結構計算中荷載代表值的應用之建議

韓清杰

0 引言

在結構設計及歷年的全國注冊結構師考試中經常會涉及到重力荷載代表值的內容。由于工程師對有關規范、規程條文的不理解，經常會錯誤計算。

下面結合工程算例，對鋼筋混凝土結構有關規范、規程中涉及重力荷載代表值的計算方法進行簡述，提出計算中的注意事項，并對規范中不明確或不一致的內容提出建議。

1 框架柱或框支柱軸壓比計算

軸壓比N/fcA指構件組合的軸壓力設計值N與構件全截面面積 A和混凝土軸心抗壓強度設計值 fc乘積之比。對 N抗震設計時，應取柱考慮地震作用組合的軸壓力設計值;對不進行地震作用計算的結構，取無地震作用組合的軸力設計值。柱的軸壓比限值按照GB 50010-2002混凝土規范第11.4.16條、GB 50011-2001抗震規范第6.3.7條或JGJ 3-2002高規第6.4.2條取用，注意事項及建議如下:

1)型鋼混凝土柱的軸壓比限值應按《高規》第 11.3.3條取用，其軸壓比應按《高規》式(11.3.4)進行計算。

2)轉換層設置在 3層及其以上的帶轉換層的高層建筑結構、連體結構的連接體及與其相鄰的結構構件，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級宜按提高一級的軸壓比限值取用，已為特一級時可不再提高，見《高規》第 10.2.5條及第 10.5.5條。

3)異形柱的軸壓比限值應按JGJ 149-2006異形柱規第6.2.2條取用。

4)無地震作用組合的軸壓比計算見《抗震規范》第 6.3.7條注1，但規范沒有給出相應軸壓比限值，建議取1.05(按胡慶昌大師《建筑抗震設計規范勘誤表》，建議取 1.0)。

1.1 考慮地震作用組合的軸壓力設計值計算

考慮地震作用組合的軸壓力設計值N，應按結構的地震作用效應和其他荷載效應的基本組合進行計算，見《抗震規范》式(5.4.1)或《高規》式(5.6.3)，注意事項及建議如下:

1)重力荷載代表值應取結構和構件自重標準值和各可變荷載組合值(等于可變荷載標準值乘以可變荷載組合值系數)之和，此時可變荷載組合值系數ψEC應按《抗震規范》第 5.1.3條取用，不能按照GB 50009-2001荷載規范第4.1.1和4.2.3條取用組合值系數 ψC。

2)重力荷載分項系數γG，只考慮重力荷載效應對構件承載力的不利或有利兩種情況，取1.2或不大于 1.0。

3)《抗震規范》式(5.4.1)說明中，有吊車時，重力荷載代表值的效應 SGE尚應包括懸吊物重力標準值的效應。此時懸吊物重力應按可變荷載計入重力荷載代表值，其組合值系數應按《抗震規范》表5.1.3取用，即硬鉤吊車取0.3，軟鉤吊車取0.0。對表5.1.3注“吊重較大時，組合值系數應按實際情況采用”，規范未明確何為“吊重較大時”，一般情況下，起重量大于 30 t的機械廠房或起重量大于 50 t的冶金廠房為吊重較大，其硬鉤吊車的組合值系數建議根據吊車的起重量及實際運行情況取 0.3～0.5。

4)水平、豎向地震作用標準值的效應SEhk，SEvk，在《抗震規范》及《高規》中提出“尚應乘以相應的增大系數或調整系數”。在構件截面抗震驗算時，應乘以考慮地震作用組合的增大系數或調整系數;但柱軸壓比計算為抗震構造措施，可不考慮增大系數或調整系數，見《混凝土規范》第 11.4.6條。

5)風荷載組合值系數 ψw，一般結構取 0.0，風荷載起控制作用的高層建筑應采用0.2，見《抗震規范》第5.4.1條;60m以上的高層建筑時ψw應取用0.2，見《高規》第5.6.3條及表5.6.4。

