設(shè)計(jì)中的荷載談

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簡(jiǎn)介： 設(shè)計(jì)建筑物必須考慮的荷載可分為 恒載,豎直活荷載和側(cè)向活荷載.恒載包括永久設(shè)備的重量和建筑物的固定構(gòu)件(如樓板,主梁,次梁,柱.固定墻.間壁等等)的重量.除了恒載以外的所有豎直荷載都可算是豎直活荷載.側(cè)向活荷載是由于風(fēng)壓,土壓,和靜水壓力作用引起的外力.可能的地震效應(yīng)也是側(cè)向荷載.吊車活動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)也部分地計(jì)入側(cè)向荷載.
關(guān)鍵字：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 荷載分布 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

    恒載

    結(jié)構(gòu)框架和所有固定在它上面或永久被它所支撐的建筑構(gòu)件的重量都是恒載.通常根據(jù)表示結(jié)構(gòu)和建筑布置的初步設(shè)計(jì),既可合理的估算出建筑物的總重量.這一資料在分析總估算地震荷載約值和確定基礎(chǔ)荷載等計(jì)算步驟中是必要的.如實(shí)際計(jì)算的總重量和最初估算的數(shù)值有較大差異時(shí),在最后設(shè)計(jì)中不可忽視對(duì)初步估算的修正.

    為設(shè)計(jì)個(gè)別桿件,通常需要更詳盡的橫甾分析.這種分析從直接支撐活荷載的桿件(樓板和屋蓋系統(tǒng))沿著應(yīng)力的傳遞路徑(主次梁和柱),一步一步地進(jìn)行到地基.一個(gè)桿件承受的荷載只有在這個(gè)桿件本身及其所支撐的部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)以后才能確定.因此,每一桿件的實(shí)際恒載應(yīng)予出、核對(duì)和修正;只有在作出必要的校正之后才能繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì).

    有關(guān)建筑材料重量的數(shù)據(jù)載入各地區(qū)建筑規(guī)范中.

    下面說(shuō)一下樓面和屋面荷載.

    設(shè)計(jì)任何大樓所需的樓面和屋面的最小活荷載,在對(duì)該建筑場(chǎng)地起支配作用的建筑規(guī)范中通常都有規(guī)定.建筑規(guī)范分地方市政規(guī)范,國(guó)家規(guī)范,地區(qū)規(guī)范和通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.設(shè)計(jì)各式各樣的建筑物所需最小活荷載代表值可查<樓房和其它結(jié)構(gòu)最小設(shè)計(jì)荷載建筑規(guī)范要求>.

    除了這些均布荷載外,樓板設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮安全承受可能產(chǎn)生較大應(yīng)力的某些集中荷載.例如在設(shè)計(jì)辦公樓樓面時(shí),每2.5平方英尺的面積上要承受2000磅的荷載,以承受保險(xiǎn)柜或其他沉重設(shè)備的重量;樓梯踏步必須安全承受作用在其中心的300磅荷載.規(guī)定的均布荷載和集中荷載都留有余量以承受平常的碰撞.承荷面積在150平方英尺以上的構(gòu)件,當(dāng)活荷載在100磅/英尺2以下時(shí),允許作某些折減,原因是在全部承荷面積少年宮不太可能同時(shí)滿載.折減率按每平方英尺承荷面積折減0.08%計(jì).公共場(chǎng)所,車庫(kù)和屋頂除外.折減不得超過(guò)60%或按下式算出的百分?jǐn)?shù).

                             23(1+D/L)

其中D是構(gòu)件支撐的每平方英尺面積上的荷載,L是活荷載.荷載超過(guò)100磅/英尺2是樓面荷載不得折減(這是倉(cāng)庫(kù)和工廠的特點(diǎn),她們可能在全部面積上都同時(shí)承受荷載),而柱荷載可降低20%.

    不能總是采用規(guī)定的最小活荷載.要考慮使用方式,可能的荷載值應(yīng)盡量計(jì)算準(zhǔn)確.對(duì)于存儲(chǔ)重物的倉(cāng)庫(kù)可以取500磅/英尺2或者更高一些;特殊重型機(jī)械制造廠可以大大超過(guò)125磅/英尺2;對(duì)于一切位置固定的重型集中荷載要做出特殊規(guī)定.

