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4 荷載組合

4.2 荷載效應組合值

4.2.1 工程結構設計應根據生產工藝、設備配置等實際,對在使用過程中可能同時出現的荷載,按結構的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載組合,并應采用各自最不利的組合。常用的荷載組合應分為基本組合、標準組合、準永久組合或頻遇組合以及偶然組合。

當整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態,而不能滿足設計規定的某一功能要求時,則稱此特定狀態為結構對該功能的極限狀態。工程設計中的極限狀態均以結構某種荷載效應(如內力、應力、變形、裂縫等)超過相應規定的限值為依據。根據設計中要求考慮的結構功能,結構的極限狀態大體可分為兩大類:承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。一般前者以結構的內力為依據,后者以結構的變形、裂縫、振動位移等為依據。

對于所考慮的極限狀態,在確定其荷載效應時,應對可能同時出現的所有荷載(作用)加以組合,求得該結構上的荷載總效應。應考慮荷載的位置、方向等不同變化,在多種多樣的可能組合中,取其中最不利的一組用于驗算。

4.2.2 對于承載能力極限狀態,應按荷載的基本組合或偶然組合計算荷載組合的效應設計值,并應符合下式規定:

γ0Sd≤Rd(4.2.2)

式中:γ0——結構重要性系數,應按國家現行各有關建筑結構設計標準的規定采用;

Sd——承載能力極限狀態荷載組合的效應設計值,按本規范第4.2.3條、第4.2.8條計算計取;

Rd——結構構件抗力的設計值,應按國家現行有關建筑結構設計標準的規定采用。

文中采用的公式均為設計計算通式,適用于各種類型的建筑結構,如鋼結構、混凝土結構、砌體結構等,并適用于各種形式的結構構件承載能力,以及不同使用要求極限狀態的驗算。公式中對不同結構構件抗力設計值或者結構或構件達到正常使用要求的限值的選用應分別符合現行國家標準《鋼結構設計規范》GB 5017、《混凝土結構設計規范》GB 50010等的有關規定。

此外,結構重要性系數(γ0)的選取應同樣符合現行國家各建筑結構有關標準的規定。

4.2.3 荷載基本組合的效應設計值,應從下列荷載組合值中取用最不利的效應設計值確定,并應符合下列規定:

1 由可變荷載控制的效應設計值,應按下式采用:

img

式中——第j個永久荷載的分項系數,應按本規范第4.3.1條采用;

——第i個可變荷載的分項系數,其中為主導可變荷載Q1的分項系數,按本規范第4.3.1條采用;

——按第j個永久荷載標準值Gjk計算的荷載效應值;

——按第i個可變荷載標準值Qik計算的荷載效應值,其中SQ1k為諸可變荷載效應中起控制作用者;

——第i個可變荷載Qi的組合值系數,應按本規范第4.3.4條采用;

——第i個可變荷載設計使用年限的調整系數,其中為主導可變荷載設計使用年限的調整系數,應按第4.3.2條采用;

m——參與組合的永久荷載數;

n——參與組合的可變荷載數。

2 由永久荷載控制的效應設計值,應按下式采用:

img

3 荷載效應設計值中有關參數的選取應符合下列規定:

1)組合中的效應設計值應滿足荷載與荷載效應為線性的條件;

2)當對無法明顯判斷時,應依次以各可變荷載效應作為,選其中最不利的荷載效應設計值;

3)當有預應力作用時,預應力荷載應為永久荷載。

根據現行國家標準《工程結構可靠性設計統一標準》GB 50153的規定,結構承載能力極限狀態的荷載組合,依據設計狀況選用不同的組合。對持久和短暫設計狀況應采用基本組合,對偶然設計狀況應采用偶然組合。

在承載能力極限狀態的基本組合中,正文中給出的式(4.2.3-1)和(4.2.3-2)提供了荷載效應組合值的表達式。其目的在于保證在各種可能出現的荷載組合情況下,通過工程設計都能使結構保持在相同的可靠度水平上。需要注意的是,組合效應設計值公式中,荷載與效應都是線性關系。

