正确的价值观。冰冻三尺非一日之寒，土木工程行业从业者的整体素质需要长期的良好的继续教育才能逐步提高。
结语：
现如今人们对土木工程的要求是越来越高了尤其是在其结构的可靠性上，而我国现阶段由于相关技术和理论、经济发展水平以及工程从业人员整体水平的不足使得与国外先进水平仍有较大的差距。所以在以后的发展中要针对具体的影响因素，和借鉴优秀的技术与理论知识来完善弥补本身的不足，同时还要进行不断的创新以此来提高我国土木工程结构的可靠性。
参考文献：
[1]胡志天.我国土木工程结构可靠性发展策略探讨[J].才智,2013.
[2]李张苗.考虑多种误差的结构可靠度指标置信度研究[J].上海交通大学,2012.
[3]蔡斌.钢筋混凝土结构可靠性若干问题研究[J].吉林大学,2011.
[4]建筑抗震设计规范GB 50011-2010
[5]工程结构可靠性设计统一标准GB50153-2008
论文作者:彭莘译
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/10
标签：结构论文; 可靠性论文; 土木工程论文; 工程论文; 水平论文; 理论论文; 荷载论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;