淺談建筑結構荷載及設計方法

蔡振欽

（佛山市弘業建筑設計有限公司，廣東 佛山 528000）

1 前言

結構上的作用包括直接作用和間接作用。直接作用指的是施加在結構上的集中力或分布力，例如結構自重、樓面活荷載和設備自重等，引起的效應比較直觀；間接作用指的是引起結構外加變形或約束變形的作用，例如溫度的變化、混凝土的收縮或徐變、地基的變形和地震等，這類作用引起的效應比較復雜，例如地震會引起建筑物產生裂縫、傾斜下沉以至倒塌，但這些破壞效應不僅僅與地震震級、烈度有關，還與建筑物所在場地的地基條件、建筑物的基礎類型和上部結構體系有關。

作用在建筑物上的實際荷載到底有多大，很難精確計算。事實上，即使有最完整的資料，還是很難確切估計荷載的大小。但是為了能開始著手設計，通常做出一些不致造成嚴重誤差的合理假設。在各種外力和荷載作用下，結構必須以合適的性能和所要求的穩定性做出反應。結構計算時，需根據不同的設計要求采用不同的荷載數值，這稱為荷載代表值；荷載的代表值有荷載的標準值、準永久值和組合值之分。

2 荷載

2.1 荷載作用

結構上的作用雖然分為直接作用和間接作用，但它們產生的結果是一樣的：使結構或構件產生效應（結構或構件產生的內力、應力、位移、應變、裂縫等）。因此，也可以這樣定義“作用”：使結構或構件產生效應的各種原因，稱為結構上的作用。

“荷載”和“作用”對實際工程設計來說，主要是一個概念問題，一般并不影響作用效應的計算和結構本身。在國際上，目前也有不少國家對“荷載”和“作用”未加嚴格區分。在我國，一般情況下，“荷載”專指直接作用，“作用”有時指直接作用和間接作用，有時專指“荷載”或專指間接作用；在工程中，為了使用和交流的方便，常常將直接作用和間接作用均稱為“荷載”。

2.2 建筑結構荷載

建筑結構在使用和施工過程中所受到的各種直接作用稱為荷載。另外，還有一些能使結構產生內力和變形的間接作用，如地基變形、混凝土收縮、焊接變形、溫度變化或地震等引起的作用。

結構設計人員在進行建筑結構的設計時，首先應進行荷載的計算，取其代表值，荷載確定后，才能根據其大小和作用形式計算結構的內力，然后再進行構件計算。也就是說建筑物某一部分的構件，是承重還是非承重，承受多大的荷載，都有其最大值或極限值，超過這個極限值，結構就會變形，就會遭到破壞，輕者降低建筑物的經濟壽命，重者會釀成事故，威脅到生命安全。這就是物業裝修管理人員必須了解、掌握建筑結構形式及其荷載作用、影響的目的。

3 荷載的分類

荷載是一個不確定的隨機變量。在《建筑結構可靠度設計統一標準》（（GB50068－2001），以下簡稱《統一標準》）中，規定設計基準期為50年，在這段期間內，荷載不僅在量值上是變化的，并且作用在結構上的時間持續性也是變化的。因此在荷載規范中，將荷載按以下原則進行了分類：

3.1 按隨時間變異分類

3.1.1 永久荷載（亦稱恒荷載）

在設計基準期內，其量值不隨時間變化，或即使有變化，其變化與平均值相比可以忽略不計的荷載。如結構的自重、土壓力、預應力等。

3.1.2 可變荷載（亦稱活荷載）

在設計基準期內，其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比不能忽略的荷載。如樓（屋）面活荷載、屋面積灰荷載、雪荷載、風荷載、吊車荷載等。

