建筑结构荷载设计问题与对策

关键词：建筑结构；荷载；设计

　　1 前言

　　结构上的作用包括直接作用和间接作用。直接作用指的是施加在结构上的集中力或分布力，例如结构自重、楼面活荷载和设备自重等，引起的效应比较直观；间接作用指的是引起结构外加变形或约束变形的作用，例如温度的变化、混凝土的收缩或徐变、地基的变形和地震等，这类作用引起的效应比较复杂，例如地震会引起建筑物产生裂缝、倾斜下沉以至倒塌，但这些破坏效应不仅仅与地震震级、烈度有关，还与建筑物所在场地的地基条件、建筑物的基础类型和上部结构体系有关。作用在建筑物上的实际荷载到底有多大，很难精确计算。事实上，即使有最完整的资料，还是很难确切估计荷载的大小。但是为了能开始着手设计，通常做出一些不致造成严重误差的合理假设。在各种外力和荷载作用下，结构必须以合适的性能和所要求的稳定性做出反应。结构计算时，需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值，这称为荷载代表值；荷载的代表值有荷载的标准值、准永久值和组合值之分。

　　2 荷载

　　2.1 荷载作用

　　结构上的作用虽然分为直接作用和间接作用，但它们产生的结果是一样的：使结构或构件产生效应（结构或构件产生的内力、应力、位移、应变、裂缝等）。因此，也可以这样定义“作用”：使结构或构件产生效应的各种原因，称为结构上的作用。“荷载”和“作用”对实际工程设计来说，主要是一个概念问题，一般并不影响作用效应的计算和结构本身。在国际上，目前也有不少国家对“荷载”和“作用”未加严格区分。在我国，一般情况下，“荷载”专指直接作用，“作用”有时指直接作用和间接作用，有时专指“荷载”或专指间接作用；在工程中，为了使用和交流的方便，常常将直接作用和间接作用均称为“荷载”。

　　2.2 建筑结构荷载

　　建筑结构在使用和施工过程中所受到的各种直接作用称为荷载。另外，还有一些能使结构产生内力和变形的间接作用，如地基变形、混凝土收缩、焊接变形、温度变化或地震等引起的作用。结构设计人员在进行建筑结构的设计时，首先应进行荷载的计算，取其代表值，荷载确定后，才能根据其大小和作用形式计算结构的内力，然后再进行构件计算。也就是说建筑物某一部分的构件，是承重还是非承重，承受多大的荷载，都有其最大值或极限值，超过个极限值，结构就会变形，就会遭到破坏，轻者降低建筑物的经济寿命，重者会酿成事故，威胁到生命安全。这就是物业装修管理人员必须了解、掌握建筑结构形式及其荷载作用、影响的目的。

　　3 荷载的分类

　　3.1 按随时间变异分类

　　（1）永久荷载（亦称恒荷载）。在设计基准期内，其量值不随时间变化，或即使有变化，其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。如结构的自重、土压力、预应力等。（2）可变荷载（亦称活荷载）。在设计基准期内，其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不能忽略的荷载。如楼（屋）面活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。（3）偶然荷载。在设计基准内，可能出现，也可能不出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载。如地震、爆炸力、撞击力等。

　　3.2 按随空间位置的变异分类

　　（1）固定荷载。在结构空间位置上具有固定分布的荷载。如结构自重、楼面上的固定设备荷载等。（2）自由荷载。在结构上的一定范围内可以任意分布的荷载。如民用建筑楼面上的活荷载、工业建筑中的吊车荷载等。

　　3.3 按结构的动力反应分类

　　（1）静态荷载。对结构或结构构件不产生加速度或产生的加速度很小可以忽略不计。如结构的自重、楼面的活荷载等。（2）动态荷载。对结构或构件产生不可忽略的加速度。如吊车荷载、地震荷载、作用在高层建筑上的风荷载等。

　　4 荷载原因分析及解决措施

　　4.1 荷载代表值

　　4.1.1 原因分析

　　荷载有四种代表值：标准值、组合值、频遇值、准永久值。其中荷载标准值是荷载的基本代表值，而其他代表值都可在标准值的基础上乘以相应的系数得到。荷载可根据不同的设计要求，规定不同的设计要求，以便能更确切地反映它在设计中的特点。由于荷载本身的随机性，因而在试用期间的最大荷载也是个随机变量，原则上可用统计分布来描述。荷载标准值由设计基准期最大荷载概率分布的某个分位值来确定，设计基准期统一规定为50年。但并非所有荷载都能取得充分资料，因而，应从实际出发，根据已有的工程经验通过判断协议一个公称值作为代表值。

　　4.1.2 解决措施

　　根据文献可采取下列解决措施，对不同荷载采用不同代表值。当有足够设计经验时，可取协议的百分位作为荷载的代表值。

　　4.2 荷载分项系数

　　4.2.1 原因分析

　　根据文献将荷载分成两类：永久荷载、可变荷载，分项系数为γG和γQ，这两个分项系数在荷载标准值已知的情况下，按极限状态设计表达式设计各类结构构件的可靠指标，与规定的目标可靠指标之间，在总体上误差最小为原则，经优选得到。考虑有局限性，从经济上考虑当标准值大于4kN/m2的工业露面活荷载取γG=1.3。

　　4.2.2 解决措施

　　文献中对基本组合荷载分项系数的规定，对永久荷载的分项系数：当其效应对结构有利时由永久荷载效应控制的组合，应取1.35，由可变荷载控制的组合取1.2；当其效应对结构不利时一般情况取1.0，对结构的滑移、倾覆或漂浮验算取0.9。对可变荷载的分项系数：一般取1.4，对标准值大于4kN/m2的工业楼面结构的活荷载取1.3。

　　4.3 荷载组合最不利值确定

　　4.3.1 原因分析

　　对所考虑的极限状态，在确定其荷载效应时，应对所有可能同时出现的各荷载作用加以组合，求出总效应。考虑荷载同时出现的几率很小，因此应从所有可能组合中取最不利的一组作为该极限状态的设计依据。

　　4.3.2 解决措施

　　具体公式见中华人民共和国国家标准建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001），且应注意SQlK的确定，当无法判断时，应依次以各SQiK作为SQlK，选其中最不利的荷载效应作为设计依据。还应注意当结构的自重占主要时，应适当提高构件的重要性系数。

　　一般都是按照建筑规范的要求来设计房屋的，规范规定了最低要求，作为设计的大致指南，规范规定了需要考虑的最小荷载和不允许超过的最大应力，这些规定的荷载最多是一些经验近似值，而且没有绝对正确的计算应力的规则、公式和方法，规范中只是指出必须采用“公认”的计算方法，而计算方法可以因时而异、因地而异、因人而异，因此当使用建筑规范的结构条文时，必须记住“小心”两字。只有对结构整个体系的承载能力和性能，以及结构分体系与结构构件相互作用的关系了解很透彻，才能设计出既安全又经济的结构，才能满足现代建筑的各种功能和环境条件要求。

　　通过收集各种资料及多年经验总结了结构荷载设计常见问题原因及解决措施，通过在设计工作中的应用，证明了其实用性，取得了满意的效果，希望对广大同行有借鉴作用。随着经济的发展，规范的再次修订，荷载设计出现的问题处理方法会更合理。

　　参考文献

　　[1]中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范（GB50009-2001）.北京：中国建筑工业出版社，2002

　　[2]中华人民共和国国家标准.建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）.北京：中国建筑工业出版社，2002