建筑結構荷載設計問題與對策

摘要：作用在建筑物上的實際荷載到底有多大，很難精確計算。事實上，即使有最完整的資料，還是很難確切估計荷載的大小。但是為了能開始著手設計，通常作出一些不致造成嚴重誤差的合理假設。在各種外力和荷載作用下，結構必須以合適的性能和所要求的穩(wěn)定性作出反應。

關鍵詞：建筑結構；荷載；設計

1 前言

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、樓面活荷載和設備自重等，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、地基的變形和地震等，這類作用引起的效應比較復雜，例如地震會引起建筑物產生裂縫、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。作用在建筑物上的實際荷載到底有多大，很難精確計算。事實上，即使有最完整的資料，還是很難確切估計荷載的大小。但是為了能開始著手設計，通常做出一些不致造成嚴重誤差的合理假設。在各種外力和荷載作用下，結構必須以合適的性能和所要求的穩(wěn)定性做出反應。結構計算時，需根據不同的設計要求采用不同的荷載數值，這稱為荷載代表值；荷載的代表值有荷載的標準值、準永久值和組合值之分。

2 荷載

2.1 荷載作用

結構上的作用雖然分為直接作用和間接作用，但它們產生的結果是一樣的：使結構或構件產生效應（結構或構件產生的內力、應力、位移、應變、裂縫等）。因此，也可以這樣定義“作用”：使結構或構件產生效應的各種原因，稱為結構上的作用。“荷載”和“作用”對實際工程設計來說，主要是一個概念問題，一般并不影響作用效應的計算和結構本身。在國際上，目前也有不少國家對“荷載”和“作用”未加嚴格區(qū)分。在我國，一般情況下，“荷載”專指直接作用，“作用”有時指直接作用和間接作用，有時專指“荷載”或專指間接作用；在工程中，為了使用和交流的方便，常常將直接作用和間接作用均稱為“荷載”。

2.2 建筑結構荷載

建筑結構在使用和施工過程中所受到的各種直接作用稱為荷載。另外，還有一些能使結構產生內力和變形的間接作用，如地基變形、混凝土收縮、焊接變形、溫度變化或地震等引起的作用。結構設計人員在進行建筑結構的設計時，首先應進行荷載的計算，取其代表值，荷載確定后，才能根據其大小和作用形式計算結構的內力，然后再進行構件計算。也就是說建筑物某一部分的構件，是承重還是非承重，承受多大的荷載，都有其最大值或極限值，超過個極限值，結構就會變形，就會遭到破壞，輕者降低建筑物的經濟壽命，重者會釀成事故，威脅到生命安全。這就是物業(yè)裝修管理人員必須了解、掌握建筑結構形式及其荷載作用、影響的目的。

3 荷載的分類

3.1 按隨時間變異分類

（1）永久荷載（亦稱恒荷載）。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（亦稱活荷載）。在設計基準期內，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、風荷載、吊車荷載等。（3）偶然荷載。在設計基準內，可能出現，也可能不出現，但一旦出現，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。

3.2 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。

3.3 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生加速度或產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荷載等。

4 荷載原因分析及解決措施

4.1 荷載代表值

4.1.1 原因分析

荷載有四種代表值：標準值、組合值、頻遇值、準永久值。其中荷載標準值是荷載的基本代表值，而其他代表值都可在標準值的基礎上乘以相應的系數得到。荷載可根據不同的設計要求，規(guī)定不同的設計要求，以便能更確切地反映它在設計中的特點。由于荷載本身的隨機性，因而在試用期間的最大荷載也是個隨機變量，原則上可用統(tǒng)計分布來描述。荷載標準值由設計基準期最大荷載概率分布的某個分位值來確定，設計基準期統(tǒng)一規(guī)定為50年。但并非所有荷載都能取得充分資料，因而，應從實際出發(fā)，根據已有的工程經驗通過判斷協(xié)議一個公稱值作為代表值。

4.1.2 解決措施

根據文獻可采取下列解決措施，對不同荷載采用不同代表值。當有足夠設計經驗時，可取協(xié)議的百分位作為荷載的代表值。

4.2 荷載分項系數

4.2.1 原因分析

根據文獻將荷載分成兩類：永久荷載、可變荷載，分項系數為γG和γQ，這兩個分項系數在荷載標準值已知的情況下，按極限狀態(tài)設計表達式設計各類結構構件的可靠指標，與規(guī)定的目標可靠指標之間，在總體上誤差最小為原則，經優(yōu)選得到?？紤]有局限性，從經濟上考慮當標準值大于4kN/m2的工業(yè)露面活荷載取γG=1.3。

4.2.2 解決措施

文獻中對基本組合荷載分項系數的規(guī)定，對永久荷載的分項系數：當其效應對結構有利時由永久荷載效應控制的組合，應取1.35，由可變荷載控制的組合取1.2；當其效應對結構不利時一般情況取1.0，對結構的滑移、傾覆或漂浮驗算取0.9。對可變荷載的分項系數：一般取1.4，對標準值大于4kN/m2的工業(yè)樓面結構的活荷載取1.3。

4.3 荷載組合最不利值確定

4.3.1 原因分析

對所考慮的極限狀態(tài)，在確定其荷載效應時，應對所有可能同時出現的各荷載作用加以組合，求出總效應。考慮荷載同時出現的幾率很小，因此應從所有可能組合中取最不利的一組作為該極限狀態(tài)的設計依據。

4.3.2 解決措施

具體公式見中華人民共和國國家標準建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準（GB50068-2001），且應注意SQlK的確定，當無法判斷時，應依次以各SQiK作為SQlK，選其中最不利的荷載效應作為設計依據。還應注意當結構的自重占主要時，應適當提高構件的重要性系數。

5 結語

一般都是按照建筑規(guī)范的要求來設計房屋的，規(guī)范規(guī)定了最低要求，作為設計的大致指南，規(guī)范規(guī)定了需要考慮的最小荷載和不允許超過的最大應力，這些規(guī)定的荷載最多是一些經驗近似值，而且沒有絕對正確的計算應力的規(guī)則、公式和方法，規(guī)范中只是指出必須采用“公認”的計算方法，而計算方法可以因時而異、因地而異、因人而異，因此當使用建筑規(guī)范的結構條文時，必須記住“小心”兩字。只有對結構整個體系的承載能力和性能，以及結構分體系與結構構件相互作用的關系了解很透徹，才能設計出既安全又經濟的結構，才能滿足現代建筑的各種功能和環(huán)境條件要求。

通過收集各種資料及多年經驗總結了結構荷載設計常見問題原因及解決措施，通過在設計工作中的應用，證明了其實用性，取得了滿意的效果，希望對廣大同行有借鑒作用。隨著經濟的發(fā)展，規(guī)范的再次修訂，荷載設計出現的問題處理方法會更合理。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家標準.建筑結構荷載規(guī)范（GB50009-2001）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002

[2]中華人民共和國國家標準.建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準（GB50068-2001）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002