设计中的荷载谈

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简介： 设计建筑物必须考虑的荷载可分为 恒载,竖直活荷载和侧向活荷载.恒载包括永久设备的重量和建筑物的固定构件(如楼板,主梁,次梁,柱.固定墙.间壁等等)的重量.除了恒载以外的所有竖直荷载都可算是竖直活荷载.侧向活荷载是由于风压,土压,和静水压力作用引起的外力.可能的地震效应也是侧向荷载.吊车活动产生的动力效应也部分地计入侧向荷载.
关键字：结构设计 荷载分布 设计经验

    恒载

    结构框架和所有固定在它上面或永久被它所支撑的建筑构件的重量都是恒载.通常根据表示结构和建筑布置的初步设计,既可合理的估算出建筑物的总重量.这一资料在分析总估算地震荷载约值和确定基础荷载等计算步骤中是必要的.如实际计算的总重量和最初估算的数值有较大差异时,在最后设计中不可忽视对初步估算的修正.

    为设计个别杆件,通常需要更详尽的横甾分析.这种分析从直接支撑活荷载的杆件(楼板和屋盖系统)沿着应力的传递路径(主次梁和柱),一步一步地进行到地基.一个杆件承受的荷载只有在这个杆件本身及其所支撑的部分结构设计出来以后才能确定.因此,每一杆件的实际恒载应予出、核对和修正;只有在作出必要的校正之后才能继续进行设计.

    有关建筑材料重量的数据载入各地区建筑规范中.

    下面说一下楼面和屋面荷载.

    设计任何大楼所需的楼面和屋面的最小活荷载,在对该建筑场地起支配作用的建筑规范中通常都有规定.建筑规范分地方市政规范,国家规范,地区规范和通用标准规范.设计各式各样的建筑物所需最小活荷载代表值可查<楼房和其它结构最小设计荷载建筑规范要求>.

    除了这些均布荷载外,楼板设计还应考虑安全承受可能产生较大应力的某些集中荷载.例如在设计办公楼楼面时,每2.5平方英尺的面积上要承受2000磅的荷载,以承受保险柜或其他沉重设备的重量;楼梯踏步必须安全承受作用在其中心的300磅荷载.规定的均布荷载和集中荷载都留有余量以承受平常的碰撞.承荷面积在150平方英尺以上的构件,当活荷载在100磅/英尺2以下时,允许作某些折减,原因是在全部承荷面积少年宫不太可能同时满载.折减率按每平方英尺承荷面积折减0.08%计.公共场所,车库和屋顶除外.折减不得超过60%或按下式算出的百分数.

                             23(1+D/L)

其中D是构件支撑的每平方英尺面积上的荷载,L是活荷载.荷载超过100磅/英尺2是楼面荷载不得折减(这是仓库和工厂的特点,她们可能在全部面积上都同时承受荷载),而柱荷载可降低20%.

    不能总是采用规定的最小活荷载.要考虑使用方式,可能的荷载值应尽量计算准确.对于存储重物的仓库可以取500磅/英尺2或者更高一些;特殊重型机械制造厂可以大大超过125磅/英尺2;对于一切位置固定的重型集中荷载要做出特殊规定.

在各种情况下,总的设计荷载中必须包括楼板的自重.若要求顶棚抹灰,荷载通常还可增加大约10磅/英尺2.另外还需包括楼板填充物和面层,以及悬挂荷载如管道及灯具设备等.如果间壁的位置不定.另加10-20磅/英尺2的附加荷载.

    设计房屋屋面的雪荷载,同样也是由地方建筑规范规定的.雪荷载是根据一定时期内当地降雪的厚度和密度统计出来的.规定最小屋面荷载为20磅/英尺2,以保证施工和维修的安全以及适当的刚度.任何个别地区通常都有更为详细的雪荷载资料. 

竖直活荷载

由于有人居住使建筑物承受的荷载以及屋盖表面上的雪荷载都是竖直活荷载.使用荷载包括人,家具,机器,库存物资和其他类似项目.建筑物内部的活荷载常被认为是均匀分布的.

雪荷载的大小取决于结构的位置,屋顶坡度和建筑物与风向的相对方位.各地区建筑规范通常都有关于雪荷载的条文.

虽多次试图把使用活荷载的规定标准化,但各建筑规范中有关此项的条文仍然各不相同.

虽多次试图把使用活荷载的规定标准化,但各建筑规范中有关此项的条文仍然各不相同.

