活荷載折減精細化處理在結構設計中的應用

李建業, 楊悠子

(中國建筑科學研究院有限公司建研科技股份有限公司， 北京 100013)

1 活荷載標準值折減

《建筑結構荷載規范理解與應用》[2](2012版)指出，“在均布活荷載統計時，結構構件所承受的來自不同空間域的活荷載不可能同時達到其設計基準期內的最大值，存在空間組合問題。同時，其均值和方差統計與統計面積相關，一般來說房間面積越大，均值和方差越小。因此，在確定活荷載標準值時應該考慮空間的變異性和不同構件的受荷面積大小的影響，對活荷載標準值進行適當的折減。”

《荷載規范》5.1.2條規定，設計樓面梁、墻、柱及基礎時，本規范表5.1.1中樓面活荷載標準值的折減系數取值不應小于下列規定。

1.1 設計樓面梁時

(1)第1(1)項當樓面梁從屬面積超過25 m2時，應取0.9。

(2)第1(2)～7項當樓面梁從屬面積超過50 m2時，應取0.9。

(3)第8項對單向板樓蓋的次梁和槽形板的縱肋應取0.8，對單向板樓蓋的主梁應取0.6，對雙向板樓蓋的梁應取0.8。

(4)第9～13項應采用與所屬房屋類別相同的折減系數。

1.2 設計墻、柱和基礎時

(1)第1(1)項應按《荷載規范》表5.1.2規定采用。

(2)第1(2)～7項應采用與其樓面梁相同的折減系數。

(3)第8項的客車，對單向板樓蓋應取0.5，對雙向板樓蓋和無梁樓蓋應取0.8。

(4)第9～13項應采用與所屬房屋類別相同的折減系數。

PKPM V3.1.6及后續版本在保留舊版程序活荷載折減方式的同時新增精細化折減方式，從而滿足《荷載規范》第5.1.2條對不同活荷類型采用不同的活荷載折減系數的規定。圖1為SATWE參數設置對話框——活荷信息標簽頁，活荷載折減參數設置分為三個區域，傳統方式折減、精細化折減和消防車荷載折減，其中前兩種折減方式為互斥的關系。需要注意的是，如果采用精細化折減方式，則需要在PMCAD建模模塊中指定各房間的活荷載類型。

2 PMCAD中指定房間活荷類別

圖2為PMCAD模塊中交互指定房間活荷載類型界面，點擊菜單后，與《荷載規范》表5.1.1對應的參數設置對話框。

沒等我坐穩屁股，里屋就傳來李金枝的罵聲。四眼兒張，你個瞎驢，想娶你姑奶奶，做夢去吧你！爹你要再逼我，我就死給你看，就是死我也不跟瞎驢過！咣當咣當，李金枝使勁搖晃著屋門。

圖2 PMCAD指定房間活荷類型對話框

選中相應活荷類別，點“布置”即可指定目標房間的活荷載類別，對于9～13項可同時選中所屬房屋類別。圖3為某實際模型中指定房間活荷類型后，界面所顯示的相應信息。

圖3 某工程指定房間活荷類型

3 SATWE中樓面梁活荷折減

在PMCAD結構模型中指定房間的活荷類型后，同時要在SATWE的參數設置對話框中選擇精細化折減方式，程序自動依據規范規定計算合理的活荷載折減系數。

程序中確定梁、墻梁活荷折減系數的原則如下：對構件周圍的房間進行循環遍歷，每個房間根據《荷載規范》第5.1.2-1條得到一個折減系數，最后取最大值作為該梁的最終活荷折減系數。

3.1 第1(1)項折減

自建測試小模型，指定房間活荷類型為第1(1)項，程序自動計算樓面梁活荷載折減系數，如圖4所示。

圖4 第1(1)項活荷樓面梁折減系數

3.2 第1(2)～7項折減

同(1)所用模型，但設置房間活荷類型為第1(2)項，程序自動計算樓面梁活荷折減系數，如圖5所示。

圖5 第1(2)項活荷樓面梁折減系數

3.3 第9～13項折減

同(1)所用模型，但設置房間活荷類型為第9項，且房屋類別為1(1)，程序自動計算樓面梁活荷折減系數，見圖6。

圖6 第9項活荷樓面梁折減系數

4 SATWE中柱、墻活荷折減

結構不同部位有不同的使用功能，折減方式有所不同，常見的組合如：主樓住宅+裙房商場等、底層商場+上部住宅等。SATWE能夠依據PMCAD模型中所設定的房間活荷類型和《荷載規范》，自動實現更為精確的活荷載折減。

