浅谈建筑结构荷载及设计方法

蔡振钦

（佛山市弘业建筑设计有限公司，广东 佛山 528000）

1 前言

结构上的作用包括直接作用和间接作用。直接作用指的是施加在结构上的集中力或分布力，例如结构自重、楼面活荷载和设备自重等，引起的效应比较直观；间接作用指的是引起结构外加变形或约束变形的作用，例如温度的变化、混凝土的收缩或徐变、地基的变形和地震等，这类作用引起的效应比较复杂，例如地震会引起建筑物产生裂缝、倾斜下沉以至倒塌，但这些破坏效应不仅仅与地震震级、烈度有关，还与建筑物所在场地的地基条件、建筑物的基础类型和上部结构体系有关。

作用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，通常做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做出反应。结构计算时，需根据不同的设计要求采用不同的荷载数值，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。

2 荷载

2.1 荷载作用

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、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”。

2.2 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，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必须了解、掌握建筑结构形式及其荷载作用、影响的目的。

3 荷载的分类

荷载是一个不确定的随机变量。在《建筑结构可靠度设计统一标准》（（GB50068－2001），以下简称《统一标准》）中，规定设计基准期为50年，在这段期间内，荷载不仅在量值上是变化的，并且作用在结构上的时间持续性也是变化的。因此在荷载规范中，将荷载按以下原则进行了分类：

3.1 按随时间变异分类

3.1.1 永久荷载（亦称恒荷载）

在设计基准期内，其量值不随时间变化，或即使有变化，其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。如结构的自重、土压力、预应力等。

3.1.2 可变荷载（亦称活荷载）

在设计基准期内，其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不能忽略的荷载。如楼（屋）面活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。

3.1.3 偶然荷载

在设计基准内，可能出现，也可能不出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载。如地震、爆炸力、撞击力等。

3.2 按随空间位置的变异分类

3.2.1 固定荷载

在结构空间位置上具有固定分布的荷载。如结构自重、楼面上的固定设备荷载等。

3.2.2 自由荷载

在结构上的一定范围内可以任意分布的荷载。如民用建筑楼面上的活荷载、工业建筑中的吊车荷载等。

3.3 按结构的动力反应分类

3.3.1 静态荷载

对结构或结构构件不产生加速度或产生的加速度很小可以忽略不计。如结构的自重、楼面的活荷载等。

3.3.2 动态荷载

对结构或构件产生不可忽略的加速度。如吊车荷载、地震荷载、作用在高层建筑上的风荷载等。

4 建筑荷载确定与计算

4.1 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。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，一般以计算小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，一般需将梁的自重表示为线荷载，即材料单位体积的自重与梁截面面积的乘积，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。

4.2 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q作用下的简支梁（见图1），截面弯矩方程为：M＝1/2q（lx－x2）。从该式可见载荷效应（M）与荷裁（q）战线性关系。这里的M相当于Q，1/2q（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。

图1 荷载效应示意图

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，因此可以用荷载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（即恒载荷）和可变荷载（活荷载）两种；它们的基本特性是随机性。例如，恒荷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。近年来我国对恒荷载、楼面活荷载、风荷载和雪荷载进行的调查和统计分析表明，恒荷载的概率密度分布接近正态分布，楼面活荷载、风荷载和雪荷载的撅串密度分布接近极值I型分布。

5 结束语

总之，建筑结构在施工和使用期间要承受各种作用。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。