淺談建筑結構荷載

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　　摘要：本文介紹了建筑荷載的主要類型，相應的特性，以及設計上要如何更加合理的考量，確保建筑結構的安全性能。

　　關鍵詞：建筑、荷載、結構

　　衣食住行是反應人類生存質量最重要的四個方面，杜甫在其詩歌“茅屋為秋風所破歌”中寫到：“安得廣廈千萬間，大庇天下寒士俱歡顏”的感慨，也說明了住房對人類的重要性。建筑是人類抵御外部惡劣環(huán)境的庇護所，隨著人類的科技進步，對自然環(huán)境以及房屋建造技術的了解越來越深入。在如何建造一個安全，舒適的建筑有了更加明確的建造標準。而這些要求，對滿足我們日常的使用要求具有著重大的意義。而結構則是所有功能的基礎。只有結構安全了，舒適和節(jié)能等功能才有意義。

　　了解作用在建筑結構上的荷載是非常重要的，只有在充分了解外部作用力的時候，才有可能設計出合理的結構，確保建筑物的安全。

　　2. 作用建筑物上的主要荷載

　　荷載是指建筑自身或外部環(huán)境作用于建筑物上的力，建筑結構安全就是要分析這部分的作用，然后在設計上加以結構計算，確保作用力的組合在建筑物自身能夠承擔的范圍之內。作用在建筑物上的荷載，主要有以下幾種類型：

　　a. 自重

　　自重是指建筑物構件自身的重量，包括主體結構的墻、梁、柱、樓板等建成后就固定不變的作用力。自重荷載有兩個主要特點，第一：它永遠是垂直向下的;第二：在建筑使用周期內，它是一直存在的。主體結構采用的材料主要由兩種，一種是鋼筋混凝土，還有一種是鋼結構，或者是兩種材料的組合。鋼筋混凝土（詞條“混凝土”由行業(yè)大百科提供）的容重通常為25KN/m^3到27KN/m^3之間。鋼結構的重量大約為78.5KN/m^3。

　　b. 風荷載

　　風荷載是指在風的作用下，垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。它是高層建筑最重要的荷載之一，特別是對外維護結構更是如此。

　　得到建筑物的風荷載通常有兩種方式，一種是根據(jù)所在國家的建筑荷載的設計標（詞條“設計標”由行業(yè)大百科提供）準中有關風荷載的計算方法來計算;還有一種就是通過風洞試驗或者進行相應的分析得到，風洞試驗(如圖一)是按比例建造建筑物和現(xiàn)有外部環(huán)境的模型，在模型上設置感應器，放置在一個可以轉動的轉盤上，然后再放到風洞試驗臺上，再試驗過程中通過旋轉模型轉盤，得到不同朝向風作用下最大作用數(shù)據(jù)，然后再分析得出建筑物在設計周期內的最大風壓值。以上這兩種都是要根據(jù)當?shù)氐臍庀筚Y料進行分析，所以氣象資料數(shù)據(jù)對建筑設計風壓的取值是至關重要的。

圖一：某項目風洞試驗模型

　　風荷載具有以下幾個特點：

　　1) 風荷載作用力的方向永遠是垂直于立面的。這是由空氣特性決定的。

　　2) 風荷載有正風壓和負風壓的區(qū)別。正風壓是是指面向立面的風壓，負風壓是指立面朝外的風壓，這是由內外壓力差造成的，通常來說負風壓的數(shù)值會比正風壓更大。

　　3) 通常建筑物角上部位的風壓比中部的風壓大。這是因為在角落部位的風環(huán)境更加復雜，風速變化差異更大，導致風壓更大。而且通常是負風壓起主導作用。

　　4) 一般最大風壓不是發(fā)生在建筑的最高處。根據(jù)一般的理論計算，通常是越高處的風壓大于低處的風壓，按照這種計算方法，最大風壓肯定是發(fā)生在建筑物的最高處。但是實際上可能并非如此。根據(jù)大量風洞試驗結果，一個建筑物的最大風壓通常發(fā)生在建筑中部變化比較大的部位，或者和附近建筑物產(chǎn)生相互影響的部位，特別是塔樓（詞條“塔樓”由行業(yè)大百科提供）接近副樓或裙樓（詞條“裙樓”由行業(yè)大百科提供）的部位發(fā)生最大風壓的可能性較大。圖二為一個項目通過風洞試驗測試后得出的結果，我們發(fā)現(xiàn)最大風壓發(fā)生在中部造型變化的部位。

