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摘要：本文介紹了建筑荷載的主要類型，相應(yīng)的特性，以及設(shè)計上要如何更加合理的考量，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性能。
關(guān)鍵詞：建筑、荷載、結(jié)構(gòu)
衣食住行是反應(yīng)人類生存質(zhì)量最重要的四個方面，杜甫在其詩歌“茅屋為秋風所破歌”中寫到：“安得廣廈千萬間，大庇天下寒士俱歡顏”的感慨，也說明了住房對人類的重要性。建筑是人類抵御外部惡劣環(huán)境的庇護所，隨著人類的科技進步，對自然環(huán)境以及房屋建造技術(shù)的了解越來越深入。在如何建造一個安全，舒適的建筑有了更加明確的建造標準。而這些要求，對滿足我們?nèi)粘５氖褂靡缶哂兄卮蟮囊饬x。而結(jié)構(gòu)則是所有功能的基礎(chǔ)。只有結(jié)構(gòu)安全了，舒適和節(jié)能等功能才有意義。
了解作用在建筑結(jié)構(gòu)上的荷載是非常重要的，只有在充分了解外部作用力的時候，才有可能設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)，確保建筑物的安全。
2. 作用建筑物上的主要荷載
荷載是指建筑自身或外部環(huán)境作用于建筑物上的力，建筑結(jié)構(gòu)安全就是要分析這部分的作用，然后在設(shè)計上加以結(jié)構(gòu)計算，確保作用力的組合在建筑物自身能夠承擔的范圍之內(nèi)。作用在建筑物上的荷載，主要有以下幾種類型：
a. 自重
自重是指建筑物構(gòu)件自身的重量，包括主體結(jié)構(gòu)的墻、梁、柱、樓板等建成后就固定不變的作用力。自重荷載有兩個主要特點，第一：它永遠是垂直向下的;第二：在建筑使用周期內(nèi)，它是一直存在的。主體結(jié)構(gòu)采用的材料主要由兩種，一種是鋼筋混凝土，還有一種是鋼結(jié)構(gòu)，或者是兩種材料的組合。鋼筋混凝土（詞條“混凝土”由行業(yè)大百科提供）的容重通常為25KN/m^3到27KN/m^3之間。鋼結(jié)構(gòu)的重量大約為78.5KN/m^3。
b. 風荷載
風荷載是指在風的作用下，垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。它是高層建筑最重要的荷載之一，特別是對外維護結(jié)構(gòu)更是如此。
得到建筑物的風荷載通常有兩種方式，一種是根據(jù)所在國家的建筑荷載的設(shè)計標（詞條“設(shè)計標”由行業(yè)大百科提供）準中有關(guān)風荷載的計算方法來計算;還有一種就是通過風洞試驗或者進行相應(yīng)的分析得到，風洞試驗(如圖一)是按比例建造建筑物和現(xiàn)有外部環(huán)境的模型，在模型上設(shè)置感應(yīng)器，放置在一個可以轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤上，然后再放到風洞試驗臺上，再試驗過程中通過旋轉(zhuǎn)模型轉(zhuǎn)盤，得到不同朝向風作用下最大作用數(shù)據(jù)，然后再分析得出建筑物在設(shè)計周期內(nèi)的最大風壓值。以上這兩種都是要根據(jù)當?shù)氐臍庀筚Y料進行分析，所以氣象資料數(shù)據(jù)對建筑設(shè)計風壓的取值是至關(guān)重要的。
圖一：某項目風洞試驗?zāi)Ｐ?/STRONG>
風荷載具有以下幾個特點：
1) 風荷載作用力的方向永遠是垂直于立面的。這是由空氣特性決定的。
2) 風荷載有正風壓和負風壓的區(qū)別。正風壓是是指面向立面的風壓，負風壓是指立面朝外的風壓，這是由內(nèi)外壓力差造成的，通常來說負風壓的數(shù)值會比正風壓更大。
3) 通常建筑物角上部位的風壓比中部的風壓大。這是因為在角落部位的風環(huán)境更加復雜，風速變化差異更大，導致風壓更大。而且通常是負風壓起主導作用。
4) 一般最大風壓不是發(fā)生在建筑的最高處。根據(jù)一般的理論計算，通常是越高處的風壓大于低處的風壓，按照這種計算方法，最大風壓肯定是發(fā)生在建筑物的最高處。但是實際上可能并非如此。根據(jù)大量風洞試驗結(jié)果，一個建筑物的最大風壓通常發(fā)生在建筑中部變化比較大的部位，或者和附近建筑物產(chǎn)生相互影響的部位，特別是塔樓（詞條“塔樓”由行業(yè)大百科提供）接近副樓或裙樓（詞條“裙樓”由行業(yè)大百科提供）的部位發(fā)生最大風壓的可能性較大。圖二為一個項目通過風洞試驗測試后得出的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)最大風壓發(fā)生在中部造型變化的部位。
圖二：某項目風洞試驗測試結(jié)果
根據(jù)伯努利方程，風速和風壓的作用關(guān)系如下：
風的動壓為 Wp=0.5·ro·v2
其中Wp為風壓[kN/m2]，ro為空氣密度[kg/m3]，v為風速[m/s]。
