浅谈建筑结构荷载

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　　摘要：本文介绍了建筑荷载的主要类型，相应的特性，以及设计上要如何更加合理的考量，确保建筑结构的安全性能。

　　关键词：建筑、荷载、结构

　　衣食住行是反应人类生存质量最重要的四个方面，杜甫在其诗歌“茅屋为秋风所破歌”中写到：“安得广厦千万间，大庇天下寒士俱欢颜”的感慨，也说明了住房对人类的重要性。建筑是人类抵御外部恶劣环境的庇护所，随着人类的科技进步，对自然环境以及房屋建造技术的了解越来越深入。在如何建造一个安全，舒适的建筑有了更加明确的建造标准。而这些要求，对满足我们日常的使用要求具有着重大的意义。而结构则是所有功能的基础。只有结构安全了，舒适和节能等功能才有意义。

　　了解作用在建筑结构上的荷载是非常重要的，只有在充分了解外部作用力的时候，才有可能设计出合理的结构，确保建筑物的安全。

　　2. 作用建筑物上的主要荷载

　　荷载是指建筑自身或外部环境作用于建筑物上的力，建筑结构安全就是要分析这部分的作用，然后在设计上加以结构计算，确保作用力的组合在建筑物自身能够承担的范围之内。作用在建筑物上的荷载，主要有以下几种类型：

　　a. 自重

　　自重是指建筑物构件自身的重量，包括主体结构的墙、梁、柱、楼板等建成后就固定不变的作用力。自重荷载有两个主要特点，第一：它永远是垂直向下的;第二：在建筑使用周期内，它是一直存在的。主体结构采用的材料主要由两种，一种是钢筋混凝土，还有一种是钢结构，或者是两种材料的组合。钢筋混凝土（词条“混凝土”由行业大百科提供）的容重通常为25KN/m^3到27KN/m^3之间。钢结构的重量大约为78.5KN/m^3。

　　b. 风荷载

　　风荷载是指在风的作用下，垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。它是高层建筑最重要的荷载之一，特别是对外维护结构更是如此。

　　得到建筑物的风荷载通常有两种方式，一种是根据所在国家的建筑荷载的设计标（词条“设计标”由行业大百科提供）准中有关风荷载的计算方法来计算;还有一种就是通过风洞试验或者进行相应的分析得到，风洞试验(如图一)是按比例建造建筑物和现有外部环境的模型，在模型上设置感应器，放置在一个可以转动的转盘上，然后再放到风洞试验台上，再试验过程中通过旋转模型转盘，得到不同朝向风作用下最大作用数据，然后再分析得出建筑物在设计周期内的最大风压值。以上这两种都是要根据当地的气象资料进行分析，所以气象资料数据对建筑设计风压的取值是至关重要的。

图一：某项目风洞试验模型

　　风荷载具有以下几个特点：

　　1) 风荷载作用力的方向永远是垂直于立面的。这是由空气特性决定的。

　　2) 风荷载有正风压和负风压的区别。正风压是是指面向立面的风压，负风压是指立面朝外的风压，这是由内外压力差造成的，通常来说负风压的数值会比正风压更大。

　　3) 通常建筑物角上部位的风压比中部的风压大。这是因为在角落部位的风环境更加复杂，风速变化差异更大，导致风压更大。而且通常是负风压起主导作用。

　　4) 一般最大风压不是发生在建筑的最高处。根据一般的理论计算，通常是越高处的风压大于低处的风压，按照这种计算方法，最大风压肯定是发生在建筑物的最高处。但是实际上可能并非如此。根据大量风洞试验结果，一个建筑物的最大风压通常发生在建筑中部变化比较大的部位，或者和附近建筑物产生相互影响的部位，特别是塔楼（词条“塔楼”由行业大百科提供）接近副楼或裙楼（词条“裙楼”由行业大百科提供）的部位发生最大风压的可能性较大。图二为一个项目通过风洞试验测试后得出的结果，我们发现最大风压发生在中部造型变化的部位。