柱、墻柱(支撐不進行自動折減)確定折減系數的原則如下：將其截面以上承擔的所有樓板活荷載產生的荷載效應按照房間屬性近似按圖7劃分，其中L1部分(對應房間屬性1(1))，L2部分(對應房間屬性1(2)～7)，L3部分(對應房間屬性8)。

圖7 豎向構件截面以上房間類型

程序根據房間屬性執行《荷載規范》5.1.2-2條的規定進行折減，最后按公式(3.1)將折減后的荷載效應進行累加，并與折減前的總荷載的比值定義為該豎向構件的折減系數C，其中Li可等效為相應樓面荷載：

(1)

6層簡單模型，模擬實際結構的不同部分和不同用途，程序自動計算柱活荷載折減系數，分為如下兩種情況：

4.1 辦公室(第1(1)項)和會議室(第1(2)項)

圖8所示，辦公室與會議室相鄰，樓面活荷載分別取值為3 kN/m2和5 kN/m2，并對活荷載折減采用精細化處理方式，對第1層某柱折減系數進行校核：

C=(0.7×3×6+0.9×5×6)/(3×6+5×6)=0.825

圖8 柱活荷折減系數

4.2 商業(第4(1)項)和住宅(第1(1)項)

下部3層為商業用途，樓面活荷載取值為6 kN/m2，上部3層為住宅用途，樓面活荷載取值為4 kN/m2,并對活荷載折減采用精細化處理方式(圖9)，對第1層某柱折減系數進行校核：

C=(0.85×4×3+0.9×6×3)/(4×3+6×3)=0.88

圖9 柱活荷折減系數

5 消防車活荷載折減

《荷載規范》第5.1.2-1條規定，設計樓面梁時，消防車荷載折減系數的確定需依據房間是單向板或雙向板。第5.1.3條規定，設計墻、柱時，可按實際情況考慮消防車活荷載。

V3.1.6版本SATWE的消防車活荷載折減系數由單獨參數控制，即梁的折減系數按照樓板是單向板還是雙向板確定(程序規定，對于矩形房間，長短邊長度比大于2為單向板，小于2為雙向板)，墻、柱的折減系數為全樓參數，并由用戶指定。

如圖10所示模型，樓板為單向板，樓面消防車荷載為30kN/m2，在SATWE參數對話框中將墻、柱折減系數設置為0.9，樓面梁將自動進行折減。

圖10 消防車荷載折減

6 實際工程

某辦公樓建筑，如圖11所示，第4、5層部分房間作為會議室、閱覽室，其上部為辦公室，分別采用傳統方式、精細方式進行考慮活荷載折減。其中傳統方式折減時墻、柱折減系數按荷規表5.1.2取，樓面梁從屬面積大于25 m2時折減系數取為0.9。第4層活荷載折減結果如圖12所示，可以看到舊版軟件折減偏大。

圖11 辦公樓三維模型

圖12 新、舊活荷折減方式的結果

7 結論

本文介紹了PKPM V3.1.6版本SATWE模塊依據《荷載規范》新增的活荷載精細化折減功能，主要包括如下三個部分：

(1)依據房間活荷類型自動確定樓面梁活荷折減系數，同時考慮樓面梁周邊房間用途的不同，二者當中取大值。

(2)依據柱、墻其截面以上房間活荷載類型確定活荷折減，并綜合考慮折減系數。

(3)提供單獨設置參數，控制消防車活荷載折減，按照房間是單向板還是雙向板確定樓面梁折減，用戶指定全樓全局參數進行柱、墻折減。

全新的荷載精細化折減方式，不僅能夠有效解決舊版軟件荷載折減方法不全面、荷載折減過多的問題，減少用戶使用成本，同時對于程序自動計算得到的構件活荷折減系數，用戶也可在前處理特殊構件定義中進行修改。通過以上手段，用戶可以對活荷載折減實現更為精確高效的控制。