土木工程專業畢業設計內容調整

齊麟　張楊　孟慶鉑??

摘要：

土木工程專業畢業設計以實際工程為背景，根據設計條件按照專業規范進行建筑結構的設計，其中各種荷載與作用的輸入與組合均需根據《建筑結構荷載規范》確定。隨著2012版GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》的頒布，土木工程專業畢業設計也應進行相應的調整。文章介紹了新版荷載規范的修訂背景，對新規范修訂章節中涉及土木工程專業畢業設計的主要內容進行了總結。基于新版荷載規范，從條文適用條件、工程結構形式、設計資料準備等方面提出畢業設計相應的調整工作，確保指導教師與學生能在畢業設計中準確把握與貫徹2012版《建筑結構荷載規范》的修訂內容。

關鍵詞：建筑結構荷載規范；土木工程；畢業設計

中圖分類號：G642477文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2015）02011204

《建筑結構荷載規范》[1]是建筑結構設計規范體系中最重要的規范之一，直接決定了建筑結構外力輸入的可靠性。土木工程專業的畢業設計是對大學四年所學基礎知識與專業知識的綜合運用，是所學與所用的一次全面結合，是走向工作崗位前對專業技術工作的一次演練[2]。土木工程專業畢業設計以實際工程為背景，基于生產需求擬定題目，根據設計條件按照專業規范進行建筑結構的設計，其中各種荷載與作用的輸入與組合均需根據《建筑結構荷載規范》確定。

隨著世界政治經濟與社會文化活動的不斷變化，全球的自然環境、經濟環境及社會環境發生了顯著變化。極端氣候及災害性天氣頻發導致自然災害對建筑結構造成破壞的風險加大，恐怖襲擊造成的爆炸、撞擊等對結構的安全造成了潛在威脅，現代建筑中的燃氣、電梯等設備的普及也使建筑結構面臨的安全隱患增加。以上所有可能對建筑結構安全造成影響的因素均需在設計時通過荷載與荷載組合進行考慮[3]。專業教師指導土木工程專業畢業設計，應對《建筑結構荷載規范》開展全面準確的講解，使學生理解規范各條文的制定背景、原則、過程、依據與適用條件。最新版GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》已于2012年10月1日開始施行，高等學校土木工程專業

的畢業設計指導工作應同步跟進，采用新的荷載規范指導學生的畢業設計內容。文章對新舊荷載規范的關鍵修改部分進行了對比，闡述其修訂背景，列舉由荷載規范修改造成的土木工程專業畢業設計指導工作的調整內容，對教師準確應用新規范開展教學

工作具有一定的指導意義。

一、 2012版《建筑結構荷載規范》的修訂背景

2012版《建筑結構荷載規范》的修訂是在全球氣候變化、全球反恐及經濟全球化的大背景下開展的。近十幾年來，極端天氣現象呈現明顯上升趨勢，如2008年南方大面積的雨雪冰凍災害引起了大量的房屋與電力設施的破壞，造成了重大的經濟損失。當前全球反恐形勢嚴峻，世界各地不斷出現的恐怖襲擊對建筑結構安全性造成潛在威脅。現代建筑內的燃氣、電梯、機電設備等設施加大了結構面臨偶然荷載作用的概率，進一步增加了因偶然作用而引起連續倒塌的風險[3]。以上情況為《建筑結構荷載規范》修訂的主要原因。

二、基于新版荷載規范的畢業設計調整內容

（一）可變荷載設計使用年限調整系數

在確定荷載組合效應設計值時2012版《建筑結構荷載規范》參考GB 50153—2008《工程結構可靠性設計統一標準》[4]的規定，引入考慮結構設計使用年限的可變荷載調整系數γL。可變荷載考慮結構設計使用年限調整系數是為解決設計使用年限與設計基準期不同的問題，當設計使用年限與設計基準期不同時應采用調整系數γL對可變荷載的標準值進行調整。設計基準期是為了統一確定荷載與材料的標準值而規定的年限，通常為一個固定值。可變荷載是一個隨機變量，其標準值是指在結構設計基準期內可能出現的最大值，由設計基準期最大荷載概率分布的某個分位值來確定。設計使用年限是指設計規定的結構或構件不需要進行大修即可按其預定目標使用的時間，并非一個固定值。設計使用年限的取值與結構的用途與重要性相關，設計時通常從荷載與耐久性兩個方面來考慮設計使用年限的影響作用。設計使用年限越長，則作用于結構上的荷載越可能具有較大的數值，所以在設計時應提高荷載的標準值；設計使用年限越短，作用于結構上的荷載具有較大數值的概率越小，此時可適當降低荷載的標準值，以保持結構設計安全性與經濟性的統一。

