建筑結(jié)構(gòu)荷載分析及設(shè)計(jì)方法探索

吳鐘宇

（深圳市現(xiàn)代城市建筑設(shè)計(jì)有限公司東莞分公司 廣東東莞 523000）

荷載是作用于建筑工程結(jié)構(gòu)的主體力量，為了提高建筑工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就要科學(xué)計(jì)算荷載，通過計(jì)算荷載來明確不同結(jié)構(gòu)、部位的牢固度，從而有針對性地設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，確保工程的牢固度與穩(wěn)定性。

1 建筑結(jié)構(gòu)荷載分析與計(jì)算的意義

建筑工程實(shí)際施工中，其整體結(jié)構(gòu)或局部構(gòu)件都將會(huì)承受較大的作用力，作用于結(jié)構(gòu)的集中力、分布力等都屬于直接應(yīng)力，又叫荷載。由于建筑工程結(jié)構(gòu)不同，設(shè)計(jì)風(fēng)格不同以及施工方案不同，對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)荷載的數(shù)值與計(jì)算方式等也有所差別，然而，通過計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)荷載，從中了解荷載的分布，能夠提高荷載計(jì)算準(zhǔn)確度才能為建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部位、構(gòu)件等所承受的荷載的計(jì)算，通過所得的荷載值來科學(xué)地設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，從而建筑結(jié)構(gòu)的牢固度和穩(wěn)定性。

2 建筑結(jié)構(gòu)的荷載分類

2.1 荷載與作用的區(qū)分

建筑結(jié)構(gòu)荷載的作用有直接和間接之分，然而，無論是哪一種作用都會(huì)產(chǎn)生類似的結(jié)果，也就是讓建筑結(jié)構(gòu)、或者局部構(gòu)件等發(fā)生變化、受到影響，具體是指結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生應(yīng)力、發(fā)生位移、裂縫等，深入分析建筑結(jié)構(gòu)、部件等初夏這些變化的成因，就能得出荷載作用。無論是荷載還是作用，都不會(huì)對作用的計(jì)算與建筑工程結(jié)構(gòu)帶來干擾。一些地區(qū)也將二者視為同物，荷載與作用也有直接和間接之分，通常荷載傾向于是直接作用，作用則側(cè)重指間接作用。

2.2 荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系

所謂的結(jié)構(gòu)荷載就是指建筑工程施工中各個(gè)結(jié)構(gòu)、各個(gè)構(gòu)件等所承受的直接作用力。在這其中也存在眾多的間接力，這些間接力可能導(dǎo)致建筑物局部結(jié)構(gòu)變形、受損，具體體現(xiàn)為：建筑物地基變形、焊接開焊、混凝土裂縫等。正是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)荷載，就需要科學(xué)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

第一步，需要準(zhǔn)確算出荷載值，荷載明確后，則可以參照其數(shù)值大小、作用形式等來算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力；

第二步，構(gòu)件荷載計(jì)算。位于建筑工程結(jié)構(gòu)不同部位的構(gòu)建，有承重和不承重之分，對于承重構(gòu)件來說，其荷載有極限值，當(dāng)荷載超出規(guī)定的極限值，則可能導(dǎo)致構(gòu)件的變形甚至受損。嚴(yán)重情況下可能對建筑工程整體結(jié)構(gòu)帶來致命的破壞，對此必須深入了解建筑結(jié)構(gòu)的類別、荷載作用等。

2.3 荷載的分類

作為隨機(jī)變量，荷載具有變化性、不定性，參照相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，通常設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期達(dá)到半個(gè)世紀(jì)，然而，此時(shí)段內(nèi)，荷載的量值并非不變，同時(shí)作用于結(jié)構(gòu)的時(shí)間持續(xù)性也將有所調(diào)整，具體的荷載類別：

2.3.1 恒荷載

基準(zhǔn)期，荷載量值趨于穩(wěn)定，微小的變化暫且忽略，具體變量為：結(jié)構(gòu)應(yīng)力、重量等。

2.3.2 活荷載

基準(zhǔn)時(shí)期，荷載量則將不斷發(fā)生調(diào)整，具體的變化量則需要予以關(guān)注，具體的荷載是指：屋面可變荷載、風(fēng)荷載等。

2.3.3 偶然荷載

基準(zhǔn)期內(nèi)，偶然荷載是否出現(xiàn)難以確定，主要的偶然荷載都是一些不可抗力因素所致，例如：地震力、外部撞擊力等。偶然荷載量值較大，但是瞬間存在。

2.3.4 固定荷載

對于一個(gè)建筑工程結(jié)構(gòu)來說，其結(jié)構(gòu)空間上一些荷載分布是不變的，主要包括：建筑物結(jié)構(gòu)自重、建筑物所必須的設(shè)備等。

2.3.5 自由荷載

主要是指建筑工程結(jié)構(gòu)空間內(nèi)能夠自由分布的荷載，這些荷載可有可無，例如：居民樓的活荷載。

2.3.6 靜態(tài)荷載

建筑結(jié)構(gòu)中的靜態(tài)荷載主要來自于建筑結(jié)構(gòu)自身的重量，這種荷載一般不會(huì)對結(jié)構(gòu)部件帶來太大影響，其所產(chǎn)生的加速度較小，可以不考慮。

2.3.7 動(dòng)態(tài)荷載

與靜態(tài)荷載相反的荷載，主要包括：吊車荷載、不可抗力因素，例如：地震、沖擊力等造成的荷載，這種荷載將對建筑整體結(jié)構(gòu)、部件等帶來較大的加速度，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要關(guān)注并計(jì)算。

