《建筑结构荷载规范》有关问题的探讨

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　内容摘要：本文探讨的是《建筑结构荷载规范》中有关荷载效应控制的组合、地下室抗浮、地下室外墙和底板的荷载组合以及消防车等效均布荷载的确定等内容。

一、 荷载效应控制的组合：
　　在《建筑结构荷载规范》（以下简称荷载规范）GB50007-2002中，增加了“由永久荷载效应控制的设计组合值”，其目的是使结构可靠度达到目标值。对于结构整体由电脑软件计算而言，是由可变荷载效应控制的组合确定荷载效应组合的设计值还是由永久荷载效应控制的组合确定荷载效应组合的设计值作为设计荷载，该项选择易如反掌。然而，对于一些需要人工计算的构件，如楼梯、悬挑板、简支楼板等，就要计算两种组合值来比较大小，取其大者作为设计值。
　　在设计中发现，如果构件的计算中只有一个活荷载，就可以通过简单的方法判定由何种荷载效应的组合值作为设计值。由于只有一个活荷载，所以，荷载规范的公式（3.2.3-1）可以写成：
　　　　　　　　S=γG SGK +γQ1 SQ1K ………. (1)
　　上式是由可变荷载效应控制的组合，其中：γG = 1.2， γQ1 =1.4 。
　　　　SGK --- 按永久荷载标准值GK 计算的荷载效应值。
　　　　SQ1K --- 按可变荷载标准值Q1K 计算的荷载效应值。
　　同时，由永久荷载效应控制的组合值的表达式（3.2.3-2）可以写为：
　　　　　　　　S=γG SGK +γQ1 ψC1 SQ1K ……… (2)
　　其中：γG = 1.35， γQ1 =1.4 ，ψC1 =0.7 。
　　为寻求（1）和（2）式的关系，可设（1）≥（2），各系数代入后，得到：
　　　　1.2 SGK +1.4 SQ1K ≥ 1.35 SGK +0.98 SQ1K ………. (3)
　　　　化简，得： SQ1K / SGK ≥ 0.36 ……… (4)
　　式（4）的意义在于只要可变荷载效应值与永久荷载效应值的比值大于0.36，设计值就是由可变荷载效应控制的组合值。反之亦然。为了方便记忆，0.36可以近似取为1/3，误差小于设计值的1%。因此，只要可变荷载效应值与永久荷载效应值的比值大于1/3，设计值就是由可变荷载效应控制的组合值。
　　以下是两个例外：
　　1． 活荷载标准值大于4KN/m2的工业厂房楼面结构
　　　　此时（2）式的 γQ1 =1.3 ，重复以上步骤，可得：
　　　　SQ1K / SGK ≥ 0.3 ……… (5) 
　　公式（5）的意义由读者自行体会。由于活荷载比较大，一般情况下，设计值就是由可变荷载效应控制的组合值。 
　　2． 荷载规范中表4.1.1中的第6、7项
　　该两项为书库、档案库、贮藏室、密集柜书库、通风机房、电梯机房等场所，其共同的特点是活荷载较大，所以，设计值也基本是由可变荷载效应控制的组合值。

二、 地下室抗浮验算：
　　由于曾经发生多起建筑地下室上浮事故，现在设计过程中，地下室的抗浮验算也显得十分重要。但在荷载规范中，除了在第3.2.5条说明结构抗浮验算时永久荷载的分项系数为0.9外，没有进一步明确应该按哪一个公式计算。显然，结构的抗浮计算的组合值不管是取可变荷载效应控制的组合还是取永久荷载效应控制的组合都显得不恰当。关键在于水浮力的分项系数如何取值？水浮力应算为永久荷载还是可变荷载？有人设计时将水浮力的分项系数取为1.2，也有的取为1.4。
　　在《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002中的第5.2.3条明确说明，抗浮的设计稳定性系数KS=1.05，抗浮验算时，抵抗力应只计入永久荷载作用，可变荷载和侧壁上的摩擦力不应计入，抵抗力采用标准值。在《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332-2002的第4.2.10条也说明：对埋设在地表水或地下水以下的管道，应根据设计条件计算管道结构的抗浮稳定。计算时各项作用均应取标准值，并应满足抗浮稳定性抗力系数不低于1.10。
借鉴市政结构规范的条款，笔者认为在抵抗上浮的结构永久荷载乘以0.9的前提下，地下水的浮力只需取标准值，当前者大于后者时，结构的抗浮验算就是安全的。用公式表示，则为：
　　　　　　　　γG SGK ≥ SWK ………. (6)
　　其中：γG = 0.9
　　　　SGK --- 按永久荷载标准值GK 计算的荷载效应值。
　　　　SWK --- 地下水对结构产生浮力的标准值。
　　结构的抗浮并不需要很大的安全度，（6）式与市政结构规范有关抗浮的安全度相当。地下水对建筑产生的浮力不会大于相同排水体量的物体浸入纯净水液所产生的浮力。

