不同规范之间荷载效应组合对比研究

孙会昭

(河北中嘉工程检测技术有限公司,石家庄 050000)

结构设计中荷载效应组合涉及荷载及荷载分项系数的取值。在进行建筑结构及构件设计时,不同的设计情况需采用不同的荷载效应组合。其主要涉及两种设计状况,即持久设计状况与短暂设计状况(非抗震设计状况、抗震设计状况)[1]。在不同规范之间,关于荷载分项系数取值和荷载效应组合的规定不完全相同[2-5]。本研究针对不同规范之间关于荷载效应组合的相关规定进行对比,得出采用不同规范进行荷载组合的误差大小。

1 《建筑结构荷载规范》对荷载效应组合(持久设计状况和短暂设计状况)的相关规定

依据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012相关规定,对一般的民用建筑进行持久设计状况和短暂设计状况进行结构设计时需采取荷载的基本效应组合。其中3.2.3条规定,荷载的基本效应组合应取由可变荷载控制的效应设计值和由永久荷载控制效应设计值的较大值。

根据《建筑结构荷载规范》,由可变荷载控制的效应设计值计算公式为:

(1)

对于一般的多层民用建筑,结构设计使用年限为50年,只考虑一种永久荷载(恒载)。

当楼面活荷载起控制作用时,则公式(1)为:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×SQ楼面k+1.4×1.0×0.6×SQ风k=1.2SGk+1.4SQ楼面k+1.4×0.6SQ风k

(2)

当风荷载起控制作用时,则公式(1)为:

Sd=1.2×SGk+1.4×1.0×SQ风k+1.4×1.0×0.7×SQ楼面k

(3)

根据《建筑结构荷载规范》,由永久荷载控制的效应设计值计算公式为:

(4)

对于一般的多层民用建筑,结构设计使用年限为50年,只考虑一种永久荷载(恒载)。

当楼面活荷载起控制作用时,则公式(4)为:

Sd=1.35×SGk+1.4×1.0×0.7×SQ楼面k+1.4×1.0×0.6×SQ风k

(5)

2 《高层建筑混凝土结构技术规程》对荷载效应组合(持久设计状况和短暂设计状况)的相关规定

结合JGJ3-2012《建筑结构荷载规范》中的有关分项系数、组合系数规定,在持久设计状况和短暂设计状况下,荷载基本效应组合的设计值计算公式为:

Sd=γGSGk+γQγLψcSQk+γwψcSQk

(6)

对于一般的多层民用建筑,结构设计使用年限为50年。

由永久荷载效应起控制作用时,则公式(6)为:

Sd=1.35×SGk+1.4×1.0×0.7×SQ楼面k

(7)

由楼面活荷载效应起控制作用时,则公式(6)为:

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

(8)

由风荷载效应起控制作用时,则公式(6)为:

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

(9)

对于钢筋混凝土结构,显然是永久荷载效应起控制作用,即采用公式(7)进行构件设计。

3 《建筑结构可靠性设计统一标准》中的相关规定

其中第8.2.4条规定,荷载基本效应组合的设计值计算公式为:

(10)

对于一般的多层民用建筑,结构设计使用年限为50年,当结构未施加预应力时,只考虑一种永久荷载(恒载)。对于楼面(或屋面)活荷载及风荷载,根据《建筑结构可靠性设计统一标准》中第8.2.9、8.2.10条规定,式(10)即为:

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

(11)

4 《建筑抗震设计规范》中的相关规定

其中第5.4.1条规定,结构构件抗地震作用效应和其他作用效应的基本组合值的计算公式为:

Sd=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

(12)

对于小于60 m的一般多层民用建筑,只考虑一种永久荷载(恒载)。楼面(或屋面)活荷载,风荷载组合值系数为0 ,仅计算水平地震作用时,式(12)即为:

Sd=1.2×SGE+1.3×SEhk

(13)

5 《建筑与市政工程抗震通用规范》中的相关规定

其中第4.3.2条规定,结构构件抗震验算的组合内力设计值应采用地震作用效应和其他作用效应的基本组合值,荷载基本效应组合的设计值计算公式为:

Sd=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+∑γDiSDik

+∑ψiγiSik

(14)

