1.1 荷載分類和荷載效應組合

1.1.1 荷載分類和荷載代表值

1.荷載分類

結構上的荷載可分為下列三類：

（1）永久荷載 在結構使用期間，其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計，或其變化是單調的并能趨于限值的荷載，包括結構構件、圍護構件、面層及裝飾、固定設備、長期儲物的自重、土壓力、水壓力，以及其他需要按永久荷載考慮的荷載，如預應力等。

（2）可變荷載 在結構使用期間，其值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可以忽略不計的荷載，包括樓面活荷載、屋面活荷載和積灰荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載、溫度作用等。

（3）偶然荷載 在結構使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的荷載，包括爆炸力、撞擊力等。

2.荷載代表值

荷載代表值為設計中用以驗算極限狀態(tài)所采用的荷載量值，例如標準值、組合值、頻遇值和準永久值。

（1）設計基準期 為確定可變荷載代表值而選用的時間參數(shù)。如確定可變荷載標準值時，設計基準期一般規(guī)定為50年。

（2）標準值 荷載的基本代表值，為設計基準期內(nèi)最大荷載統(tǒng)計分布的特征值，例如均值、眾值、中值或某個分位值。這是由于荷載本身具有隨機性，因而使用期間的最大荷載也是隨機變量，所以用它的統(tǒng)計分布的特征值。

永久荷載標準值，對結構自重，可按結構構件的設計尺寸與材料單位體積的自重計算確定。一般材料和構件的單位自重可取其平均值，對于自重變異較大的材料和構件（如現(xiàn)場制作的保溫材料、混凝土薄壁構件等），自重的標準值應根據(jù)對結構的不利或有利狀態(tài)，分別取上限或下限值。常用材料或構件單位體積的自重可按荷載規(guī)范附錄A采用。

固定隔墻的自重可按永久荷載考慮，位置可靈活布置的隔墻自重應按可變荷載考慮。

可變荷載的標準值，應根據(jù)不同類型的可變荷載，按荷載規(guī)范的相應章節(jié)規(guī)定采用。

（3）組合值 對可變荷載，使組合后的荷載效應在設計基準期內(nèi)的超越概率，能與該荷載單獨出現(xiàn)時的相應概率趨于一致的荷載值；或使組合后的結構具有統(tǒng)一規(guī)定的可靠指標的荷載值。這是考慮到各種可變荷載不可能同時以其最大值（標準值）出現(xiàn)，因此除了一個主要可變荷載（主導可變荷載）外，其余可變荷載應在其標準值上乘以小于1的組合系數(shù)對可變荷載標準值進行折減，使結構構件在兩種或兩種以上可變荷載參與組合的情況下，與僅有一種可變荷載參與組合的情況具有大致相同的可靠指標。

（4）頻遇值 對可變荷載，在設計基準期內(nèi)，其超越的總時間為規(guī)定的較小比率或超越頻率為規(guī)定頻率的荷載值。它是正常使用極限狀態(tài)按荷載頻遇組合的效應設計或按荷載偶然組合的效應設計采用的可變荷載代表值。

可變荷載的頻遇值應為可變荷載標準值乘以頻遇值系數(shù)。

（5）準永久值 對可變荷載，在設計基準期內(nèi)，其超越的總時間約為設計基準期一半的荷載值。它是正常使用極限狀態(tài)按荷載準永久組合或頻遇組合或偶然組合的效應設計采用的可變荷載代表值。

可變荷載準永久值，應為可變荷載標準值乘以準永久值系數(shù)。

建筑結構設計時，對不同荷載應采用不同的代表值^[1]。

對永久荷載應采用標準值作為代表值。

對可變荷載應根據(jù)設計要求采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值。

對偶然荷載應按建筑結構使用的特點確定其代表值。

確定可變荷載代表值時應采用50年設計基準期。

3.極限狀態(tài)

整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)分為以下兩類：

（1）承載能力極限狀態(tài) 結構或結構構件達到最大承載力、出現(xiàn)疲勞破壞、發(fā)生不適于繼續(xù)承載的變形或因結構局部破壞而引發(fā)的連續(xù)倒塌。

（2）正常使用極限狀態(tài) 結構或結構構件達到正常使用的某項規(guī)定限值或耐久性能的某種規(guī)定狀態(tài)，如裂縫限值、撓度限值等。

【例1.1-1】 下列哪項驗算不屬于正常使用極限狀態(tài)（ ）。

（A）疲勞驗算 （B）變形驗算 （C）抗裂性驗算 （D）裂縫寬度驗算

答案：（A）

解答：第1.1.1節(jié)3（《混凝土規(guī)范》^[2]第3.1.3條）“承載能力極限狀態(tài)：結構或結構構件達到最大承載力，出現(xiàn)疲勞破壞、發(fā)生不適于繼續(xù)承載的變形或因結構局部破壞而引發(fā)的連續(xù)倒塌。”

