结构计算中荷载代表值的应用之建议

2011-08-15韩清杰

山西建筑 2011年18期

关键词：活荷载轴压标准值

韩清杰

0 引言

在结构设计及历年的全国注册结构师考试中经常会涉及到重力荷载代表值的内容。由于工程师对有关规范、规程条文的不理解，经常会错误计算。

下面结合工程算例，对钢筋混凝土结构有关规范、规程中涉及重力荷载代表值的计算方法进行简述，提出计算中的注意事项，并对规范中不明确或不一致的内容提出建议。

1 框架柱或框支柱轴压比计算

轴压比N/fcA指构件组合的轴压力设计值N与构件全截面面积 A和混凝土轴心抗压强度设计值 fc乘积之比。对 N抗震设计时，应取柱考虑地震作用组合的轴压力设计值;对不进行地震作用计算的结构，取无地震作用组合的轴力设计值。柱的轴压比限值按照GB 50010-2002混凝土规范第11.4.16条、GB 50011-2001抗震规范第6.3.7条或JGJ 3-2002高规第6.4.2条取用，注意事项及建议如下:

1)型钢混凝土柱的轴压比限值应按《高规》第 11.3.3条取用，其轴压比应按《高规》式(11.3.4)进行计算。

2)转换层设置在 3层及其以上的带转换层的高层建筑结构、连体结构的连接体及与其相邻的结构构件，其框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按提高一级的轴压比限值取用，已为特一级时可不再提高，见《高规》第 10.2.5条及第 10.5.5条。

3)异形柱的轴压比限值应按JGJ 149-2006异形柱规第6.2.2条取用。

4)无地震作用组合的轴压比计算见《抗震规范》第 6.3.7条注1，但规范没有给出相应轴压比限值，建议取1.05(按胡庆昌大师《建筑抗震设计规范勘误表》，建议取 1.0)。

1.1 考虑地震作用组合的轴压力设计值计算

考虑地震作用组合的轴压力设计值N，应按结构的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合进行计算，见《抗震规范》式(5.4.1)或《高规》式(5.6.3)，注意事项及建议如下:

1)重力荷载代表值应取结构和构件自重标准值和各可变荷载组合值(等于可变荷载标准值乘以可变荷载组合值系数)之和，此时可变荷载组合值系数ψEC应按《抗震规范》第 5.1.3条取用，不能按照GB 50009-2001荷载规范第4.1.1和4.2.3条取用组合值系数 ψC。

2)重力荷载分项系数γG，只考虑重力荷载效应对构件承载力的不利或有利两种情况，取1.2或不大于 1.0。

3)《抗震规范》式(5.4.1)说明中，有吊车时，重力荷载代表值的效应 SGE尚应包括悬吊物重力标准值的效应。此时悬吊物重力应按可变荷载计入重力荷载代表值，其组合值系数应按《抗震规范》表5.1.3取用，即硬钩吊车取0.3，软钩吊车取0.0。对表5.1.3注“吊重较大时，组合值系数应按实际情况采用”，规范未明确何为“吊重较大时”，一般情况下，起重量大于 30 t的机械厂房或起重量大于 50 t的冶金厂房为吊重较大，其硬钩吊车的组合值系数建议根据吊车的起重量及实际运行情况取 0.3～0.5。

4)水平、竖向地震作用标准值的效应SEhk，SEvk，在《抗震规范》及《高规》中提出“尚应乘以相应的增大系数或调整系数”。在构件截面抗震验算时，应乘以考虑地震作用组合的增大系数或调整系数;但柱轴压比计算为抗震构造措施，可不考虑增大系数或调整系数，见《混凝土规范》第 11.4.6条。

5)风荷载组合值系数 ψw，一般结构取 0.0，风荷载起控制作用的高层建筑应采用0.2，见《抗震规范》第5.4.1条;60m以上的高层建筑时ψw应取用0.2，见《高规》第5.6.3条及表5.6.4。

根据《高规》第 3.2.2条及其条文说明，60m以上的高层建筑，其基本风压w0应按 100年重现期采用。

6)《抗震规范》第 5.1.3条中未明确工业建筑重力荷载代表值计算时楼面活荷载组合值系数的取值。建议原则上按实际情况考虑，即组合值系数取1.0;当采用等效均布活荷载替代时，可根据实际情况取大于一般民用建筑的组合值系数，建议按照《荷载规范》第4.2.3条规定的楼面活荷载组合值系数减去0.2，即: ψEC=ψC-0.2。

7)在现有计算程序电算中，取用《抗震规范》表 5.1.3组合值系数时，无法区分楼面活荷载的性质，也无法判定计算顶层与实际设计屋面的关系。在电算中建议，各类楼面活荷载组合值系数一般情况下取用 0.5，对藏书库、档案库可将楼面活荷载乘以0.8/ 0.5=1.6的折算系数后进行整体简化计算，并将结构计算顶层作为屋面考虑。

