建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計問題與對策

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；荷載；設(shè)計

　　1 前言

　　結(jié)構(gòu)上的作用包括直接作用和間接作用。直接作用指的是施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，例如結(jié)構(gòu)自重、樓面活荷載和設(shè)備自重等，引起的效應(yīng)比較直觀；間接作用指的是引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的作用，例如溫度的變化、混凝土的收縮或徐變、地基的變形和地震等，這類作用引起的效應(yīng)比較復(fù)雜，例如地震會引起建筑物產(chǎn)生裂縫、傾斜下沉以至倒塌，但這些破壞效應(yīng)不僅僅與地震震級、烈度有關(guān)，還與建筑物所在場地的地基條件、建筑物的基礎(chǔ)類型和上部結(jié)構(gòu)體系有關(guān)。作用在建筑物上的實際荷載到底有多大，很難精確計算。事實上，即使有最完整的資料，還是很難確切估計荷載的大小。但是為了能開始著手設(shè)計，通常做出一些不致造成嚴(yán)重誤差的合理假設(shè)。在各種外力和荷載作用下，結(jié)構(gòu)必須以合適的性能和所要求的穩(wěn)定性做出反應(yīng)。結(jié)構(gòu)計算時，需根據(jù)不同的設(shè)計要求采用不同的荷載數(shù)值，這稱為荷載代表值；荷載的代表值有荷載的標(biāo)準(zhǔn)值、準(zhǔn)永久值和組合值之分。

　　2 荷載

　　2.1 荷載作用

　　結(jié)構(gòu)上的作用雖然分為直接作用和間接作用，但它們產(chǎn)生的結(jié)果是一樣的：使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生效應(yīng)（結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等）。因此，也可以這樣定義“作用”：使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生效應(yīng)的各種原因，稱為結(jié)構(gòu)上的作用。“荷載”和“作用”對實際工程設(shè)計來說，主要是一個概念問題，一般并不影響作用效應(yīng)的計算和結(jié)構(gòu)本身。在國際上，目前也有不少國家對“荷載”和“作用”未加嚴(yán)格區(qū)分。在我國，一般情況下，“荷載”專指直接作用，“作用”有時指直接作用和間接作用，有時專指“荷載”或?qū)Ｖ搁g接作用；在工程中，為了使用和交流的方便，常常將直接作用和間接作用均稱為“荷載”。

　　2.2 建筑結(jié)構(gòu)荷載

　　建筑結(jié)構(gòu)在使用和施工過程中所受到的各種直接作用稱為荷載。另外，還有一些能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的間接作用，如地基變形、混凝土收縮、焊接變形、溫度變化或地震等引起的作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，首先應(yīng)進(jìn)行荷載的計算，取其代表值，荷載確定后，才能根據(jù)其大小和作用形式計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，然后再進(jìn)行構(gòu)件計算。也就是說建筑物某一部分的構(gòu)件，是承重還是非承重，承受多大的荷載，都有其最大值或極限值，超過個極限值，結(jié)構(gòu)就會變形，就會遭到破壞，輕者降低建筑物的經(jīng)濟(jì)壽命，重者會釀成事故，威脅到生命安全。這就是物業(yè)裝修管理人員必須了解、掌握建筑結(jié)構(gòu)形式及其荷載作用、影響的目的。

　　3 荷載的分類

　　3.1 按隨時間變異分類

　�。�1）永久荷載（亦稱恒荷載）。在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其量值不隨時間變化，或即使有變化，其變化與平均值相比可以忽略不計的荷載。如結(jié)構(gòu)的自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力等。（2）可變荷載（亦稱活荷載）。在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不能忽略的荷載。如樓（屋）面活荷載、屋面積灰荷載、雪荷載、風(fēng)荷載、吊車荷載等。（3）偶然荷載。在設(shè)計基準(zhǔn)內(nèi)，可能出現(xiàn)，也可能不出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其量值很大且持續(xù)時間很短的荷載。如地震、爆炸力、撞擊力等。

　　3.2 按隨空間位置的變異分類

　�。�1）固定荷載。在結(jié)構(gòu)空間位置上具有固定分布的荷載。如結(jié)構(gòu)自重、樓面上的固定設(shè)備荷載等。（2）自由荷載。在結(jié)構(gòu)上的一定范圍內(nèi)可以任意分布的荷載。如民用建筑樓面上的活荷載、工業(yè)建筑中的吊車荷載等。

　　3.3 按結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)分類

　�。�1）靜態(tài)荷載。對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不產(chǎn)生加速度或產(chǎn)生的加速度很小可以忽略不計。如結(jié)構(gòu)的自重、樓面的活荷載等。（2）動態(tài)荷載。對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生不可忽略的加速度。如吊車荷載、地震荷載、作用在高層建筑上的風(fēng)荷載等。