图二：某项目风洞试验测试结果

　　根据伯努利方程，风速和风压的作用关系如下：

　　风的动压为 Wp=0.5·ro·v2

　　其中Wp为风压[kN/m2]，ro为空气密度[kg/m3]，v为风速[m/s]。

　　由于空气密度(ro)和重度(r)的关系为 r=ro·g, 因此有 ro=r/g。得到 Wp=0.5·r·v2/g (2) ，此式为标准风压公式。

　　在标准状态下(气压为1013 hPa, 温度为15°C), 空气重度 r=0.01225 [kN/m3]。按照重力加速度g=9.8[m/s2], 我们得到 Wp=v2/1600 ，这个公式一般用来计算风速和风压的关系。

　　我们沿海的城市，每年都要多次面对台风的影响，对城市都造成比较大破坏，所以人们潜意识里，觉得台风的风压特别大。但经过计算分析，我们会发现虽然这些风压给人感觉上很大，但和实际设计风压还有一定的差距。以下是台风等级，风速和压力的对照表：

　　一般来说，达到或者16级台风是很少的，而对于沿海城市，一般来说风压设计的标准值都会大于表中的风压，再乘上设计的分项系数，以及材料考虑的安全系数，只要是满足正常设计标准和施工要求的建筑，出现结构安全问题的几率应该是非常低的。

　　c. 地震荷载

　　世界各地经常会发生一些地震，每次大的地震对建筑物都会造成比较大的破坏。所以地震荷载也是建筑设计中非常重要的荷载。地震作用的大小，通常是以地震烈度来考量的。通常设计考虑在6度到8度之间。针对地震的结构设计原则通常是按照“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三原则。通常设计方法上采用“强柱弱梁”的设计方法，这样能确保在地震作用下，能够即使发现，并有一定的逃生时间。

　　由于地震荷载和建筑物的重量是成正比的关系。所以如何降低建筑物的重量，特别是超高层建筑的自重，在结构设计上要非常注意。这也是超高层建筑都采用幕墙的原因之一，采用幕墙可以有效的降低建筑物的自重，在地震荷载作用下，也能够更加的安全。

　　地震和最大风压同时发生的可能性非常小，所以设计上可以分别考虑两种荷载作用下，哪一种起到主导作用。没必要把两个最不利的数值进行叠加。

　　d. 活荷载

　　活荷载是指建筑物在使用过程中，可能产生变化的最大容许荷载。例如楼层中人员的走动，以及一些设备的移动和变化等，都是活荷载需要考虑的内容。在楼板和梁的设计中，活荷载是最重要的指标之一，设计中除了要考虑本跨度内的活荷载的作用，有时候还要考虑到相邻的一个或者多个跨度活荷载的影响。

　　对于边部的梁或楼板，活荷载作用下的最大变形（词条“变形”由行业大百科提供）值，还会影响到幕墙的设计。如果活荷载作用下的边梁(或板)的变形值过大，设计的幕墙系统也必须要具有吸收这种变形值的能力，否则就有可能造成幕墙系统在极端情况下破坏。例如通常的单元式幕墙系统能吸收的垂直方向的变形是20mm左右，而现在很多建筑设计上考虑的是大跨度和薄楼板，这种情况下，活荷载作用下的变形值很可能超过20mm。结构设计不是只要满足自身规范标准就好，还需要考虑到不同专业的特殊需求。只有各个专业密切配合，才可能设计处最合理的结构体系。

　　e. 其他荷载

　　作用在建筑物上面还有其他可能的荷载。根据建筑所处的位置，以及外部的环境的不同，需要根据实际情况来做相应的设计。

　　雪荷载是比较常见的荷载之一，特别是北方的建筑，雪荷载很多时候起控制作用。还有就是建筑的雨蓬等部位，在雪荷载作用比较大的情况下，比较容易出现倾覆等结构问题。

　　冲击荷载也是建筑使用过程中容易出现的荷载。特别是栏杆，外墙，雨蓬等部位，需要考虑冲击荷载的影响。

　　除了以上这些荷载，根据建筑所处的实际情况分析，还可能有土荷载，水荷载，吊车荷载，温度作用等特殊的荷载类型，在设计过程中要充分的考虑这些荷载的影响，不要遗漏，避免可能出现的结构隐患。

