荷载效应组合讲解

荷载效应组合及设计要求1．什么是荷载效应？什么是荷载效应组合？一般用途的高层建筑结构承受哪些何载？答：所谓荷载效应，是指在某种荷载作用下结构的内力或位移。按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。一般用途的高层建筑结构承受的竖向荷载有结构、填充墙、装修等自重（永久荷载）和楼面使用荷载、雪荷载等（可变荷载）；水平荷载有风荷载及地震作用。各种荷载可能同时出现在结构上，但是出现的概率不同。2．如何考虑荷载效应的组合？分项系数与组合系数各起何作用？答：通常，在各种不同荷载作用下分别进行结构分析，得到内力和位移后，再用分项系数与组合系数加以组合。《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001，以下简称为《荷载规范》）上给出的自重及使用荷载、雪荷载等值，以及风荷载及地震等效荷载值都称为荷载标准值。各种标准荷载独立作用产生的内力及位移称为荷载效应标准值，在组合时各项荷载效应应乘以分项系数及组合系数。分项系数是考虑各种荷载可能出现超过标准值的情况而确定的荷载效应增大系数，而组合系数则是考虑到某些荷载同时作用的概率较小，在叠加其效应时要乘以小于1的系数。例如，风荷载和地震作用同时达到最大值的概率较小，因此在风荷载和地震作用组合时，风荷载乘以组合系数0.2。3．如何选择控制截面及最不利内力类型答：在构件设计时，要找出构件设计的控制截面及控制截面上的最不利内力，作为配筋设计的依据。首先要确定构件的控制截面，其次要挑选这些截面的最不利内力。所谓最不利内力，就是使截面配筋最大的内力。控制截面通常是内力最大的截面，但是不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一截面达到最大值，因此一个构件可能同时有几个控制截面。对于框架横梁，其两端支座截面常常是最大负弯矩及最大剪力作用处，在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩。而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用处。在梁端截面（指柱边缘处的梁截面），要组合最大负弯矩及最大剪力，也要组合可能出现的正弯矩。注意，由于内力分析结果都是轴线位置处的梁的弯矩及剪力，但在配筋计算时应采用柱边截面处的内力，因而在组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力，见图2。对于柱子，根据弯矩图可知，弯矩最大值在柱两端，剪力和轴力值在同一楼层内变化较小。因此，柱的设计控制截面为上、下两个端截面。注意，在轴线处的计算内力也要换算到梁上、下边缘处的柱截面内力。柱子弯矩和轴力组合要考虑下述四种可能情况：1）及相应的N；2）及相应的M；3）及相应的M；4）比较大（不是绝对最大），但N比较小或比较大（不是绝对最小或绝对最大）。有时绝对最大或最小的内力不见得是最不利的。对于大偏心受压构件，愈大，截面需要的配筋愈多。对于小偏压构件`，如果N不是最大，但相应的M比较大时，配筋也会多一些。所以，组合时要找第4）种情况，而且常常是这种情况控制配筋。4．竖向活荷载的布置应如何考虑？答：竖向活荷载是短暂作用的、可变的。各种不同的布置会产生不同的内力，因此，应该由最不利布置方式计算内力，以求得截面最不利内力。对于高层建筑，计算不利布置荷载的内力及内力组合工作量很大，而一般民用及公共高层建筑中竖向活荷载不会很大（活荷载1.5—2.5kN/m2），与恒载及水平荷载产生的内力相比，竖向活荷载产生的内力所占比重很小。因此，多数情况下，可不考虑活荷载的不利布置，只用满布活荷载一种情况计算内力，这样可以大大减小计算工作量。在竖向活荷载很大时（大于4kN/m2，如图书馆书库、多层工业厂房或仓库），必须考虑活荷载不利布置。5．如何考虑框架梁的塑性调幅？答：框架中允许梁端出现塑性铰。因此，在梁中可考虑塑性内力重分布，通常是降低支座弯矩，以减小支座处的配筋。