三、 筏板下的向上反力组合系数
　　对于采用筏板基础的建筑，其筏板下的反力比较单一，无论是全部由地基土承担还是部分由地下水的浮力承担，其反力总值是不变的。对于风荷载较小同时抗震设防烈度在6度及6度以下地区（比如武汉市），基础设计的荷载基本组合设计值一般取荷载标准组合值乘以1.35，即为《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002的公式（3.0.5-4）。在水平力比较小的情况下，作用于基础的竖向力主要由结构的永久荷载产生。所以，基础设计时应采用由永久荷载效应控制的基本组合。
　　对于采用桩基础（CFG桩除外）同时带地下室的建筑，筏板下的向上反力主要由地下水的浮力产生。此时地下水位的取值可为50年内最高的地下水位，而不是取为室外地面标高。在底板产生设计反力的地下水位与地下室整体抗浮的地下水位取值是可以不同的。因为虽然发生过地下室整体浮起的事故，却鲜见地下室底板受到地下水的上顶作用而发生破坏的现象。地下室底板设计时，地下水荷载的分项系数可取1.35，底板自重的分项系数取1.0。

四、 地下室外墙计算的荷载组合：
　　地下室外墙的平时荷载大致可分为三类，一是土的侧压力；二是地下水的侧压力；三是地面堆载或汽车荷载产生的侧压力。
　　该状况可以采用荷载规范公式（3.2.3-2）。荷载规范的第3.1.1条已经说明土压力为永久荷载，所以，地下室外墙计算时土的侧压力分项系数应为1.35；一般说来，地下水位的变化不是很快，在此处可视为永久荷载，地下水侧压力的荷载效应组合时分项系数可为1.35；地面堆载或汽车荷载产生侧压力的组合分项系数可取0.98或1.0。
　　关于地下室外墙计算的荷载组合存在一定的争议，笔者认为：既然是由永久荷载控制效应的组合，就应该按照荷载规范公式（3.2.3-2）计算。

五、 消防车等效均布荷载：
　　关于消防车的等效均布荷载，荷载规范中的表4.1.1写明：对于板跨不小于2米的单向板楼盖，取35.0 kN/m2；对于双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸不小于6m×6m）,取20.0 kN/m2。按照上述要求进行设计，结构板当然是安全的。 但是，考察消防车实际可能产生的荷载，感觉这个结果过于笼统，而且比较保守。
　　消防车等效均布荷载取值的困难在于其荷载作用的不确定性，即多台消防车排列的不确定性。理论上说，应该考虑到一切可能的不利荷载组合，但是，从实际消防现场看，消防车基本上是呈“一”字形纵向排列，侧面对着火灾现场，很难看到消防车横向排列。一般居住小区的道路也比较狭窄，两辆消防车的横向排列几乎不可能，况且消防车的侧面需要一定的操作空间。因此，地下室顶板消防车道的荷载，可以根据总图平面上道路的布置来考虑。一般情况下可以考虑为沿道路纵向排列。为了不致使荷载取值偏小，现考虑一台质量为30吨的消防车后轮的荷载作用，荷载作用区域取在使板在简支情况下跨中弯矩取得最大值的状态。30吨的消防车的平面尺寸见图一。后轮可以认为是四个荷载作用点，每一点的作用力为60kN，着地宽度及长度为0.6m×0.2m。

图一 300KN汽车车轮的平面尺寸(单位：m)

　　以下先考虑单向板的荷载状况。
　　1、单向板
　　本节是在满足下列条件时进行的计算，即板上覆土厚度：0；板面垫层厚度：s=50mm；混凝土顶板厚度：h=200mm。按荷载规范附录B—楼面等效均布活荷载的确定方法计算。
　　计算分为车行方向垂直于板跨方向（图二）和车行方向平行于板跨方向（图三）两种情况。计算方法同荷载规范的附录B， 计算结果详见表一。

图二(单位：m)

图三(单位：m)

表一： 一台30吨消防车后轮产生的等效均布荷载（kN/m2）

L(m)

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

图二方式

35.0

26.3

20.0

15.7

14.0

12.7

11.38

10.21

9.18

图三方式

35.0

22.7

18.59

16.6

14.66

12.9

11.4

10.17

9.05

　　表中，L=2m时取的规范值。
　　从表一看出，等效均布荷载随板跨度的增加而减小。两种车行方向的等效均布荷载基本相同，为便于设计，本文将上述两种情况产生的荷载统一取值，如表二所示，供设计参考。

