結(jié)構(gòu)計算中荷載代表值的應(yīng)用之建議

韓清杰

0 引言

在結(jié)構(gòu)設(shè)計及歷年的全國注冊結(jié)構(gòu)師考試中經(jīng)常會涉及到重力荷載代表值的內(nèi)容。由于工程師對有關(guān)規(guī)范、規(guī)程條文的不理解，經(jīng)常會錯誤計算。

下面結(jié)合工程算例，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有關(guān)規(guī)范、規(guī)程中涉及重力荷載代表值的計算方法進行簡述，提出計算中的注意事項，并對規(guī)范中不明確或不一致的內(nèi)容提出建議。

1 框架柱或框支柱軸壓比計算

軸壓比N/fcA指構(gòu)件組合的軸壓力設(shè)計值N與構(gòu)件全截面面積 A和混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值 fc乘積之比。對 N抗震設(shè)計時，應(yīng)取柱考慮地震作用組合的軸壓力設(shè)計值;對不進行地震作用計算的結(jié)構(gòu)，取無地震作用組合的軸力設(shè)計值。柱的軸壓比限值按照GB 50010-2002混凝土規(guī)范第11.4.16條、GB 50011-2001抗震規(guī)范第6.3.7條或JGJ 3-2002高規(guī)第6.4.2條取用，注意事項及建議如下:

1)型鋼混凝土柱的軸壓比限值應(yīng)按《高規(guī)》第 11.3.3條取用，其軸壓比應(yīng)按《高規(guī)》式(11.3.4)進行計算。

2)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在 3層及其以上的帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)的連接體及與其相鄰的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級宜按提高一級的軸壓比限值取用，已為特一級時可不再提高，見《高規(guī)》第 10.2.5條及第 10.5.5條。

3)異形柱的軸壓比限值應(yīng)按JGJ 149-2006異形柱規(guī)第6.2.2條取用。

4)無地震作用組合的軸壓比計算見《抗震規(guī)范》第 6.3.7條注1，但規(guī)范沒有給出相應(yīng)軸壓比限值，建議取1.05(按胡慶昌大師《建筑抗震設(shè)計規(guī)范勘誤表》，建議取 1.0)。

1.1 考慮地震作用組合的軸壓力設(shè)計值計算

考慮地震作用組合的軸壓力設(shè)計值N，應(yīng)按結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合進行計算，見《抗震規(guī)范》式(5.4.1)或《高規(guī)》式(5.6.3)，注意事項及建議如下:

1)重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)和構(gòu)件自重標準值和各可變荷載組合值(等于可變荷載標準值乘以可變荷載組合值系數(shù))之和，此時可變荷載組合值系數(shù)ψEC應(yīng)按《抗震規(guī)范》第 5.1.3條取用，不能按照GB 50009-2001荷載規(guī)范第4.1.1和4.2.3條取用組合值系數(shù) ψC。

2)重力荷載分項系數(shù)γG，只考慮重力荷載效應(yīng)對構(gòu)件承載力的不利或有利兩種情況，取1.2或不大于 1.0。

3)《抗震規(guī)范》式(5.4.1)說明中，有吊車時，重力荷載代表值的效應(yīng) SGE尚應(yīng)包括懸吊物重力標準值的效應(yīng)。此時懸吊物重力應(yīng)按可變荷載計入重力荷載代表值，其組合值系數(shù)應(yīng)按《抗震規(guī)范》表5.1.3取用，即硬鉤吊車取0.3，軟鉤吊車取0.0。對表5.1.3注“吊重較大時，組合值系數(shù)應(yīng)按實際情況采用”，規(guī)范未明確何為“吊重較大時”，一般情況下，起重量大于 30 t的機械廠房或起重量大于 50 t的冶金廠房為吊重較大，其硬鉤吊車的組合值系數(shù)建議根據(jù)吊車的起重量及實際運行情況取 0.3～0.5。

4)水平、豎向地震作用標準值的效應(yīng)SEhk，SEvk，在《抗震規(guī)范》及《高規(guī)》中提出“尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù)”。在構(gòu)件截面抗震驗算時，應(yīng)乘以考慮地震作用組合的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù);但柱軸壓比計算為抗震構(gòu)造措施，可不考慮增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù)，見《混凝土規(guī)范》第 11.4.6條。

5)風(fēng)荷載組合值系數(shù) ψw，一般結(jié)構(gòu)取 0.0，風(fēng)荷載起控制作用的高層建筑應(yīng)采用0.2，見《抗震規(guī)范》第5.4.1條;60m以上的高層建筑時ψw應(yīng)取用0.2，見《高規(guī)》第5.6.3條及表5.6.4。

