二級注冊建筑師《建筑結構與設備》講義：作用和作用效應

一、結構上的作用、作用效應和結構抗力

結構產(chǎn)生各種效應的原因，統(tǒng)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、樓畫活荷載和沒備自重等。直接作用的計算一般比較簡單，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、焊接變形和地震等，這類作用不是以直接施加在結構上的形式出現(xiàn)的，但同樣引起結構產(chǎn)生效應。間接作用的計算和引起的效應一般比較復雜，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。

過去習慣上將上述兩類不同性質的作用統(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的作用，特別是對間接作用的復雜性認識不足。

根據(jù)目前結構理論發(fā)展水平以及現(xiàn)有規(guī)范頒布的現(xiàn)狀，對直接作用在結構上的荷載可按《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2001)(以下簡稱《荷載規(guī)范》)的規(guī)定采用，對間接作用，除了對地震作用按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)(以下簡稱《抗震規(guī)范》)的規(guī)定采用外，其余的間接作用暫時還未制定相應的規(guī)范。

考慮到廣大設計人員的現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)一標準》(GB50068一2001》(以下簡稱《統(tǒng)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，其變化值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、風荷載、吊車荷載等。

(3)偶然荷載。在設計基準期內，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。

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。在結構上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(chǎn)生加速度或產(chǎn)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(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，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(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)與構件采用材料的重度的標準值(如梁、柱材料為鋼筋混凝土，則其重度的標準值一般取25kN/m3)來確定的數(shù)值。對常用材料重度，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(shù)來確定，一般取具有95%保證率的上分位值，但對許多還缺少研究的可變荷載，通常還是沿用傳統(tǒng)的經(jīng)驗數(shù)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(shù)。組合值系數(shù)見《荷載規(guī)范》表4.1.1。

3.荷載頻遇值

對變荷載，在設計基準期內，其超越的總時間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值。

可變荷載頻遇值應取可變荷載標準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.荷載準永久值

對可變荷載，在設計基準期內，其超越的總時間約為設計基準期一半的荷載值。

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(xiàn)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(shù)φq也就是說，準永久值系數(shù)φq，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(shù)φq，如對住宅樓面的均布活荷載，其準永久值系數(shù)φq=0.4，而對書庫、檔案庫則φq=0.8，這表示了對不同用途的建筑物，其準永久值系數(shù)φq是不同的。φq的大小表示了均布活荷載數(shù)值變動的大小，φq大表示變動較小，φq小則表示變動大。如住宅樓面的均布活荷載標準值為2.0kN/㎡，準永久值系數(shù)φq=0.4，因此，荷載準永久值為2.0×0.4=0.8kN/㎡;而對一般書庫、檔案庫樓面均布活荷載為5.0kN/㎡，準永久值系數(shù)φq=0.8，因此荷載準永久值為5.0×0.8=4.0kN/㎡。

四、荷載分項系數(shù)與荷載設計值

1.荷載分項系數(shù)

荷載分項系數(shù)是在設計計算中，反映了荷載的不確定性并與結構可靠度概念相關聯(lián)的一個數(shù)值。對永久荷載和可變荷載，規(guī)定了不同的分項系數(shù)。

(1)永久荷載分項系數(shù)γG：當永久荷載對結構產(chǎn)生的效應對結構不利時，對由可變荷載效應控制的組合取γG=1.2;對由永久荷載效應控制的組合，取γG=1.35。當產(chǎn)生的效應對結構有利時，—般情況下取γG=1.0;當驗算傾覆、滑移或漂浮時，取γG=0.9;對其余某些特殊情況，應按有關規(guī)范采用。

(2)可變荷載分項系數(shù)γQ：—般情況下取γQ=1.4;但對工業(yè)房屋的樓面結構，當其活荷載標準值>4kN/㎡時，考慮到活荷載數(shù)值已較大，則取γQ=1.3。

2.荷載設計值

荷載設計值等于荷載代表值乘以荷載分項系數(shù)。按承載能力極限狀態(tài)計算荷載效應時，需考慮荷載分項系數(shù);按正常使用極限狀態(tài)計算荷載效應時(不管是考慮荷載的短期效應組合還是長期效應組合)，由于對正常使用極限狀態(tài)的可靠度比對承載能力極限狀態(tài)的可靠度要求可以適當放松，因此可以不考慮分項系數(shù)，即分項系數(shù)：1.0。

(五)材料強度指標的取值

1.強度標準值

材料強度標準值為結構設計時采用的材料性能的基本代表值，具有95%的保證率。

2.材料分項系數(shù)

材料強度分項系數(shù)是在按承載能力極限狀態(tài)設計時，按可靠度指標[β]在計算中所采用的系數(shù)值。在我國規(guī)范中，通過[β]值及材料、幾何參數(shù)、荷載基本參量，求出各種結構用的材料分項系數(shù)。對混凝土，材料分項系數(shù)取γC=4;對HRB335、HR400、

RRB400級鋼筋，取γC=10。

3.材料強度設計值

指材料強度標準值除以材料分項系數(shù)值后的值。

在承載能力極限狀態(tài)設計中，采用材料強度設計值。

例：

1.工程結構設計的基本功能要求是()

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、可修復性、耐久性

D.安全性、堅固性、耐久性、抗震性

提示:參見《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準II (GB 50068-2001)第1. 0.7條。

答案:A

2. 設計使用年限是設計規(guī)定的結構或結構構件( )。

A.使用壽命

B.耐久壽命

C.可按預定目的使用的時期

D.不需進行大修即可按其預定目的使用的時期

提示:參見《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準II (GB 50068→2001)第2.1.7條。

答案:D

3.建筑結構的設計狀況包括( )。

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《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準II (GB 50068-2001)第3.0.3條。

答案:A

5.下列構件中哪一種超過承載能力極限狀態(tài)( D )。

A.構件在荷載作用下產(chǎn)生較大變形而影響使用

B.構件在動力荷載作用下產(chǎn)生較大的振動

C.構件受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫

D.構件因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載

5. 對于承載能力極限狀態(tài)設計,應考慮結構作用效應的最不利組合,即( ) 。

A.基本組合和標準組合

B.標準組合和偶然組合

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《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)第3.0.5條。

答案:C