二級(jí)注冊(cè)建筑師《建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)備》講義：作用和作用效應(yīng)

一、結(jié)構(gòu)上的作用、作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力

結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種效應(yīng)的原因，統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)上的作用。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、樓畫活荷載和沒備自重等。直接作用的計(jì)算一般比較簡(jiǎn)單，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、焊接變形和地震等，這類作用不是以直接施加在結(jié)構(gòu)上的形式出現(xiàn)的，但同樣引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)。間接作用的計(jì)算和引起的效應(yīng)一般比較復(fù)雜，例如地震會(huì)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(jí)、烈度有關(guān)，還與建筑物所在場(chǎng)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)。

過去習(xí)慣上將上述兩類不同性質(zhì)的作用統(tǒng)稱為荷載。例如將溫度變化稱為溫度荷載，將地震作用稱為地震荷載等，這樣就混淆了兩類不同性質(zhì)的作用，特別是對(duì)間接作用的復(fù)雜性認(rèn)識(shí)不足。

根據(jù)目前結(jié)構(gòu)理論發(fā)展水平以及現(xiàn)有規(guī)范頒布的現(xiàn)狀，對(duì)直接作用在結(jié)構(gòu)上的荷載可按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)(以下簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》)的規(guī)定采用，對(duì)間接作用，除了對(duì)地震作用按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)(以下簡(jiǎn)稱《抗震規(guī)范》)的規(guī)定采用外，其余的間接作用暫時(shí)還未制定相應(yīng)的規(guī)范。

考慮到廣大設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)狀及習(xí)慣上的銜接，目前還未將兩類作用嚴(yán)格劃分，而將其簡(jiǎn)稱為荷載。

作用在結(jié)構(gòu)上的直接作用或間接作用，將引起結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力(如軸力、彎矩、剪力、扭矩等)和變形(如撓度、轉(zhuǎn)角、側(cè)移、裂縫等)，這些內(nèi)力和變形總稱為作用效應(yīng)，其中由直接作用產(chǎn)生的作用效應(yīng)稱為荷載效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力，稱為結(jié)構(gòu)的抗力，如構(gòu)件的承載能力、剛度的大小、抗裂縫的能力等。結(jié)構(gòu)抗力與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形式、截面尺寸及材料強(qiáng)度等級(jí)等因素有關(guān)。

二、荷載的分類

荷載是一個(gè)不確定的隨機(jī)變量。在《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068一2001》(以下簡(jiǎn)稱《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》)中，規(guī)定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，在這段期間內(nèi)，荷載不僅在量值上是變化的，并且，作用在結(jié)構(gòu)上的時(shí)間持續(xù)性也是變化的。因此在《荷載規(guī)范》中，將荷載按以下原則進(jìn)行了分類。

1.按隨時(shí)間變異分類

(1)永久荷載(亦稱恒載)。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其量值不隨時(shí)間變化，或即使有變化，其變化值與平均值相比可以忽略不計(jì)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(亦稱活載)。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其量值隨時(shí)間變化，且其變化值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(jì)基準(zhǔn)期內(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(shí)間很短的荷載。如地震、爆炸力、撞擊力等。

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.按結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)分類

(1)靜態(tài)荷載。對(duì)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(jì)。如結(jié)構(gòu)的自重、樓面的活荷載等。

(2)動(dòng)態(tài)荷載。對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生不可忽略的加速度。如吊車荷載、地震作用、作用在高層建筑上的風(fēng)荷載等。

三、荷載的代表值

設(shè)計(jì)中用來驗(yàn)算極限狀態(tài)所采用的荷載量值，例如標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值。

1.荷載標(biāo)準(zhǔn)值

荷載標(biāo)準(zhǔn)值是指在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，在正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值，例如在《荷載規(guī)范》中，住宅樓面的均布活荷載規(guī)定為2.0kN/㎡。

對(duì)于永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，是按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸(如梁、柱的斷面)與構(gòu)件采用材料的重度的標(biāo)準(zhǔn)值(如梁、柱材料為鋼筋混凝土，則其重度的標(biāo)準(zhǔn)值一般取25kN/m3)來確定的數(shù)值。對(duì)常用材料重度，可按《荷載規(guī)范》附錄A采用。

對(duì)于可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，則由設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載概率分布的某一分位數(shù)來確定，一般取具有95%保證率的上分位值，但對(duì)許多還缺少研究的可變荷載，通常還是沿用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。對(duì)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，可按《荷載規(guī)范》的規(guī)定采用。

2.荷載組合值

當(dāng)結(jié)構(gòu)上作用兩種或兩種以上的可變荷載時(shí)，考慮到其同時(shí)達(dá)到最大值的可能性較少，因此，在按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)或按正常使用極限狀態(tài)的短期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用荷載的組合值作為可變荷載的代表值。

可變荷載的組合值，為可變荷載乘以荷載組合值系數(shù)。組合值系數(shù)見《荷載規(guī)范》表4.1.1。

3.荷載頻遇值

對(duì)變荷載，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時(shí)間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值。

可變荷載頻遇值應(yīng)取可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載頻遇值系數(shù)。荷載頻遇值系數(shù)見《荷載規(guī)范》表4.1.1。

4.荷載準(zhǔn)永久值

對(duì)可變荷載，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時(shí)間約為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期一半的荷載值。