根據(jù)《高規(guī)》第 3.2.2條及其條文說明，60m以上的高層建筑，其基本風(fēng)壓w0應(yīng)按 100年重現(xiàn)期采用。

6)《抗震規(guī)范》第 5.1.3條中未明確工業(yè)建筑重力荷載代表值計算時樓面活荷載組合值系數(shù)的取值。建議原則上按實際情況考慮，即組合值系數(shù)取1.0;當采用等效均布活荷載替代時，可根據(jù)實際情況取大于一般民用建筑的組合值系數(shù)，建議按照《荷載規(guī)范》第4.2.3條規(guī)定的樓面活荷載組合值系數(shù)減去0.2，即: ψEC=ψC-0.2。

7)在現(xiàn)有計算程序電算中，取用《抗震規(guī)范》表 5.1.3組合值系數(shù)時，無法區(qū)分樓面活荷載的性質(zhì)，也無法判定計算頂層與實際設(shè)計屋面的關(guān)系。在電算中建議，各類樓面活荷載組合值系數(shù)一般情況下取用 0.5，對藏書庫、檔案庫可將樓面活荷載乘以0.8/ 0.5=1.6的折算系數(shù)后進行整體簡化計算，并將結(jié)構(gòu)計算頂層作為屋面考慮。

1.2 無地震作用組合下柱的軸壓力設(shè)計值計算

對不進行地震作用計算的結(jié)構(gòu)，如《抗震規(guī)范》第 3.1.4條及5.1.6條或《混凝土規(guī)范》第 11.1.2條規(guī)定的抗震設(shè)防烈度為 6度的建筑，《抗震規(guī)范》第 3.1.4條規(guī)定的 7度，Ⅰ，Ⅱ類單層工業(yè)廠房等，柱軸壓力設(shè)計值 N應(yīng)按無地震作用的荷載效應(yīng)組合設(shè)計值計算，按照《荷載規(guī)范》第 3.2.3條或《高規(guī)》第5.6.1條有關(guān)公式進行計算，注意事項及建議如下:

1)柱軸壓力設(shè)計值N，應(yīng)取由永久荷載效應(yīng)控制的組合與由可變荷載效應(yīng)控制的組合中的最不利值。用《荷載規(guī)范》式(3.2.3-1)，式(3.2.3-2)與《高規(guī)》式(5.6.1)進行計算時沒有本質(zhì)區(qū)別，只是《高規(guī)》式(5.6.1)對各種荷載效應(yīng)控制作用時的活荷載組合值系數(shù)ψQ及風(fēng)荷載組合值系數(shù)ψw給出具體取值，如 ψQ取 0.7 (或0.9)時與《荷載規(guī)范》表 4.1.1中的 ψc取值相同，ψw取0.6時與《荷載規(guī)范》第 7.1.4條的規(guī)定相同。

2)工業(yè)建筑的樓面活荷載及其組合值系數(shù)取值，可按《荷載規(guī)范》第4.2.1條～第 4.2.3條考慮，樓面局部荷載的等效均布活荷載計算按《荷載規(guī)范》附錄 B確定。對標準值大于 4 kN/m2的工業(yè)房屋樓面活荷載，其可變荷載分項系數(shù)取 1.3，見《荷載規(guī)范》第3.2.5條。

2 剪力墻墻肢的軸壓比計算

抗震設(shè)計時，一、二級抗震等級的剪力墻底部加強部位，應(yīng)驗算其重力荷載代表值作用下墻肢的軸壓比限值是否滿足《混凝土規(guī)范》第 11.7.13條、《抗震規(guī)范》第6.4.5條或《高規(guī)》第 7.2.14條的規(guī)定。

剪力墻墻肢的軸壓力設(shè)計值應(yīng)按重力荷載代表值作用下進行計算，按《抗震規(guī)范》式(5.4.1)或《高規(guī)》式(5.6.3)中的S= γGSGE進行計算。

注意事項及建議如下:

1)有關(guān)γG，SGE的取值或計算注意事項見 1.1節(jié)所述。

2)當剪力墻墻肢底截面軸壓比小于《混凝土規(guī)范》表 11.7.14或《抗震規(guī)范》表 6.4.6的規(guī)定值時，一、二級抗震墻底部加強部位及相鄰的上一層可按《混凝土規(guī)范》第 11.7.16條或《抗震規(guī)范》第6.4.8條的規(guī)定設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件;但《高規(guī)》第 7.2.15條規(guī)定，一、二級抗震設(shè)計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應(yīng)按《高規(guī)》第 7.2.17條的要求設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。建議在《高規(guī)》修訂時適當放松，與《混凝土規(guī)范》《抗震規(guī)范》的要求一致。

3)規(guī)范未規(guī)定三級抗震等級的剪力墻墻肢軸壓比限值，建議補充三級抗震等級的剪力墻墻肢的軸壓比限值的規(guī)定，取值可參見《北京市建筑設(shè)計細則(結(jié)構(gòu)專業(yè))》表 5.5.2-3，三級抗震等級取0.7。對于獨立墻肢，當hw/bw≤5時，其軸壓比限值，一、二級時不宜大于《高規(guī)》表7.2.14的限值減0.1，三級時不宜大于0.6。