　　3. 结构设计上如何考虑荷载的作用

　　我们了解了建筑物上需要考虑的荷载，但在结构设计上如何考虑这些荷载的作用，才能确保结构的安全呢?在建筑结构设计上，我们要考虑以下两个方面：

　　a. 荷载的取值

　　荷载的合理取值是建筑结构设计非常重要的。国家标准《建筑结构荷载荷载规范》对每一种类型的荷载，不管是计算方法，还是取值标准，都做了详细的规定。设计上必需满足这些规范要求的最低标准来执行。

　　当然，标准是死的，是最低要求，我们在实际设计过程中，也可能会出现超出标准要求的情况，这样就需要根据实际情况，选取合理的荷载数值。

　　b. 组合及荷载分项系数

　　我们知道建筑物上的荷载作用，但是有些作用都不是单独发生，有可能同时发生，二同时发生的概率也不大一样。例如，自重是必然存在的，风荷载和地震是偶然发生的，活荷载是随着时间和使用状态变化的。如何将他们合理的组合，既能确保建筑的安全，又不会出现特别浪费的现象，是每一个结构工程师需要关注的重点。

　　荷载组合值系数的计算方法通常涉及‌分项系数和组合系数的确定。分项系数是根据荷载标准值计算各种结构所获得相近的可靠度系数而确定的，而组合系数则是根据不同荷载随机概率降低的原则确定的

　　对于永久荷载（词条“永久荷载”由行业大百科提供）(如自重荷载)，要分两种状况，当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合取分项系数γG=1.2，对由永久荷载效应控制的组合取γG=1.35。当其效应对结构有利时，一般情况下取γG=1.0，但在验算倾覆、滑移或漂浮时取γG=0.9。‌

　　对于可变荷载(如风荷载、雪荷载)，一般情况下取分项系数γQ=1.4。

　　荷载分项系数是根据荷载标准值计算各种结构所获得相近的可靠度系数而确定的。组合系数则是根据不同荷载随机概率降低的原则确定。对于以永久荷载为控制的效应设计值和以可变荷载控制的效应设计值是不一样的。例如对于维护结构的组合，一般来说，其主要作用是风荷载起主导作用，在考虑地震作用时，它的组合如下：

　　c. 材料力学性能及安全系数

　　在荷载作用及组合明确的前提下，如何确定它是不是在合理的范围以内?这就设计到所采用的建筑材料的力学性能，如何取值，以及采用什么样的安全系数才更加合理的问题。

　　现在结构计算采用的理论基本上是极限状态法，针对不同的材料(如钢筋，混凝土，钢材，铝型材，玻璃等)，不同的受力状态下(如受压，受拉，受弯，受剪等)都需要设定合理的强度设计值。通常来说，脆性材料(如玻璃，石材，陶板等)需要更高的安全系数。

　　为了避免由于设计和施工过程中可能出现的不周和瑕疵，针对不同的材料，设计上还会设定一定的构造要求，以确保结构真正的达到安全可靠。

　　4. 结语：

　　虽然荷载标准对建筑结构的荷载取值和组合都有明确的规定，但是由于每个建筑物使用的功能也有较大的差异性，如何根据建筑自身特点以及使用的功能要求，设定合理的设计荷载值，在确保结构安全的前提下，又不造成建筑材料的浪费，是摆在每个建筑结构设计工程师面前的难题。只有提升专业能力，深刻了解建筑及其所在的环境，以及细分使用功能的前提下，才能让每个建筑都更加的安全可靠。

　　参考资料：

　　1. GB50009-2012《建筑结构荷载规范》

　　2. JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》

　　3. DGJ08-56-2012 上海市工程建设规范《建筑幕墙工程技术规范》