根據《高規》第 3.2.2條及其條文說明，60m以上的高層建筑，其基本風壓w0應按 100年重現期采用。

6)《抗震規范》第 5.1.3條中未明確工業建筑重力荷載代表值計算時樓面活荷載組合值系數的取值。建議原則上按實際情況考慮，即組合值系數取1.0;當采用等效均布活荷載替代時，可根據實際情況取大于一般民用建筑的組合值系數，建議按照《荷載規范》第4.2.3條規定的樓面活荷載組合值系數減去0.2，即: ψEC=ψC-0.2。

7)在現有計算程序電算中，取用《抗震規范》表 5.1.3組合值系數時，無法區分樓面活荷載的性質，也無法判定計算頂層與實際設計屋面的關系。在電算中建議，各類樓面活荷載組合值系數一般情況下取用 0.5，對藏書庫、檔案庫可將樓面活荷載乘以0.8/ 0.5=1.6的折算系數后進行整體簡化計算，并將結構計算頂層作為屋面考慮。

1.2 無地震作用組合下柱的軸壓力設計值計算

對不進行地震作用計算的結構，如《抗震規范》第 3.1.4條及5.1.6條或《混凝土規范》第 11.1.2條規定的抗震設防烈度為 6度的建筑，《抗震規范》第 3.1.4條規定的 7度，Ⅰ，Ⅱ類單層工業廠房等，柱軸壓力設計值 N應按無地震作用的荷載效應組合設計值計算，按照《荷載規范》第 3.2.3條或《高規》第5.6.1條有關公式進行計算，注意事項及建議如下:

1)柱軸壓力設計值N，應取由永久荷載效應控制的組合與由可變荷載效應控制的組合中的最不利值。用《荷載規范》式(3.2.3-1)，式(3.2.3-2)與《高規》式(5.6.1)進行計算時沒有本質區別，只是《高規》式(5.6.1)對各種荷載效應控制作用時的活荷載組合值系數ψQ及風荷載組合值系數ψw給出具體取值，如 ψQ取 0.7 (或0.9)時與《荷載規范》表 4.1.1中的 ψc取值相同，ψw取0.6時與《荷載規范》第 7.1.4條的規定相同。

2)工業建筑的樓面活荷載及其組合值系數取值，可按《荷載規范》第4.2.1條～第 4.2.3條考慮，樓面局部荷載的等效均布活荷載計算按《荷載規范》附錄 B確定。對標準值大于 4 kN/m2的工業房屋樓面活荷載，其可變荷載分項系數取 1.3，見《荷載規范》第3.2.5條。

2 剪力墻墻肢的軸壓比計算

抗震設計時，一、二級抗震等級的剪力墻底部加強部位，應驗算其重力荷載代表值作用下墻肢的軸壓比限值是否滿足《混凝土規范》第 11.7.13條、《抗震規范》第6.4.5條或《高規》第 7.2.14條的規定。

剪力墻墻肢的軸壓力設計值應按重力荷載代表值作用下進行計算，按《抗震規范》式(5.4.1)或《高規》式(5.6.3)中的S= γGSGE進行計算。

注意事項及建議如下:

1)有關γG，SGE的取值或計算注意事項見 1.1節所述。

2)當剪力墻墻肢底截面軸壓比小于《混凝土規范》表 11.7.14或《抗震規范》表 6.4.6的規定值時，一、二級抗震墻底部加強部位及相鄰的上一層可按《混凝土規范》第 11.7.16條或《抗震規范》第6.4.8條的規定設置構造邊緣構件;但《高規》第 7.2.15條規定，一、二級抗震設計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應按《高規》第 7.2.17條的要求設置約束邊緣構件。建議在《高規》修訂時適當放松，與《混凝土規范》《抗震規范》的要求一致。

3)規范未規定三級抗震等級的剪力墻墻肢軸壓比限值，建議補充三級抗震等級的剪力墻墻肢的軸壓比限值的規定，取值可參見《北京市建筑設計細則(結構專業)》表 5.5.2-3，三級抗震等級取0.7。對于獨立墻肢，當hw/bw≤5時，其軸壓比限值，一、二級時不宜大于《高規》表7.2.14的限值減0.1，三級時不宜大于0.6。