3 水平地震作用標準值計算

水平地震作用采用底部剪力法計算時，各樓層可僅取一個自由度，結(jié)構(gòu)總水平地震作用標準值FEk，應(yīng)按《抗震規(guī)范》式5.2.1-1或《高規(guī)》式B.0.1-1的FEk=α1Geq進行計算，其中結(jié)構(gòu)等效總重力荷載 Geq，單質(zhì)點應(yīng)取總重力荷載代表值，多質(zhì)點可取重力荷載代表值的 85%。重力荷載代表值應(yīng)按《抗震規(guī)范》第 5.1.3條規(guī)定進行計算。

4 豎向地震作用計算

抗震設(shè)防烈度為 9度時的高層建筑、8度和 9度時的長懸臂和大跨度結(jié)構(gòu)、8度時的帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑的轉(zhuǎn)換構(gòu)件及連體結(jié)構(gòu)的連接體等，均應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。

這些情況都涉及到有關(guān)重力荷載代表值的計算。結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合設(shè)計值的計算見《抗震規(guī)范》式(5.4.1)或《高規(guī)》式(5.6.3)。在構(gòu)件截面抗震驗算時，內(nèi)力組合設(shè)計值應(yīng)取重力荷載及豎向地震作用組合與重力荷載、水平地震及豎向地震作用(60m以上的高層建筑應(yīng)考慮風(fēng)荷載作用)組合的最不利值，并注意水平、豎向地震作用標準值的效應(yīng)SEhk，SEvk尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù)。

有關(guān)重力荷載代表值應(yīng)按《抗震規(guī)范》第 5.1.3條計算，其中豎向地震作用標準值的計算如下。

4.1 抗震設(shè)防烈度為 9度時的高層建筑豎向地震作用標準值計算

抗震設(shè)防烈度為 9度時的高層建筑，結(jié)構(gòu)總豎向地震作用標準值FEvk，應(yīng)按《抗震規(guī)范》式(5.3.1-1)或《高規(guī)》式(3.3.14-1)的FEvk=αvmaxGeq計算，其中豎向地震影響系數(shù)的最大值αvmax可取水平地震影響系數(shù)的最大值 αmax的 65%，結(jié)構(gòu)等效總重力荷載Geq應(yīng)可取其重力荷載代表值GE的 75%。

4.2 長懸臂和大跨度結(jié)構(gòu)豎向地震作用標準值計算

平板型網(wǎng)架屋蓋和跨度大于 24m屋架的豎向地震作用標準值，宜取其重力荷載代表值和豎向地震作用系數(shù)的乘積;豎向地震作用系數(shù)可按《抗震規(guī)范》表 5.3.2取用。

抗震設(shè)防烈度為 8度、9度時的長懸臂和其他大跨度結(jié)構(gòu)，豎向地震作用標準值應(yīng)按《抗震規(guī)范》第 5.3.3條計算，8度、8度(0.3g)和 9度可分別取該結(jié)構(gòu)、構(gòu)件重力荷載代表值的 10%，15%和20%。

關(guān)于長懸臂和大跨度結(jié)構(gòu)的定義參見《抗規(guī)》第 5.1.1條的條文說明。規(guī)范對長懸臂的規(guī)定似較嚴，建議適當放寬，可否改為“9度和 9度以上時，1.5m以上的挑板或 2.0m以上的挑梁為長懸臂;8度時，2.0m以上的挑板或 2.5m以上的挑梁為長懸臂”。

4.3 帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)豎向地震作用計算

8度抗震設(shè)計時，帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑的轉(zhuǎn)換構(gòu)件的豎向地震作用，可采用反應(yīng)譜法或動力時程分析法計算;近似考慮時，也可將轉(zhuǎn)換構(gòu)件在重力荷載標準值作用下的內(nèi)力乘以增大系數(shù) 1.1 (為了統(tǒng)一表達式，建議將條文說明中的“標準值”換算為“代表值”)，見《高規(guī)》第 10.2.6條及其條文說明。

4.4 連體結(jié)構(gòu)的豎向地震作用標準值計算

近似計算時，8度抗震設(shè)計的連體結(jié)構(gòu)的連接體的豎向地震作用標準值可取連接體部分重力荷載代表值的 10%，并按各構(gòu)件所分擔(dān)的重力荷載代表值的比例進行分配，見《高規(guī)》第 10.5.2條及其條文說明。

[1] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范應(yīng)用圖解手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 龔思禮.建筑抗震設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3] 毛俊玲.淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震措施[J].山西建筑，2010，36(32):79-80.