圖二：某項目風洞試驗測試結果

　　根據(jù)伯努利方程，風速和風壓的作用關系如下：

　　風的動壓為 Wp=0.5·ro·v2

　　其中Wp為風壓[kN/m2]，ro為空氣密度[kg/m3]，v為風速[m/s]。

　　由于空氣密度(ro)和重度(r)的關系為 r=ro·g, 因此有 ro=r/g。得到 Wp=0.5·r·v2/g (2) ，此式為標準風壓公式。

　　在標準狀態(tài)下(氣壓為1013 hPa, 溫度為15°C), 空氣重度 r=0.01225 [kN/m3]。按照重力加速度g=9.8[m/s2], 我們得到 Wp=v2/1600 ，這個公式一般用來計算風速和風壓的關系。

　　我們沿海的城市，每年都要多次面對臺風的影響，對城市都造成比較大破壞，所以人們潛意識里，覺得臺風的風壓特別大。但經(jīng)過計算分析，我們會發(fā)現(xiàn)雖然這些風壓給人感覺上很大，但和實際設計風壓還有一定的差距。以下是臺風等級，風速和壓力的對照表：

　　一般來說，達到或者16級臺風是很少的，而對于沿海城市，一般來說風壓設計的標準值都會大于表中的風壓，再乘上設計的分項系數(shù)，以及材料考慮的安全系數(shù)，只要是滿足正常設計標準和施工要求的建筑，出現(xiàn)結構安全問題的幾率應該是非常低的。

　　c. 地震荷載

　　世界各地經(jīng)常會發(fā)生一些地震，每次大的地震對建筑物都會造成比較大的破壞。所以地震荷載也是建筑設計中非常重要的荷載。地震作用的大小，通常是以地震烈度來考量的。通常設計考慮在6度到8度之間。針對地震的結構設計原則通常是按照“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三原則。通常設計方法上采用“強柱弱梁”的設計方法，這樣能確保在地震作用下，能夠即使發(fā)現(xiàn)，并有一定的逃生時間。

　　由于地震荷載和建筑物的重量是成正比的關系。所以如何降低建筑物的重量，特別是超高層建筑的自重，在結構設計上要非常注意。這也是超高層建筑都采用幕墻的原因之一，采用幕墻可以有效的降低建筑物的自重，在地震荷載作用下，也能夠更加的安全。

　　地震和最大風壓同時發(fā)生的可能性非常小，所以設計上可以分別考慮兩種荷載作用下，哪一種起到主導作用。沒必要把兩個最不利的數(shù)值進行疊加。

　　d. 活荷載

　　活荷載是指建筑物在使用過程中，可能產(chǎn)生變化的最大容許荷載。例如樓層中人員的走動，以及一些設備的移動和變化等，都是活荷載需要考慮的內容。在樓板和梁的設計中，活荷載是最重要的指標之一，設計中除了要考慮本跨度內的活荷載的作用，有時候還要考慮到相鄰的一個或者多個跨度活荷載的影響。

　　對于邊部的梁或樓板，活荷載作用下的最大變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）值，還會影響到幕墻的設計。如果活荷載作用下的邊梁(或板)的變形值過大，設計的幕墻系統(tǒng)也必須要具有吸收這種變形值的能力，否則就有可能造成幕墻系統(tǒng)在極端情況下破壞。例如通常的單元式幕墻系統(tǒng)能吸收的垂直方向的變形是20mm左右，而現(xiàn)在很多建筑設計上考慮的是大跨度和薄樓板，這種情況下，活荷載作用下的變形值很可能超過20mm。結構設計不是只要滿足自身規(guī)范標準就好，還需要考慮到不同專業(yè)的特殊需求。只有各個專業(yè)密切配合，才可能設計處最合理的結構體系。

　　e. 其他荷載

　　作用在建筑物上面還有其他可能的荷載。根據(jù)建筑所處的位置，以及外部的環(huán)境的不同，需要根據(jù)實際情況來做相應的設計。

　　雪荷載是比較常見的荷載之一，特別是北方的建筑，雪荷載很多時候起控制作用。還有就是建筑的雨蓬等部位，在雪荷載作用比較大的情況下，比較容易出現(xiàn)傾覆等結構問題。

　　沖擊荷載也是建筑使用過程中容易出現(xiàn)的荷載。特別是欄桿，外墻，雨蓬等部位，需要考慮沖擊荷載的影響。

　　除了以上這些荷載，根據(jù)建筑所處的實際情況分析，還可能有土荷載，水荷載，吊車荷載，溫度作用等特殊的荷載類型，在設計過程中要充分的考慮這些荷載的影響，不要遺漏，避免可能出現(xiàn)的結構隱患。

