钢筋混凝土结构中的作用和效应

1.作用的概念与类型

结构的作用是使结构产生内力和变形的所有原因。

按使结构产生内力和变形方式的不同，将作用分成两类：

（1）直接作用——以力的形式直接作用在结构上，习惯上称为结构的荷载。如楼面荷载、风荷载、雪荷载、振动荷载等。直接作用是本书研究的重点。

（2）间接作用——以变形的形式作用于结构上，如地震、基础不均匀沉降、混凝土收缩、温度变形、焊接变形等。

结构上的作用，按随时间的变异分类，可分为三类。

（1）永久作用，即在设计基准期内其量值不随时间而变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用。如结构自重、土压力、预应力等。

（2）可变作用，即在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的作用。如楼面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载等。

（3）偶然作用，在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大，且持续时间很短的作用，如地震、爆炸、撞击等。

随空间位置的变异分类，有：

1）固定作用，在结构上具有固定分布的作用，如自重等。

2）自由作用，在结构上一定范围内可以任意分布的作用，如吊车荷载等。

按结构的反应特点分类，有：

1）静态作用，使结构产生的加速度可以忽略不计的作用，如自重作用等。

2）动态作用，使结构产生的加速度不可以忽略不计的作用，如吊车荷载、列车荷载。

2.荷载的代表值

结构设计中所涉及的荷载，可采用随机变量或随机过程的模式加以描述。荷载可以根据各种极限状态的设计要求，规定不同的量值即荷载代表值。一般荷载有标准值、设计值、组合值、频遇值和准永久值五种代表值。其中标准值是荷载的基本代表值，而其他四种代表值是以标准值乘以相应的系数后得到的。永久荷载应采用标准值作为代表值；可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。

（1）荷载标准值 荷载标准值是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（例如均值、众值、中值或某个分位值）。由于荷载本身具有随机性，因而使用期间的最大荷载也是随机变量，原则上可用它的统计分布来描述。荷载标准值S_k由设计基准期内荷载最大值概率分布的某一分位值来确定，设计基准期规定为50年。荷载S的统计曲线如图3-1所示，由此可得

S_k=μ_s+α_sσ_s=μ_s（1+α_sδ_s） （3-3）

式中 μ_s——荷载的统计平均值；

σ_s——荷载的统计标准差；

δ_s——荷载的变异系数，；

α_s——荷载标准值的保证率系数。

图3-1 荷载S的概率分布曲线

国际标准化组织

（ISO）建议取α_s=1.645，此时，荷载标准值即相当于具有95%保证率的0.95分位值（假定荷载为正态分布），换句话说，作用在结构构件上的实际荷载超过荷载标准值的可能性只有5%。国际上习惯称此标准值为荷载的特征值（Characteristic Value）。

但实际上并非所有的荷载已经或能够取得完备的统计资料，并能通过合理的统计分析来规定其标准值。对不少荷载，还不得不从实际出发，根据已有的工程实践经验和沿用的数值，经过分析判断后，协定一个公称值（Nominal Value）作为它的标准值。

我国《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）就是按上述两种方法确定荷载标准值的。对于按荷载概率分布取值，规范也没有规定统一的分位值，这主要是考虑到所确定的荷载标准值不宜与过去规定相差太远，以免设计出的结构材料用量变动过大。(www.xing528.com)

《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）对某些荷载标准值的取值为：

对于结构或非承重构件的自重等永久荷载，由于变异性不大，而且多为正态分布，一般以其分布的均值作为荷载标准值，即可由结构设计规定的尺寸与材料或结构构件单位体积的自重或单位面积的自重的平均值确定。对于自重变异性较大的材料，尤其是制作屋面的轻质材料，考虑到结构的可靠性，在设计中应根据该荷载对结构有利或不利，分别取其自重的下限值或上限值。

对于民用建筑楼面均布活荷载标准值则取为：住宅及办公楼荷载为2.0kN/m²；商店荷载为3.5kN/m²；藏书库及档案库荷载为5.0kN/m²。我国住宅和办公楼均布活荷载的标准值与美国、英国、欧洲的比较如表3-2。由表3-2可见我国原《建筑结构荷载规范》（GBJ9—87）规定的楼面活荷载标准值比国外低。但新荷载规范（GB50009—2001、2012）将楼面活荷载标准值从1.5kN/m²提高到2.0kN/m²，与国外接近。

