建筑結構荷載分析及設計探討

彭進禹

【摘要】在我國建筑業(yè)高速發(fā)展背景下，建筑工程的施工規(guī)模不斷擴大，建筑結構高度、面積不斷增大?，F(xiàn)代建筑結構越來越復雜，建筑物的結構設計存在較大差異，這將會使建筑物各自的荷載值存在較大差異。大規(guī)模建筑物承受更大的荷載作用力，對建筑結構的穩(wěn)固、承載性能提出更高的要求。在建筑工程結構設計中，為了獲取最理想的建筑結構，保障建筑結構的穩(wěn)定性和安全性，需要對建筑結構的荷載設計提高重視。為此，本文對建筑結構荷載與常見設計問題進行簡要分析，闡述設計要點，并提出處理措施，希望可以為同類工程提供設計參考。

【關鍵詞】建筑結構荷載;設計要點;解決措施

1、建筑結構荷載類型

現(xiàn)階段，在建筑結構荷載設計領域中，由于荷載值并非固定不變，而是隨著外部施工環(huán)境、建筑物使用時間的變化而不斷改變。因此，設計人員需要對荷載進行分類。例如，從作用時間長度、建筑動力特點、空間位置等角度來劃分荷載值。

（1）基于建筑動力特點?？蓪⒑奢d值分為動態(tài)荷載與靜態(tài)荷載兩類。其中，動態(tài)荷載指，建筑內(nèi)部人員、設備在移動聚散過程中持續(xù)變化的自重量，或是隨著氣候條件變化而處于波動狀態(tài)的風壓力。例如，在風力等級提高時，建筑結構將承受較大的風力瞬間加速度，提高建筑橫向位移問題出現(xiàn)率與實際位移量。而靜態(tài)荷載泛指，并不會隨著時間推移或是外部環(huán)境變化而處于波動狀態(tài)的作用力，如建筑結構的自重量。

（2）基于作用時間長度。從這一角度來看，可以將建筑結構荷載值劃分為偶然荷載、活荷載以及恒荷載。其中，偶然荷載指，在建筑結構施工、使用階段有一定可能出現(xiàn)、并非必然出現(xiàn)的荷載，如地震作用力、汽車撞擊力等等，偶然荷載普遍具有量值大、持續(xù)時間短的特征?；詈奢d也被稱作為可變荷載，指隨時間推移而不斷變化的荷載值，主要包括風荷載、積灰積雪荷載、吊車荷載等等。最后，恒荷載也被稱作為永久荷載，泛指變化量極小、或是量值不會產(chǎn)生變化的荷載，主要包括建筑結構自重、預應力、預拉力等。

（3）基于空間位置。從空間位置角度來看，應將建筑結構荷載分為靜動態(tài)荷載、固定荷載與自由荷載三種。其中，靜態(tài)與動態(tài)荷載分別指，不對建筑結構及構件產(chǎn)生加速度的荷載力、以及會對建筑結構產(chǎn)生加速度的荷載力，靜態(tài)荷載主要包括建筑結構自重，動態(tài)荷載包括吊車荷載、風荷載等等。固定荷載指空間分布位置固定不變的荷載，如固定設備荷載。而自由荷載則指空間分布位置不固定、會隨時變化的荷載，如樓面后荷載、吊車荷載。

2、建筑結構荷載設計要點

2.1荷載取值計算

建筑結構荷載設計要結合工程實際情況，準確計算各項結構荷載值，保證建筑結構荷載設計方案合理可行，不會對建筑結構功能的正常使用造成影響。荷載值計算環(huán)節(jié)，設計人員既需要綜合分析各項施工因素與已知工程信息，同時，還要掌握以下取值計算要點，針對性構建荷載分析處理模式，具體如下。

（1）活荷載取值。活荷載主要指隨著時間推移、量值不斷變化的荷載值，不同時間節(jié)點下的建筑結構活荷載量值存在不確定性、不可預知性。但是，設計人員可以通過綜合分析建筑使用功能、實際用途等因素，評估活荷載量值的大體變化范圍，為后續(xù)建筑結構荷載設計方案的制定給提供數(shù)據(jù)參考。為實現(xiàn)這一目的，設計人員可選擇構建隨機過程荷載分析處理模型，全面掌握建筑結構功能、室內(nèi)設備與裝潢陳設情況，評估恒荷載、活荷載的組合情況，從而確定活荷載量值變化范圍，完成活荷載取值工作。

（2）恒荷載取值。建筑結構所承受恒荷載主要為建筑結構、構件自重量。因此，設計人員需要持續(xù)采集相關工程信息、深入分析結構設計方案，準確計算各處結構部位與構件的自重量，在其基礎上即可獲取恒荷載取值。同時，可選擇將恒荷載拆分為線荷載與面荷載，以此降低荷載取值難度。以樓板荷載為例，恒荷載的具體計算方式為，將樓板構件的厚度與單位體積板重量值相乘，即可獲取樓板構件的自重量。同時，將面板厚度與單位體積重量相乘，其結果為面層材料自重量。而在計算梁體、墻體等特殊構件時，由于這類構件發(fā)揮著建筑承重作用，需要考慮到構件所承受壓力，將計算方式設定為，將構件短邊長度與板單位面積自重相乘。

