建筑结构设计中的荷载分析

建筑结构在使用期间和在施工过程中要承受各种作用。施加在结构上的集中力或分布力(如人群、设备、风、雪、构件自重等)称为直接作用,也称荷载;引起结构外加变形或约束变形的原因(如温度变化、地基不均匀沉降、地面运动等)称为间接作用。

作用在建筑物上的实际荷载到底有多大,很难精确计算。事实上,即使有最完整的资料,还是很难确切估计荷载的大小。但是为了能开始着手设计,通常作出一些不致造成严重误差的合理假设。在各种外力和荷载作用下,结构必须以合适的性能和所要求的稳定性作出反应。

结构计算时,需根据不同的设计要求采用不同的荷裁数值,这称为荷载代表值;荷载的代表值有荷载的标准值、准永久值和组合值之分。 　　

一、荷载 　

(一)荷载作用

荷载与作用是土木工程中常常涉及的名词术语,在我国的国家标准《工程结构设计基本术语和通用符号》中对“作用”是这样定义的:施加在结构上的一组集中力或分布力,或引起结构外加变形或约束变形的原因,统称为结构上的作用。

施加在结构上的集中力或分布力称为直接作用。例如,各种土木工程结构的自重、土压力、水压力、风压力、积雪重,房屋建筑中的楼面上人群和家具等的重量,路面和桥梁上的车辆重量等,桥梁、水工结构、港口及海洋工程结构中的流水压力、波浪荷载、水中漂浮物对结构的撞击力等,都是以外加力的形式直接施加在结构上,它们与结构本身性能无关,称为直接作用。引起结构外加变形或约束变形的原因称为间接作用。例如地基变形、混凝土收缩徐变、温度变化、焊接变形、地震作用等,它们不是以外加力的形式直接施加在结构上,故称为间接作用。

结构上的作用虽然分为直接作用和间接作用,但它们产生的结果是一样的:使结构或构件产生效应(结构或构件产生的内力、应力、位移、应变、裂缝等)。因此,也可以这样定义“作用”:使结构或构件产生效应的各种原因,称为结构上的作用。

“荷载”和“作用”对实际工程设计来说,主要是一个概念问题,一般并不影响作用效应的计算和结构本身。在国际上,目前也有不少国家对“荷载”和“作用”未加严格区分。在我国,一般情况下,“荷载”专指直接作用,“作用”有时指直接作用和间接作用,有时专指“荷载”或专指间接作用:在工程中,为了使用和交流的方便,常常将直接作用和间接作用均称为“荷载”。

(二)建筑结构荷载

建筑结构在使用和施工过程中所受到的各种直接作用称为荷载。另外,还有一些能使结构产生内力和变形的间接作用,如地基变形、混凝土收缩、焊接变形、温度变化或地震等引起的作用。

结构设计人员在进行建筑结构的设计时,首先应进行荷载的计算,取其代表值,荷载确定后,才能根据其大小和作用形式计算结构的内力,然后再进行构件计算。也就是说建筑物某一部分的构件,是承重还是非承重,承受多大的荷载,都有其最大值或极限值,超过这个极限值,结构就会变形,就会遭到破坏,轻者降低建筑物的经济寿命,严重者会酿成事故,威胁到生命安全。这就是物业装修管理人员之所以必须了解、掌握建筑结构形式及其荷载作用、影响的目的。 　

二、建筑荷载确定与计算 　　

(一)永久荷载(恒荷载)

在房屋结构中,永久荷载主要是结构的自重。在设计房屋结构的地下部分时,有时要计算土的自重,它也是永久荷载。

结构自重主要是指楼面板、梁、柱、墙体、基础等构件的自重。结构的自重,可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定c根据计算荷载效应的需要,结构自重可以表示为面荷载、线荷载或集中力等。

当用于计算楼板的荷载效应时,楼面板的自重、板的面层材料自重,一般可以用板的厚度、板的面层材料厚度分别乘以各自材料单位体积的自重得到,单位为kN/m2;当用于计算楼板的荷载对梁或墙体产生的效应时,一般以计算出的板单位面积自重与板短边长度一半的乘积得到,以分布线荷载的形式(均布荷载、梯形荷载或三角形荷载)作用在梁或墙上,单位为kN/m。

当用于计算梁的荷载效应时,一般需将梁的白重表示为线荷载,即材料单位体积的自重与梁截面面积的乘积,单位为kN/m。

对于承重墙体(例如混合结构的承重墙体),当用于计算其荷载效应时,一般可取其单位长度计算自重,以墙体单位长度、厚度、高度与墙体材料单位体积自重相乘得到;对于非承重墙体,例如作用在框架梁上的隔墙,由于不需要计算其自身的荷载效应,只需要将其计算为作用在梁上的线荷载,即墙体材料单位体积自重与墙厚、墙高相乘得到,单位为kN/m。柱自重一般以材料单位体积自重与柱体积相乘得到,单位为kN。

(二)荷载效应特性

荷载效应是指结构构件在荷裁作用下产生的内力(弯矩、轴力、剪力)和位移等。对弹性材料的结构构件,荷裁效应与荷裁成线性关系,即:

S=CQ

式中:S――荷裁效应;

Q――荷裁;

C――荷裁效应系数。

例如,均布荷载q作用下的简支梁(如图1所示),截面弯矩方程为M=q(lx-x2)。从该式可见载荷效应(M)与荷裁(q)成线性关系。这里的M相当于Q,q(lx-x2)相当于C。其他受力情况亦是如此。对混凝土结构构件,可近似认为也成线性关系。

由于荷载效应与荷载成线性关系,因此荷载特性就是荷载效应的特性,因此可以用荷栽特性来说明荷载效应特性。

作用在结构构件上的荷载,可分永久荷载(即恒载)和可变荷载(活荷载)两种。它们的基本特性是随机性。例如,恒载由材料自重与构件体积相乘而得,而材料自重随混凝土原材料和密实性而变化,因此材料自重具有随机性;构件体积由于尺寸误差亦会引起变化,因此构件体积亦具有随机性。由两个随机因素决定的恒载,当然亦具有随机性。

楼面活荷载、风荷载和雪荷载等可变荷载具有更明显的随机性。由于荷载是随机变量或随机过程,因此要用概率分布描述。近年来我国对恒载、办公楼、住宅、风荷载和雪荷载进行的调查和统计分析表明,恒载的概率密度分布接近正态分布,办公楼、住宅、风荷载和雪荷载的撅串密度分布接近极值I型分布　　

三、结语 　　

一般都是按照建筑规范的要求来设计房屋的,规范规定了最低要求,作为设计的大致指南,规范规定了需要考虑的最小荷载和不允许超过的最大应力,这些规定的荷载最多是一些经验近似值,而且没有绝对正确的计算应力的规则、公式和方法,规范中只是指出必须采用“公认”的计算方法,而计算方法可以因时而异、因地而异、因人而异,因此当使用建筑规范的结构条文时,必须记住“小心”两字。只有对结构整个体系的承载能力和性能,以及结构分体系与结构构件相互作用的关系了解很透彻,才能设计出既安全又经济的结构,才能满足现代建筑的各种功能和环境条件要求。

参考文献

[1]张同明.建筑结构荷载与结构反应[J].山西建筑,2001,(6).

[2]李仁美.高层建筑桩基持力层载荷试验分析应用研究[J].四川建材,2008,(3).

[3]钟震西.建筑物风荷载的数值模拟[J].国外建材科技,2007,(4).

[4]梁丹青.高层建筑之吾见[J].规划师,1997,(4).