淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載的取值與組合

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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

所謂荷載是指建筑物在施工及后期使用過程中，所受到的各種力的作用。荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，荷載取值的準(zhǔn)確與否直接影響到建筑結(jié)構(gòu)的安全和建筑設(shè)計(jì)的價(jià)值。而在不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求取不同的荷載組合，按最不利的進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)算其安全性，以滿足結(jié)構(gòu)承載力、穩(wěn)定、變形、裂縫等要求。本文就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載取值和荷載組合談一談個(gè)人的認(rèn)識(shí)。

1 荷載標(biāo)準(zhǔn)值與荷載設(shè)計(jì)值

荷載標(biāo)準(zhǔn)值可視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值，其他代表值如組合值、頻遇值、準(zhǔn)永久值都是在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)折減系數(shù)。荷載設(shè)計(jì)值是荷載代表值(標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值、準(zhǔn)永久值)乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)后的值。簡(jiǎn)單地理解，荷載設(shè)計(jì)值是為了安全起見而人為地對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值放大之后的數(shù)值。

在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，對(duì)于撓度、剛度、裂縫等變形計(jì)算，需要采用標(biāo)準(zhǔn)組合或準(zhǔn)永久組合外(也就是采用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算)，其余如強(qiáng)度、內(nèi)力、配筋等計(jì)算均采用設(shè)計(jì)值。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的荷載取值

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)明了建筑中各個(gè)位置的使用功能，并依據(jù)當(dāng)前適用的荷載規(guī)范，做出合理的荷載取值。然而荷載規(guī)范對(duì)建筑物中的一些荷載并未給出明確的取值或取值方法，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)自行處理。

2.1 恒荷載

現(xiàn)在住戶在購(gòu)買了商品房之后往往要進(jìn)行二次裝修，為了給裝修、改造留有適當(dāng)余地，樓面做法恒荷載筆者往往取值2.0 kN/m2。這樣在對(duì)構(gòu)件截面和配筋估算時(shí)，不必追問建筑專業(yè)樓面做法的具體細(xì)節(jié)和查閱相關(guān)圖集構(gòu)造，更不必手算樓面做法自重，從而比較主動(dòng)。

此外，對(duì)住宅建筑中輕質(zhì)隔墻(固定或非固定隔墻)的自重，筆者將其按恒荷載考慮，并且統(tǒng)一取值2.0 kN/m2。對(duì)于固定隔墻自重按恒荷載考慮，這在荷載規(guī)范上是有明文規(guī)定的。而對(duì)于位置有可能靈活自由布置的隔墻，荷載規(guī)范的取值方法是把每延米長(zhǎng)墻重的1/3作為樓面活荷載的附加值，其實(shí)就是將墻重線荷載乘以一個(gè)折減系數(shù)后作為活載計(jì)算。筆者通過對(duì)幾個(gè)工程的實(shí)踐比較，認(rèn)為這兩種方法只是算法和分類角度的不同，都是近似方法，計(jì)算結(jié)果相差不多。如果非要追究其到底劃歸為恒載合適還是活載合適，幾乎沒有實(shí)際的工程意義。因此，筆者將輕質(zhì)隔墻一律算為恒荷載，避免了計(jì)算輕質(zhì)隔墻的線荷載再乘以一個(gè)折減系數(shù)的計(jì)算步驟，實(shí)踐證明簡(jiǎn)單快捷，易于操作。

對(duì)于住宅和辦公樓的屋面做法，只要建筑專業(yè)和甲方未專門提出較重的保溫防水做法要求，筆者認(rèn)為一般屋面恒荷載在4.0 kN/m2左右，與實(shí)際情況不會(huì)有較大出入。做方案和估算時(shí)，不宜將屋面做法拘泥于在做法圖集中所查的自重，否則偏于不安全。這是因?yàn)橐话阄菝孀龇ň信潘露?，坡度最高點(diǎn)的做法厚度才是控制點(diǎn)。

2.2 活荷載

對(duì)于一般民用建筑的活荷載，可在GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中查到，而某些有專門用途的建筑物樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值在規(guī)范中未列入，但在實(shí)際的工程中卻經(jīng)常用到，現(xiàn)予以補(bǔ)充，供參考選用(見表1)。

表1中，第10項(xiàng)的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值已經(jīng)把填料重、蹲廁之間的隔墻重包含在內(nèi)，但不包含衛(wèi)生間的外圍墻以及男女衛(wèi)生間之間的隔墻。第7項(xiàng)變配電機(jī)房取值10 kN/m2，是由于在變電室里布置了很多排巨大的高壓電氣控制柜，柜子內(nèi)盤繞著很多匝很粗的電線圈，這種房間的功能和布局勢(shì)必造成樓面的活載很大。第8項(xiàng)發(fā)電機(jī)房，設(shè)備一般不會(huì)直接擱置在結(jié)構(gòu)樓板上，否則設(shè)備工作時(shí)的起伏振動(dòng)和其他動(dòng)力因素會(huì)對(duì)樓板產(chǎn)生不利影響。為此，設(shè)備與樓板之間通常要做設(shè)備基礎(chǔ)，以緩解設(shè)備動(dòng)力振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)從不利影響。所以，這里不僅有設(shè)備自重，還有基礎(chǔ)的質(zhì)量。