（3）極限狀態(tài)荷載取值。在建筑結構使用過程中，有一定概率會承受偶然荷載，并對建筑結構造成影響。因此，設計人員需要根據(jù)已知工程信息，準確評估各類偶然荷載的出現(xiàn)率、以及對建筑結構造成的具體影響。隨后，在評估結果基礎上對荷載設計方案進行調(diào)整補充，如確定折減標準值。此外，還需要開展極限狀態(tài)下的建筑結構荷載設計工作。例如，重點對構件抗裂度、結構變形量進行驗算，考慮到建筑結構在無承載力情況下所承受的損失程度，僅采取荷載標準值，無需考慮分項系數(shù)與結構重要性。在建筑結構或構件出現(xiàn)裂縫、變形等質(zhì)量通病時，設計人員需要對裂縫寬度與變形量進行驗算，在驗算結果基礎上合理設置建筑結構永久荷載組合。

2.2掌握荷載效應特性

在建筑結構施工、使用期間，受到荷載力影響，局部構件有一定可能會產(chǎn)生內(nèi)力，引發(fā)結構位移等問題的出現(xiàn)，這被稱為荷載效應。因此，設計人員需要掌握荷載效應特性與線性關系。例如，導入截面彎矩公式，以此掌握支梁構件的所承受荷載特性。目前來看，恒荷載密度主要保持著正態(tài)分布情況，其他荷載則保持極值分布情況。

2.3消防車道荷載設計

在這一設計環(huán)節(jié)，需要重點開展消防車道板面活荷載計算工作。需要根據(jù)樓該類型來準確計算折減前后基準活荷載、樓板實取活荷載、單雙向板的主梁與柱體實取活荷載等數(shù)值，根據(jù)車道的板跨所占比重加以折算。例如，在覆土厚度為1.2m、單向板跨為2m時，可將樓板實取活荷載值設定為28、將單向板主梁活荷載取值設定為17。此外，還需要根據(jù)工程實際情況而針對性構建消防車道活荷載模型。

3、建筑結構荷載常見設計問題及處理措施

3.1荷載代表值取值

現(xiàn)階段，在建筑結構荷載設計環(huán)節(jié)，荷載負載主要由準永久值、標準值、頻繁值以及組合值等加以代表，設計人員主要選擇將已知標準值及系數(shù)相乘來獲取其他代表值，并將標準值設定為基本代表值。在這一設計模式下，雖然可以幫助設計人員準確、直觀掌握建筑結構荷載設計特性。但隨著外部施工環(huán)境的變化，負荷值存在隨機性，最大負荷值本質(zhì)是為隨機變量因素，難以通過統(tǒng)計分布等方式進行準確描述。在傳統(tǒng)建筑結構荷載設計模式中，雖然設計人員普遍選擇將協(xié)議面值設定為代表值，但卻難以獲取充足負載信息，設計水平有待提升。針對這一問題，設計人員可選擇使用若干種負載代表值，掌握相關工程信息，積累設計經(jīng)驗，并將理想?yún)f(xié)議百分數(shù)設定為負載代表值。

3.2荷載分項系數(shù)

建筑結構所承受荷載主要分為活荷載與恒荷載。在設計人員明確負載標準值的前提條件下，需要基于極限狀態(tài)表達時，將活荷載與恒荷載分別設計為獨立的分系數(shù)。隨后，根據(jù)最小誤差原理，對設計目標的可靠性指標進行優(yōu)化處理。但是，卻難以合理設定活荷載與恒荷載的分項系數(shù)。因此，設計人員應結合工程實際情況，針對性設定荷載分項系數(shù)。例如，當荷載效應組合不利與建筑結構時，應將恒荷載組合系數(shù)設定為1.35，將活荷載控制系數(shù)設定為1.2。而在結構標準值超過4kN/m2時，應將活荷載分項系數(shù)設定為1.3-1.4。

3.3確定荷載組合最不利值

在傳統(tǒng)建筑結構荷載設計模式中，在明確負載效應時，將對荷載組合極限狀態(tài)、可能產(chǎn)生的并發(fā)負載動作進行綜合考慮，在其基礎上明確總效應。由于負載同時發(fā)生問題的出現(xiàn)率較低，普遍選擇在最不利組合基礎上完成荷載極限狀態(tài)設計工作。在這一設計環(huán)節(jié)，設計人員可選擇開展SQIK測定工作，將最不利符合效應為結構荷載設計核心基礎。同時，在結構重量占據(jù)主導地位的設計條件下，需要適當提高組件重要性因子。

3.4水浮力

在部分建筑工程中，普遍配置有深層地下室結構，且周邊地層中分布大量地下水。建筑結構將持續(xù)承受水浮力影響，導致不分家建筑結構向上浮動、破壞結構。因此，設計人員需要深入分析工程地質(zhì)勘察報告，明確地下水平面、抗浮水位、水浮力等數(shù)值。隨后，確定抗浮設防水位，將1.05設定為建筑結構的抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)。而針對管道結構，應將系數(shù)調(diào)整為1.10。根據(jù)地下水賦存狀態(tài)構建相應的水浮力模型，導入特定的地下水浮力計算公式。在建筑恒荷載遠大于水浮力，則表明建筑結構符合抗浮要求，反之，則建筑結構存在安全隱患，需要提高結構自重量、下調(diào)基礎底板標高等措施。例如，在建筑外墻結構周圍分層回填、夯實素粘土，將夯實系數(shù)控制在0.94以上，確保回填土與外墻結構緊密接觸，并在室外地面設置散水坡。

結語：

隨著經(jīng)濟水平的提高，住宅結構的形式和功能對結構荷載和抗力的分析提出了新的要求。為保證建筑結構使用安全，在制定建筑結構荷載設計方案時，設計人員需要明確荷載作用、主要荷載類型，并掌握結構荷載設計要點，構建標準化和規(guī)范化的荷載計算取值體系。同時，重點預防荷載代表值取值等常見設計問題的出現(xiàn)，進一步提高建筑結構荷載設計水平。

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