表3-2 荷载标准值 （单位：kN/m²）

注：表中括号内数值为我国原《建筑结构荷载规范》（GBJ9—1987）规定的楼面活荷载标准值。

对于雪荷载和风荷载，原荷载规范（GBJ9—1987）是取30年一遇的最大雪压和风压作为其标准值，而新荷载规范（GB50009—2001、2012）是取50年一遇的最大雪压和风压作为其标准值。这样，在标准上将与国外大部分国家取得一致。

（2）荷载准永久值 结构的变形和裂缝宽度与荷载作用的时间长短有关。因此，在按正常使用极限状态计算时，应分别按荷载效应的短期组合及长期组合进行验算。在考虑长期组合时，永久荷载当然是一直作用的，而可变荷载不像永久荷载那样在结构设计基准期内全部以其最大值经常作用在结构上。而是有时作用值大一点，有时作用值小一点，有时作用持续时间长一点，有时短一点。因此，在考虑荷载效应长期组合时，可变荷载不应取其标准值作为它的代表值，而应取其“准永久值”作为它的代表值。按荷载偶然组合设计也会产生上述现象，即偶然荷载最大，它发生时，其他可变荷载不一定达到最大，同时偶然荷载情况可靠指标可低些，因此也取偶然组合设计的可变荷载代表值为准永久值。所谓准永久值是指可变荷载在结构设计基准期T内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。它是正常使用极限状态按准永久组合和频遇组合设计采用的可变荷载代表值及承载能力极限状态按荷载偶然组合设计采用的可变荷载代表值。可变荷载的准永久值可由可变荷载标准值Q_k乘以相应的准永久值系数ψ_q（≤1）得出。

（3）荷载频遇值 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，在逻辑概念上欠缺。为此，参照国际标准，对于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。由此产生了荷载频遇值。对荷载偶然组合设计，因为偶然荷载和其他可变荷载同时达到最大值的概率很低，且考虑到偶然事件出现的概率很小，可靠指标可低些，因此一种可变荷载可用荷载频遇值。荷载频遇值是对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。它是正常使用极限状态按频遇组合设计采用的一种可变荷载代表值及承载能力极限状态按荷载偶然组合设计采用的一种可变荷载代表值。可变荷载的频遇值可由可变荷载的标准值Q_k乘以相应的频遇值系数ψ_f（≤1）得出。

（4）荷载分项系数及荷载设计值 荷载的分项系数是考虑荷载超过标准值的可能性，以及对不同变异性的荷载可能造成结构计算时可靠度严重不一致的调整系数。用γ_G和γ_Q分别表示永久荷载及可变荷载的分项系数。

永久荷载分项系数：当其效应对结构不利时，由可变荷载效应控制的组合，取1.2；由永久荷载效应控制的组合，取1.35。当其效应对结构有利时，不应大于1，一般情况下取1.0；验算倾覆和滑移时，对抗倾覆和滑移有利的永久荷载，可取0.9。

可变荷载的分项系数：应取1.4，对于楼面结构，当活荷载标准值大于4kN/m²的工业房屋楼面结构的活荷载应取1.3。我国的荷载分项系数与美国、英国、欧洲的比较，见表3-3。

表3-3 荷载分项系数

注：括号内的数值为由永久荷载效应控制的组合时，荷载的分项系数值。

由表3-3可见，我国的荷载分项系数总体比国外低。

荷载的设计值为其荷载代表值与荷载分项系数的乘积。其数值大体相当于结构在非正常使用情况下荷载的最大值。在对结构进行承载能力计算时使用该值。

3.荷载效应

由荷载引起结构或结构构件的反应，例如内力、变形和裂缝等，称为荷载效应。荷载效应和作用一样也是随机变量。荷载效应可由作用乘以作用效应系数直接得到。两者之间一般为线性关系：

S=C·Q （3-4）

式中 Q——某种作用；

C——作用效应系数；

S——荷载效应。

作用效应系数一般由力学方法得到。如均布荷载下的简支梁，跨中弯矩，支座剪力，最大挠度，则它们所对应的作用效应系数分别为、和。

4.荷载组合值

当结构构件承受两种或两种以上的可变荷载时，承载能力极限状态按基本组合或偶然组合设计和正常使用极限状态按标准组合或频遇组合或准永久组合设计时采用的可变荷载代表值即为荷载组合值。这是由于当结构承受两种或两种以上可变荷载时，考虑到各种可变荷载不可能同时以其最大值（标准值）出现。

《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）定义组合值为：对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。将可变荷载组合记为ψ_cQ_k，其中Q_k为某种可变荷载标准值，ψ_c为组合值系数。除风荷载的组合值系数取ψ_c=0.6外，对其他可变荷载，建议统一取ψ_c=0.7，但为了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，因此ψ_c也有大于0.7的情况。