《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》有關(guān)問(wèn)題的探討

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　內(nèi)容摘要：本文探討的是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中有關(guān)荷載效應(yīng)控制的組合、地下室抗浮、地下室外墻和底板的荷載組合以及消防車等效均布荷載的確定等內(nèi)容。

一、 荷載效應(yīng)控制的組合：
　　在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱荷載規(guī)范）GB50007-2002中，增加了“由永久荷載效應(yīng)控制的設(shè)計(jì)組合值”，其目的是使結(jié)構(gòu)可靠度達(dá)到目標(biāo)值。對(duì)于結(jié)構(gòu)整體由電腦軟件計(jì)算而言，是由可變荷載效應(yīng)控制的組合確定荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值還是由永久荷載效應(yīng)控制的組合確定荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值作為設(shè)計(jì)荷載，該項(xiàng)選擇易如反掌。然而，對(duì)于一些需要人工計(jì)算的構(gòu)件，如樓梯、懸挑板、簡(jiǎn)支樓板等，就要計(jì)算兩種組合值來(lái)比較大小，取其大者作為設(shè)計(jì)值。
　　在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，如果構(gòu)件的計(jì)算中只有一個(gè)活荷載，就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方法判定由何種荷載效應(yīng)的組合值作為設(shè)計(jì)值。由于只有一個(gè)活荷載，所以，荷載規(guī)范的公式（3.2.3-1）可以寫成：
　　　　　　　　S=γG SGK +γQ1 SQ1K ………. (1)
　　上式是由可變荷載效應(yīng)控制的組合，其中：γG = 1.2， γQ1 =1.4 。
　　　　SGK --- 按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值GK 計(jì)算的荷載效應(yīng)值。
　　　　SQ1K --- 按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Q1K 計(jì)算的荷載效應(yīng)值。
　　同時(shí)，由永久荷載效應(yīng)控制的組合值的表達(dá)式（3.2.3-2）可以寫為：
　　　　　　　　S=γG SGK +γQ1 ψC1 SQ1K ……… (2)
　　其中：γG = 1.35， γQ1 =1.4 ，ψC1 =0.7 。
　　為尋求（1）和（2）式的關(guān)系，可設(shè)（1）≥（2），各系數(shù)代入后，得到：
　　　　1.2 SGK +1.4 SQ1K ≥ 1.35 SGK +0.98 SQ1K ………. (3)
　　　　化簡(jiǎn)，得： SQ1K / SGK ≥ 0.36 ……… (4)
　　式（4）的意義在于只要可變荷載效應(yīng)值與永久荷載效應(yīng)值的比值大于0.36，設(shè)計(jì)值就是由可變荷載效應(yīng)控制的組合值。反之亦然。為了方便記憶，0.36可以近似取為1/3，誤差小于設(shè)計(jì)值的1%。因此，只要可變荷載效應(yīng)值與永久荷載效應(yīng)值的比值大于1/3，設(shè)計(jì)值就是由可變荷載效應(yīng)控制的組合值。
　　以下是兩個(gè)例外：
　　1． 活荷載標(biāo)準(zhǔn)值大于4KN/m2的工業(yè)廠房樓面結(jié)構(gòu)
　　　　此時(shí)（2）式的 γQ1 =1.3 ，重復(fù)以上步驟，可得：
　　　　SQ1K / SGK ≥ 0.3 ……… (5) 
　　公式（5）的意義由讀者自行體會(huì)。由于活荷載比較大，一般情況下，設(shè)計(jì)值就是由可變荷載效應(yīng)控制的組合值。 
　　2． 荷載規(guī)范中表4.1.1中的第6、7項(xiàng)
　　該兩項(xiàng)為書庫(kù)、檔案庫(kù)、貯藏室、密集柜書庫(kù)、通風(fēng)機(jī)房、電梯機(jī)房等場(chǎng)所，其共同的特點(diǎn)是活荷載較大，所以，設(shè)計(jì)值也基本是由可變荷載效應(yīng)控制的組合值。

