建筑结构设计中的荷载分析.doc

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1、建筑结构设计中的荷载分析摘要:建筑结构在施工和使用期间要承受各种作用。结构上的作用系指施加在结构上的集中荷载或分布荷载(包括永久荷载、可变荷载等),以及引起结构外加变形或约束变形(如基础沉降、温度变化、焊接等作用)的原因。文章阐述了作用在建筑物上的荷载及作用的特点和表达方式,着重说明了各类荷载与作用之间存在的对应关系。关键词:建筑结构设计;荷载效应;永久荷载;可变荷载 建筑结构在使用期间和在施工过程中要承受各种作用。施加在结构上的集中力或分布力(如人群、设备、风、雪、构件自重等)称为直接作用,也称荷载;引起结构外加变形或约束变形的原因(如温度变化、地基不均匀沉降、地面运动等)称为间接作用。作用

2、在建筑物上的实际荷载到底有多大,很难精确计算。事实上,即使有最完整的资料,还是很难确切估计荷载的大小。但是为了能开始着手设计,通常作出一些不致造成严重误差的合理假设。在各种外力和荷载作用下,结构必须以合适的性能和所要求的稳定性作出反应。结构计算时,需根据不同的设计要求采用不同的荷裁数值,这称为荷载代表值;荷载的代表值有荷载的标准值、准永久值和组合值之分。 一、荷载 (一)荷载作用荷载与作用是土木工程中常常涉及的名词术语,在我国的国家标准工程结构设计基本术语和通用符号中对“作用”是这样定义的:施加在结构上的一组集中力或分布力,或引起结构外加变形或约束变形的原因,统称为结构上的作用。施加在结构上的

3、集中力或分布力称为直接作用。例如,各种土木工程结构的自重、土压力、水压力、风压力、积雪重,房屋建筑中的楼面上人群和家具等的重量,路面和桥梁上的车辆重量等,桥梁、水工结构、港口及海洋工程结构中的流水压力、波浪荷载、水中漂浮物对结构的撞击力等,都是以外加力的形式直接施加在结构上,它们与结构本身性能无关,称为直接作用。引起结构外加变形或约束变形的原因称为间接作用。例如地基变形、混凝土收缩徐变、温度变化、焊接变形、地震作用等,它们不是以外加力的形式直接施加在结构上,故称为间接作用。结构上的作用虽然分为直接作用和间接作用,但它们产生的结果是一样的:使结构或构件产生效应(结构或构件产生的内力、应力、位移、

4、应变、裂缝等)。因此,也可以这样定义“作用”:使结构或构件产生效应的各种原因,称为结构上的作用。“荷载”和“作用”对实际工程设计来说,主要是一个概念问题,一般并不影响作用效应的计算和结构本身。在国际上,目前也有不少国家对“荷载”和“作用”未加严格区分。在我国,一般情况下,“荷载”专指直接作用,“作用”有时指直接作用和间接作用,有时专指“荷载”或专指间接作用:在工程中,为了使用和交流的方便,常常将直接作用和间接作用均称为“荷载”。(二)建筑结构荷载建筑结构在使用和施工过程中所受到的各种直接作用称为荷载。另外,还有一些能使结构产生内力和变形的间接作用,如地基变形、混凝土收缩、焊接变形、温度变化或地

5、震等引起的作用。结构设计人员在进行建筑结构的设计时,首先应进行荷载的计算,取其代表值,荷载确定后,才能根据其大小和作用形式计算结构的内力,然后再进行构件计算。也就是说建筑物某一部分的构件,是承重还是非承重,承受多大的荷载,都有其最大值或极限值,超过这个极限值,结构就会变形,就会遭到破坏,轻者降低建筑物的经济寿命,严重者会酿成事故,威胁到生命安全。这就是物业装修管理人员之所以必须了解、掌握建筑结构形式及其荷载作用、影响的目的。 二、建筑荷载确定与计算 (一)永久荷载(恒荷载)在房屋结构中,永久荷载主要是结构的自重。在设计房屋结构的地下部分时,有时要计算土的自重,它也是永久荷载。结构自重主要是指楼

