二級建筑師講義之建筑結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)選型(十二)

　　第一節(jié) 建筑結(jié)構(gòu)荷載及設(shè)計方法 (第五課時)

　　一、荷載和效應(yīng)概念

　　(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)。

　　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(qiáng)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―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。

　　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)―亡的一定范圍內(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、地震荷載、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(yàn)算極限狀態(tài)所采用的荷載量值，稱為荷載代表值。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/m2。

　　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)件采用材料的容重的標(biāo)準(zhǔn)值(如梁、柱材料為鋼筋混凝土，則其自重的標(biāo)準(zhǔn)值一般取25kN/m3)來確定的數(shù)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(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，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

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

　　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。

　　達(dá)到荷載值的頻率越大，頻遇值系數(shù)越大，頻遇值亦越大。如：書庫頻遇值系數(shù)為0.9，住宅頻遇值系數(shù)為0.57。

　　頻遇組合目前儀在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用。

　　4.荷載準(zhǔn)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(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)Ψq。也就是說，準(zhǔn)永久值系數(shù)Ψq。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)Ψq，如對住宅樓面的均布活荷載，其準(zhǔn)永久值系數(shù)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(zhǔn)永久值系數(shù)Ψq是不同的。Ψq的大小表示了均布活荷載數(shù)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(biāo)準(zhǔn)值為2.0kN/m2，準(zhǔn)永久值系數(shù)Ψq=0.4，因此，荷載準(zhǔn)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(zhǔn)永久值系數(shù)Ψq=0.8，因此荷載準(zhǔn)永久值為5.OxO.8=4.0kN/m2。

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