在各種情況下,總的設(shè)計(jì)荷載中必須包括樓板的自重.若要求頂棚抹灰,荷載通常還可增加大約10磅/英尺2.另外還需包括樓板填充物和面層,以及懸掛荷載如管道及燈具設(shè)備等.如果間壁的位置不定.另加10-20磅/英尺2的附加荷載.

    設(shè)計(jì)房屋屋面的雪荷載,同樣也是由地方建筑規(guī)范規(guī)定的.雪荷載是根據(jù)一定時(shí)期內(nèi)當(dāng)?shù)亟笛┑暮穸群兔芏冉y(tǒng)計(jì)出來(lái)的.規(guī)定最小屋面荷載為20磅/英尺2,以保證施工和維修的安全以及適當(dāng)?shù)膭偠?任何個(gè)別地區(qū)通常都有更為詳細(xì)的雪荷載資料. 

豎直活荷載

由于有人居住使建筑物承受的荷載以及屋蓋表面上的雪荷載都是豎直活荷載.使用荷載包括人,家具,機(jī)器,庫(kù)存物資和其他類似項(xiàng)目.建筑物內(nèi)部的活荷載常被認(rèn)為是均勻分布的.

雪荷載的大小取決于結(jié)構(gòu)的位置,屋頂坡度和建筑物與風(fēng)向的相對(duì)方位.各地區(qū)建筑規(guī)范通常都有關(guān)于雪荷載的條文.

雖多次試圖把使用活荷載的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)化,但各建筑規(guī)范中有關(guān)此項(xiàng)的條文仍然各不相同.

雖多次試圖把使用活荷載的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)化,但各建筑規(guī)范中有關(guān)此項(xiàng)的條文仍然各不相同.

根據(jù)使用情況,將各種規(guī)定分類如下:

1.     居住建筑(包括旅館)

2.     公共機(jī)構(gòu)建筑(醫(yī)院,療養(yǎng)院,監(jiān)獄)

3.     集會(huì)建筑(劇院,禮堂,教堂,學(xué)校)

4.     實(shí)業(yè)建筑(辦公大樓)

5.     商業(yè)建筑(大小商店和售貨處)

6.     工業(yè)建筑(制造廠,加工廠,裝配廠)

7.     倉(cāng)庫(kù)建筑(庫(kù)房)

  水平荷載

    作用在建筑物框架上的水平荷載主要是由風(fēng)壓引起的.另外,地震產(chǎn)生水平搖擺,這種搖擺形成的慣性力也沿水平方向作用在結(jié)構(gòu)上.大量觀察表明,對(duì)結(jié)構(gòu)的地震破壞影響最大的是這些水平力,而不是同時(shí)發(fā)生的地面豎向震動(dòng).因此,高震區(qū)地方建筑規(guī)范要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須能抵抗相應(yīng)的水平力.

    準(zhǔn)確估計(jì)風(fēng)荷和地震荷載是非常困難的.目前大多數(shù)建筑規(guī)范都規(guī)定了每平方英尺豎向墻面的設(shè)計(jì)風(fēng)壓.根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r,風(fēng)壓變化范圍大約是從10-15磅/英尺2.涉及到地震作用力時(shí),現(xiàn)行規(guī)范通常規(guī)定地震多發(fā)區(qū)建筑的設(shè)計(jì)應(yīng)能抵抗相應(yīng)的水平力,這個(gè)水平力按所計(jì)算的樓層以上建筑物總荷載的規(guī)定百分率進(jìn)行計(jì)算.此值約為該總荷載的百分之十幾.

    風(fēng)壓一般根據(jù)與某結(jié)點(diǎn)相連的外墻承荷面積計(jì)算該點(diǎn)的荷載,也就是根據(jù)相臨框架之間的豎向中心線和各層樓板標(biāo)高之間的水平中心線所圍成的矩形面積進(jìn)行計(jì)算.地震力也以相同方法把力分配到各個(gè)結(jié)點(diǎn)上.這些分布不很準(zhǔn)確,特別如果外力不作用在框架平面內(nèi),而且結(jié)構(gòu)的外輪廓在平面上和立面上都不規(guī)則時(shí).尤其是實(shí)際風(fēng)力分布與假定迎風(fēng)墻上風(fēng)壓的均勻分布經(jīng)常有很大出入.

