浅析建筑结构设计中荷载取值问题 [摘要] 随着人们生活水平的提高，人们对居住条件的要求也越来越高，各式各样的装修、家具等因素都影响着荷载指标。荷载取值是建筑结构设计必须考虑的一个重要指标，荷载取值不当将会造成严重的后果。因此，建筑结构设计中的荷载取值是关系到国计民生的一件大事。本文根据荷载的分类来分析荷载的概率模型，从而在确定荷载的概率模型的基础上提出如何确定荷载取值。 [关键词] 建筑结构设计 荷载取值 模型参数 一、建筑结构设计中荷载的分类 作用在结构上的荷载按随时间的变异可以分为三类：永久荷载、可变荷载和偶然荷载。永久荷载的特点是其量值随时间变化不大，这部分变化值可以忽略不计，其随机性只是表现在空间的变异方面，因此其统计规律与时间参数无关，可以用随机变量的概率模型描述。可变荷载的随机性表现在时间与空间两个方面，必须用随机过程概率模型来描述；偶然荷载的特点是设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值是很大的。楼面活荷载按其随时间变异的特点，可以分为持久性活荷载和临时性活荷载两部分。持久性活荷载是指楼面上在某个时段内基本保持不变的荷载，例如住宅内的家具、物品，工业房屋内的机器、设备和堆料，还包括常住的人员自重，这些荷载，除非发生一次搬迁，一般变化不大。临时性活荷载是指楼面上偶尔出现的短期荷载，例如聚会时的人群、维修时的工具和材料堆积、室内扫除时家具的集聚等。 按荷载随空间位置的变异性分类可以分为两类：固定荷载和可变荷载。固定荷载是在结构空间位置上具有固定的分布。而可变荷载则是在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布。 按结构的反应分类可以分为两类：静态作用和动态作用。静态作用是对结构或结构构件不产生加速度或其加速度可以忽略不计。动态作用则是对结构或结构构件产生不可以忽略的加速度。 《建筑结构荷载规范》根据《建筑结构设计统一标准》对荷载标准值的定义，重新对住宅、办公楼和商店的楼面活荷载做了调查和统计，并考虑荷载随空间和时间的变异性，采用了适当的概率统计模型。模型中直接采用房间面积平均荷载来代替等效均布荷载，这在理论上虽然不很严格，但对统计计算结果不会有严重的影响，而对调查和统计工作却可得到很大的简化。近年来由于人们住宅装修普遍，家具、电器活荷载的重量有偏大的趋势，工程界普遍认为再使用以前的荷载标准值己不合适而规定的值，在安全性与经济性相平衡的基础上，予以一定的提高是有必要的。研究荷载的目的在于寻求符合实际变化规律的荷载理论模型，在此基础上提出有关各种荷载取值。 二、荷载的概率模型 描述荷载有2种常用的概率模型，一种是随机变量概率模型，另一种是随机过程概率模型。对于恒载，其值随时间变化很小，近似保持恒定的量值，可以按随机变量进行统计分析。对于作用在结构上的活荷载，在整个设计基准期内，它不但在空间上具有变异性，而且在时间上也具有变异性，其值随时间而变化，因此，活荷载应该采用随机过程的概率模型进行分析。平稳随机过程指出，只要影响过程的主要因素不随时间发生变化，就可以认为是平稳过程。楼面活荷载在规定的结构设计使用期内，影响它的主要因素一般不会随时间有明显的改变，故楼面活荷载在整个时轴上的概率模型可以看作是平稳二项随机过程模型，《建筑结构可靠性设计统一标准》〔GB50068一2001）中采用的概率模型就是平稳二项随机过程模型。 持久性活荷载的量值可用随机场模型描述，模型由4个部分组成：反映同一类建筑物持久性活荷载总体的平均值，反映同一类建筑物之间荷载差异的随机变量，反映同一建筑物不同楼层之间荷载差异的随机变量，反映同一楼层不同位置荷载变化的随机场，有的模型还考虑了不同楼层荷载间的相关性。对于临时性活荷载，一般将楼面分为若干区块，统计每一区块内的集中荷载大小及数目，然后再建立随机场模型。