1.2 无地震作用组合下柱的轴压力设计值计算

对不进行地震作用计算的结构，如《抗震规范》第 3.1.4条及5.1.6条或《混凝土规范》第 11.1.2条规定的抗震设防烈度为 6度的建筑，《抗震规范》第 3.1.4条规定的 7度，Ⅰ，Ⅱ类单层工业厂房等，柱轴压力设计值 N应按无地震作用的荷载效应组合设计值计算，按照《荷载规范》第 3.2.3条或《高规》第5.6.1条有关公式进行计算，注意事项及建议如下:

1)柱轴压力设计值N，应取由永久荷载效应控制的组合与由可变荷载效应控制的组合中的最不利值。用《荷载规范》式(3.2.3-1)，式(3.2.3-2)与《高规》式(5.6.1)进行计算时没有本质区别，只是《高规》式(5.6.1)对各种荷载效应控制作用时的活荷载组合值系数ψQ及风荷载组合值系数ψw给出具体取值，如 ψQ取 0.7 (或0.9)时与《荷载规范》表 4.1.1中的 ψc取值相同，ψw取0.6时与《荷载规范》第 7.1.4条的规定相同。

2)工业建筑的楼面活荷载及其组合值系数取值，可按《荷载规范》第4.2.1条～第 4.2.3条考虑，楼面局部荷载的等效均布活荷载计算按《荷载规范》附录 B确定。对标准值大于 4 kN/m2的工业房屋楼面活荷载，其可变荷载分项系数取 1.3，见《荷载规范》第3.2.5条。

2 剪力墙墙肢的轴压比计算

抗震设计时，一、二级抗震等级的剪力墙底部加强部位，应验算其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比限值是否满足《混凝土规范》第 11.7.13条、《抗震规范》第6.4.5条或《高规》第 7.2.14条的规定。

剪力墙墙肢的轴压力设计值应按重力荷载代表值作用下进行计算，按《抗震规范》式(5.4.1)或《高规》式(5.6.3)中的S= γGSGE进行计算。

注意事项及建议如下:

1)有关γG，SGE的取值或计算注意事项见 1.1节所述。

2)当剪力墙墙肢底截面轴压比小于《混凝土规范》表 11.7.14或《抗震规范》表 6.4.6的规定值时，一、二级抗震墙底部加强部位及相邻的上一层可按《混凝土规范》第 11.7.16条或《抗震规范》第6.4.8条的规定设置构造边缘构件;但《高规》第 7.2.15条规定，一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应按《高规》第 7.2.17条的要求设置约束边缘构件。建议在《高规》修订时适当放松，与《混凝土规范》《抗震规范》的要求一致。

3)规范未规定三级抗震等级的剪力墙墙肢轴压比限值，建议补充三级抗震等级的剪力墙墙肢的轴压比限值的规定，取值可参见《北京市建筑设计细则(结构专业)》表 5.5.2-3，三级抗震等级取0.7。对于独立墙肢，当hw/bw≤5时，其轴压比限值，一、二级时不宜大于《高规》表7.2.14的限值减0.1，三级时不宜大于0.6。

3 水平地震作用标准值计算

水平地震作用采用底部剪力法计算时，各楼层可仅取一个自由度，结构总水平地震作用标准值FEk，应按《抗震规范》式5.2.1-1或《高规》式B.0.1-1的FEk=α1Geq进行计算，其中结构等效总重力荷载 Geq，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取重力荷载代表值的 85%。重力荷载代表值应按《抗震规范》第 5.1.3条规定进行计算。

4 竖向地震作用计算

抗震设防烈度为 9度时的高层建筑、8度和 9度时的长悬臂和大跨度结构、8度时的带转换层的高层建筑的转换构件及连体结构的连接体等，均应考虑竖向地震作用的影响。

这些情况都涉及到有关重力荷载代表值的计算。结构内力组合设计值的计算见《抗震规范》式(5.4.1)或《高规》式(5.6.3)。在构件截面抗震验算时，内力组合设计值应取重力荷载及竖向地震作用组合与重力荷载、水平地震及竖向地震作用(60m以上的高层建筑应考虑风荷载作用)组合的最不利值，并注意水平、竖向地震作用标准值的效应SEhk，SEvk尚应乘以相应的增大系数或调整系数。

有关重力荷载代表值应按《抗震规范》第 5.1.3条计算，其中竖向地震作用标准值的计算如下。

4.1 抗震设防烈度为 9度时的高层建筑竖向地震作用标准值计算

抗震设防烈度为 9度时的高层建筑，结构总竖向地震作用标准值FEvk，应按《抗震规范》式(5.3.1-1)或《高规》式(3.3.14-1)的FEvk=αvmaxGeq计算，其中竖向地震影响系数的最大值αvmax可取水平地震影响系数的最大值 αmax的 65%，结构等效总重力荷载Geq应可取其重力荷载代表值GE的 75%。