    建筑物根據(jù)其類別和形式以不同的方式抵抗水平荷載.較古老的建筑由于有巨大的承重墻,它們同懸臂梁一樣抵抗水平力(荷載作用在墻的平面內(nèi)).采用整體剪力墻的現(xiàn)代鋼筋混凝土建筑物也有同樣作用.許多現(xiàn)代框架建筑物僅有輕質(zhì)幕墻,這些幕墻是不承重的,不能有效地抵抗結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形.在這種情況下,水平荷載只能由框架本身承受.無(wú)論在什么情況下,樓板和屋蓋都起著重要作用,它們把水平荷載傳遞給框架結(jié)點(diǎn)或剪力墻上.它們起剛性隔板作用,使給定標(biāo)高處所有框架或墻的橫向位移大致相等.

    對(duì)于恒載荷和活荷載以及風(fēng)載或地震荷載的組合,必須承認(rèn)全部水平荷載與最不利位置的活荷載不可能同時(shí)發(fā)生.此外,由于最大水平荷載的偶然性和暫時(shí)性,它所產(chǎn)生的破壞力也比相同荷載多次多次和長(zhǎng)期作用所造成的破壞力要小.因而,與恒載和活荷載的主要作用相比,多數(shù)建筑規(guī)把風(fēng)荷載和地震力當(dāng)作和活荷載組合時(shí),通常的荷載系數(shù)可減少25%.

風(fēng)荷載和地震力的大小和分布變化無(wú)常.要進(jìn)行比荷載資料更為精確的分析和作其它設(shè)想都是沒(méi)有用處的.由此可見,對(duì)水平荷載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滿意了.

    荷載組合

    在設(shè)計(jì)屋蓋桁架和單層框架時(shí),結(jié)構(gòu)承受的荷載包括恒載和風(fēng)雪活荷載.通常根據(jù)以下荷載組合所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì):

    Ⅰ  恒載+雪載

    Ⅱ  恒載+風(fēng)載

    Ⅲ  恒載+風(fēng)載+雪載

    Ⅳ  恒載+風(fēng)載+部分雪荷載

    由于雪的飄移,有時(shí)考慮部分雪荷載,在房屋有高低跨時(shí)可能發(fā)生這種情況.由于有風(fēng),較高的屋面上的一部分雪可能被刮掉,但刮走的雪可能積在低屋面上,其結(jié)果使建筑物較低一側(cè)的雪荷載可能比正常情況要大.

    另一些荷載組合也需加以考慮.在選擇適當(dāng)?shù)暮奢d組合時(shí),永遠(yuǎn)需要一定程度的工程技術(shù)判斷力.

    在多層建筑中,應(yīng)力是根據(jù)下列組合確定的:

   Ⅰ  恒載+活載

    Ⅱ恒載+活載+風(fēng)或地震荷載

    活載是一種隨機(jī)型荷載,它加于結(jié)構(gòu)上時(shí),會(huì)在每一單獨(dú)桿件上引起最大的或臨界的力矩和力.根據(jù)對(duì)多層框架桿件上的力矩進(jìn)行定性影響線分析,可以看出全部恒載加全部活載的組合不一定總是臨界荷載.圖23-1所示荷載圖通常稱為”棋盤式荷載分布”,她可能對(duì)受荷跨的最大正力矩產(chǎn)生臨界狀況.

    美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)規(guī)范第1.5和2.1節(jié)規(guī)定,當(dāng)應(yīng)力是有風(fēng)力或地震力產(chǎn)生時(shí),容許應(yīng)力可增加33.3%塑性設(shè)計(jì)時(shí),荷載系數(shù)自1.7減少為1.3.這些規(guī)定適用于屋蓋的荷載組合Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ型,多層框架的荷載組合Ⅱ型.容許應(yīng)力的增加也相當(dāng)于考慮上述荷載組合值的3/4.因此臨界荷載的選擇,應(yīng)在對(duì)表23-1所給各荷載組合產(chǎn)生的值進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行.