摘要:建筑結(jié)構(gòu)在施工和使用期間要承受各種作用。結(jié)構(gòu)上的作用系指施加在結(jié)構(gòu)上的集中荷載或分布荷載(包括永久荷載、可變荷載等),以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形(如基礎(chǔ)沉降、溫度變化、焊接等作用)的原因。文章闡述了作用在建筑物上的荷載及作用的特點和表達(dá)方式,著重說明了各類荷載與作用之間存在的對應(yīng)關(guān)系。
關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;荷載效應(yīng);永久荷載;可變荷載
建筑結(jié)構(gòu)在使用期間和在施工過程中要承受各種作用。施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力(如人群、設(shè)備、風(fēng)、雪、構(gòu)件自重等)稱為直接作用,也稱荷載;引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因(如溫度變化、地基不均勻沉降、地面運動等)稱為間接作用。
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(shè)計,通常作出一些不致造成嚴(yán)重誤差的合理假設(shè)。在各種外力和荷載作用下,結(jié)構(gòu)必須以合適的性能和所要求的穩(wěn)定性作出反應(yīng)。
結(jié)構(gòu)計算時,需根據(jù)不同的設(shè)計要求采用不同的荷裁數(shù)值,這稱為荷載代表值;荷載的代表值有荷載的標(biāo)準(zhǔn)值、準(zhǔn)永久值和組合值之分。
一、荷載
(一)荷載作用
荷載與作用是土木工程中常常涉及的名詞術(shù)語,在我國的國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)設(shè)計基本術(shù)語和通用符號》中對“作用”是這樣定義的:施加在結(jié)構(gòu)上的一組集中力或分布力,或引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因,統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)上的作用。
施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力稱為直接作用。例如,各種土木工程結(jié)構(gòu)的自重、土壓力、水壓力、風(fēng)壓力、積雪重,房屋建筑中的樓面上人群和家具等的重量,路面和橋梁上的車輛重量等,橋梁、水工結(jié)構(gòu)、港口及海洋工程結(jié)構(gòu)中的流水壓力、波浪荷載、水中漂浮物對結(jié)構(gòu)的撞擊力等,都是以外加力的形式直接施加在結(jié)構(gòu)上,它們與結(jié)構(gòu)本身性能無關(guān),稱為直接作用。引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因稱為間接作用。例如地基變形、混凝土收縮徐變、溫度變化、焊接變形、地震作用等,它們不是以外加力的形式直接施加在結(jié)構(gòu)上,故稱為間接作用。
結(jié)構(gòu)上的作用雖然分為直接作用和間接作用,但它們產(chǎn)生的結(jié)果是一樣的:使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生效應(yīng)(結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等)。因此,也可以這樣定義“作用”:使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生效應(yīng)的各種原因,稱為結(jié)構(gòu)上的作用。
“荷載”和“作用”對實際工程設(shè)計來說,主要是一個概念問題,一般并不影響作用效應(yīng)的計算和結(jié)構(gòu)本身。在國際上,目前也有不少國家對“荷載”和“作用”未加嚴(yán)格區(qū)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?qū)Ｖ搁g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”。
(二)建筑結(jié)構(gòu)荷載
建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時,首先應(yīng)進(jìn)行荷載的計算,取其代表值,荷載確定后,才能根據(jù)其大小和作用形式計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,然后再進(jìn)行構(gòu)件計算。也就是說建筑物某一部分的構(gòu)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(jié)構(gòu)就會變形,就會遭到破壞,輕者降低建筑物的經(jīng)濟(jì)壽命,嚴(yán)重者會釀成事故,威脅到生命安全。這就是物業(yè)裝修管理人員之所以必須了解、掌握建筑結(jié)構(gòu)形式及其荷載作用、影響的目的。
二、建筑荷載確定與計算
(一)永久荷載(恒荷載)
在房屋結(jié)構(gòu)中,永久荷載主要是結(jié)構(gòu)的自重。在設(shè)計房屋結(jié)構(gòu)的地下部分時,有時要計算土的自重,它也是永久荷載。
結(jié)構(gòu)自重主要是指樓面板、梁、柱、墻體、基礎(chǔ)等構(gòu)件的自重。結(jié)構(gòu)的自重,可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸與材料單位體積的自重計算確定c根據(jù)計算荷載效應(yīng)的需要,結(jié)構(gòu)自重可以表示為面荷載、線荷載或集中力等。
當(dāng)用于計算樓板的荷載效應(yīng)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(dāng)用于計算樓板的荷載對梁或墻體產(chǎn)生的效應(yīng)時,一般以計算出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(dāng)用于計算梁的荷載效應(yīng)時,一般需將梁的白重表示為線荷載,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(jié)構(gòu)的承重墻體),當(dāng)用于計算其荷載效應(yīng)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(yīng),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。
(二)荷載效應(yīng)特性
荷載效應(yīng)是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷裁作用下產(chǎn)生的內(nèi)力(彎矩、軸力、剪力)和位移等。對彈性材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,荷裁效應(yīng)與荷裁成線性關(guān)系,即:
S=CQ
式中:S――荷裁效應(yīng);
Q――荷裁;
C――荷裁效應(yīng)系數(shù)。
例如,均布荷載q作用下的簡支梁(如圖1所示),截面彎矩方程為M=q(lx-x2)。從該式可見載荷效應(yīng)(M)與荷裁(q)成線性關(guān)系。這里的M相當(dāng)于Q,q(lx-x2)相當(dāng)于C。其他受力情況亦是如此。對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,可近似認(rèn)為也成線性關(guān)系。
由于荷載效應(yīng)與荷載成線性關(guān)系,因此荷載特性就是荷載效應(yīng)的特性,因此可以用荷栽特性來說明荷載效應(yīng)特性。
作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的荷載,可分永久荷載(即恒載)和可變荷載(活荷載)兩種。它們的基本特性是隨機(jī)性。例如,恒載由材料自重與構(gòu)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(jī)性;構(gòu)件體積由于尺寸誤差亦會引起變化,因此構(gòu)件體積亦具有隨機(jī)性。由兩個隨機(jī)因素決定的恒載,當(dāng)然亦具有隨機(jī)性。
樓面活荷載、風(fēng)荷載和雪荷載等可變荷載具有更明顯的隨機(jī)性。由于荷載是隨機(jī)變量或隨機(jī)過程,因此要用概率分布描述。近年來我國對恒載、辦公樓、住宅、風(fēng)荷載和雪荷載進(jìn)行的調(diào)查和統(tǒng)計分析表明,恒載的概率密度分布接近正態(tài)分布,辦公樓、住宅、風(fēng)荷載和雪荷載的撅串密度分布接近極值I型分布
三、結(jié)語
一般都是按照建筑規(guī)范的要求來設(shè)計房屋的,規(guī)范規(guī)定了最低要求,作為設(shè)計的大致指南,規(guī)范規(guī)定了需要考慮的最小荷載和不允許超過的最大應(yīng)力,這些規(guī)定的荷載最多是一些經(jīng)驗近似值,而且沒有絕對正確的計算應(yīng)力的規(guī)則、公式和方法,規(guī)范中只是指出必須采用“公認(rèn)”的計算方法,而計算方法可以因時而異、因地而異、因人而異,因此當(dāng)使用建筑規(guī)范的結(jié)構(gòu)條文時,必須記住“小心”兩字。只有對結(jié)構(gòu)整個體系的承載能力和性能,以及結(jié)構(gòu)分體系與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互作用的關(guān)系了解很透徹,才能設(shè)計出既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu),才能滿足現(xiàn)代建筑的各種功能和環(huán)境條件要求。
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