二、 地下室抗浮驗(yàn)算：
　　由于曾經(jīng)發(fā)生多起建筑地下室上浮事故，現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，地下室的抗浮驗(yàn)算也顯得十分重要。但在荷載規(guī)范中，除了在第3.2.5條說(shuō)明結(jié)構(gòu)抗浮驗(yàn)算時(shí)永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)為0.9外，沒(méi)有進(jìn)一步明確應(yīng)該按哪一個(gè)公式計(jì)算。顯然，結(jié)構(gòu)的抗浮計(jì)算的組合值不管是取可變荷載效應(yīng)控制的組合還是取永久荷載效應(yīng)控制的組合都顯得不恰當(dāng)。關(guān)鍵在于水浮力的分項(xiàng)系數(shù)如何取值？水浮力應(yīng)算為永久荷載還是可變荷載？有人設(shè)計(jì)時(shí)將水浮力的分項(xiàng)系數(shù)取為1.2，也有的取為1.4。
　　在《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50069-2002中的第5.2.3條明確說(shuō)明，抗浮的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性系數(shù)KS=1.05，抗浮驗(yàn)算時(shí)，抵抗力應(yīng)只計(jì)入永久荷載作用，可變荷載和側(cè)壁上的摩擦力不應(yīng)計(jì)入，抵抗力采用標(biāo)準(zhǔn)值。在《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50332-2002的第4.2.10條也說(shuō)明：對(duì)埋設(shè)在地表水或地下水以下的管道，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算管道結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定。計(jì)算時(shí)各項(xiàng)作用均應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值，并應(yīng)滿足抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)不低于1.10。
借鑒市政結(jié)構(gòu)規(guī)范的條款，筆者認(rèn)為在抵抗上浮的結(jié)構(gòu)永久荷載乘以0.9的前提下，地下水的浮力只需取標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)前者大于后者時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗浮驗(yàn)算就是安全的。用公式表示，則為：
　　　　　　　　γG SGK ≥ SWK ………. (6)
　　其中：γG = 0.9
　　　　SGK --- 按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值GK 計(jì)算的荷載效應(yīng)值。
　　　　SWK --- 地下水對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生浮力的標(biāo)準(zhǔn)值。
　　結(jié)構(gòu)的抗浮并不需要很大的安全度，（6）式與市政結(jié)構(gòu)規(guī)范有關(guān)抗浮的安全度相當(dāng)。地下水對(duì)建筑產(chǎn)生的浮力不會(huì)大于相同排水體量的物體浸入純凈水液所產(chǎn)生的浮力。

三、 筏板下的向上反力組合系數(shù)
　　對(duì)于采用筏板基礎(chǔ)的建筑，其筏板下的反力比較單一，無(wú)論是全部由地基土承擔(dān)還是部分由地下水的浮力承擔(dān)，其反力總值是不變的。對(duì)于風(fēng)荷載較小同時(shí)抗震設(shè)防烈度在6度及6度以下地區(qū)（比如武漢市），基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載基本組合設(shè)計(jì)值一般取荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值乘以1.35，即為《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002的公式（3.0.5-4）。在水平力比較小的情況下，作用于基礎(chǔ)的豎向力主要由結(jié)構(gòu)的永久荷載產(chǎn)生。所以，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用由永久荷載效應(yīng)控制的基本組合。
　　對(duì)于采用樁基礎(chǔ)（CFG樁除外）同時(shí)帶地下室的建筑，筏板下的向上反力主要由地下水的浮力產(chǎn)生。此時(shí)地下水位的取值可為50年內(nèi)最高的地下水位，而不是取為室外地面標(biāo)高。在底板產(chǎn)生設(shè)計(jì)反力的地下水位與地下室整體抗浮的地下水位取值是可以不同的。因?yàn)殡m然發(fā)生過(guò)地下室整體浮起的事故，卻鮮見(jiàn)地下室底板受到地下水的上頂作用而發(fā)生破壞的現(xiàn)象。地下室底板設(shè)計(jì)時(shí)，地下水荷載的分項(xiàng)系數(shù)可取1.35，底板自重的分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

四、 地下室外墻計(jì)算的荷載組合：
　　地下室外墻的平時(shí)荷載大致可分為三類，一是土的側(cè)壓力；二是地下水的側(cè)壓力；三是地面堆載或汽車荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力。
　　該狀況可以采用荷載規(guī)范公式（3.2.3-2）。荷載規(guī)范的第3.1.1條已經(jīng)說(shuō)明土壓力為永久荷載，所以，地下室外墻計(jì)算時(shí)土的側(cè)壓力分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)為1.35；一般說(shuō)來(lái)，地下水位的變化不是很快，在此處可視為永久荷載，地下水側(cè)壓力的荷載效應(yīng)組合時(shí)分項(xiàng)系數(shù)可為1.35；地面堆載或汽車荷載產(chǎn)生側(cè)壓力的組合分項(xiàng)系數(shù)可取0.98或1.0。
　　關(guān)于地下室外墻計(jì)算的荷載組合存在一定的爭(zhēng)議，筆者認(rèn)為：既然是由永久荷載控制效應(yīng)的組合，就應(yīng)該按照荷載規(guī)范公式（3.2.3-2）計(jì)算。