对于现浇框架，支座弯矩的调幅系数采用0.8—0.9。对于装配整体式框架，由于钢筋焊接或接缝不严等原因，节点容易产生变形，梁端弯矩较弹性计算结果会有所降低，因此支座弯矩调幅系数允许低一些，取0.7－0.8。支座弯矩降低后，必须相应加大梁跨中弯矩。这样，在支座出现塑性铰以后，不会导致跨中截面承载力不足。跨中弯矩应按平衡条件相应增大（图3）。为了保证梁的安全，跨中弯矩还必须满足图中所列的条件。图3框架梁塑性调幅塑性调幅主要是在竖向荷载作用下的内力调整，因此，要在组合前进行调幅，然后才和水平荷载作用下的内力进行组合。6．在手算内力组合时，一般都通过表格进行。内力组合的步骤如何？答：在手算内力组合时，一般都通过表格进行。内力组合的步骤是：（1）恒载、活载、风载及地震等效荷载都分别按各自规律布置，进行内力分析；（2）取出各个构件的控制截面内力，经过内力调整后填入内力组合表内；（3）根据建筑物的具体情况，由教材表1中选出本结构可能出现的若干组组合，将各内力分别乘以相应的荷载分项系数及组合系数。在不同组合类型中，分项系数不同，应按教材表9-1的要求分别采用；（4）按照不利内力的要求分组叠加内力；（5）在若干组不利内力中选取最不利内力作为构件截面的设计内力，有时要通过试算才能找到哪组内力得到的配筋最大。7．计算地震作用时，可变荷载的组合系数怎么确定？答：计算地震作用时，结构的重力荷载代表值应取恒荷载标准值和可变荷载组合值之和。可变荷载的组合值系数应按下列规定采用：（1）雪荷载取0.5；（2）楼面活荷载按实际情况计算时取1.0；按等效均布活荷载计算时，藏书库、档案库、库房取0.8，一般民用建筑取0.5。8．多高层建筑结构水平位移限值的目的是什么？答：多高层建筑结构应具有必要的刚度，在正常使用条件下限制建筑结构层间位移的主要目的为：第一，保证主要结构基本处于弹性受力状态，对钢筋混凝土结构要避免混凝土墙或柱出现裂缝；将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度限制在规范允许范围之内。第二，保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显损坏。因此，《高规》第4.6.3条规定了按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比的限值。9．抗震设计中，构件承载力验算的一般表达式为：，公式中为什么要引入承载力抗震调整系数γRE？答：公式中引入承载力抗震调整系数γRE的原因是：当有地震作用参与内力组合时，考虑到地震作用的偶然性和短时性，快速加载时材料强度会有所提高，因此，将其截面承载力除以承载力抗震调整系数γRE来近似考虑这一影响。10．梁、柱的控制截面要考虑哪些最不利内力组合？答：梁的支座截面一般要考虑两个最不利内力：一个是支座截面可能的最不利负弯矩，另一个是支座截面可能的最不利剪力。用前一个最不利内力进行支座截面的正截面设计，用后一个最不利内力进行支座截面的斜截面设计，以保证支座截面有足够的承载力。梁的跨中截面一般只要考虑截面可能的最不利正弯矩。如果由于荷载的作用，有可能使梁的支座截面出现正弯矩和跨中截面出现负弯矩时，亦应进行支座截面正弯矩和跨中截面负弯矩的组合。与梁相比，柱的最不利内力类型要复杂一些。柱的正截面设计不仅与截面上弯矩M和轴力N的大小有关，还与弯矩M与轴力N的比值即偏心距有关。对于大偏心受压的情况，当弯矩M相等或相近时，轴力愈小所需配筋愈多，对于小偏心受压的情况，当弯矩M相等或相近时，轴力愈大所需配筋愈多；不论是大偏心受压还是小偏心受压的情况，当轴力N相等或相近时，弯矩M愈大所需配筋愈多。因此，柱控制截面上最不利内力的类型为：（1）Mmax及相应的轴力N和剪力V；（2）-Mmax及相应的轴力N和剪力V；（3）Nmax及相应的弯矩M和剪力V；（4）Nmin及相应的弯矩M和剪力V；（5）Vmax及相应的弯矩M和轴力N。为了施工的简便以及为了避免施工过程中可能出现的错误起见，框架柱通常采用对称配筋。此时，第（l）、（2）两组最不利内力组合可合并为弯矩绝对值最大的内力|Mmax|及相应的轴力N。