4.可變荷載的代表值和組合值

（1）承載能力極限狀態(tài)設計或正常使用極限狀態(tài)按標準組合設計時，對可變荷載應按規(guī)定的荷載組合采用荷載的組合值或標準值作為其荷載代表值。

可變荷載的組合值，應為可變荷載的標準值乘以荷載組合值系數(shù)。

（2）正常使用極限狀態(tài)按頻遇組合設計時，應采用可變荷載的頻遇值或準永久值作為其荷載代表值；按準永久組合設計時，應采用可變荷載的準永久值作為其荷載代表值。

1.1.2 荷載組合

1.基本概念

（1）荷載組合 按極限狀態(tài)設計時，為保證結構的可靠性而對同時出現(xiàn)的各種荷載設計值的規(guī)定。

（2）荷載設計值 荷載代表值與荷載分項系數(shù)的乘積。

（3）荷載效應 由荷載引起結構或結構構件的反應，例如內(nèi)力、變形和裂縫等。

（4）基本組合 承載能力極限狀態(tài)計算時，永久荷載和可變荷載的組合。

（5）偶然組合 承載能力極限狀態(tài)計算時，永久荷載、可變荷載和一個偶然荷載的組合，以及偶然事件發(fā)生后受損結構整體穩(wěn)固性驗算時永久荷載與可變荷載的組合。

（6）標準組合 正常使用極限狀態(tài)計算時，采用標準值或組合值為荷載代表值的組合。

（7）頻遇組合 正常使用極限狀態(tài)計算時，對可變荷載采用頻遇值或準永久值為荷載代表值的組合。

（8）準永久組合 正常使用極限狀態(tài)計算時，對可變荷載采用準永久值為荷載代表值的組合。

（9）等效均布荷載 結構設計時，樓面上不連續(xù)分布的實際荷載，一般采用均布荷載代替；等效均布荷載系指其在結構上所得的荷載效應能與實際的荷載效應保持一致的均布荷載。

（10）從屬面積 從屬面積是考慮梁、柱等構件均布荷載折減所采用的計算構件負荷的樓面面積。

（11）建筑結構的安全等級 根據(jù)建筑結構破壞后果的嚴重程度，建筑結構劃分為三個安全等級。設計時應根據(jù)具體情況，按照表1.1-1的規(guī)定選用相應的安全等級。

表1.1-1 建筑結構的安全等級

注：1.對特殊的建筑物，其安全等級應根據(jù)具體情況另行確定。

2.地基基礎設計安全等級及按抗震要求設計時，建筑結構的安全等級，尚應符合國家現(xiàn)行有關規(guī)范的規(guī)定。

混凝土結構中各類結構構件的安全等級，宜與整個結構的安全等級相同，對其中部分結構構件的安全等級，可根據(jù)其重要程度適當調整。對于結構中重要構件和關鍵傳力部位，宜適當提高其安全等級。

2.設計應明確結構的用途，在設計使用年限內(nèi)未經(jīng)技術鑒定或設計許可，不得改變結構的用途和使用環(huán)境。

3.荷載（效應）組合

建筑結構設計應根據(jù)使用過程中在結構上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載組合，并應取各自的最不利的組合進行設計。

4.承載能力極限狀態(tài)

對于承載能力極限狀態(tài)，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，并應采用下列設計表達式進行設計：

γ₀S_d≤R_d （1.1-1a）

式中 γ₀——結構重要性系數(shù)，應按各有關建筑結構設計規(guī)范的規(guī)定采用；

S_d——荷載組合的效應設計值；

R_d——結構構件抗力的設計值，應按各有關建筑結構設計規(guī)范的規(guī)定確定。

《混凝土結構設計規(guī)范》（GB/T 50009—2012）規(guī)定：對持久設計狀況、短暫設計狀況和地震設計狀況，當用內(nèi)力的形式表達時，結構構件應采用下列承載能力極限狀態(tài)設計表達式：

γ₀S≤R （1.1-1b）

R=R（f_c，f_s，a_k，…）/γ_Rd

式中 γ₀——結構重要性系數(shù)：在持久設計狀況和短暫設計狀況下，對安全等級為一級的結構構件不應小于1.1，對安全等級為二級的結構構件不應小于1.0；對安全等級為三級的結構構件不應小于0.9；對地震設計狀況下應取1.0；

S——承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應設計值：對持久設計狀況和短暫設計狀況應按作用的基本組合計算；對地震設計狀況應按作用的地震組合計算；

R——結構構件的抗力設計值，應按各有關建筑結構設計規(guī)范的規(guī)定確定；

γ_Rd——結構構件的抗力模型不定性系數(shù)：靜力設計取1.0，對不確定性較大的結構構件根據(jù)具體情況取大于1.0的數(shù)值；抗震設計應用承載力抗震調整系數(shù)γ_RE代替γ_Rd。

f_c、f_s——混凝土、鋼筋的強度設計值；

a_k——幾何參數(shù)的標準值，當幾何參數(shù)的變異性對結構性能有明顯的不利影響時，應增減一個附加值。

（1）對于基本組合，荷載基本組合的效應設計值S_d應從下列荷載組合值中取用最不利的效應設計值確定：

1）由可變荷載控制的效應設計值，即可變荷載占總荷載的百分數(shù)較大：

式中 γ_Gj——第j個永久荷載的分項系數(shù)；

γ_Li——第i個可變荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)，其中γ_L1為主導可變荷載Q₁考慮設計使用年限的調整系數(shù)；

