不同規(guī)范之間荷載效應(yīng)組合對比研究

孫會昭

(河北中嘉工程檢測技術(shù)有限公司,石家莊 050000)

結(jié)構(gòu)設(shè)計中荷載效應(yīng)組合涉及荷載及荷載分項系數(shù)的取值。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件設(shè)計時,不同的設(shè)計情況需采用不同的荷載效應(yīng)組合。其主要涉及兩種設(shè)計狀況,即持久設(shè)計狀況與短暫設(shè)計狀況(非抗震設(shè)計狀況、抗震設(shè)計狀況)[1]。在不同規(guī)范之間,關(guān)于荷載分項系數(shù)取值和荷載效應(yīng)組合的規(guī)定不完全相同[2-5]。本研究針對不同規(guī)范之間關(guān)于荷載效應(yīng)組合的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行對比,得出采用不同規(guī)范進(jìn)行荷載組合的誤差大小。

1 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對荷載效應(yīng)組合(持久設(shè)計狀況和短暫設(shè)計狀況)的相關(guān)規(guī)定

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012相關(guān)規(guī)定,對一般的民用建筑進(jìn)行持久設(shè)計狀況和短暫設(shè)計狀況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需采取荷載的基本效應(yīng)組合。其中3.2.3條規(guī)定,荷載的基本效應(yīng)組合應(yīng)取由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值和由永久荷載控制效應(yīng)設(shè)計值的較大值。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值計算公式為:

(1)

對于一般的多層民用建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年,只考慮一種永久荷載(恒載)。

當(dāng)樓面活荷載起控制作用時,則公式(1)為:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×SQ樓面k+1.4×1.0×0.6×SQ風(fēng)k=1.2SGk+1.4SQ樓面k+1.4×0.6SQ風(fēng)k

(2)

當(dāng)風(fēng)荷載起控制作用時,則公式(1)為:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×SQ風(fēng)k+1.4×1.0×0.7×SQ樓面k

(3)

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,由永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值計算公式為:

(4)

對于一般的多層民用建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年,只考慮一種永久荷載(恒載)。

當(dāng)樓面活荷載起控制作用時,則公式(4)為:

Sd=1.35×SGk+1.4×1.0×0.7×SQ樓面k+1.4×1.0×0.6×SQ風(fēng)k

(5)

2 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對荷載效應(yīng)組合(持久設(shè)計狀況和短暫設(shè)計狀況)的相關(guān)規(guī)定

結(jié)合JGJ3-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的有關(guān)分項系數(shù)、組合系數(shù)規(guī)定,在持久設(shè)計狀況和短暫設(shè)計狀況下,荷載基本效應(yīng)組合的設(shè)計值計算公式為:

Sd=γGSGk+γQγLψcSQk+γwψcSQk

(6)

對于一般的多層民用建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年。

由永久荷載效應(yīng)起控制作用時,則公式(6)為:

Sd=1.35×SGk+1.4×1.0×0.7×SQ樓面k

(7)

由樓面活荷載效應(yīng)起控制作用時,則公式(6)為:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×1.0×SQ活k+1.4×1.0×0.6×SQ風(fēng)k

(8)

由風(fēng)荷載效應(yīng)起控制作用時,則公式(6)為:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×0.7×SQ活k+1.4×1.0×1.0×SQ風(fēng)k

(9)

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),顯然是永久荷載效應(yīng)起控制作用,即采用公式(7)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計。

3 《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定

其中第8.2.4條規(guī)定,荷載基本效應(yīng)組合的設(shè)計值計算公式為:

(10)

對于一般的多層民用建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年,當(dāng)結(jié)構(gòu)未施加預(yù)應(yīng)力時,只考慮一種永久荷載(恒載)。對于樓面(或屋面)活荷載及風(fēng)荷載,根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中第8.2.9、8.2.10條規(guī)定,式(10)即為:

Sd=1.3×SGk+1.5×1.0×SQ活k+1.5×1.0×0.6×SQ風(fēng)k

(11)

4 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定

其中第5.4.1條規(guī)定,結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗地震作用效應(yīng)和其他作用效應(yīng)的基本組合值的計算公式為:

Sd=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

(12)

對于小于60 m的一般多層民用建筑,只考慮一種永久荷載(恒載)。樓面(或屋面)活荷載,風(fēng)荷載組合值系數(shù)為0 ,僅計算水平地震作用時,式(12)即為:

Sd=1.2×SGE+1.3×SEhk

(13)

5 《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定

其中第4.3.2條規(guī)定,結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震驗算的組合內(nèi)力設(shè)計值應(yīng)采用地震作用效應(yīng)和其他作用效應(yīng)的基本組合值,荷載基本效應(yīng)組合的設(shè)計值計算公式為:

