第一節荷載的分類及其特性
建築結構上存在著各種作用。結構上作用的外力稱荷載。在進行結構計算之前,需先確定之。這是結構設計中極為重要的工作。估計過大,結構過於笨重,造成浪費;估計過低,則偏於不安全。因此,需經過周密的調查研究和準確的數理統計確定,並參照《建築結構荷載規範》(GBJ9-87)以下簡稱《荷載規範》的具體規定來執行。
一、結構上的作用
建築結構上的作用可分為直接作用和間接作用兩種。
1.直接作用
直接作用是指直接施加在結構上的各種外力。如集中力、分布力等。直接作用通稱荷載。作用在建築結構上的荷載,按作用時間的久暫可分為三類:
(1)永久作用,亦稱恒載。是指在結構使用期間,其值不隨時間變化,或其變化與平均值相比可以忽略不計的荷載,如建築物上的建築構造層、結構自重、土壓力和靜水壓力等。
(2)可變作用,亦稱活載。是指在結構使用期間,其值隨時間變化,且與平均值相比不可忽略,如屋麵活載、樓麵使用活載,風載、雪載、屋麵積灰荷載和吊車荷載等。
(3)偶然作用,亦稱特殊荷載。是指在結構使用期間,不一定出現,一旦出現,其值很大,並且持續時間極短暫的荷載,如撞擊力、爆炸力和龍卷風等。
2.間接作用
間接作用是指引起結構外加變形或約束變形的原因。如地基沉陷、溫度變化、混凝土變與收縮、地震和焊接等。
直接作用一般與結構自身的性質無關;而間接作用卻與結構本身性質相關,具有非外力性質。設計中,一般將其化為等效荷載。
二、荷載的特性
(一)荷載的一般性作為一種外力形式,荷載具有一般力的特性,具體如下:
(1)方向性。具有豎向作用,水平作用,旋轉作用,以及單向反複作用。
(2)作用位置。具有集中、分布、連續、間斷等空間變異性。
(3)量值。任何荷載均具有一定的量值。
(二)荷載的變異性
荷載是一種隨時間和空間而變化的隨機變量,具有不確定性。活載的變異性是顯而易見的,如風有強弱,積雪有厚薄,樓麵上的人群有集散等。恒載的變異幅度較小,如焦碴墊層,厚度有偏差,密度有變化。
(三)荷載的動力放應
建築結構荷載效應受其材料及轉構性能影響極大。
1.結構的動力特性
對於彈性結構材料受荷後產生彈性變形,卸荷後則恢複原狀,#有振蕩趨勢。一次全振蕩的時間稱為周期。一個結構往往有多個周期,其中最長的一個稱為基本周期,記為依基本周期的長短可將建築物分為三類:
(1)剛性結構。矮粗而剛勁的建築物。
(2)半剛性結構。一般高度的建築物。
(3)柔性結構。高聳而柔韌的建築物。
2.動力荷載
結構的動力荷載取決於最大強度和作用時間。常見的動力荷載可有:
(1)衝擊荷載。作用時間極短,便迅速達到最大強度的荷載,其值遠遠超過靜力荷載值。如動力打樁和靜載壓樁的對比。
(2)振動荷載。隨時間周期性增加或減少的荷載稱為振動荷載,如風振,結構共振等。此時,結構變形值將遠遠超過靜載時變形值,甚至造成結構破壞。
可見,荷載種類繁多,性質複雜,存在空間和時間的變異性。一般需進行化簡。化簡的原則是作用等效。總之,隻有對荷載進行本質的分析,才能得出正確的結果。
第二節荷載的代表值
荷載代表值是指在結構設計中依不同的工作狀態取用的荷載規定量值。因為任何一類荷載都具有不同性質的變異性,如出現的時間、持續長短、峰值的大小等,實為不確定的變量。而設計時,要求每類荷載應有一個確定的代表值,以供設計時使用。代表值可有:荷載標準值、可變荷載準永久值和可變荷載組合值三種。
一、荷載標準值
荷載標準值是指正常使用期間可能出現的最大荷載,它是結構設計時采用的基本代表值。荷載的其它代表值是以其為基礎乘以適當的係數後得到的。其值主要依經驗和概率方法確定。
1.永久荷載標準值
對於變異性不大的結構或非承重構件的自重認為是永久荷載。一般可按設計規定的建築構造尺寸和結構材料單位體積的自重計算確定。對常用材料和構件可參考《荷載規範》。
對於某些變異性較大的材料或結構構件,其單位自重應根據對結構的不利狀態,取上限值或下限值。如現場製作的保溫材料、混凝土薄壁構件等。
2.可變荷載標準值
可變荷載標準值是結構在正常使用期間可能出現的比統計平均值要大的某一荷載值。根據統計分析或長期使用經驗,荷載規範對樓麵使用荷載、風荷載、雪荷載等給出了具體取值,設計時可直接查用。
二、可變荷載準永久值
可變荷載準永久值是指可變荷載在結構使用期內經常達到或超過的荷載值,它對結構的影響在性質上僅次於永久荷載,並有類似於永久荷載的長期作用性。在正常使用極限狀態的計算中要考慮長期荷載效應的影響。顯然,永久荷載是長期作用的,而可變荷載卻時有時無,時大時小,但若達到或輯過某一值的可變荷載出現次數較多、持續時間較長,其累計的總持續時間八與整個設計基準期的比值已達到一定值(一般情況下,這一比值可取為0.5),則該值便稱為可變荷載準永久值。
可變荷載準永久值可記為某種可變荷載的標準值,6為折減係數,稱為荷載準永久值係數。可見,荷載的準永久值實際上是考慮荷載長期作用效應而對可變荷載標準值的一種折減。各種可變荷載的準永久值係數可從荷載規範中查到。其他根據工程經驗判斷確定。
三、可變荷載組合值
當結構承受兩種或兩種以上可變荷載時,承載能力極限狀態設計或正常使用極限狀態按短期效應組合設計,應采用組合值作為可變荷載的代表值。
結構往往會受到多種可變荷載的同時作用。而多種可變荷載同時達到預計最大值的概率顯然比一種可變荷載達到預計最大值的概率要低一些。設計中,采用引人組合係數對可變荷載標準值折減的辦法予以考慮。
一般情況下,當有風荷載參加組合時取0.6,當沒有風荷載參加組合時取對於一般排架、框架結構,當有兩個或兩個以上的可變荷載參與組合,且其中包括風荷載時,荷載組合值係數取0.85。在其它情況下荷載組合值係數均取1.0。
四、荷載代表值的具體規定
《荷載規範》對各種荷載標準值已作出具體規定,現結合具體情況簡述如下。