五、 消防車等效均布荷載：
　　關(guān)于消防車的等效均布荷載，荷載規(guī)范中的表4.1.1寫明：對(duì)于板跨不小于2米的單向板樓蓋，取35.0 kN/m2；對(duì)于雙向板樓蓋和無(wú)梁樓蓋（柱網(wǎng)尺寸不小于6m×6m）,取20.0 kN/m2。按照上述要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)板當(dāng)然是安全的。 但是，考察消防車實(shí)際可能產(chǎn)生的荷載，感覺(jué)這個(gè)結(jié)果過(guò)于籠統(tǒng)，而且比較保守。
　　消防車等效均布荷載取值的困難在于其荷載作用的不確定性，即多臺(tái)消防車排列的不確定性。理論上說(shuō)，應(yīng)該考慮到一切可能的不利荷載組合，但是，從實(shí)際消防現(xiàn)場(chǎng)看，消防車基本上是呈“一”字形縱向排列，側(cè)面對(duì)著火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，很難看到消防車橫向排列。一般居住小區(qū)的道路也比較狹窄，兩輛消防車的橫向排列幾乎不可能，況且消防車的側(cè)面需要一定的操作空間。因此，地下室頂板消防車道的荷載，可以根據(jù)總圖平面上道路的布置來(lái)考慮。一般情況下可以考慮為沿道路縱向排列。為了不致使荷載取值偏小，現(xiàn)考慮一臺(tái)質(zhì)量為30噸的消防車后輪的荷載作用，荷載作用區(qū)域取在使板在簡(jiǎn)支情況下跨中彎矩取得最大值的狀態(tài)。30噸的消防車的平面尺寸見(jiàn)圖一。后輪可以認(rèn)為是四個(gè)荷載作用點(diǎn)，每一點(diǎn)的作用力為60kN，著地寬度及長(zhǎng)度為0.6m×0.2m。

圖一 300KN汽車車輪的平面尺寸(單位：m)

　　以下先考慮單向板的荷載狀況。
　　1、單向板
　　本節(jié)是在滿足下列條件時(shí)進(jìn)行的計(jì)算，即板上覆土厚度：0；板面墊層厚度：s=50mm；混凝土頂板厚度：h=200mm。按荷載規(guī)范附錄B—樓面等效均布活荷載的確定方法計(jì)算。
　　計(jì)算分為車行方向垂直于板跨方向（圖二）和車行方向平行于板跨方向（圖三）兩種情況。計(jì)算方法同荷載規(guī)范的附錄B， 計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表一。

圖二(單位：m)

圖三(單位：m)

表一： 一臺(tái)30噸消防車后輪產(chǎn)生的等效均布荷載（kN/m2）

L(m)

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

圖二方式

35.0

26.3

20.0

15.7

14.0

12.7

11.38

10.21

9.18

圖三方式

35.0

22.7

18.59

16.6

14.66

12.9

11.4

10.17

9.05

　　表中，L=2m時(shí)取的規(guī)范值。
　　從表一看出，等效均布荷載隨板跨度的增加而減小。兩種車行方向的等效均布荷載基本相同，為便于設(shè)計(jì)，本文將上述兩種情況產(chǎn)生的荷載統(tǒng)一取值，如表二所示，供設(shè)計(jì)參考。

表二： 一列消防車產(chǎn)生的最大等效均布荷載（kN/m2）

L(m)