之前的荷載規范并無可變荷載設計使用年限調整系數這一概念，因此指導學生畢業設計時應特別注意學生在計算荷載組合效應代表值時是否考慮了這一系數。材料標準值的基準期通常為50年，因此結構規范中可變荷載標準值的設計基準期統一規定為50年，這樣才能與荷載的分項系數、組合值系數等參數相匹配。結構設計使用年限隨結構類別的不同而變化。臨時性建筑結構的設計使用年限為5年，普通房屋與構造物的設計使用年限為50年，標志性建筑與特別重要建筑的設計使用年限為100年。如果工程項目的設計使用年限為100年，則調整系數γL取1.1；如果畢業設計項目的設計使用年限為50年，則調整系數γL取1.0；如果工程項目的設計使用年限為5年，則調整系數γL可取0.9。指導教師應特別注意規范中表3.2.5中的注釋部分：“當設計使用年限不為5年、50年與100年時，調整系數γL可按線性內插確定，荷載標準值可控制的活荷載調整系數γL取1.0。”規范對荷載標準值可控制的活荷載類型進行了解釋，即那些不隨時間明顯變化的荷載，例如：樓面均布活荷載中的書庫、儲藏室、機房、停車庫以及工業樓面均布活荷載等。如果畢業設計工程項目中作用于結構上的荷載包含以上幾種，則無論結構設計使用年限取值多少，可變荷載考慮結構設計使用年限調整系數均取1.0。指導教師應提醒學生注意查看規范有關注釋與條文說明，全面了解規范適用條件。

（二）樓面與屋面活荷載數值調整

隨著我國經濟實力與生產力的不斷發展，2012版荷載規范適當提高了部分樓面與屋面活荷載標準值取值以提高結構的安全性，并增加了部分荷載項目。《建筑結構荷載規范》中教室活荷載標準值由2.0 kN/m2提高至2.5 kN/m2，浴室、衛生間活荷載標準值由2.0 kN/m2提高至2.5 kN/m2，教學樓走廊門廳以及高層結構樓梯活荷載標準值均取3.5 kN/m2。增加了樓面、地面運動場活荷載以及屋頂運動場活荷載，其標準值分別為4.0 kN/m2與3.0 kN/m2。規范第5.2.2條中補充規定工業樓面在設備所占區域內可不考慮操作荷載與堆料荷載，補充生產車間參觀走廊活荷載可取3.5 kN/m2。畢業設計計算樓面與屋面活荷載時應注意規范的調整內容，采用新的活荷載數值進行結構設計。

（三）溫度作用

溫度對結構而言是間接作用，是引起結構變形的原因之一。原荷載規范[5]僅涵蓋直接作用，即直接作用在結構上的荷載。2012版荷載規范增加了一章內容對溫度作用進行說明與規定。引起溫度作用的因素很多，2012版荷載規范僅涉及氣溫變化及太陽輻射等由氣候因素產生的溫度作用。考慮結構可靠性指標以及設計表達式的統一，溫度作用的荷載分項系數仍取1.4，與其他可變荷載的分項系數相同。該數值與美國混凝土設計規范ACI-318[6]的取值相當。2012版荷載規范規定的溫度作用組合值系數、頻遇值系數及準永久值系數主要依據設計經驗并參考歐洲規范確定。規范第9.1.3條規定溫度作用的組合值系數、頻遇值系數與準永久值系數分別為0.6、0.5與0.4。

2012版荷載規范將基本氣溫定義為50年一遇的月平均最高氣溫與月平均最低氣溫，分別以全國各基本氣象臺站最近30年最高溫度月的月平均最高氣溫與最低溫度月的月平均最低氣溫為樣本，按照極值Ⅰ型分布假定統計得到。

畢業設計中如果工程項目為室內外溫差較大且沒有保溫隔熱面層的結構，或者為太陽輻射較強的金屬結構，則荷載組合中應考慮溫度作用。可采用2012版荷載規范規定的均勻溫度法來考慮溫度作用對結構的影響。均勻溫度作用對結構的影響最大，其溫差取值與分析方法較為成熟。畢業設計說明書中應提供結構的初始溫度或合攏溫度，確定荷載組合時應考慮升溫與降溫兩種工況下控制應力與控制位移的不同。2012版荷載規范規定計算溫度作用時溫度的單位為攝氏度（℃）。