6、面板、梁、柱、墙体、基础等构件的自重。结构的自重,可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定c根据计算荷载效应的需要,结构自重可以表示为面荷载、线荷载或集中力等。当用于计算楼板的荷载效应时,楼面板的自重、板的面层材料自重,一般可以用板的厚度、板的面层材料厚度分别乘以各自材料单位体积的自重得到,单位为kN/m2;当用于计算楼板的荷载对梁或墙体产生的效应时,一般以计算出的板单位面积自重与板短边长度一半的乘积得到,以分布线荷载的形式(均布荷载、梯形荷载或三角形荷载)作用在梁或墙上,单位为kN/m。当用于计算梁的荷载效应时,一般需将梁的白重表示为线荷载,即材料单位体积的自重与梁截面面积的乘积,

7、单位为kN/m。对于承重墙体(例如混合结构的承重墙体),当用于计算其荷载效应时,一般可取其单位长度计算自重,以墙体单位长度、厚度、高度与墙体材料单位体积自重相乘得到;对于非承重墙体,例如作用在框架梁上的隔墙,由于不需要计算其自身的荷载效应,只需要将其计算为作用在梁上的线荷载,即墙体材料单位体积自重与墙厚、墙高相乘得到,单位为kN/m。柱自重一般以材料单位体积自重与柱体积相乘得到,单位为kN。(二)荷载效应特性荷载效应是指结构构件在荷裁作用下产生的内力(弯矩、轴力、剪力)和位移等。对弹性材料的结构构件,荷裁效应与荷裁成线性关系,即:S=CQ式中:S荷裁效应;Q荷裁;C荷裁效应系数。例如,均布荷载

8、q作用下的简支梁(如图1所示),截面弯矩方程为M=q(lx-x2)。从该式可见载荷效应(M)与荷裁(q)成线性关系。这里的M相当于Q,q(lx-x2)相当于C。其他受力情况亦是如此。对混凝土结构构件,可近似认为也成线性关系。由于荷载效应与荷载成线性关系,因此荷载特性就是荷载效应的特性,因此可以用荷栽特性来说明荷载效应特性。作用在结构构件上的荷载,可分永久荷载(即恒载)和可变荷载(活荷载)两种。它们的基本特性是随机性。例如,恒载由材料自重与构件体积相乘而得,而材料自重随混凝土原材料和密实性而变化,因此材料自重具有随机性;构件体积由于尺寸误差亦会引起变化,因此构件体积亦具有随机性。由两个随机因素决

9、定的恒载,当然亦具有随机性。楼面活荷载、风荷载和雪荷载等可变荷载具有更明显的随机性。由于荷载是随机变量或随机过程,因此要用概率分布描述。近年来我国对恒载、办公楼、住宅、风荷载和雪荷载进行的调查和统计分析表明,恒载的概率密度分布接近正态分布,办公楼、住宅、风荷载和雪荷载的撅串密度分布接近极值I型分布三、结语 一般都是按照建筑规范的要求来设计房屋的,规范规定了最低要求,作为设计的大致指南,规范规定了需要考虑的最小荷载和不允许超过的最大应力,这些规定的荷载最多是一些经验近似值,而且没有绝对正确的计算应力的规则、公式和方法,规范中只是指出必须采用“公认”的计算方法,而计算方法可以因时而异、因地而异、因人而异,因此当使用建筑规范的结构条文时,必须记住“小心”两字。只有对结构整个体系的承载能力和性能,以及结构分体系与结构构件相互作用的关系了解很透彻,才能设计出既安全又经济的结构,才能满足现代建筑的各种功能和环境条件要求。 参考文献1张同明.建筑结构荷载与结构反应J.山西建筑,2001,(6).2李仁美.高层建筑桩基持力层载荷试验分析应用研究J.四川建材,2008,(3).3钟震西.建筑物风荷载的数值模拟J.国外建材科技,2007,(4).4梁丹青.高层建筑之吾见J.规划师,1997,(4).4