混凝土结构设计：4.5.1荷载效应组合解析

2023-08-30 理论教育版权反馈

【摘要】：风荷载和水平地震作用应考虑正、反两个方向的作用。

框架梁、柱各控制截面的最不利内力需求得框架结构在各种荷载作用下的荷载效应（内力、位移等）之后进行荷载效应组合确定。

一般地，所有荷载同时作用时某个截面的某种内力绝对值未必最大（即最为不利），常常在部分荷载作用下才能得到最不利内力。因此，须对构件的控制截面进行最不利内力组合。

1.控制截面及最不利内力

结构设计时，分别按各个构件进行内力组合，为了便于施工，构件配筋通常不完全与内力一样变化，而是分段配筋。设计时可根据内力图的变化特点，选取内力较大或截面尺寸改变处的截面作为控制截面，并针对各构件控制截面进行组合，获得控制截面上最不利内力作为该构件配筋设计依据。

控制截面通常是内力最大的截面，框架梁两个支座截面及跨中截面为控制截面，最不利内力为最大正弯矩、支座最大负弯矩及最大剪力，梁支座截面的跨中截面的最不利内力为最大正弯矩，有时也可能出现负弯矩。

框架柱各层柱的两端为控制截面，对于偏压构件，大偏压时弯矩越大越不利，小偏压时轴力越大越不利。因此要组合几种不利内力取其中配筋最大者为最不利内力。根据偏压构件的破坏形态，可能有四组不利内力：①M_max及相应的轴力N和V；②N_max及相应的M和V；③N_min及相应的M和V；④V_max及相应的N。

截面配筋计算时，应采用构件端部截面的内力，而不是轴线处的内力。因此，内力组合前应根据各种荷载作用下柱轴线处梁的弯矩值计算出柱边缘处的弯矩值，然后进行内力组合。

2.活荷载的不利布置

恒荷载是长期作用于结构上的竖向荷载，结构内力分析时应按荷载的实际分布和数值作用于结构上，然后进行荷载效应组合计算。

楼面活荷载是随机作用的竖向荷载。对于连续梁结构，活荷载在不同跨的不同布置，对梁的支座弯矩和跨中弯矩的影响是不同的，即通过活荷载的不利布置可以得到支座截面和跨中截面的最不利设计弯矩和剪力。对于多、高层框架结构，活荷载不利布置方式比连续梁更为复杂，通常以楼面梁围成的平面区域（房间）为单位考虑活荷载的不利布置，其计算工作量较不连续梁成倍增加。一般来说，结构构件的不同截面或同一截面的不同种类的最不利内力组合中，有不同的活荷载最不利布置。因此，活荷载的最不利布置需要根据截面位置及最不利内力种类分别确定。设计中，可采用分层分跨组合法及最不利荷载布置法确定框架结构楼面活荷载所产生的最不利内力。

分层分跨组合法是将楼面活荷载逐层逐跨单独作用在框架结构上，分别计算出结构的内力。然后对结构上的各个控制截面上的不同内力，按照不利与可能的原则进行挑选与叠加，得到控制截面的最不利内力。最不利荷载布置法对某一指定截面的某种内力，可直接根据影响线原理确定产生此最不利内力的荷载位置，然后计算结构内力。一般来说，对应于一个截面的一种内力，就有一种最不利荷载布置，相应的需进行一次结构内力计算。

上述两种方法的计算工作量均较大，目前国内混凝土结构由恒荷载和活荷载引起的单位面积重力荷载为12～14kN/m²，其中活荷载部分为2～3kN/m²，只占全部重力的15%～20%，活荷载不利分布的影响较小。所以一般情况下，可不考虑楼面活荷载不利布置的影响，而按活荷载满布各层各跨梁的一种情况计算内力。

如果活荷载较大，其不利分布对梁弯矩的影响会比较明显，计算时应予考虑。除进行活荷载不利分布的详细计算分析外，也可将未考虑活荷载不利分布计算的框架梁弯矩乘以放大系数予以近似考虑，该放大系数通常可取为1.1～1.3，活荷载大时可选用较大值。近似考虑活荷载分布不利影响时，梁正、负弯矩应同时予以放大，而并非只考虑梁跨中正弯矩的增大，但是当楼面活荷载大于4kN/m²时，考虑楼面活荷载不利布置引起的梁弯矩的增大对柱的影响相对不明显。

风荷载和水平地震作用应考虑正、反两个方向的作用。如果结构对称，这两种作用的效应均为反对称，只需要作一次内力计算，内力改变符号即可。

3.荷载组合和地震作用组合的效应

由于框架结构的侧移主要是由水平荷载引起的，通常不考虑竖向荷载对侧移的影响，所以荷载组合和地震作用组合实际上是指内力组合。这是将各种作用单独作用时所产生的内力，按照不利与可能的原则进行挑选与叠加，得到控制截面的最不利内力。内力组合时，既要分别考虑各种荷载单独作用时的不利分布情况，又要综合考虑它们同时作用的可能性。