3 水平地震作用標準值計算

水平地震作用采用底部剪力法計算時，各樓層可僅取一個自由度，結構總水平地震作用標準值FEk，應按《抗震規范》式5.2.1-1或《高規》式B.0.1-1的FEk=α1Geq進行計算，其中結構等效總重力荷載 Geq，單質點應取總重力荷載代表值，多質點可取重力荷載代表值的 85%。重力荷載代表值應按《抗震規范》第 5.1.3條規定進行計算。

4 豎向地震作用計算

抗震設防烈度為 9度時的高層建筑、8度和 9度時的長懸臂和大跨度結構、8度時的帶轉換層的高層建筑的轉換構件及連體結構的連接體等，均應考慮豎向地震作用的影響。

這些情況都涉及到有關重力荷載代表值的計算。結構內力組合設計值的計算見《抗震規范》式(5.4.1)或《高規》式(5.6.3)。在構件截面抗震驗算時，內力組合設計值應取重力荷載及豎向地震作用組合與重力荷載、水平地震及豎向地震作用(60m以上的高層建筑應考慮風荷載作用)組合的最不利值，并注意水平、豎向地震作用標準值的效應SEhk，SEvk尚應乘以相應的增大系數或調整系數。

有關重力荷載代表值應按《抗震規范》第 5.1.3條計算，其中豎向地震作用標準值的計算如下。

4.1 抗震設防烈度為 9度時的高層建筑豎向地震作用標準值計算

抗震設防烈度為 9度時的高層建筑，結構總豎向地震作用標準值FEvk，應按《抗震規范》式(5.3.1-1)或《高規》式(3.3.14-1)的FEvk=αvmaxGeq計算，其中豎向地震影響系數的最大值αvmax可取水平地震影響系數的最大值 αmax的 65%，結構等效總重力荷載Geq應可取其重力荷載代表值GE的 75%。

4.2 長懸臂和大跨度結構豎向地震作用標準值計算

平板型網架屋蓋和跨度大于 24m屋架的豎向地震作用標準值，宜取其重力荷載代表值和豎向地震作用系數的乘積;豎向地震作用系數可按《抗震規范》表 5.3.2取用。

抗震設防烈度為 8度、9度時的長懸臂和其他大跨度結構，豎向地震作用標準值應按《抗震規范》第 5.3.3條計算，8度、8度(0.3g)和 9度可分別取該結構、構件重力荷載代表值的 10%，15%和20%。

關于長懸臂和大跨度結構的定義參見《抗規》第 5.1.1條的條文說明。規范對長懸臂的規定似較嚴，建議適當放寬，可否改為“9度和 9度以上時，1.5m以上的挑板或 2.0m以上的挑梁為長懸臂;8度時，2.0m以上的挑板或 2.5m以上的挑梁為長懸臂”。

4.3 帶轉換層的高層建筑結構豎向地震作用計算

8度抗震設計時，帶轉換層的高層建筑的轉換構件的豎向地震作用，可采用反應譜法或動力時程分析法計算;近似考慮時，也可將轉換構件在重力荷載標準值作用下的內力乘以增大系數 1.1 (為了統一表達式，建議將條文說明中的“標準值”換算為“代表值”)，見《高規》第 10.2.6條及其條文說明。

4.4 連體結構的豎向地震作用標準值計算

近似計算時，8度抗震設計的連體結構的連接體的豎向地震作用標準值可取連接體部分重力荷載代表值的 10%，并按各構件所分擔的重力荷載代表值的比例進行分配，見《高規》第 10.5.2條及其條文說明。

[1] 朱炳寅.建筑結構設計規范應用圖解手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2005.

[2] 龔思禮.建筑抗震設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2002.

[3] 毛俊玲.淺談建筑結構設計抗震措施[J].山西建筑，2010，36(32):79-80.