3.2 荷载效应组合

3.2.1~3.2.4

当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态,而不能满足设计规定的某一功能要求时,则称此特定状态为结构对该功能的极限状态。设计中的极限状态往往以结构的某种荷载效应,如内力、应力、变形、裂缝等超过相应规定的标志为依据。根据设计中要求考虑的结构功能,结构的极限状态在总体上可分为两大类,即承载能力极限状态和正常使用极限状态。对承载能力极限状态,一般是以结构的内力超过其承载能力为依据;对正常使用极限状态,一般是以结构的变形、裂缝、振动参数超过设计允许的限值为依据。在当前的设计中,有时也通过结构应力的控制来保证结构满足正常使用的要求,例如地基承载应力的控制。

对所考虑的极限状态,在确定其荷载效应时,应对所有可能同时出现的诸荷载作用加以组合,求得组合后在结构中的总效应。考虑荷载出现的变化性质,包括出现的与否和不同的方向,这种组合可以多种多样,因此还必须在所有可能组合中,取其中最不利的一组作为该极限状态的设计依据。

对于承载能力极限状态的荷载效应组合,可按《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定,根据所考虑的设计状况,选用不同的组合;对持久和短暂设计状况,应采用基本组合,对偶然设计状况,应采用偶然组合。

在承载能力极限状态的基本组合中,公式(3.2.3-1)和(3.2.3-2)给出了荷载效应组合设计值的表达式,建立表达式的目的是在于保证在各种可能出现的荷载组合情况下,通过设计都能使结构维持在相同的可靠度水平上。必须注意,规范给出的表达式都是以荷载与荷载效应有线性关系为前提,对于明显不符合该条件的情况,应在各本结构设计规范中对此作出相应的补充规定。这个原则同样适用于正常使用极限状态的各个组合的表达式中。

在应用公式(3.2.3-1)时,式中的SQ1K为诸可变荷载效应中其设计值为控制其组合为最不利者,当设计者无法判断时,可轮次以各可变荷载效应SQiK为SQ1K,选其中最不利的荷载效应组合为设计依据,这个过程建议由计算机程序的运行来完成。

与原规范不同,增加了由公式(3.2.3-2)给出的由永久何载效应控制的组合设计值,当结构的自重占主要时,考虑这个条件就能避免可靠度偏低的后果;虽然过去在有些结构设计规范中,也曾为此专门给出某些补充规定,例如对某些以自重为主的构件采用提高重要性系数、提高屋面活荷载的设计规定,但在实际应用中,总不免有挂一漏万的顾虑。采用公式(3.2.3-2)后,在撤消这些补漏规定的同时,也避免了安全度可能不足之后果。

在应用(3.2.3-2)的组合式时,对可变荷载,出于简化的目的,也可仅考虑与结构自重方向一致的竖向结构,而忽略影响不大的横向荷载。此外,对某些材料的结构,可考虑自身的特点,由各结构设计规范自行规定,可不采用该组合式进行校核。

与原规范不同,在考虑组合时,摒弃了”r;遇风组合”的惯例,要求所有可变荷载当作为伴随荷载时,都必须以其组合值为代表值,而不仅仅限于有风荷载参与组合的情况。至于对组合值系数,除风荷载仍取ψc=0.6外,对其他可变荷载,目前建议统一取久:ψc=0.7,但为避免与以往设计结果有过大差别,在任何情况下,暂时建议不低于频遇值系数。

当设计一般排架和框架时,为便于手算的目的,仍允许采用简化的组合规则,也即对所有参与组合的可变荷载的效应设计值,乘以一个统一的组合系数,但考虑到原规范中的组合系数0.85在某些情况下偏于不安全,因此将它提高到0.9;同样,也增加了由公式(3.2.3-2)给出的由永久荷载效应控制的组合设计值。

必须指出,条文中给出的荷载效应组合值的表达式是采用各项可变荷载小于叠加的形式,这在理论上仅适用于各项可变荷载的效应与荷载为线性关系的情况。当涉及非线性问题时,应根据问题性质,或按有关设计规范的规定采用其他不同的方法。

 

3.2.5

荷载效应组合的设计值中,荷载分项系数应根据荷载不同的变异系数和荷载的具体组合情况(包括不同荷载的效应比),以及与抗力有关的分项系数的取值水平等因素确定,以使在不同设计情况下的结构可靠度能趋于一致。但为了设计上的方便,GB 50068—2001将荷载分成永久荷载和可变荷载两类,相应给出两个规定的系数γG和γQ。这两个分项系数是在荷载标准值已给定的前提下,使按极限状态设计表达式设计所得的各类结构构件的可靠指标,与规定的目标可靠指标之间,在总体上误差最小为原则,经优化后选定的。