3.1.3 偶然荷載

在設計基準內，可能出現，也可能不出現，但一旦出現，其量值很大且持續時間很短的荷載。如地震、爆炸力、撞擊力等。

3.2 按隨空間位置的變異分類

3.2.1 固定荷載

在結構空間位置上具有固定分布的荷載。如結構自重、樓面上的固定設備荷載等。

3.2.2 自由荷載

在結構上的一定范圍內可以任意分布的荷載。如民用建筑樓面上的活荷載、工業建筑中的吊車荷載等。

3.3 按結構的動力反應分類

3.3.1 靜態荷載

對結構或結構構件不產生加速度或產生的加速度很小可以忽略不計。如結構的自重、樓面的活荷載等。

3.3.2 動態荷載

對結構或構件產生不可忽略的加速度。如吊車荷載、地震荷載、作用在高層建筑上的風荷載等。

4 建筑荷載確定與計算

4.1 永久荷載（恒荷載）

在房屋結構中，永久荷載主要是結構的自重。在設計房屋結構的地下部分時，有時要計算土的自重，它也是永久荷載。

結構自重主要是指樓面板、梁、柱、墻體、基礎等構件的自重。結構的自重，可按結構構件的設計尺寸與材料單位體積的自重計算確定。根據計算荷載效應的需要，結構自重可以表示為面荷載、線荷載或集中力等。

當用于計算樓板的荷載效應時，樓面板的自重、板的面層材料自重，一般可以用板的厚度、板的面層材料厚度分別乘以各自材料單位體積的自重得到，單位為kN/m2；當用于計算樓板的荷載對梁或墻體產生的效應時，一般以計算小的板單位面積自重與板短邊長度一半的乘積得到，以分布線荷載的形式（均布荷載、梯形荷載或三角形荷載）作用在梁或墻上，單位為kN/m。

當用于計算梁的荷載效應時，一般需將梁的自重表示為線荷載，即材料單位體積的自重與梁截面面積的乘積，單位為kN/m。

對于承重墻體（例如混合結構的承重墻體），當用于計算其荷載效應時，一般可取其單位長度計算自重，以墻體單位長度、厚度、高度與墻體材料單位體積自重相乘得到；對于非承重墻體，例如作用在框架梁上的隔墻，由于不需要計算其自身的荷載效應，只需要將其計算為作用在梁上的線荷載，即墻體材料單位體積自重與墻厚、墻高相乘得到，單位為kN/m。柱自重一般以材料單位體積自重與柱體積相乘得到，單位為kN。

4.2 荷載效應特性

荷載效應是指結構構件在荷裁作用下產生的內力（彎矩、軸力、剪力）和位移等。對彈性材料的結構構件，荷裁效應與荷裁成線性關系，即：

S＝CQ

式中：S：荷裁效應；

Q：荷裁；

C：荷裁效應系數。

例如，均布荷載q作用下的簡支梁（見圖1），截面彎矩方程為：M＝1/2q（lx－x2）。從該式可見載荷效應（M）與荷裁（q）戰線性關系。這里的M相當于Q，1/2q（lx－x2）相當于c。其他受力情況亦是如此。對混凝土結構構件，可近似認為也成線性關系。

圖1 荷載效應示意圖

由于荷載效應與荷載成線性關系，因此荷載特性就是荷載效應的特性，因此可以用荷載特性來說明荷載效應特性。

作用在結構構件上的荷載，可分永久荷載（即恒載荷）和可變荷載（活荷載）兩種；它們的基本特性是隨機性。例如，恒荷載由材料自重與構件體積相乘而得，而材料自重隨混凝土原材料和密實性而變化，因此材料自重具有隨機性；構件體積由于尺寸誤差亦會引起變化，因此構件體積亦具有隨機性。由兩個隨機因素決定的恒載，當然亦具有隨機性。

樓面活荷載、風荷載和雪荷載等可變荷載具有更明顯的隨機性。由于荷載是隨機變量或隨機過程，因此要用概率分布描述。近年來我國對恒荷載、樓面活荷載、風荷載和雪荷載進行的調查和統計分析表明，恒荷載的概率密度分布接近正態分布，樓面活荷載、風荷載和雪荷載的撅串密度分布接近極值I型分布。

5 結束語

總之，建筑結構在施工和使用期間要承受各種作用。只有對結構整個體系的承載能力和性能，以及結構分體系與結構構件相互作用的關系了解透徹，才能設計出既安全又經濟的結構，才能滿足現代建筑的各種功能和環境條件要求。