　　3. 結構設計上如何考慮荷載的作用

　　我們了解了建筑物上需要考慮的荷載，但在結構設計上如何考慮這些荷載的作用，才能確保結構的安全呢?在建筑結構設計上，我們要考慮以下兩個方面：

　　a. 荷載的取值

　　荷載的合理取值是建筑結構設計非常重要的。國家標準《建筑結構荷載荷載規(guī)范》對每一種類型的荷載，不管是計算方法，還是取值標準，都做了詳細的規(guī)定。設計上必需滿足這些規(guī)范要求的最低標準來執(zhí)行。

　　當然，標準是死的，是最低要求，我們在實際設計過程中，也可能會出現(xiàn)超出標準要求的情況，這樣就需要根據(jù)實際情況，選取合理的荷載數(shù)值。

　　b. 組合及荷載分項系數(shù)

　　我們知道建筑物上的荷載作用，但是有些作用都不是單獨發(fā)生，有可能同時發(fā)生，二同時發(fā)生的概率也不大一樣。例如，自重是必然存在的，風荷載和地震是偶然發(fā)生的，活荷載是隨著時間和使用狀態(tài)變化的。如何將他們合理的組合，既能確保建筑的安全，又不會出現(xiàn)特別浪費的現(xiàn)象，是每一個結構工程師需要關注的重點。

　　荷載組合值系數(shù)的計算方法通常涉及‌分項系數(shù)和組合系數(shù)的確定。分項系數(shù)是根據(jù)荷載標準值計算各種結構所獲得相近的可靠度系數(shù)而確定的，而組合系數(shù)則是根據(jù)不同荷載隨機概率降低的原則確定的

　　對于永久荷載（詞條“永久荷載”由行業(yè)大百科提供）(如自重荷載)，要分兩種狀況，當其效應對結構不利時，對由可變荷載效應控制的組合取分項系數(shù)γG=1.2，對由永久荷載效應控制的組合取γG=1.35。當其效應對結構有利時，一般情況下取γG=1.0，但在驗算傾覆、滑移或漂浮時取γG=0.9。‌

　　對于可變荷載(如風荷載、雪荷載)，一般情況下取分項系數(shù)γQ=1.4。

　　荷載分項系數(shù)是根據(jù)荷載標準值計算各種結構所獲得相近的可靠度系數(shù)而確定的。組合系數(shù)則是根據(jù)不同荷載隨機概率降低的原則確定。對于以永久荷載為控制的效應設計值和以可變荷載控制的效應設計值是不一樣的。例如對于維護結構的組合，一般來說，其主要作用是風荷載起主導作用，在考慮地震作用時，它的組合如下：

　　c. 材料力學性能及安全系數(shù)

　　在荷載作用及組合明確的前提下，如何確定它是不是在合理的范圍以內?這就設計到所采用的建筑材料的力學性能，如何取值，以及采用什么樣的安全系數(shù)才更加合理的問題。

　　現(xiàn)在結構計算采用的理論基本上是極限狀態(tài)法，針對不同的材料(如鋼筋，混凝土，鋼材，鋁型材，玻璃等)，不同的受力狀態(tài)下(如受壓，受拉，受彎，受剪等)都需要設定合理的強度設計值。通常來說，脆性材料(如玻璃，石材，陶板等)需要更高的安全系數(shù)。

　　為了避免由于設計和施工過程中可能出現(xiàn)的不周和瑕疵，針對不同的材料，設計上還會設定一定的構造要求，以確保結構真正的達到安全可靠。

　　4. 結語：

　　雖然荷載標準對建筑結構的荷載取值和組合都有明確的規(guī)定，但是由于每個建筑物使用的功能也有較大的差異性，如何根據(jù)建筑自身特點以及使用的功能要求，設定合理的設計荷載值，在確保結構安全的前提下，又不造成建筑材料的浪費，是擺在每個建筑結構設計工程師面前的難題。只有提升專業(yè)能力，深刻了解建筑及其所在的環(huán)境，以及細分使用功能的前提下，才能讓每個建筑都更加的安全可靠。

　　參考資料：

　　1. GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》

　　2. JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》

　　3. DGJ08-56-2012 上海市工程建設規(guī)范《建筑幕墻工程技術規(guī)范》