不同規范之間荷載效應組合對比研究

孫會昭

(河北中嘉工程檢測技術有限公司,石家莊 050000)

結構設計中荷載效應組合涉及荷載及荷載分項系數的取值。在進行建筑結構及構件設計時,不同的設計情況需采用不同的荷載效應組合。其主要涉及兩種設計狀況,即持久設計狀況與短暫設計狀況(非抗震設計狀況、抗震設計狀況)[1]。在不同規范之間,關于荷載分項系數取值和荷載效應組合的規定不完全相同[2-5]。本研究針對不同規范之間關于荷載效應組合的相關規定進行對比,得出采用不同規范進行荷載組合的誤差大小。

1 《建筑結構荷載規范》對荷載效應組合(持久設計狀況和短暫設計狀況)的相關規定

依據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012相關規定,對一般的民用建筑進行持久設計狀況和短暫設計狀況進行結構設計時需采取荷載的基本效應組合。其中3.2.3條規定,荷載的基本效應組合應取由可變荷載控制的效應設計值和由永久荷載控制效應設計值的較大值。

根據《建筑結構荷載規范》,由可變荷載控制的效應設計值計算公式為:

(1)

對于一般的多層民用建筑,結構設計使用年限為50年,只考慮一種永久荷載(恒載)。

當樓面活荷載起控制作用時,則公式(1)為:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×SQ樓面k+1.4×1.0×0.6×SQ風k=1.2SGk+1.4SQ樓面k+1.4×0.6SQ風k

(2)

當風荷載起控制作用時,則公式(1)為:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×SQ風k+1.4×1.0×0.7×SQ樓面k

(3)

根據《建筑結構荷載規范》,由永久荷載控制的效應設計值計算公式為:

(4)

對于一般的多層民用建筑,結構設計使用年限為50年,只考慮一種永久荷載(恒載)。

當樓面活荷載起控制作用時,則公式(4)為:

Sd=1.35×SGk+1.4×1.0×0.7×SQ樓面k+1.4×1.0×0.6×SQ風k

(5)

2 《高層建筑混凝土結構技術規程》對荷載效應組合(持久設計狀況和短暫設計狀況)的相關規定

結合JGJ3-2012《建筑結構荷載規范》中的有關分項系數、組合系數規定,在持久設計狀況和短暫設計狀況下,荷載基本效應組合的設計值計算公式為:

Sd=γGSGk+γQγLψcSQk+γwψcSQk

(6)

對于一般的多層民用建筑,結構設計使用年限為50年。

由永久荷載效應起控制作用時,則公式(6)為:

Sd=1.35×SGk+1.4×1.0×0.7×SQ樓面k

(7)

由樓面活荷載效應起控制作用時,則公式(6)為:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×1.0×SQ活k+1.4×1.0×0.6×SQ風k

(8)

由風荷載效應起控制作用時,則公式(6)為:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×0.7×SQ活k+1.4×1.0×1.0×SQ風k

(9)

對于鋼筋混凝土結構,顯然是永久荷載效應起控制作用,即采用公式(7)進行構件設計。

3 《建筑結構可靠性設計統一標準》中的相關規定

其中第8.2.4條規定,荷載基本效應組合的設計值計算公式為:

(10)

對于一般的多層民用建筑,結構設計使用年限為50年,當結構未施加預應力時,只考慮一種永久荷載(恒載)。對于樓面(或屋面)活荷載及風荷載,根據《建筑結構可靠性設計統一標準》中第8.2.9、8.2.10條規定,式(10)即為:

Sd=1.3×SGk+1.5×1.0×SQ活k+1.5×1.0×0.6×SQ風k

(11)

4 《建筑抗震設計規范》中的相關規定

其中第5.4.1條規定,結構構件抗地震作用效應和其他作用效應的基本組合值的計算公式為:

Sd=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

(12)

對于小于60 m的一般多層民用建筑,只考慮一種永久荷載(恒載)。樓面(或屋面)活荷載,風荷載組合值系數為0 ,僅計算水平地震作用時,式(12)即為:

Sd=1.2×SGE+1.3×SEhk

(13)

5 《建筑與市政工程抗震通用規范》中的相關規定

其中第4.3.2條規定,結構構件抗震驗算的組合內力設計值應采用地震作用效應和其他作用效應的基本組合值,荷載基本效應組合的設計值計算公式為:

Sd=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+∑γDiSDik

+∑ψiγiSik

(14)

對于小于60 m的一般多層民用建筑,只考慮一種永久荷載(恒載)。樓面(或屋面)活荷載,風荷載組合值系數為0,僅計算水平地震作用時,式(14)即為:

Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk

(15)

綜上所述,對于小于60 m的一般多層民用建筑,考慮《建筑結構荷載規范》《高層建筑混凝土結構技術規程》及《建筑結構可靠性設計統一標準》,持久設計狀況和短暫設計狀況(非抗震設計狀況)中,荷載基本效應組合的設計值應采取公式(11)進行計算,即:

Sd=1.3×SGk+1.5×SQ樓面k+1.5×0.6×SQ風k

(16)

如側重考慮《高層建筑混凝土結構技術規程》(由永久荷載效應起控制作用時),則式(16)變為

Sd=1.3×SGk+1.5×SQ樓面k

(17)

考慮《建筑抗震設計規范》《建筑與市政工程抗震通用規范》,抗震設計狀況下,荷載基本效應組合的設計值應采取公式(15)進行計算,即:

Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk

(18)

就公式(11)和公式(17)的誤差進行比較分析。對于框架梁跨中截面,有可能是非抗震組合起控制作用,對某五層框架結構一榀框架中各層框架梁跨中截面控制彎矩分別采用兩個公式進行比較分析。

算例:某框架平面如圖1所示,框架柱截面尺寸600×600 mm2,框架梁截面如圖所示。風荷載標準值取0.35 kN/m2,假定層高取3.6 m,樓面活荷載取2.0 kN/m2(走廊處取2.5 kN/m2),樓面面層取2.0 kN/m2,屋面面層取4.0 kN/m2,屋面活荷載取0.5 kN/m2,所有外墻線荷載取12 kN/m,內墻只在軸線上布置(B～C周無線荷載),取7.5 kN/m,女兒墻線荷載取6 kN/m。現選取2軸作為計算單元進行內力計算。分別得到永久荷載作用下一榀框架的彎矩(圖2)、活荷載作用下一榀框架的彎矩(圖3)、風荷載作用下一榀框架的彎矩(圖4)。圖中zs表示柱上端彎矩,zx表示柱下端彎矩。

圖1 框架平面Fig.1 Frame plane

圖2 永久荷載作用下一榀框架的彎矩Fig.2 Bending moment of the frame under permanent load

圖3 活荷載作用下一榀框架的彎矩Fig.3 Bending moment of the frame under live loading

圖4 風荷載(2軸方向)作用下一榀框架的彎矩Fig.4 Bending moment of the frame under wind loading(2 axis direction)

對AB跨進行比較分析,采用公式(11)計算如下:

1層跨中彎矩近似為M=1.3×53.6+1.5×13.1

+1.5×0.6×4.3=93.2 kN·m

2層跨中彎矩近似為M=1.3×51.5+1.5×12.6

+1.5×0.6×2.8=88.37 kN·m

3層跨中彎矩近似為M=1.3×52.3+1.5×12.7

+1.5×0.6×2.2=89.02 kN·m

4層跨中彎矩近似為M=1.3×50.4+1.5×12.9

+1.5×0.6×1.3=86.04 kN·m

5層跨中彎矩近似為M=1.3×62.4+1.5×3.8

+1.5×0.6×0.7=87.45 kN·m

采用公式(17)計算如下:

1層跨中彎矩近似為M=1.3×53.6+1.5×13.1

=89.33 kN·m

2層跨中彎矩近似為M=1.3×51.5+1.5×12.6

=85.85 kN·m

3層跨中彎矩近似為M=1.3×52.3+1.5×12.7

=87.04 kN·m

4層跨中彎矩近似為M=1.3×50.4+1.5×12.9

=84.87 kN·m

5層跨中彎矩近似為M=1.3×62.4+1.5×3.8

=86.82 kN·m

采用公式(11)和公式(17)得到的每層誤差如下:

6 結論

最大誤差發生在第1層,為4.15%,而工程小于5%為可接受范圍,故在60 m以下的多層混凝土框架結構持久設計狀況和短暫設計狀況(非抗震設計狀況)下,荷載基本效應組合設計值可采用公式Sd=1.3×SGk+1.5×SQ樓面k進行計算。在抗震設計狀況下,荷載基本效應組合設計值應采取公式Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk進行計算。