由于空氣密度(ro)和重度(r)的關(guān)系為 r=ro·g, 因此有 ro=r/g。得到 Wp=0.5·r·v2/g (2) ，此式為標準風壓公式。
在標準狀態(tài)下(氣壓為1013 hPa, 溫度為15°C), 空氣重度 r=0.01225 [kN/m3]。按照重力加速度g=9.8[m/s2], 我們得到 Wp=v2/1600 ，這個公式一般用來計算風速和風壓的關(guān)系。
我們沿海的城市，每年都要多次面對臺風的影響，對城市都造成比較大破壞，所以人們潛意識里，覺得臺風的風壓特別大。但經(jīng)過計算分析，我們會發(fā)現(xiàn)雖然這些風壓給人感覺上很大，但和實際設(shè)計風壓還有一定的差距。以下是臺風等級，風速和壓力的對照表：
|
項 |
臺風等級 |
風速（m/s） |
風壓（Kpa，kN/m2） |
|
1 |
12~13 |
32.7~41.4 |
0.67~1.07 |
|
2 |
14~15 |
41.5~50.9 |
1.08~1.62 |
|
3 |
16 |
大于51 |
大于1.63 |
一般來說，達到或者16級臺風是很少的，而對于沿海城市，一般來說風壓設(shè)計的標準值都會大于表中的風壓，再乘上設(shè)計的分項系數(shù)，以及材料考慮的安全系數(shù)，只要是滿足正常設(shè)計標準和施工要求的建筑，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問題的幾率應(yīng)該是非常低的。
c. 地震荷載
世界各地經(jīng)常會發(fā)生一些地震，每次大的地震對建筑物都會造成比較大的破壞。所以地震荷載也是建筑設(shè)計中非常重要的荷載。地震作用的大小，通常是以地震烈度來考量的。通常設(shè)計考慮在6度到8度之間。針對地震的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則通常是按照“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三原則。通常設(shè)計方法上采用“強柱弱梁”的設(shè)計方法，這樣能確保在地震作用下，能夠即使發(fā)現(xiàn)，并有一定的逃生時間。
由于地震荷載和建筑物的重量是成正比的關(guān)系。所以如何降低建筑物的重量，特別是超高層建筑的自重，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要非常注意。這也是超高層建筑都采用幕墻的原因之一，采用幕墻可以有效的降低建筑物的自重，在地震荷載作用下，也能夠更加的安全。
地震和最大風壓同時發(fā)生的可能性非常小，所以設(shè)計上可以分別考慮兩種荷載作用下，哪一種起到主導作用。沒必要把兩個最不利的數(shù)值進行疊加。
d. 活荷載
活荷載是指建筑物在使用過程中，可能產(chǎn)生變化的最大容許荷載。例如樓層中人員的走動，以及一些設(shè)備的移動和變化等，都是活荷載需要考慮的內(nèi)容。在樓板和梁的設(shè)計中，活荷載是最重要的指標之一，設(shè)計中除了要考慮本跨度內(nèi)的活荷載的作用，有時候還要考慮到相鄰的一個或者多個跨度活荷載的影響。
對于邊部的梁或樓板，活荷載作用下的最大變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）值，還會影響到幕墻的設(shè)計。如果活荷載作用下的邊梁(或板)的變形值過大，設(shè)計的幕墻系統(tǒng)也必須要具有吸收這種變形值的能力，否則就有可能造成幕墻系統(tǒng)在極端情況下破壞。例如通常的單元式幕墻系統(tǒng)能吸收的垂直方向的變形是20mm左右，而現(xiàn)在很多建筑設(shè)計上考慮的是大跨度和薄樓板，這種情況下，活荷載作用下的變形值很可能超過20mm。結(jié)構(gòu)設(shè)計不是只要滿足自身規(guī)范標準就好，還需要考慮到不同專業(yè)的特殊需求。只有各個專業(yè)密切配合，才可能設(shè)計處最合理的結(jié)構(gòu)體系。
e. 其他荷載
作用在建筑物上面還有其他可能的荷載。根據(jù)建筑所處的位置，以及外部的環(huán)境的不同，需要根據(jù)實際情況來做相應(yīng)的設(shè)計。
雪荷載是比較常見的荷載之一，特別是北方的建筑，雪荷載很多時候起控制作用。還有就是建筑的雨蓬等部位，在雪荷載作用比較大的情況下，比較容易出現(xiàn)傾覆等結(jié)構(gòu)問題。
沖擊荷載也是建筑使用過程中容易出現(xiàn)的荷載。特別是欄桿，外墻，雨蓬等部位，需要考慮沖擊荷載的影響。
除了以上這些荷載，根據(jù)建筑所處的實際情況分析，還可能有土荷載，水荷載，吊車荷載，溫度作用等特殊的荷載類型，在設(shè)計過程中要充分的考慮這些荷載的影響，不要遺漏，避免可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)隱患。
3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計上如何考慮荷載的作用