　　4 荷載原因分析及解決措施

　　4.1 荷載代表值

　　4.1.1 原因分析

　　荷載有四種代表值：標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值、準(zhǔn)永久值。其中荷載標(biāo)準(zhǔn)值是荷載的基本代表值，而其他代表值都可在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的系數(shù)得到。荷載可根據(jù)不同的設(shè)計要求，規(guī)定不同的設(shè)計要求，以便能更確切地反映它在設(shè)計中的特點。由于荷載本身的隨機(jī)性，因而在試用期間的最大荷載也是個隨機(jī)變量，原則上可用統(tǒng)計分布來描述。荷載標(biāo)準(zhǔn)值由設(shè)計基準(zhǔn)期最大荷載概率分布的某個分位值來確定，設(shè)計基準(zhǔn)期統(tǒng)一規(guī)定為50年。但并非所有荷載都能取得充分資料，因而，應(yīng)從實際出發(fā)，根據(jù)已有的工程經(jīng)驗通過判斷協(xié)議一個公稱值作為代表值。

　　4.1.2 解決措施

　　根據(jù)文獻(xiàn)可采取下列解決措施，對不同荷載采用不同代表值。當(dāng)有足夠設(shè)計經(jīng)驗時，可取協(xié)議的百分位作為荷載的代表值。

　　4.2 荷載分項系數(shù)

　　4.2.1 原因分析

　　根據(jù)文獻(xiàn)將荷載分成兩類：永久荷載、可變荷載，分項系數(shù)為γG和γQ，這兩個分項系數(shù)在荷載標(biāo)準(zhǔn)值已知的情況下，按極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式設(shè)計各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)，與規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo)之間，在總體上誤差最小為原則，經(jīng)優(yōu)選得到。考慮有局限性，從經(jīng)濟(jì)上考慮當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)露面活荷載取γG=1.3。

　　4.2.2 解決措施

　　文獻(xiàn)中對基本組合荷載分項系數(shù)的規(guī)定，對永久荷載的分項系數(shù)：當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時由永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35，由可變荷載控制的組合取1.2；當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時一般情況取1.0，對結(jié)構(gòu)的滑移、傾覆或漂浮驗算取0.9。對可變荷載的分項系數(shù)：一般取1.4，對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)樓面結(jié)構(gòu)的活荷載取1.3。

　　4.3 荷載組合最不利值確定

　　4.3.1 原因分析

　　對所考慮的極限狀態(tài)，在確定其荷載效應(yīng)時，應(yīng)對所有可能同時出現(xiàn)的各荷載作用加以組合，求出總效應(yīng)�？紤]荷載同時出現(xiàn)的幾率很小，因此應(yīng)從所有可能組合中取最不利的一組作為該極限狀態(tài)的設(shè)計依據(jù)。

　　4.3.2 解決措施

　　具體公式見中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB50068-2001），且應(yīng)注意SQlK的確定，當(dāng)無法判斷時，應(yīng)依次以各SQiK作為SQlK，選其中最不利的荷載效應(yīng)作為設(shè)計依據(jù)。還應(yīng)注意當(dāng)結(jié)構(gòu)的自重占主要時，應(yīng)適當(dāng)提高構(gòu)件的重要性系數(shù)。

　　一般都是按照建筑規(guī)范的要求來設(shè)計房屋的，規(guī)范規(guī)定了最低要求，作為設(shè)計的大致指南，規(guī)范規(guī)定了需要考慮的最小荷載和不允許超過的最大應(yīng)力，這些規(guī)定的荷載最多是一些經(jīng)驗近似值，而且沒有絕對正確的計算應(yīng)力的規(guī)則、公式和方法，規(guī)范中只是指出必須采用“公認(rèn)”的計算方法，而計算方法可以因時而異、因地而異、因人而異，因此當(dāng)使用建筑規(guī)范的結(jié)構(gòu)條文時，必須記住“小心”兩字。只有對結(jié)構(gòu)整個體系的承載能力和性能，以及結(jié)構(gòu)分體系與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互作用的關(guān)系了解很透徹，才能設(shè)計出既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，才能滿足現(xiàn)代建筑的各種功能和環(huán)境條件要求。

　　通過收集各種資料及多年經(jīng)驗總結(jié)了結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計常見問題原因及解決措施，通過在設(shè)計工作中的應(yīng)用，證明了其實用性，取得了滿意的效果，希望對廣大同行有借鑒作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，規(guī)范的再次修訂，荷載設(shè)計出現(xiàn)的問題處理方法會更合理。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002

　　[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB50068-2001）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002