《建筑结构设计统一标准》原编制组曾选择了14种有代表性的结构构件;针对恒荷载与办公楼活荷载、恒荷载与住宅活荷载以及恒荷载与风荷载三种简单组合情况进行分析,并在γG=1.1、1.1、1.3和γQ=1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6共3×3组方案中,选得一组最优方案为了γG=1.2和γQ=1.4。但考虑到前提条件的局限性,允许在特殊的情况下作合理的调整,例如对于标准值大于4kN/m2的工业楼面活荷载,其变异系数一般较小,此时从经济上考虑,可取γq=1.3。

分析表明,当永久荷载效应与可变荷载效应相比很大时,若仍采用γG=1.2,则结构的可靠度远不能达到目标值的要求,因此,在式(3.2.3-2)中给出由永久荷载效应控制的设计组合值中,相应取γG =1.35。

分析还表明,当永久荷载效应与可变荷载效应异号时,若仍采用γG =1.2,则结构的可靠度会随永久荷载效应所占比重的增大而严重降低,此时,γG宜取小于1的系数。但考虑到经济效果和应用方便的因素,建议取γG =1。

在倾覆、滑移或漂浮等有关结构整体稳定性的验算中,永久荷载效应一般对结构的有利的,荷载分项系数一般应取小于1.0。但是,目前在大部分结构设计规范中,实际上仍沿用经验的单一安全系数进行设计。即使是采用分项系数,在取值上也不可能采用统一的系数。因此,在本规范中对此原则上不规定与此有关的分项系数的取值,以免发生矛盾。当在其他结构设计规范中对结构倾覆、滑移或漂浮的验算有具体规定时,应按结构设计规范的规定执行,当没有具体规定时,对永久荷载分项系数应按工程经验采用。

 

3.2.6

对于偶然设计状况(包括撞击、爆炸、火灾事故的发生),均应采用偶然组合进行设计。由于偶然荷载的出现是罕遇事件,它本身发生的概率极小,因此,对偶然设计状况,允许结构丧失承载能力的概率比持久和短暂状况可大些。考虑到不同偶然荷载的性质差别较大,目前还难以给出具体统一的设计表达式,建议由专门的标准规范另行规定。规定时应注意下述问题:首先,由于偶然荷载标准值的确定,本身带有主观的臆测因素,因而不再考虑荷载分项系数;其次,对偶然设计状况,不必同时考虑两种偶然荷载;第三,设计时应区分偶然事件发生时和发生后的两种不同设计状况。

 

3.2.7~3.2.10

对于正常使用极限状态的结构设计,过去主要是验算结构在正常使用条件下的变形和裂缝,并控制它们不超过限值。其中,与之有关的荷载效应都是根据荷载的标准值确定的。实际上,在正常使用的极限状态设计时,与状态有关的荷载水平,不一定非以设计基准期内的最大荷载为准,应根据所考虑的正常使用具体条件来考虑。原规范对正常使用极限状态的结构设计,给出短期和长期两种效应组合,其中短期效应组合,与承载能力极限状态不考虑荷载分项系数的基本组合相同,因此它反映的仍是设计基准期内最大荷载效应组合,只是在可靠度水平上可有所降低;长期效应组合反映的是在设计基准期内持久作用的荷载效应组合,在某些结构设计规范中,一般仅将它作为结构上长期荷载效应的依据。由于短期效应组合所反映的是一个极值效应,将它作为正常使用条件下的验算荷载水平,在逻辑概念上是有欠缺的。为此,参照国际标准,对正常使用极限状态的设计,当考虑短期效应时,可根据不同的设计要求,分别采用荷载的标准组合或频遇组合,当考虑长期效应时,可采用准永久组合。增加的频遇组合系指永久荷载标准值、主导可变荷载的频遇值与伴随可变荷载的准永久值的效应组合。可变荷载的准永久值系数仍按原规范的规定采用;频遇值系数原则上应按第3.1。6条说明中的规定,但由于大部分可变荷载的统计参数并不掌握,规范中采用的系数目前是按工程经验经判断后给出。

在采用标准组合时,也可参照按承载能力极限状态的基本组合,采用简化规则,即按式(3.2.3-3),但取分项系数为1。

此外,正常使用极限状态要求控制的极限标志也不一定仅限于变形、裂缝等常见的那一些现象,也可延伸到其他特定的状态,如地基承载应力的设计控制,实质上是在于控制地基的沉陷,因此也可归入这一类。

与基本组合中的规定相同,对于标准、频遇及准永久组合,其荷载效应组合的设计值也仅适用于各项可变荷载效应与荷载为线性关系的情况。