由于临时性活荷载并不经常出现，而且离散性大，完全用统计方法进行分析有一定困难，一般要参考或结合工程经验进行处理。 在确定了持久性活荷载和临时性活荷载量值的概率模型后，还要根据设计需要，将其等效为均布荷载，等效的条件要与结构设计中内力和变形的分析相适应，分析内容包括梁跨中弯矩、梁跨中剪力、内柱内力，梁端弯矩、梁端剪力、外柱内力、梁塑性铰机构、梁跨中变形等。按这些条件确定的等效均布荷载（或其平均值和方差）是不同的，但相差不大，可综合取用一个统一的值。如果按不同要求的荷载效应，将实际荷载通过力学分析换算成等效均布荷载后再予以统计，这样做会使荷载的统计工作陷于十分繁冗。理论推导分析表明，等效均布荷载的均值与单位面积荷载的均值在理论上是一致的，而其等效荷载的方差在理论上要比一般用统计所得的单位面积荷载的方差略大。由于荷载统计存在着误差，在实用上直接用房间平均荷载集度来代替等效均布荷载作为统计量，不会有严重的影响，而这样处理对调查和统计工作却可以得到很大的简化。 永久荷载是一个随机变量，一般认为服从正态分布。可变荷载要根据其特点选用不同的随机过程模型。持久性活荷载可用泊松方波过程描述，荷载变化的时间间隔服从指数分布，荷载量值服从极值Ⅰ型分布，取用这样的概率分布除能符合实测资料外，更重要的原因是便于确定设计基准期内荷载最大值的概率分布。持久性活荷载平均每8年变化一次，实际应用时一般取为10年。临时性活荷载可用滤过泊松过程描述，荷载出现时持续时间一般为几小时，与结构设计基准期相比很短，可视为不同时间点上的脉冲。尽管不同可变荷载的随机过程模型是不同的，在结构设计统一标准中，为应用方便，一般统一取用极大值模型进行分析，即将结构设计基准期划分为若干个相等的时段，每一时段使用荷载的极大值随机变量。 三、建筑结构设计中荷载取值 建立荷载的概率模型，确定其统计参数是荷载统计分析及确定荷载取值的重要内容。统计参数主要是针对可变荷载而言的，除永久荷载外，其它荷载一般都可认为是可变荷载。可变荷载与时间有关，理论上应采用随机过程概率分布模型，鉴于目前对各类荷载随机过程的样本函数及其性质了解不多，为了简化，多采用极值统计法或平稳二项随机过程概率模型来描述。荷载取值要根据每个房间的各种家具的重量综合，再根据每个房间的面积，求出每个房间单位面积的家具重量，以及每个房间单位面积的人员重量和单位面积的临时堆放物品重量，然后根据持久性活荷载以及临时性活荷载的不同要求进行组合，最后得出每个房间的持久性活荷载单位面积的重量以及临时性活荷载单位面积的重量。根据得到的房间单位面积的重量，将房间按不同的使用功能分类，并对每种房间进行分析，画直方图、根据直方图假设分布、对假设的分布用X2法和K-S检验法分别进行检验，最后得出每种情况下荷载的统计参数以及在一定分位值下的标准值。 四、结语 随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，人民生命财产的安全更值得关注，由于我国在建筑结构的安全性、耐久性和可靠性方面还比较低，所以楼面活荷载标准值的保证率应该提高。荷载是建筑结构安全度研究的重要方面之一，从统计数学的观点来研究荷载，为了满足全概率设计法的要求，对各类荷载，可以从各种可能的随机因素的影响上，探讨荷载真正的统计规律，给出各自的理论分布，这是进一步需要研究的问题。另一方面，从随机过程的角度来探讨荷载的统计特性，弄清楚荷载随时间、空间变异的客观规律，给出切合实际的具体荷载随机过程，这也是一个有待进一步研究的问题。 参考文献： [1]中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009一2001)「S」.北京:中国建筑工业出版社，2002. 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/62116227f22d2af90242a8956bec0975f565a448.html