關(guān)于活荷載還需要特別指出一個(gè)常識(shí)數(shù)據(jù)，這在規(guī)范中沒有提到，純粹來源于工程經(jīng)驗(yàn)。就是地下一層頂板(或近似為±0.000板)的活荷載取值，較其他部位的樓層結(jié)構(gòu)板有特殊的地方，它不再按照各個(gè)房間的功能查規(guī)范對(duì)應(yīng)取值，而是將各個(gè)房間活荷載一律取4.0～8.0 kN/m2。這是由于施工到±0.000時(shí)，施工單位往往會(huì)將施工所用材料堆放在地下一層的頂板上，以便于施工時(shí)取用?？紤]到這個(gè)實(shí)際情況，將該樓層樓板活荷載加大一些是合理的。同時(shí)需要注意的是，當(dāng)?shù)叵乱粚禹敯寤詈奢d取4.0～8.0 kN/m2時(shí)，此時(shí)恒荷載中的隔墻自重取值可小一些，因?yàn)樵诙逊糯笈氖┕淞蠒r(shí)，隔墻的施工往往尚未完成，否則會(huì)限制材料的隨意堆放。

表1 某些有專門用途的建筑物樓面均布活荷載

3 荷載效應(yīng)組合

荷載組合是“按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)的可靠性而對(duì)同時(shí)出現(xiàn)的各種荷載設(shè)計(jì)值的規(guī)定”。其實(shí)這個(gè)定義不夠準(zhǔn)確，因?yàn)榻M合里面也有荷載標(biāo)準(zhǔn)值、準(zhǔn)永久值等荷載代表值。所以，正確的表述應(yīng)該是“對(duì)各種荷載設(shè)計(jì)值或代表值進(jìn)行組合”。

3.1 荷載組合的依據(jù)

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定，“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載(效應(yīng))組合，并應(yīng)取各自的最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)?！?/p>

3.2 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

(1)根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，“混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力、出現(xiàn)疲勞破壞、發(fā)生不適于繼續(xù)承載的變形或因結(jié)構(gòu)局部破壞而引發(fā)的連續(xù)倒塌?！蓖ㄋ椎刂v，承載能力極限狀態(tài)是構(gòu)件已經(jīng)破壞、不能使用的狀態(tài)，針對(duì)這種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)按荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行荷載(效應(yīng))組合。

(2)基本組合荷載效應(yīng)的控制。對(duì)于基本組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值應(yīng)從由可變荷載效應(yīng)控制的組合和由永久荷載效應(yīng)控制的組合中取最不利值確定。對(duì)于荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值S1，當(dāng)只有一種可變荷載時(shí)，由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值可表示為：

S1=γGSGK+γQSQK=1.2SGK+1.4SQK

(1)

由永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值可表示為：

S1=γGSGK+γQΨcSQK=1.35SGK+1.4×0.7SQK=1.35SGK+0.98SQK

(2) 令1.35SGK+0.98SQK>1.2SGK+1.4SQK，可得：SGK/SQK>2.8。即恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的效應(yīng)值大于活荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的效應(yīng)值2.8倍時(shí)，基本組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值由永久荷載控制。

3.3 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，“混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)，是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定限值或耐久性能的某種規(guī)定狀態(tài)?！蓖ㄋ椎乩斫猓瑯?gòu)件達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)還可以勉強(qiáng)使用，對(duì)于這種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合或準(zhǔn)永久組合。

3.4 荷載效應(yīng)組合的應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要具體情況具體對(duì)待，根據(jù)不同的計(jì)算內(nèi)容選擇不同的荷載組合。例如基礎(chǔ)部分的設(shè)計(jì)，有時(shí)用到基本組合即設(shè)計(jì)值，有時(shí)卻要反常地用到標(biāo)準(zhǔn)組合即標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于剛參加工作的年輕設(shè)計(jì)人員，常常會(huì)形成慣性思維，將設(shè)計(jì)值(基本組合)從上部結(jié)構(gòu)一用到底，特別是在確定基礎(chǔ)底面積時(shí)仍采用設(shè)計(jì)值，而且錯(cuò)算的基底面積和采用正確方法計(jì)算的數(shù)值又相差不多，導(dǎo)致雖然計(jì)算錯(cuò)誤但不易被發(fā)現(xiàn)。為了避免混淆，做到概念清楚，筆者將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的部分荷載組合列于表2，以幫助讀者區(qū)分。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的部分荷載效應(yīng)組合

4 結(jié)語

荷載取值和荷載組合是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的關(guān)鍵。從以上所述可知，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要靈活運(yùn)用，根據(jù)不同的情況選擇各自的荷載組合計(jì)算。荷載取值應(yīng)盡量做到依據(jù)明確，不可生搬硬套。本文對(duì)荷載取值、荷載組合的分析與論述，希望能對(duì)設(shè)計(jì)人員的實(shí)際工作起到借鑒與參考作用。

參考文獻(xiàn)：

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