表二： 一列消防车产生的最大等效均布荷载（kN/m2）

L(m)

≤2

 2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

 ≥6

等效荷载

 35.0

27.0

20.0

17.0

15.0

13.0

11.5

10.5

10.0

　　当L≥6m时，等效均布荷载均取为10.0 kN/m2，因为跨度越大，停车空间越大，车轮荷载排列组合的可能性越大，所以等效均布荷载不宜再折减。
　　2、双向板
　　计算消防车产生的等效均布荷载似乎不应有单向板与双向板的区别，就像一般楼板设计，楼面活荷载的取值应没有单向板与双向板之分。按荷载规范的计算方法，双向板的等效均布荷载取值小于单向板，而且计算比较复杂。作为板的设计来说，表二的取值既安全又方便。所以，笔者认为：双向板等效均布荷载的取值仍可以参照本文表二。
　　3、顶板梁
　　汽车荷载作用于梁上的分布情况比作用于板上要简单。仅将汽车后轮荷载作为集中力直接作用于梁上。本节探讨的是设计时按表二取值是否可以直接计算梁的配筋。
　　如果板的荷载按单向板的传力方向传给梁，按本文表二的荷载值可知梁允许承受的使用线荷载约为60 kN/m。若按双向板的最不利导荷方式传给梁—即荷载峰值出现在跨中的三角形荷载施加在梁上，这时的等效均布荷载约为荷载峰值的2/3，即40 kN/m。
　　（一）质量为20吨消防车的计算
　　一台质量为20吨的消防车，单排后轮，每个后轮的最大压力为65kN， 最不利的荷载作用一般为两个后轮同时压在梁上，按每个后轮的有效扩散线荷载长度为1.8米计算，则局部等效线荷载约为65/1.8=36.1 kN/m，该值小于上一段落所计算的40 kN/m，所以，对于质量为20吨的消防车，按本文表二的荷载值进行梁的配筋设计是偏于安全的。至于前轮荷载对计算梁的影响可以不考虑。理由如下：
　　① 如果板跨小于4米，前轮的作用点已不再本跨，因为前轮雨后轮的轴距为4米。
　　② 如果板跨大于4米，且板为单向板受力，则前轮对计算梁的影响较小，单向板的跨度一般小于7米，经计算，实际荷载仍小于60 kN/m。
　　③ 如果板跨大于4米，且板为双向受力，则前轮对计算梁的影响还是较小。除非板跨度比较大，顶板中双向板的跨度一般小于9×9米，此时前轮的作用点基本上在板的中间，计算梁的受力荷载小于40 kN/m。
　　当计算梁的两边均为双向板，且承受峰值出现在跨中的三角形荷载，即本梁的允许等效均布荷载为40 kN/m，当梁的跨度较小时应另作计算。设消防车后轮的一只轮子压在梁的跨中，应作配筋验算的跨度范围是L≤3.25m。此时梁的等效均布线荷载q应满足下式：
　　　　　　　　q ≥ 130/L （kN/m）
　　（二）质量为30吨消防车的计算
　　一台质量为30吨的消防车，双排后轮，每个后轮的最大压力为60kN， 车轮作用点见图一。因为质量为30吨的消防车目前数量很少，所以在考虑梁最不利荷载作用时可以只计算一台车的荷载。把双排后轮近似按单排后轮作用点考虑（此时道路的活荷载取为零），即在消防车可能通过的梁上施加两个集中力，力的大小均为120kN，两个集中力相距1.8m；当梁跨度小于3.6m时，只需将一个120kN的集中力加载于跨中。把由此计算的梁配筋与按表二荷载加在板上的梁配筋计算结果比较，取数值较大者作为梁的配筋。
　　4、覆土影响
　　混凝土板上覆土可以有效地减小消防车在地下室顶板产生的等效均布荷载，覆土越深，板上荷载的有效分布宽度就越大，等效均布荷载就越小。我们当然也可以做出在不同填土厚度情况下，类似表一的等效均布荷载。但是考虑到设计过程的方便、尤其是顶板和顶板梁的等效均布荷载应尽量一致，同时普通建筑的地下室顶板覆土厚度不大，所以，笔者建议不考虑板上覆土对结构计算的有利影响。

六、 结语
　　本文介绍了笔者在学习《建筑结构荷载规范》GB50007-2002的一些粗浅体会，内容纯属个人观点，旨在抛砖引玉。欢迎各方贤士共同探讨。

参考文献
　　⑴《建筑结构荷载规范》 GB50007-2002
　　⑵《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002
　　⑶《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002
　　⑷《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332-2002
　　⑸ 全国民用建筑工程设计技术措施《结构》2003 P14~16