对于小于60 m的一般多层民用建筑,只考虑一种永久荷载(恒载)。楼面(或屋面)活荷载,风荷载组合值系数为0,仅计算水平地震作用时,式(14)即为:

Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk

(15)

综上所述,对于小于60 m的一般多层民用建筑,考虑《建筑结构荷载规范》《高层建筑混凝土结构技术规程》及《建筑结构可靠性设计统一标准》,持久设计状况和短暂设计状况(非抗震设计状况)中,荷载基本效应组合的设计值应采取公式(11)进行计算,即:

Sd=1.3×SGk+1.5×SQ楼面k+1.5×0.6×SQ风k

(16)

如侧重考虑《高层建筑混凝土结构技术规程》(由永久荷载效应起控制作用时),则式(16)变为

Sd=1.3×SGk+1.5×SQ楼面k

(17)

考虑《建筑抗震设计规范》《建筑与市政工程抗震通用规范》,抗震设计状况下,荷载基本效应组合的设计值应采取公式(15)进行计算,即:

Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk

(18)

就公式(11)和公式(17)的误差进行比较分析。对于框架梁跨中截面,有可能是非抗震组合起控制作用,对某五层框架结构一榀框架中各层框架梁跨中截面控制弯矩分别采用两个公式进行比较分析。

算例:某框架平面如图1所示,框架柱截面尺寸600×600 mm2,框架梁截面如图所示。风荷载标准值取0.35 kN/m2,假定层高取3.6 m,楼面活荷载取2.0 kN/m2(走廊处取2.5 kN/m2),楼面面层取2.0 kN/m2,屋面面层取4.0 kN/m2,屋面活荷载取0.5 kN/m2,所有外墙线荷载取12 kN/m,内墙只在轴线上布置(B～C周无线荷载),取7.5 kN/m,女儿墙线荷载取6 kN/m。现选取2轴作为计算单元进行内力计算。分别得到永久荷载作用下一榀框架的弯矩(图2)、活荷载作用下一榀框架的弯矩(图3)、风荷载作用下一榀框架的弯矩(图4)。图中zs表示柱上端弯矩,zx表示柱下端弯矩。

图1 框架平面Fig.1 Frame plane

图2 永久荷载作用下一榀框架的弯矩Fig.2 Bending moment of the frame under permanent load

图3 活荷载作用下一榀框架的弯矩Fig.3 Bending moment of the frame under live loading

图4 风荷载(2轴方向)作用下一榀框架的弯矩Fig.4 Bending moment of the frame under wind loading(2 axis direction)

对AB跨进行比较分析,采用公式(11)计算如下:

1层跨中弯矩近似为M=1.3×53.6+1.5×13.1

+1.5×0.6×4.3=93.2 kN·m

2层跨中弯矩近似为M=1.3×51.5+1.5×12.6

+1.5×0.6×2.8=88.37 kN·m

3层跨中弯矩近似为M=1.3×52.3+1.5×12.7

+1.5×0.6×2.2=89.02 kN·m

4层跨中弯矩近似为M=1.3×50.4+1.5×12.9

+1.5×0.6×1.3=86.04 kN·m

5层跨中弯矩近似为M=1.3×62.4+1.5×3.8

+1.5×0.6×0.7=87.45 kN·m

采用公式(17)计算如下:

1层跨中弯矩近似为M=1.3×53.6+1.5×13.1

=89.33 kN·m

2层跨中弯矩近似为M=1.3×51.5+1.5×12.6

=85.85 kN·m

3层跨中弯矩近似为M=1.3×52.3+1.5×12.7

=87.04 kN·m

4层跨中弯矩近似为M=1.3×50.4+1.5×12.9

=84.87 kN·m

5层跨中弯矩近似为M=1.3×62.4+1.5×3.8

=86.82 kN·m

采用公式(11)和公式(17)得到的每层误差如下:

6 结论

最大误差发生在第1层,为4.15%,而工程小于5%为可接受范围,故在60 m以下的多层混凝土框架结构持久设计状况和短暂设计状况(非抗震设计状况)下,荷载基本效应组合设计值可采用公式Sd=1.3×SGk+1.5×SQ楼面k进行计算。在抗震设计状况下,荷载基本效应组合设计值应采取公式Sd=1.3×SGE+1.4×SEhk进行计算。