第五章荷载

第5章建筑结构的荷载荷载、分类、荷载效应组合主要内容5.1自重荷载5.2楼屋面活荷载5.3雪荷载和风荷载5.4地震作用5.5荷载5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.1荷载5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.1土压力造成土体平移地震作用造成结构破坏楼倒倒荷载5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.1雪荷载压垮空间网架结构某加油站荷载5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.1分类5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.2按荷载随时间的变异分类(1)恒载（永久荷载）量值不随时间变化或其变化可忽略举例：结构自重、预加应力、土压力(2)活载（可变荷载）量值随时间变化举例：楼面使用荷载、屋面使用荷载和积灰荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载(3)偶然荷载设计使用年限内不一定出现，一旦出现量值很大而且持续时间很短举例：爆炸力、撞击力、地震作用分类5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.2按结构的动力效应分类(1)静载（静态作用）使结构构件没有动力效应或其动力效应可忽略举例：恒载、活载（慢慢逐渐施加的）、一般建筑物风载（周期短且相差大）(2)动载（动态作用）使结构构件产生的动力效应不可忽略举例：地震作用、吊车荷载（动力系数）、高层建筑风载（周期长且近共振）分类5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.2按荷载实际分布情况分类(1)分布荷载名词：面荷载、线荷载、均布荷载、三角形分布(2)集中荷载分布面积不大，可近似认为集中于一点等效均布荷载（内力效应与实际荷载保持一致的均布荷载）分类5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.2按荷载作用方向分类(1)竖向荷载重力作用引起(2)侧向荷载由风、侧向地震力、土压力、水压力引起(3)冲击荷载往往是侧向荷载举例：运行中电梯类似气泵对电梯井壁产生侧向泵压作用高层建筑楼梯间的墙体抵抗火灾发生时受到的侧压力荷载代表值5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.3标准值永久荷载：结构自重可按结构构件设计尺寸与材料单位体积的自重计算可变荷载：后面章节详细阐述组合值标准值乘以荷载组合系数频遇值标准值乘以荷载频遇值系数准永久值标准值乘以准永久值系数荷载效应5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.4内力效应荷载使结构或构件产生的弯矩、剪力、轴力变形效应荷载使结构或构件产生的位移、挠度建筑结构设计的一个重要内涵就是按照各种结构构件承受荷载后所产生的荷载效应，根据采用材料的性能来选择它们自身的形状和尺寸详见“建筑结构的力学”荷载传递路径5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.5楼面荷载屋面荷载楼板屋面板梁系统屋盖系统柱墙柱基础墙基础地基荷载效应组合5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.6RS0结构重要性系数结构构件的抗力设计值结构重要性系数S：荷载效应组合的设计值R：结构构件的抗力设计值0γ荷载效应组合5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.6承载能力极限状态式中：γG—永久荷载分项系数，效应对结构不利时取1.2，有利时取1.0γQi—第i个可变荷载的分项系数，取1.4SGk—按永久荷载标准值计算的荷载效应值SQik—按可变荷载标准值Qik计算的荷载交应值，其中SQ1k为诸可变荷载效应中起控制作用者Ψci—可变荷载Qi的组合值系数，按荷载规范取值n—参与组合的可变荷载数niiiiSSSS2kQcQQ1kQ1GkG荷载效应组合5.1荷载、分类、荷载效应组合5.1.6正常使用极限状态应根据不同的设计要求，采用荷载的标准组合、频遇组合或准永久组合，并应按下列设计表达式进行设计：式中：C—结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值CSniiiSSSS2kQcQ1kGk5.2自重荷载概念指结构构件和建筑构造层的重力荷载计算方法结构构件和建筑构造层的体积乘以所用材料的单位重力单位N、kN、kN/m、kN/m2线荷载、面荷载估计取值初步设计阶段，建筑物每平方米建筑面积上的平均恒载大致可取钢筋混凝土结构10～14kN/m2钢结构6～9kN/m2木结构4～7kN/m2举例200×500×6000钢筋混凝土梁；80mm钢筋混凝土板5.2自重荷载计算注意事项(1)计算容易，但烦琐且不能遗漏，是结构设计过程中的必经之路。（烦琐计算）(2)计算前假定构件截面尺寸，得到自重后进行截面设计，若结果与假定尺寸相差太大，需要重算。（重复计算）(3)荷载规范或生产厂家提供的材料容积密度或构造做法并不经常符合实际，要根据实际情况进行判断。（真实情况计算）(4)结构自重只占建筑恒载的一部分，在20%～50%间变化，减少结构自重是一条重要设计准则，它可节约材料、运输和施工费用。（经济计算）5.3楼屋面活荷载概念不属于结构本身自重的重力荷载均按活荷载考虑屋面活载：由屋面物体引起的活载，如施工荷载、积灰、积水或特殊用途等分上人屋面和不上人屋面，计算见荷载规范使用荷载：由楼面物体引起的楼面活载（根据弯矩等效，按均布荷载采用）取值民用建筑楼面：2.0kN/m2（住宅）～3.5kN/m2（如商店）工业建筑楼面：4.0kN/m2（如一般光学仪器装配厂）～10kN/m2（如棉纺织厂）5.3楼屋面活荷载计算举例弯矩等效均布荷载分散集中荷载5.3楼屋面活荷载计算注意事项(1)楼面活载虽名义上为等效均布荷载，但我国《荷载规范》考虑了实际经验总结（均布荷载）(2)设计者在确定楼面活载取值时，应考虑到该建筑物长期使用期间改变用途的可能，并取其大值（取大值）(3)取用活载计算结构构件的荷载效应时，必须考虑该活载作用的持续时间及其最不利组合（不利组合）(4)在一个大面积楼层范围内的活载不会满布，多层建筑物不是所有楼层同时满载计算时需考虑活载折减系（折减计算）5.4雪荷载和风荷载雪荷载5.4.1影响因素纬度、高程、降雪持续时间、屋面几何形状及倾斜度α等5.4雪荷载和风荷载雪荷载5.4.1计算方法《荷载规范》规定各地50年一遇各种屋面水平投影上雪载标准值Sk的计算公式：式中：Sk—雪荷载标准值，kN/m2S0—基本雪压，kN/m2，如北京0.4kN/m2，西安0.25kN/m2，广州0kN/m2μr—屋面积雪分布系数，如平屋面及α≤25o的单跨单双坡屋面为1.0，α=30o的单跨单双坡屋面为0.8，其余各种屋面可查《荷载规范》0rkSS5.4雪荷载和风荷载风荷载5.4.2影响因素及特点(1)建筑物高度：接近地面，地面粗糙度较大，风速较小远离地面，风速较大，风压也随之增大风压高度变化系数5.4雪荷载和风荷载风荷载5.4.2影响因素(2)建筑物体型、平面和立面形状以及表面情况、迎风背风风对建筑的作用风载体型系数5.4雪荷载和风荷载风荷载5.4.2影响因素及特点(3)建筑物周围环境如单体、群体以及群体中各单体的间距高低等(4)风载具有静力和动力两重性质静力性质：风载波动基本周期很长，有时可达60s以上，与一般建筑物的自振周期（1s左右）相差很大，因此动力效应并不显著，振动很小动力性质：对高度较大、刚度较小、自振周期较长的建筑物，在短周期的波动风力作用下，周期接近，会产生一些不可忽视的动力反应(5)风载作用持续时间较长（与地震作用相比），可达几小时以上，强风作用的次数也比较频繁(6)与地震作用相比，风力作用的大小估计较为可靠5.4雪荷载和风荷载风荷载5.4.2计算方法垂直作用在建筑物表面上的风压标准值wk按下式计算式中：w0—基本风压，如北京为0.45kN/m2，西安为0.35kN/m2，广州为0.50kN/m2μz—风压高度变化系数（越高越大）μs—风载体型系数βz—z高度处的风振系数（≥1），是考虑高层建筑或高耸构筑物在阵风作用下有共振影响使风载增大的系数，它对于自振周期大于0.25s的建筑物和高耸构筑物，以及对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔建筑，均应考虑。