≤2

 2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

 ≥6

等效荷載

 35.0

27.0

20.0

17.0

15.0

13.0

11.5

10.5

10.0

　　當(dāng)L≥6m時(shí)，等效均布荷載均取為10.0 kN/m2，因?yàn)榭缍仍酱?，停車空間越大，車輪荷載排列組合的可能性越大，所以等效均布荷載不宜再折減。
　　2、雙向板
　　計(jì)算消防車產(chǎn)生的等效均布荷載似乎不應(yīng)有單向板與雙向板的區(qū)別，就像一般樓板設(shè)計(jì)，樓面活荷載的取值應(yīng)沒(méi)有單向板與雙向板之分。按荷載規(guī)范的計(jì)算方法，雙向板的等效均布荷載取值小于單向板，而且計(jì)算比較復(fù)雜。作為板的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，表二的取值既安全又方便。所以，筆者認(rèn)為：雙向板等效均布荷載的取值仍可以參照本文表二。
　　3、頂板梁
　　汽車荷載作用于梁上的分布情況比作用于板上要簡(jiǎn)單。僅將汽車后輪荷載作為集中力直接作用于梁上。本節(jié)探討的是設(shè)計(jì)時(shí)按表二取值是否可以直接計(jì)算梁的配筋。
　　如果板的荷載按單向板的傳力方向傳給梁，按本文表二的荷載值可知梁允許承受的使用線荷載約為60 kN/m。若按雙向板的最不利導(dǎo)荷方式傳給梁—即荷載峰值出現(xiàn)在跨中的三角形荷載施加在梁上，這時(shí)的等效均布荷載約為荷載峰值的2/3，即40 kN/m。
　　（一）質(zhì)量為20噸消防車的計(jì)算
　　一臺(tái)質(zhì)量為20噸的消防車，單排后輪，每個(gè)后輪的最大壓力為65kN， 最不利的荷載作用一般為兩個(gè)后輪同時(shí)壓在梁上，按每個(gè)后輪的有效擴(kuò)散線荷載長(zhǎng)度為1.8米計(jì)算，則局部等效線荷載約為65/1.8=36.1 kN/m，該值小于上一段落所計(jì)算的40 kN/m，所以，對(duì)于質(zhì)量為20噸的消防車，按本文表二的荷載值進(jìn)行梁的配筋設(shè)計(jì)是偏于安全的。至于前輪荷載對(duì)計(jì)算梁的影響可以不考慮。理由如下：
　　① 如果板跨小于4米，前輪的作用點(diǎn)已不再本跨，因?yàn)榍拜営旰筝喌妮S距為4米。
　?、?/span> 如果板跨大于4米，且板為單向板受力，則前輪對(duì)計(jì)算梁的影響較小，單向板的跨度一般小于7米，經(jīng)計(jì)算，實(shí)際荷載仍小于60 kN/m。
　?、?/span> 如果板跨大于4米，且板為雙向受力，則前輪對(duì)計(jì)算梁的影響還是較小。除非板跨度比較大，頂板中雙向板的跨度一般小于9×9米，此時(shí)前輪的作用點(diǎn)基本上在板的中間，計(jì)算梁的受力荷載小于40 kN/m。
　　當(dāng)計(jì)算梁的兩邊均為雙向板，且承受峰值出現(xiàn)在跨中的三角形荷載，即本梁的允許等效均布荷載為40 kN/m，當(dāng)梁的跨度較小時(shí)應(yīng)另作計(jì)算。設(shè)消防車后輪的一只輪子壓在梁的跨中，應(yīng)作配筋驗(yàn)算的跨度范圍是L≤3.25m。此時(shí)梁的等效均布線荷載q應(yīng)滿足下式：
　　　　　　　　q ≥ 130/L （kN/m）
　?。ǘ┵|(zhì)量為30噸消防車的計(jì)算
　　一臺(tái)質(zhì)量為30噸的消防車，雙排后輪，每個(gè)后輪的最大壓力為60kN， 車輪作用點(diǎn)見(jiàn)圖一。因?yàn)橘|(zhì)量為30噸的消防車目前數(shù)量很少，所以在考慮梁最不利荷載作用時(shí)可以只計(jì)算一臺(tái)車的荷載。把雙排后輪近似按單排后輪作用點(diǎn)考慮（此時(shí)道路的活荷載取為零），即在消防車可能通過(guò)的梁上施加兩個(gè)集中力，力的大小均為120kN，兩個(gè)集中力相距1.8m；當(dāng)梁跨度小于3.6m時(shí)，只需將一個(gè)120kN的集中力加載于跨中。把由此計(jì)算的梁配筋與按表二荷載加在板上的梁配筋計(jì)算結(jié)果比較，取數(shù)值較大者作為梁的配筋。
　　4、覆土影響
　　混凝土板上覆土可以有效地減小消防車在地下室頂板產(chǎn)生的等效均布荷載，覆土越深，板上荷載的有效分布寬度就越大，等效均布荷載就越小。我們當(dāng)然也可以做出在不同填土厚度情況下，類似表一的等效均布荷載。但是考慮到設(shè)計(jì)過(guò)程的方便、尤其是頂板和頂板梁的等效均布荷載應(yīng)盡量一致，同時(shí)普通建筑的地下室頂板覆土厚度不大，所以，筆者建議不考慮板上覆土對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的有利影響。

六、 結(jié)語(yǔ)
　　本文介紹了筆者在學(xué)習(xí)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50007-2002的一些粗淺體會(huì)，內(nèi)容純屬個(gè)人觀點(diǎn)，旨在拋磚引玉。歡迎各方賢士共同探討。

參考文獻(xiàn)
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　?、取督o水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50332-2002
　　⑸ 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施《結(jié)構(gòu)》2003 P14~16