内力组合是要组合构件控制截面处的内力，组合工况分为持久、短暂设计状况组合和地震设计状况组合两类。由于承载力验算是承载力极限状态验算，在内力组合时，根据荷载性质不同，荷载效应要乘以各自的分项系数和组合值系数。

（1）持久、短暂设计状况的组合持久、短暂设计状况的组合应用于非抗震设计及6度抗震设防、但不要求计算地震作用的结构。这种状况下，当荷载与荷载效应按线性关系考虑时，荷载基本组合的效应设计值应按下式确定

S_d=γ_GS_Gk+γ_Lψ_Qγ_QS_Qk+ψ_wγ_wS_wk （4-23）

式中 S_d——荷载组合的效应设计值。

γ_G、γ_Q、γ_w——永久荷载效应、可变荷载效应、风荷载效应的分项系数。

γ_L——考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，设计使用年限为50年时取1.0，设计使用年限为100年时取1.1。

S_Gk、S_Qk、S_wk——永久荷载效应、楼面可变荷载效应、风荷载效应的标准值。

ψ_Q、ψ_w——楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时，应分别取0.7和0.0，当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或0.7和1.0。

由式（4-23）一般可以有以下几种组合：

1）当永久荷载效应起控制作用时，仅考虑楼面活荷载效应参与组合，ψ_Q一般取0.7，风荷载效应不参与组合（ψ_w取0.0），即

S=1.35S_Gk+0.7×1.4γ_LS_Qk （4-24）

2）当可变荷载效应起控制作用，而风荷载作为主要可变荷载、楼面活荷载作为次要可变荷载时，γ_G依据其效应对结构承载力不利或有利时，分别取1.2或1.0，ψ_w取1.0，ψ_Q取0.7，即

S=1.2（1.0）S_Gk±1.0×1.4S_wk+0.7×1.4γ_LS_Qk （4-25）

3）当可变荷载效应起控制作用，而楼面活荷载作为主要可变荷载、风荷载作为次要可变荷载时，γ_G取法同2），ψ_Q取1.0，ψ_w取0.6，即

S=1.2（1.0）S_Gk+1.0×1.4γ_LS_Qk±0.6×1.4S_wk （4-26）

注意，对书库、档案库、储藏室、通风机房和电梯机房，本条楼面活荷载组合值系数取0.7的场合应取为0.9。

（2）地震设计状况的组合所有要求计算地震作用的结构要进行地震设计状况的组合。当作用与作用效应按线性关系考虑时，荷载和地震作用基本组合的效应设计值应按下式确定

S_d=γ_GS_GE+γ_EhS_Ehk+γ_EvS_Evk+ψ_wγ_wS_wk （4-27）

式中 S_d——荷载效应和地震作用组合的效应设计值；

S_GE——重力荷载代表值的效应；

S_Ehk——水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数、调整系数；

S_Evk——竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数、调整系数；

γ_G、γ_w——重力荷载、风荷载分项系数；

γ_Eh、γ_Ev——水平地震作用、竖向地震作用分项系数；

ψ_w——风荷载的组合值系数，应取0.2。

地震设计状况，荷载和地震作用基本组合的分项系数按表4-10采用。当重力荷载效应对结构承载力有利时，表4-10中γ_G不应大于1.0。

表4-10 地震设计状况时荷载和作用的分项系数

注：1.g为重力加速度。

2.表中“—”号表示组合中不考虑该项荷载或作用效应。

组合之前的地震作用效应标准值，尚应按照《高层建筑混凝土结构技术规程》有关规定进行适当放大、调整，对于框架结构要考虑结构薄弱层楼层剪力增大及地震作用下可能的楼层剪重比调整。

持久、短暂设计状况时，应按（1）条的规定进行荷载组合的效应计算，抗震设计时，应同时按（1）条和（2）条的规定进行荷载和地震作用组合的效应计算；按（2）条计算的组合内力设计值尚应按《高层建筑混凝土结构技术规程》的有关规定进行调整。同一构件的不同截面或不同设计要求，可能对应不同的组合工况，应分别进行验算。

组合后设计值尚应作以下调整：①“强柱弱梁”，调整柱的弯矩设计值，包括中间层的柱端弯矩调整、柱根弯矩的增大，框支柱柱端弯矩的调整，角柱柱端弯矩的调整；②“强剪弱弯”，调整梁、柱、剪力墙的剪力设计值。

混凝土结构设计：4.5.1荷载效应组合解析

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