作用在建筑物上的可變荷載(如住宅樓面上的均布活荷載為2.0kN/㎡)，其中有部分是長(zhǎng)期作用在—上面的(可以理解為在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)，不少于25年)，而另一部分則是不出現(xiàn)的。因此，我們也可以把長(zhǎng)期作用在結(jié)構(gòu)物上面的那部分可變荷載看作是永久活載來對(duì)待。可變荷載的準(zhǔn)永久值，為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)φq也就是說，準(zhǔn)永久值系數(shù)φq，為荷載準(zhǔn)永久值與荷載標(biāo)準(zhǔn)值的比值，其值恒小于1.0。

在荷載規(guī)范中，規(guī)定了各種不同建筑樓面上均布活荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)φq，如對(duì)住宅樓面的均布活荷載，其準(zhǔn)永久值系數(shù)φq=0.4，而對(duì)書庫、檔案庫則φq=0.8，這表示了對(duì)不同用途的建筑物，其準(zhǔn)永久值系數(shù)φq是不同的。φq的大小表示了均布活荷載數(shù)值變動(dòng)的大小，φq大表示變動(dòng)較小，φq小則表示變動(dòng)大。如住宅樓面的均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.0kN/㎡，準(zhǔn)永久值系數(shù)φq=0.4，因此，荷載準(zhǔn)永久值為2.0×0.4=0.8kN/㎡;而對(duì)一般書庫、檔案庫樓面均布活荷載為5.0kN/㎡，準(zhǔn)永久值系數(shù)φq=0.8，因此荷載準(zhǔn)永久值為5.0×0.8=4.0kN/㎡。

四、荷載分項(xiàng)系數(shù)與荷載設(shè)計(jì)值

1.荷載分項(xiàng)系數(shù)

荷載分項(xiàng)系數(shù)是在設(shè)計(jì)計(jì)算中，反映了荷載的不確定性并與結(jié)構(gòu)可靠度概念相關(guān)聯(lián)的一個(gè)數(shù)值。對(duì)永久荷載和可變荷載，規(guī)定了不同的分項(xiàng)系數(shù)。

(1)永久荷載分項(xiàng)系數(shù)γG：當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合取γG=1.2;對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合，取γG=1.35。當(dāng)產(chǎn)生的效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，—般情況下取γG=1.0;當(dāng)驗(yàn)算傾覆、滑移或漂浮時(shí)，取γG=0.9;對(duì)其余某些特殊情況，應(yīng)按有關(guān)規(guī)范采用。

(2)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ：—般情況下取γQ=1.4;但對(duì)工業(yè)房屋的樓面結(jié)構(gòu)，當(dāng)其活荷載標(biāo)準(zhǔn)值>4kN/㎡時(shí)，考慮到活荷載數(shù)值已較大，則取γQ=1.3。

2.荷載設(shè)計(jì)值

荷載設(shè)計(jì)值等于荷載代表值乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)。按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算荷載效應(yīng)時(shí)，需考慮荷載分項(xiàng)系數(shù);按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算荷載效應(yīng)時(shí)(不管是考慮荷載的短期效應(yīng)組合還是長(zhǎng)期效應(yīng)組合)，由于對(duì)正常使用極限狀態(tài)的可靠度比對(duì)承載能力極限狀態(tài)的可靠度要求可以適當(dāng)放松，因此可以不考慮分項(xiàng)系數(shù)，即分項(xiàng)系數(shù)：1.0。

(五)材料強(qiáng)度指標(biāo)的取值

1.強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的材料性能的基本代表值，具有95%的保證率。

2.材料分項(xiàng)系數(shù)

材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)是在按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，按可靠度指標(biāo)[β]在計(jì)算中所采用的系數(shù)值。在我國(guó)規(guī)范中，通過[β]值及材料、幾何參數(shù)、荷載基本參量，求出各種結(jié)構(gòu)用的材料分項(xiàng)系數(shù)。對(duì)混凝土，材料分項(xiàng)系數(shù)取γC=4;對(duì)HRB335、HR400、

RRB400級(jí)鋼筋，取γC=10。

3.材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

指材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項(xiàng)系數(shù)值后的值。

在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)中，采用材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

例：

1.工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本功能要求是()

A.安全性、適用性、耐久性、完整性;

B.安全性、適用性、耐久性、可靠性

C.可靠性、完整性、可修復(fù)性、耐久性

D.安全性、堅(jiān)固性、耐久性、抗震性

提示:參見《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)II (GB 50068-2001)第1. 0.7條。

答案:A

2. 設(shè)計(jì)使用年限是設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件( )。

A.使用壽命

B.耐久壽命

C.可按預(yù)定目的使用的時(shí)期

D.不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的時(shí)期

提示:參見《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)II (GB 50068→2001)第2.1.7條。

答案:D

3.建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)狀況包括( )。

A.持久狀況、短暫狀況、偶然狀況

B.承載能力狀況、正常使用狀況、偶然狀況

C.持久狀況、短暫狀況、破壞狀況

D.耐久性狀況、承載能力狀況、破壞狀況

提示:參見《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)II (GB 50068-2001)第3.0.3條。

答案:A

5.下列構(gòu)件中哪一種超過承載能力極限狀態(tài)( D )。

A.構(gòu)件在荷載作用下產(chǎn)生較大變形而影響使用

B.構(gòu)件在動(dòng)力荷載作用下產(chǎn)生較大的振動(dòng)

C.構(gòu)件受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫

D.構(gòu)件因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載

5. 對(duì)于承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì),應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)的最不利組合,即( ) 。

A.基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合

B.標(biāo)準(zhǔn)組合和偶然組合

C.基本組合和偶然組合

D.持久狀態(tài)和偶然狀態(tài)

提示:參見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)第3.0.5條。

答案:C