第一章 建筑结构概论 1.3 荷载代表值

在极限状态设计方法中，荷载是以代表值的形式出现的。根据荷载在设计基准期内的时间变异性，其代表值的确定方法和分类有所不同：

一、 永久荷载与可变荷载的代表值体系

• 永久荷载：在设计基准期内始终存在且其值变化可以忽略，因此只有标准值这一个代表值。
• 可变荷载：在设计基准期内其值随时间而变化，因此除了标准值外，还引入了频遇值、准永久值和用于多项可变荷载同时出现时的组合值。其中，标准值是可变荷载的基本代表值，其余三种代表值均表示为标准值与相应折减系数的乘积。

二、 四种荷载代表值的定义与确定方法

1. 荷载标准值 ($Q_k$ 或 $G_k$)

   • 定义：设计基准期最大荷载概率分布的某个分位值。
   • 构件自重标准值：取概率分布中 20.93% 对应的荷载值（超越概率为 79.07%）。
   • 办公室楼面活荷载标准值：取概率分布中 99.02% 对应的荷载值（如办公室 $Q_k = 2000\text{ N/m}^2$）。
   • 风雪荷载标准值：按气象习惯，以平均重现期为 50 年（即“50年一遇”）的荷载幅值作为标准值。
     • 概率含义：50年一遇的风荷载，在**任意时点（1年时段）**的概率分布函数上对应的百分位是 98%；但在 50 年设计基准期内的最大荷载概率分布上，对应的百分位仅为 36.42%（这意味着在50年内被超越的概率高达 63.58%）。

2. 可变荷载频遇值 ($Q_f = \psi_f Q_k$)

   • 定义：在设计基准期内，被超越的总时间仅占一小部分的荷载值；或被超越的频率限制在规定范围内的荷载值。
   • 确定方法：
     • 考虑结构正常使用引起不舒适感（如楼盖震动）：由超越总持续时间控制，一般要求超越总时间比例 $\eta_q \le 0.1$。
     • 考虑结构的局部损坏或疲劳破坏：由超越频率（跨阈率）控制，利用任意时点荷载的均值、均方差和均值跨阈率等计算。
   • 以风荷载为例，其频遇值系数 $\psi_f = 0.4$。

3. 可变荷载准永久值 ($Q_q = \psi_q Q_k$)

   • 定义：在设计基准期内，被超越的总时间占设计基准期比例较大的荷载值。
   • 确定方法：通常取超越时间比例 $\eta_q = 0.5$（即有一半的时间该荷载值都会被超越）。
   • 以风荷载为例，由于风速达到极值的时间极短，其准永久值系数 $\psi_q = 0$。

4. 可变荷载组合值 ($Q_c = \psi_c Q_k$)

   • 定义：当结构同时承受多个可变荷载时，所有可变荷载同时达到各自标准值的概率极低。为了使组合后荷载效应的超越概率与该荷载单独达到标准值时的超越概率趋于一致，对可变荷载进行折减后采用的值。
   • 确定方法：实用中取与标准值相同分位下，相应时段内的最大值作为组合值。
   • 以风荷载为例，其组合值系数 $\psi_c = 0.6$。

三、 典型可变荷载的物理与概率参数设计

• 风荷载标准值：计算公式为 $w_k = \beta_z \mu_s \mu_z w_0$。
  • 基本风压 $w_0$：由 10m 高、50年一遇的最大风速换算而来（年超越概率 2%）。
  • 风压高度变化系数 $\mu_z$：反映风速随高度和地面粗糙度（A、B、C、D类地貌）的变化，高度越高、地面越平坦（如A类海岛），风压越大。
  • 风载体形系数 $\mu_s$：反映建筑表面形状对气流的干扰，正值代表风压（压向表面），负值代表风吸（拉离表面）。
  • 风振系数 $\beta_z$：对刚度较小的高耸或高层建筑，必须考虑脉动风的共振（$R$）与背景分量（$B_z$）等动力效应对结构的影响。
• 吊车荷载：包括竖向荷载（最大轮压 $P_{max,k}$、最小轮压 $P_{min,k}$）、横向水平荷载（小车制动产生） 以及纵向水平荷载（大车制动产生，取一侧所有制动轮最大轮压之和的 10%）。设计时还需要对不同工作级别的吊车乘以动力系数 $\mu$（如 A1 A5 软钩吊车取 1.05，A6 A8 取 1.1）。

思考题

在进行建筑结构设计时，如果一个楼盖上同时作用有“办公楼面活荷载”和“风荷载”：

1. 为什么我们在计算它们的标准值时，办公室活荷载采用的是 99.02% 的概率分位值，而风荷载却采用“50年一遇”（对应设计基准期最大值分布的 36.42% 分位值）？这种差异反映了这两种荷载在时间变异性上有什么不同？
2. 当我们考虑这两个可变荷载同时作用时，为什么要引入组合值系数 $\psi_c$（如风荷载乘以 0.6）？如果不做折减直接相加，在工程设计上会带来什么问题？