我們了解了建筑物上需要考慮的荷載，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上如何考慮這些荷載的作用，才能確保結(jié)構(gòu)的安全呢?在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計上，我們要考慮以下兩個方面：
a. 荷載的取值
荷載的合理取值是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要的。國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載荷載規(guī)范》對每一種類型的荷載，不管是計算方法，還是取值標準，都做了詳細的規(guī)定。設(shè)計上必需滿足這些規(guī)范要求的最低標準來執(zhí)行。
當然，標準是死的，是最低要求，我們在實際設(shè)計過程中，也可能會出現(xiàn)超出標準要求的情況，這樣就需要根據(jù)實際情況，選取合理的荷載數(shù)值。
b. 組合及荷載分項系數(shù)
我們知道建筑物上的荷載作用，但是有些作用都不是單獨發(fā)生，有可能同時發(fā)生，二同時發(fā)生的概率也不大一樣。例如，自重是必然存在的，風荷載和地震是偶然發(fā)生的，活荷載是隨著時間和使用狀態(tài)變化的。如何將他們合理的組合，既能確保建筑的安全，又不會出現(xiàn)特別浪費的現(xiàn)象，是每一個結(jié)構(gòu)工程師需要關(guān)注的重點。
荷載組合值系數(shù)的計算方法通常涉及分項系數(shù)和組合系數(shù)的確定。分項系數(shù)是根據(jù)荷載標準值計算各種結(jié)構(gòu)所獲得相近的可靠度系數(shù)而確定的，而組合系數(shù)則是根據(jù)不同荷載隨機概率降低的原則確定的
對于永久荷載（詞條“永久荷載”由行業(yè)大百科提供）(如自重荷載)，要分兩種狀況，當其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時，對由可變荷載效應(yīng)控制的組合取分項系數(shù)γG=1.2，對由永久荷載效應(yīng)控制的組合取γG=1.35。當其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，一般情況下取γG=1.0，但在驗算傾覆、滑移或漂浮時取γG=0.9。
對于可變荷載(如風荷載、雪荷載)，一般情況下取分項系數(shù)γQ=1.4。
荷載分項系數(shù)是根據(jù)荷載標準值計算各種結(jié)構(gòu)所獲得相近的可靠度系數(shù)而確定的。組合系數(shù)則是根據(jù)不同荷載隨機概率降低的原則確定。對于以永久荷載為控制的效應(yīng)設(shè)計值和以可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值是不一樣的。例如對于維護結(jié)構(gòu)的組合，一般來說，其主要作用是風荷載起主導作用，在考慮地震作用時，它的組合如下：
c. 材料力學性能及安全系數(shù)
在荷載作用及組合明確的前提下，如何確定它是不是在合理的范圍以內(nèi)?這就設(shè)計到所采用的建筑材料的力學性能，如何取值，以及采用什么樣的安全系數(shù)才更加合理的問題。
現(xiàn)在結(jié)構(gòu)計算采用的理論基本上是極限狀態(tài)法，針對不同的材料(如鋼筋，混凝土，鋼材，鋁型材，玻璃等)，不同的受力狀態(tài)下(如受壓，受拉，受彎，受剪等)都需要設(shè)定合理的強度設(shè)計值。通常來說，脆性材料(如玻璃，石材，陶板等)需要更高的安全系數(shù)。
為了避免由于設(shè)計和施工過程中可能出現(xiàn)的不周和瑕疵，針對不同的材料，設(shè)計上還會設(shè)定一定的構(gòu)造要求，以確保結(jié)構(gòu)真正的達到安全可靠。
4. 結(jié)語：
雖然荷載標準對建筑結(jié)構(gòu)的荷載取值和組合都有明確的規(guī)定，但是由于每個建筑物使用的功能也有較大的差異性，如何根據(jù)建筑自身特點以及使用的功能要求，設(shè)定合理的設(shè)計荷載值，在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，又不造成建筑材料的浪費，是擺在每個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師面前的難題。只有提升專業(yè)能力，深刻了解建筑及其所在的環(huán)境，以及細分使用功能的前提下，才能讓每個建筑都更加的安全可靠。
參考資料：
1. GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》
2. JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
3. DGJ08-56-2012 上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