3 建筑結(jié)構(gòu)荷載的計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 恒荷載的計(jì)算

建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部，恒荷載多是來自于建筑物結(jié)構(gòu)自身的重量，多用在建筑物地下室等設(shè)計(jì)中的計(jì)算，其中需要重點(diǎn)算出土體的自重，因?yàn)榇撕奢d為常規(guī)的、永久存在的。結(jié)構(gòu)自重則具體包括：樓面板、梁、墻體等結(jié)構(gòu)部件的重量，具體的自重則需要根據(jù)構(gòu)件的型號、大小以及材料單個(gè)體積的自重來對應(yīng)計(jì)算。參照計(jì)算的具體要求，結(jié)構(gòu)自重應(yīng)該被分解成：面荷載、線荷載等。

樓板荷載則應(yīng)通過板材自重、面層材料自重等計(jì)算得出，具體的計(jì)算方法為：板厚度×單位體積板的重量=樓板自重，面層材料厚度×單位體積面層材料重量=面層材料自重。同時(shí)，來自于樓板的荷載還將對建筑物結(jié)構(gòu)中得梁、墻體等帶來一定的壓力和作用，其結(jié)果為：板單位面積自重x板短邊長度。

梁的荷載作用通常應(yīng)該用線荷載來代表梁體的重量，也就是梁體的單重x梁截面面積。

用來承受重量的建筑物墻體結(jié)構(gòu)，實(shí)際的荷載效應(yīng)計(jì)算，通常需要參照墻體的單位長度來對應(yīng)算出墻體的自重，荷載效應(yīng)=墻體單位長度x墻體厚度x墻體高度×墻體材料單位體積自重。相反，未承受重量的墻體，特別是施加在框架梁中的隔墻，因?yàn)闊o需算出自身的荷載效應(yīng)，這樣計(jì)算就變得簡單，可以堪稱施加在梁體結(jié)構(gòu)的線荷載，按照線荷載來計(jì)算。

3.2 荷載效應(yīng)特性

建筑工程結(jié)構(gòu)中的局部構(gòu)件由于受到荷載的作用，很容易出現(xiàn)內(nèi)力，例如：彎矩、剪力等，同時(shí)，也會(huì)發(fā)生位移，這些效應(yīng)都稱作荷載效應(yīng)，用S表示，它和荷載之間呈線性關(guān)系，S=CQ。S-荷載效應(yīng)，Q-荷載，C-系數(shù)。

可以利用以上公式來算出建筑結(jié)構(gòu)中支梁承受的荷載，根據(jù)截面彎矩公式M=q（lx-x2），此公式印證了線性關(guān)系。正是因?yàn)檫@種線性關(guān)系，可以將荷載特性看成效應(yīng)特性，二者可以看成是類似的相等關(guān)系。施加在結(jié)構(gòu)部件的荷載也有所差別，有恒載與活荷載之分，不同荷載都具有變化性，其中恒載的大小主要和材料自身重量、構(gòu)件的體積大小等因素相關(guān)，而且材料自重也處于不斷變化中，主要和混凝土的質(zhì)地、密度等相關(guān)，總體來看材料自重富于變化性、隨機(jī)性，構(gòu)件的體積也會(huì)因?yàn)樽陨沓叽绲恼`差而不同，構(gòu)件體積也有著不定性?？傮w來看恒載會(huì)受到一系列變化因素的影響，這就使得其自身也必然有著變化性。

通過以上分析可以看出，恒荷載的大小具有變化性，這就意味著樓面活荷載、風(fēng)荷載等更不定的，因?yàn)檫@些荷載本身就屬于可變荷載，因?yàn)楹奢d屬于隨機(jī)變量，是變化性產(chǎn)生的，所以可以借助概率分布來對應(yīng)分析、描述。結(jié)合大量的建筑工程施工以及施工中的結(jié)構(gòu)荷載分析總結(jié)出：恒荷載與其他變化荷載的分布有所差異，恒荷載的密度趨向于正態(tài)分布，其他的非恒荷載，例如：風(fēng)荷載、雪荷載等則趨向于極值分布。

4 總結(jié)

建筑工程在實(shí)際施工中各個(gè)結(jié)構(gòu)、部位都會(huì)承受不同的荷載，要根據(jù)荷載分布情況，本著避重就輕的原則來設(shè)計(jì)建筑工程結(jié)構(gòu)，既要分析最小荷載，又要確保結(jié)構(gòu)荷載在最大應(yīng)力范圍內(nèi)，然而，現(xiàn)階段尚未形成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的荷載計(jì)算方法，但是，要采取一些已經(jīng)得到證實(shí)的規(guī)范計(jì)算法，實(shí)際荷載計(jì)算過程中也要結(jié)合外部變化性因素，例如：天氣條件、設(shè)計(jì)方案變化等，而且要謹(jǐn)慎、精準(zhǔn)地計(jì)算，這樣才能真正確保計(jì)算所得的數(shù)值接近最真實(shí)的值，也為建筑設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

[1]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）.中國建筑工業(yè)出版社.

[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）.中國建筑工業(yè)出版社.

[3]陳凱，符龍彪，錢基宏，等.基于荷載效應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33（1）：27～34.

[4]尤培華，楊海萍，胡鐘.淺談庫房樓面等效均布活荷載的確定方法[J].河南建材，2017（3）：7～9.