详见《荷载规范》0zszkww5.5地震作用地震作用的特点5.5.1概念地震作用：地震时，由于地震的作用产生地面运动，并通过房屋基础影响上部结构，使结构产生振动水平地震作用：造成房屋破坏的主要原因，设计中主要考虑竖向地震作用：震中附近的高烈度区或竖向振动会产生较严重后果时，同时考虑地震反应：地震作用使房屋产生的运动，包括位移、速度、加速度，需动力计算地震烈度：表示地震破坏程度的标度，与地震区域的各种条件有关，并非地震之绝对强度震源震中震源深度（小于70公里称浅源地震，70～300公里称中源地震，大于300公里称深源地震）震中距（小于100公里称地方震，100～1000公里称近震，大于1000公里称远震）5.5地震作用地震作用的特点5.5.1影响因素(1)地震波的特性：强度（由振幅大小表示）、频谱及持续时间某地震波5.5地震作用地震作用的特点5.5.1影响因素(2)场地土的性质：场地土性质影响地面运动特性，从而影响房屋破坏率(3)建筑物本身质量与动力特性：质量大、刚度大、周期短，地震作用下惯性力较大当结构自振频率与场地土、地震波的振动频率相近（或略小于），会引起共振5.5地震作用地震作用的计算方法5.5.2反应谱法（拟静力法）考虑了地面加速度作用、场地土性质、房屋的动力特性及近、远震等影响，并将惯性力化为等效静力荷载进行结构内力分析振型分解反应谱法、底部剪力法时程分析法（直接动力法）在地基上作用地震波后，通过动力计算方法直接求得上部结构反应，一般上部结构为多质点振动体系，计算可得到t时程内各质点的位移、速度和加速度反应，进而可求出随时间变化的构件内力计算过程复杂、工作量大、费用高，尚有技术困难无法预测未来地震，不能预测结构真实地震表现用来校核反应谱法5.5地震作用地震作用的计算方法5.5.2底部剪力法高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法，各楼层仅考虑一个自由度，结构总体水平地震作用标准值为式中：α1—相应于结构基本自振周期T1的水平地震影响系数Geq—结构等总重力荷载代表值，Geq=0.85GEGE—结构总重力荷载代表值，eq1EkGFniiGG1E5.5地震作用地震作用的计算方法5.5.2底部剪力法地震影响系数曲线5.5地震作用地震作用的计算方法5.5.2底部剪力法第i层的水平地震作用标准值Fi按下式计算：顶点附加水平地震作用标准值为式中：δn—顶点附加水平地震作用系数，当T11.4Tg时，δn=0；当T11.4Tg时，按下表选用；Tg为场地的特征周期（与设计地震分组、场地类别有关，可查规范）nEk1-1FHGHGFniiiiiiEknnFF5.5地震作用地震作用的计算方法5.5.2底部剪力法结构底部总剪力各层间剪力分配至各柱、墙等构件设计【例1.2.1】某办公楼钢筋混凝土矩形截面简支梁，安全等级为二级，截面尺寸b×h=200mm×400mm，计算跨度=5m，净跨度=4.86m。承受均布线荷载：活荷载标准值7kN/m，恒荷载标准值10kN/m（不包括自重）。试计算按承载能力极限状态设计时的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。nl0l【解】由表5-2查得活荷载组合值系数=0.7。安全等级为二级，则结构重要性系数=1.0。钢筋混凝土的重度标准值为25kN/m3，故梁自重标准值为25×0.2×0.4=2kN/m。总恒荷载标准值gk=10+2=12kN/m恒载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力设计值分别为：Mgk=gkl02/8=12×52/8=37.5kN·mVgk=gkln/2=12×4.86/2=29.16kN活荷载产生的跨中弯矩标准值和支座边缘截面剪力标准值分别为：Mqk=qkl02/8=7×52/8=21.875kN·mVgk=qkln/2=7×4.86/2=17.01kN本例只有一个活荷载，即为第一可变荷载。故计算由活载弯矩控制的跨中弯矩设计值时，=1.2，=1.4。由式（5-3）得由活荷载弯矩控制的跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力标准值分别为：==1.0×（1.2×37.5+1.4×2