二級建筑師講義之建筑結構與結構選型(十二)

　　第一節(jié) 建筑結構荷載及設計方法 (第五課時)

　　一、荷載和效應概念

　　(一)結構上的作用、作用效應和結構抗力

　　結構產生各種效應的原因，統稱為結構上的作用。結構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構上的集中力或分布力，例如結構自重、樓面活荷載和設備自重等，引起的效應比較直觀。間接作用指的是引起結構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比較復雜，例如地震會引起建筑物產生裂縫、傾斜下沉以至倒塌，但這些破壞效應不僅僅與地震震級、烈度有關，還與建筑物所在場地的地基條件、建筑物的基礎類型和上部結構體系有關。

　　考慮到廣大設計人員的現狀及習慣上的銜接，目前還未將兩類作用嚴格劃分，而將其簡稱為荷載。

　　作用在結構上的直接作用或間接作用，將引起結構或結構構件產生內力(如軸力、彎矩、剪力、扭矩等)和變形(如撓度、轉角、側移、裂縫等)，這些內力和變形總稱為作用效應，其中由直接作用產生的作用效應稱為荷載效應。

　　結構或結構構件承受內力和變形的能力，稱為結構的抗力，如構件的承載能力、剛度的大小、抗裂縫的能力等。結構抗力與結構構件的截面形式、截面尺寸及材料強度等級等因素有關。

　　(二)荷載的分類

　　荷載是一個不確定的隨機變量。在《建筑結構可靠度設計統一標準》 (GB50068―2001)以下簡稱《統一標準》中，規(guī)定設計基準期為50年，在這段期間內，荷載不僅在量值上是變化的，并且，作用在結構上的時間持續(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行了分類。

　　1.按隨時間變異分類

　　(1)永久荷載(亦稱恒載)。在設計基準期內，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。如結構的自重、土壓力、預應力等。

　　(2)可變荷載(亦稱活載)。在設計基準期內，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、風荷載、吊車荷載等。

　　(3)偶然荷載。在設計基準內，可能出現，也可能不出現，但一旦出現，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。

　　2.按隨空間位置的變異分類

　　(1)固定荷載。在結構空間位置上具有固定分布的荷載。如結構自重、樓面上的固定設備荷載等。

　　(2)自由荷載。在結構―亡的一定范圍內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.按結構的動力反應分類

　　(1)靜態(tài)荷載。對結構或結構構件不產生加速度或產生的加速度很小可以忽略不計。如結構的自重、樓面的活荷載等。

　　(2)動態(tài)荷載。對結構或構件產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荷載等。

　　(三)荷載的代表值

　　設計中用來驗算極限狀態(tài)所采用的荷載量值，稱為荷載代表值。例如標準值、組合值、頻遇值和準永久值。

　　1.荷載標準值

　　荷載標準值是指在結構的設計基準期內，在正常情況下可能出現的最大荷載值，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/m2。

　　對于永久荷載的標準值，是按結構構件的尺寸(如梁、柱的斷面)與構件采用材料的容重的標準值(如梁、柱材料為鋼筋混凝土，則其自重的標準值一般取25kN/m3)來確定的數值。對常用材料容重，可按荷載規(guī)范附錄A采用。

　　對于可變荷載的標準值，則由設計基準期內最大荷載概率分布的某一分位數來確定，一般取具有95%保證率的上分位值，對可變荷載的標準值，可按荷載規(guī)范的規(guī)定采用。

　　2，荷載組合值

　　當結構上作用兩種或兩種以上的可變荷載時，考慮到其同時達到最大值的可能性較少，因此，在按承載能力極限狀態(tài)設計或按正常使用極限狀態(tài)的短期效應組合設計時，應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。組合值系數見荷載規(guī)范表 4.1.1。

　　3.荷載頻遇值

　　可變荷載頻遇值是正常使用極限狀態(tài)按頻遇組合設計所采用的一種可變荷載代表值。在設計基準期內，荷載達到和超過該值的總持續(xù)時間僅為設計基準期的一小部分。

　　可變荷載頻遇值應取可變荷載標準值乘以荷載頻遇值系數。荷載頻遇值系數見荷載規(guī)范表4.1.1。

　　達到荷載值的頻率越大，頻遇值系數越大，頻遇值亦越大。如：書庫頻遇值系數為0.9，住宅頻遇值系數為0.57。

　　頻遇組合目前儀在橋梁結構設計中應用。

　　4.荷載準永久值

　　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/m2)，其中有部分是長期作用在上面的(可以理解為在設計基準期50年內，不少于25年)，而另一部分則是不出現的。因此，我們也可以把長期作用在結構物上面的那部分可變荷載看作是永久活載來對待?？勺兒奢d的準永久值，為可變荷載標準值乘以荷載準永久值系數Ψq。也就是說，準永久值系數Ψq。為荷載準永久值與荷載標準值的比值，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永久值系數Ψq，如對住宅樓面的均布活荷載，其準永久值系數少Ψq=0.4，而對書庫、檔案庫則Ψq=0.8，這表示了對不同用途的建筑物，其準永久值系數Ψq是不同的。Ψq的大小表示了均布活荷載數值變動的大小，Ψq大表示變動較小，Ψq小則表示變動大。如住宅樓面的均布活荷載標準值為2.0kN/m2，準永久值系數Ψq=0.4，因此，荷載準永久值為2.Ox0.4=O.8kN/m2;而對一般書庫、檔案庫樓面均布活荷載為5.0kN/m2，準永久值系數Ψq=0.8，因此荷載準永久值為5.OxO.8=4.0kN/m2。

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