Sd=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+∑γDiSDik

+∑ψiγiSik

(14)

對于小于60 m的一般多層民用建筑,只考慮一種永久荷載(恒載)。樓面(或屋面)活荷載,風(fēng)荷載組合值系數(shù)為0,僅計算水平地震作用時,式(14)即為:

Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk

(15)

綜上所述,對于小于60 m的一般多層民用建筑,考慮《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,持久設(shè)計狀況和短暫設(shè)計狀況(非抗震設(shè)計狀況)中,荷載基本效應(yīng)組合的設(shè)計值應(yīng)采取公式(11)進(jìn)行計算,即:

Sd=1.3×SGk+1.5×SQ樓面k+1.5×0.6×SQ風(fēng)k

(16)

如側(cè)重考慮《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(由永久荷載效應(yīng)起控制作用時),則式(16)變?yōu)?/p>

Sd=1.3×SGk+1.5×SQ樓面k

(17)

考慮《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》,抗震設(shè)計狀況下,荷載基本效應(yīng)組合的設(shè)計值應(yīng)采取公式(15)進(jìn)行計算,即:

Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk

(18)

就公式(11)和公式(17)的誤差進(jìn)行比較分析。對于框架梁跨中截面,有可能是非抗震組合起控制作用,對某五層框架結(jié)構(gòu)一榀框架中各層框架梁跨中截面控制彎矩分別采用兩個公式進(jìn)行比較分析。

算例:某框架平面如圖1所示,框架柱截面尺寸600×600 mm2,框架梁截面如圖所示。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.35 kN/m2,假定層高取3.6 m,樓面活荷載取2.0 kN/m2(走廊處取2.5 kN/m2),樓面面層取2.0 kN/m2,屋面面層取4.0 kN/m2,屋面活荷載取0.5 kN/m2,所有外墻線荷載取12 kN/m,內(nèi)墻只在軸線上布置(B～C周無線荷載),取7.5 kN/m,女兒墻線荷載取6 kN/m?，F(xiàn)選取2軸作為計算單元進(jìn)行內(nèi)力計算。分別得到永久荷載作用下一榀框架的彎矩(圖2)、活荷載作用下一榀框架的彎矩(圖3)、風(fēng)荷載作用下一榀框架的彎矩(圖4)。圖中zs表示柱上端彎矩,zx表示柱下端彎矩。

圖1 框架平面Fig.1 Frame plane

圖2 永久荷載作用下一榀框架的彎矩Fig.2 Bending moment of the frame under permanent load

圖3 活荷載作用下一榀框架的彎矩Fig.3 Bending moment of the frame under live loading

圖4 風(fēng)荷載(2軸方向)作用下一榀框架的彎矩Fig.4 Bending moment of the frame under wind loading(2 axis direction)

對AB跨進(jìn)行比較分析,采用公式(11)計算如下:

1層跨中彎矩近似為M=1.3×53.6+1.5×13.1

+1.5×0.6×4.3=93.2 kN·m

2層跨中彎矩近似為M=1.3×51.5+1.5×12.6

+1.5×0.6×2.8=88.37 kN·m

3層跨中彎矩近似為M=1.3×52.3+1.5×12.7

+1.5×0.6×2.2=89.02 kN·m

4層跨中彎矩近似為M=1.3×50.4+1.5×12.9

+1.5×0.6×1.3=86.04 kN·m

5層跨中彎矩近似為M=1.3×62.4+1.5×3.8

+1.5×0.6×0.7=87.45 kN·m

采用公式(17)計算如下:

1層跨中彎矩近似為M=1.3×53.6+1.5×13.1

=89.33 kN·m

2層跨中彎矩近似為M=1.3×51.5+1.5×12.6

=85.85 kN·m

3層跨中彎矩近似為M=1.3×52.3+1.5×12.7

=87.04 kN·m

4層跨中彎矩近似為M=1.3×50.4+1.5×12.9

=84.87 kN·m

5層跨中彎矩近似為M=1.3×62.4+1.5×3.8

=86.82 kN·m

采用公式(11)和公式(17)得到的每層誤差如下:

6 結(jié)論

最大誤差發(fā)生在第1層,為4.15%,而工程小于5%為可接受范圍,故在60 m以下的多層混凝土框架結(jié)構(gòu)持久設(shè)計狀況和短暫設(shè)計狀況(非抗震設(shè)計狀況)下,荷載基本效應(yīng)組合設(shè)計值可采用公式Sd=1.3×SGk+1.5×SQ樓面k進(jìn)行計算。在抗震設(shè)計狀況下,荷載基本效應(yīng)組合設(shè)計值應(yīng)采取公式Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk進(jìn)行計算。