根据使用情况,将各种规定分类如下:

1.     居住建筑(包括旅馆)

2.     公共机构建筑(医院,疗养院,监狱)

3.     集会建筑(剧院,礼堂,教堂,学校)

4.     实业建筑(办公大楼)

5.     商业建筑(大小商店和售货处)

6.     工业建筑(制造厂,加工厂,装配厂)

7.     仓库建筑(库房)

  水平荷载

    作用在建筑物框架上的水平荷载主要是由风压引起的.另外,地震产生水平摇摆,这种摇摆形成的惯性力也沿水平方向作用在结构上.大量观察表明,对结构的地震破坏影响最大的是这些水平力,而不是同时发生的地面竖向震动.因此,高震区地方建筑规范要求结构设计必须能抵抗相应的水平力.

    准确估计风荷和地震荷载是非常困难的.目前大多数建筑规范都规定了每平方英尺竖向墙面的设计风压.根据当地情况,风压变化范围大约是从10-15磅/英尺2.涉及到地震作用力时,现行规范通常规定地震多发区建筑的设计应能抵抗相应的水平力,这个水平力按所计算的楼层以上建筑物总荷载的规定百分率进行计算.此值约为该总荷载的百分之十几.

    风压一般根据与某结点相连的外墙承荷面积计算该点的荷载,也就是根据相临框架之间的竖向中心线和各层楼板标高之间的水平中心线所围成的矩形面积进行计算.地震力也以相同方法把力分配到各个结点上.这些分布不很准确,特别如果外力不作用在框架平面内,而且结构的外轮廓在平面上和立面上都不规则时.尤其是实际风力分布与假定迎风墙上风压的均匀分布经常有很大出入.

    建筑物根据其类别和形式以不同的方式抵抗水平荷载.较古老的建筑由于有巨大的承重墙,它们同悬臂梁一样抵抗水平力(荷载作用在墙的平面内).采用整体剪力墙的现代钢筋混凝土建筑物也有同样作用.许多现代框架建筑物仅有轻质幕墙,这些幕墙是不承重的,不能有效地抵抗结构的侧向变形.在这种情况下,水平荷载只能由框架本身承受.无论在什么情况下,楼板和屋盖都起着重要作用,它们把水平荷载传递给框架结点或剪力墙上.它们起刚性隔板作用,使给定标高处所有框架或墙的横向位移大致相等.

    对于恒载荷和活荷载以及风载或地震荷载的组合,必须承认全部水平荷载与最不利位置的活荷载不可能同时发生.此外,由于最大水平荷载的偶然性和暂时性,它所产生的破坏力也比相同荷载多次多次和长期作用所造成的破坏力要小.因而,与恒载和活荷载的主要作用相比,多数建筑规把风荷载和地震力当作和活荷载组合时,通常的荷载系数可减少25%.

风荷载和地震力的大小和分布变化无常.要进行比荷载资料更为精确的分析和作其它设想都是没有用处的.由此可见,对水平荷载作用的精心分析常常是不必要的,使用近似方法已十分令人满意了.

    荷载组合

    在设计屋盖桁架和单层框架时,结构承受的荷载包括恒载和风雪活荷载.通常根据以下荷载组合所产生的应力进行设计:

    Ⅰ  恒载+雪载

    Ⅱ  恒载+风载

    Ⅲ  恒载+风载+雪载

    Ⅳ  恒载+风载+部分雪荷载

    由于雪的飘移,有时考虑部分雪荷载,在房屋有高低跨时可能发生这种情况.由于有风,较高的屋面上的一部分雪可能被刮掉,但刮走的雪可能积在低屋面上,其结果使建筑物较低一侧的雪荷载可能比正常情况要大.

    另一些荷载组合也需加以考虑.在选择适当的荷载组合时,永远需要一定程度的工程技术判断力.

    在多层建筑中,应力是根据下列组合确定的:

   Ⅰ  恒载+活载

    Ⅱ恒载+活载+风或地震荷载

    活载是一种随机型荷载,它加于结构上时,会在每一单独杆件上引起最大的或临界的力矩和力.根据对多层框架杆件上的力矩进行定性影响线分析,可以看出全部恒载加全部活载的组合不一定总是临界荷载.图23-1所示荷载图通常称为”棋盘式荷载分布”,她可能对受荷跨的最大正力矩产生临界状况.

    美国钢结构学会规范第1.5和2.1节规定,当应力是有风力或地震力产生时,容许应力可增加33.3%塑性设计时,荷载系数自1.7减少为1.3.这些规定适用于屋盖的荷载组合Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ型,多层框架的荷载组合Ⅱ型.容许应力的增加也相当于考虑上述荷载组合值的3/4.因此临界荷载的选择,应在对表23-1所给各荷载组合产生的值进行比较的基础上来进行.