在畢業設計過程中如果計算出的溫度作用效應較大，則應采用有效構造措施來減小或消除溫度作用效應，如設置活動支座或節點，設置溫度縫，采用隔熱保溫措施等。

（四） 雪荷載調整

2012版荷載規范在編制過程中補充了全國各基本氣象臺站自1995年至2008年的極值雪壓數據，對基本雪壓進行了重新統計，其中新疆與東北部分地區的基本雪壓變化較大。新荷載規范規定對雪荷載敏感結構應采用重現期為100年的基本雪壓進行設計。對大跨輕質屋蓋結構，雪荷載常常為控制荷載。如果畢業設計工程項目為此類結構，應采用荷載規范附錄E中表E.5所列100年重現期的基本雪壓計算雪荷載。

（五） 風荷載調整

風荷載部分為2012年荷載規范修訂的重點內容，修訂內容包括基本風壓、風速剖面、風壓體型系數及風陣響應等方面。與原規范相比，平均風荷載略有下降，脈動風荷載略有增強，風荷載整體取值有所提高。2012版荷載規范以全國672個基本氣象臺站自1995年至2008年的最大風速資料為基礎，經統計換算得到重現期分別為10年、50年與100年的基本風壓。新規范對風壓高度變化系數μz的取值進行了調整，四種地面粗糙度下風壓高度變化系數見荷載規范表8.2.1。規范表8.3.1中列出了39項各類結構的體型系數，其中第31項“高度超過45 m的矩形截面高層建筑需考慮深寬比對背風面體型系數的影響”為新增項目。矩形高層建筑的風力系數由1.3增加到1.4。新荷載規范對陣風系數表達式進行了較大修改，采用了國際通用的表達方式，畢業設計計算風荷載時應首先根據設計條件確定是否需要計算陣風系數，如果需要則應根據新公式進行計算。計算時不再區分幕墻門窗與其他圍護結構，統一根據下式計算陣風系數：

βgz=1+2gI10z10-α，

式中：βgz為陣風系數；g為峰值因子，取2.5；I10為10 m高名義湍流強度，對應A、B、C、D四類地面粗糙度，可分別取0.12、0.14、0.23與0.39；z為計算高度。

由于公式（1）的計算過程較復雜，2012版荷載規范中表8.6.1以列表方式給出各類地面粗糙度下某些高度處的陣風系數取值，畢業設計時可直接從表中查找。

2012版荷載規范第8.4.1條規定，對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及基本自振周期大于0.25 s的各種高聳結構應考慮風壓脈動對結構產生順風向風振的影響。符合第8.4.3條規定的結構，可采用風振系數法計算其順風向風荷載。根據本條規定，如果畢業設計題目中結構高度小于30 m，或高寬比小于1.5，或結構基本自振周期小于0.25 s，則可不必計算順風向風振。第8.4.2條為新增內容：風敏感結構應考慮風壓脈動對結構產生的風振影響，其風振響應宜根據風洞試驗所得脈動風壓結果確定，不宜采用風振系數法近似確定。如果畢業設計題目為質量輕剛度小的索膜結構，或跨度大于36 m的屋蓋結構，則應在畢業設計資料中給出風洞試驗報告，使學生能根據荷載規范的要求準確計算風荷載。

三、結語

介紹了2012版《建筑結構荷載規范》的修訂背景，從可變荷載設計使用年限調整系數、樓面與屋面活荷載數值調整、新增溫度作用、雪荷載調整與風荷載調整內容等方面將新荷載規范修訂章節中涉及土木工程專業畢業設計的主要內容進行了總結。基于新版荷載規范，從條文適用條件、工程結構形式、設計資料準備等方面提出畢業設計中應相應進行的調整工作，確保指導教師與學生能在畢業設計中準確理解與貫徹2012版《建筑結構荷載規范》的修訂內容。參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB 50009—2012建筑結構荷載規范[S]. 2012.

[2]高笑娟，李躍輝. 土木工程畢業設計質量的全過程控制方法探索[J]. 高等建筑教育，2011，20（1）：127-130.

[3]金新陽. 建筑結構荷載規范理解與應用[J]. 北京：中國建筑工業出版社，2013.

[4]中華人民共和國建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局. GB 50068—2001建筑結構可靠度設計統計標準[S]. 2001.

[5]中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB 50009—2001建筑結構荷載規范[S]. 2006.

[6]American Concrete Institute. Building Code Requirements for Structural Concrete （ACI 318-05） and Commentary （ACI 318R-05） [S]. 2005.

Abstract：

The load input and combination of graduation design of civil engineering should be based on the load code for the design of building structures. Adjustment for the graduation design of civil engineering should be made according to the revised content of load code for the design of building structures version 2012. We introduced the revision background of the new code， and summarized the main revised code contents which had connections with the graduation design. Based on the new load code， we proposed the adjustment of the graduation design from the application conditions， structure types， and design data. It will contribute to the correct interpret of the load code for the design of building structures version 2012 by teachers and student of civil engineering.

Keywords： load code for the design of building structures； civil engineering； graduation design

（編輯周沫）