參照現行國家標準《工程結構可靠性設計統一標準》GB 50153、《建筑結構荷載規范》GB 50009,對可變荷載引入調整系數γL來解決結構設計荷載取值的不同步問題,當設計使用年限與設計基準期不同時,采用調整系數γL進行調整。這使得影響設計使用年限長短的重要因素從荷載取值上得以體現,而設計使用年限長短的另一關鍵影響因素,需要從相關工程結構的耐久性設計中予以反映。

基本組合的效應設計值的規定是在現行國家相關標準要求的基礎上,并依據有色金屬工程實踐制訂出的,遵照上述規定選取荷載基本組合最不利值,通過驗算既保證了工程結構應有的可靠度水平,同時使工程項目更具有合理性和經濟性,應按規定要求執行。

此外,對于工業廠房的一般排架、框架結構,基本組合尚可采用簡化規則,并應按下列組合值中取最不利值確定:

(1)由可變荷載效應控制的組合值,可選用式(1)或式(2):

S=γGSGk+γQ1SQ1k(1)

img

上述公式中的符號同本規范式(4.2.3-1)。

(2)由永久荷載效應控制的組合:

同本規范正文中的式(4.2.3-2),其中可變荷載設計使用年限的調整系數γL可略去不計。

對于上述一般排架、框架采用簡化規則,曾在《建筑結構荷載規范》GB 50009—2001中采用,用于手算時簡單明了,對于框架、排架設計估算和簡單驗算工作十分方便,甚為有利。只是近年來鑒于電算的普及與提高,此公式對大多數框架、排架計算已顯得無實際意義,現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012已撤銷該簡化規則和計算公式。但考慮到有色金屬工程設計多年工作的常規習慣與驗算經驗,本規范仍將該計算公式附于此供參考選用。

4.2.4 對于正常使用極限狀態,應根據不同設計要求,采用荷載的標準組合、準永久組合或頻遇組合計算荷載組合效應設計值,并應符合下式規定:

Sds≤C(4.2.4)

式中:Sds——正常使用極限狀態荷載組合的效應設計值,按本規范第4.2.5~4.2.7條計取;

C——結構或結構構件達到正常使用要求的規定限值,包括變形、裂縫、振動線位移、振動速度、應力等的限值,應按國家現行有關建筑結構標準的規定采用。

同第4.2.2條的條文說明。

4.2.5 荷載標準組合的效應設計值,應按下式采用:

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注:組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。

4.2.6 荷載準永久組合的效應設計值,可按下式采用:

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式中:ψqi——第i個可變荷載Qik的準永久值系數,按本規范第4.3.4條采用。

注:組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。

4.2.7 荷載頻遇組合的效應設計值,可按下式采用:

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式中:

——第1個可變荷載Q1k的頻遇值系數,按本規范第4.3.4條采用。

注:組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。

4.2.8 偶然設計狀況時,荷載偶然組合的效應設計值應按下列規定采用:

1 結構承載能力極限狀態計算的效應設計值,應按下式采用:

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式中:SAd——按偶然荷載設計值Ad計算的荷載效應值,偶然荷載分項系數按本規范第4.3.6條采用。

2 偶然事故發生后,受損結構整體穩固性驗算的效應設計值應按下式采用:

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3 本條第1款和第2款中,組合中的效應設計值應滿足荷載與荷載效應為線性的條件。

4 不應同時將兩種及以上的偶然荷載進行組合。

5 與偶然荷載同時出現的其他荷載代表值宜依據工程實際確定。也可根據工程經驗、試驗、測試資料,以及偶然設計狀況相關規定選用。

偶然作用的類型較多,且情況較為復雜多變。因而對偶然設計狀況,荷載偶然組合的效應設計值比常規荷載組合顯得困難、繁瑣(荷載的標準值、計算值、頻遇值和準永久值同時參與組合等)。參考國家相關標準的要求,本規范給出了承載力極限狀態的偶然組合效應設計值的一般表達式。同時,考慮在爆炸、火災等偶然因素作用下,結構難免會出現局部的損傷、破壞,如梁、板等構件發生過大的塑性變形、局部失穩以及部分梁、個別柱出現塑性鉸,但是結構的整體尚應處在不會連續倒塌的“準安全”范圍之中。

為防止偶然作用下受損結構整體倒塌,本規范還給出了偶然事故發生后,已經受損結構在相應荷載作用下滿足整體穩固的設計值表達式,從而保證結構不致立即整體倒塌,為搶建、加固以及繼續利用提供必要的條件。

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