二級建筑師輔導(dǎo)之作用和作用效應(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)白重、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(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)。間接作用的計算和引起的效應(yīng)一般比較復(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)。

　　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，特別是對間接作用的復(fù)雜性認(rèn)識不足。

　　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(shè)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(yīng)的規(guī)范。

　　考慮到廣大設(shè)計人員的現(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、截面尺寸及材料強度等級等因素有關(guān)。

　　二、荷載的分類

　　荷載是一個不確定的隨機(jī)變量。在《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068一2001》(以下簡稱《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》)中，規(guī)定設(shè)計基準(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.按隨時間變異分類

　　(1)永久荷載(亦稱恒載)。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，其變化值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(亦稱活載)。在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，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(fēng)荷載、吊車荷載等。

　　(3)偶然荷載。在設(shè)計基準(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)計中用來驗算極限狀態(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(biāo)準(zhǔn)值，則由設(shè)計基準(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(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，考慮到其同時達(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)計或按正常使用極限狀態(tài)的短期效應(yīng)組合設(shè)計時，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.荷載頻遇值環(huán)球網(wǎng)校edu 24ol.com

　　對變荷載，在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，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(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

　　對可變荷載，在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其超越的總時間約為設(shè)計基準(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/┫)，其中有部分是長期作用在—上面的(可以理解為在設(shè)計基準(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，如對住宅樓面的均布活荷載，其準(zhǔn)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(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(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、荷載分項系數(shù)與荷載設(shè)計值

　　1.荷載分項系數(shù)環(huán)球網(wǎng)校edu24 ol.com

　　荷載分項系數(shù)是在設(shè)計計算中，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(dāng)永久荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時，對由可變荷載效應(yīng)控制的組合取γG=1.2;對由永久荷載效應(yīng)控制的組合，取γG=1.35。當(dāng)產(chǎn)生的效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，—般情況下取γG=1.0;當(dāng)驗算傾覆、滑移或漂浮時，取γG=0.9;對其余某些特殊情況，應(yīng)按有關(guān)規(guī)范采用。

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

　　2.荷載設(shè)計值

　　荷載設(shè)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(yīng)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(yīng)時(不管是考慮荷載的短期效應(yīng)組合還是長期效應(yīng)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(dāng)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(biāo)的取值

　　1.強度標(biāo)準(zhǔn)值

　　材料強度標(biāo)準(zhǔn)值為結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計時，按可靠度指標(biāo)[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(jié)構(gòu)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。環(huán)球網(wǎng)校ed u24ol.com

　　3.材料強度設(shè)計值

　　指材料強度標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計中，采用材料強度設(shè)計值。

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