γ_Qi——第i個可變荷載的分項系數(shù)，其中γ_Q1為主導可變荷載Q₁的分項系數(shù)；

S_Gjk——按第j個永久荷載標準值G_jk計算的荷載效應值；

S_Qik——按第i個可變荷載標準值Q_ik計算的荷載效應值，其中S_Q1k為諸可變荷載效應中起控制作用者；

ψ_ci——第i個可變荷載Q_i的組合值系數(shù)；

m——參與組合的永久荷載數(shù)；

n——參與組合的可變荷載數(shù)。

2）由永久荷載控制的效應設計值，即永久荷載占總荷載的百分數(shù)較大：

基本組合中的效應設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。

當對S_Q1k無法明顯判斷時，應輪次以各可變荷載效應作為S_Q1k，并選取其中最不利的荷載組合的效應設計值。當無法判斷是由可變荷載效應控制還是由永久荷載效應控制時，應對兩種情況分別計算，并選大值作為荷載效應控制狀況。

3）調整系數(shù)γ_L 可變荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)γ_L應按下列規(guī)定采用：

①樓面和屋面活荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)γ_L應按表1.1-2（荷載規(guī)范表3.2.5）采用。

表1.1-2 樓面和屋面活荷載考慮設計使用年限的調整系數(shù)γ_L

注：1.當設計使用年限不為表中數(shù)值時，調整系數(shù)γ_L可按線性內(nèi)插確定。

2.對于荷載標準值可控制的活荷載，設計使用年限調整系數(shù)γ_L取1.0。

②對雪荷載和風荷載，應取重現(xiàn)期為設計使用年限，按荷載規(guī)范附錄E3.3條的規(guī)定確定基本雪壓和基本風壓，或按有關規(guī)范的規(guī)定采用。

4）基本組合的荷載分項系數(shù)

基本組合的荷載分項系數(shù)應按下列規(guī)定采用：

①永久荷載的分項系數(shù)應符合下列規(guī)定：

a.當永久荷載效應對結構不利時

對由可變荷載效應控制的組合，應取1.2。

對由永久荷載效應控制的組合，應取1.35。

b.當永久荷載效應對結構有利時，不應大于1.0。

②可變荷載的分項系數(shù)應符合下列規(guī)定：

對標準值大于4kN/m²的工業(yè)房屋樓面結構的活荷載應取1.3；

其他情況，應取1.4。

③對結構的傾覆、滑移或漂浮驗算，荷載的分項系數(shù)應滿足有關的建筑結構設計規(guī)范的規(guī)定。

（2）對于偶然組合，荷載偶然組合的效應設計值S_d可按下列規(guī)定采用：

1）用于承載能力極限狀態(tài)計算的效應設計值，應按下式進行計算：

式中 S_Ad——按偶然荷載標準值A_d計算的荷載效應值；

ψ_f1——第1個可變荷載的頻遇值系數(shù)；

ψ_qi——第i個可變荷載的準永久值系數(shù)。

2）用于偶然事件發(fā)生后受損結構整體穩(wěn)固性驗算的效應設計值，應按下式進行計算：

組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。

（3）對二維、三維混凝土結構構件，當按彈性或彈塑性方法分析并以應力形式表達時，可將混凝土應力按區(qū)域等代成內(nèi)力設計值，按上述規(guī)定進行計算；也可直接采用多軸強度準則進行設計驗算。

5.正常使用極限狀態(tài)

對于正常使用極限狀態(tài)，鋼筋混凝土構件按荷載的準永久組合并考慮長期作用的影響，預應力混凝土構件按荷載的標準組合并考慮長期作用的影響，其他結構或結構構件應根據(jù)不同的設計要求，采用荷載的標準組合、頻遇組合或準永久組合，按下列設計表達式進行設計：

S_d≤C （1.1-6）

式中 C——結構或結構構件達到正常使用要求的規(guī)定限值，例如變形、裂縫、振幅、加速度、應力等的限值，應按各有關建筑結構設計規(guī)范的規(guī)定采用。

（1）對于標準組合，荷載標準組合的效應設計值S_d應按下式進行計算：

組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。

（2）對于頻遇組合，荷載頻遇組合的效應設計值S_d應按下式進行計算：

式中 ψ_f1——可變荷載Q₁的頻遇值系數(shù)；

ψ_qi——可變荷載Q_i的準永久值系數(shù)。

組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。

（3）對于準永久組合，荷載準永久組合的效應設計值S_d可按下式進行計算：

組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況。

【例1.1-2】 下列敘述何項為錯誤（ ）

（A）建筑物中各類結構構件的安全等級，必須與整個結構的安全等級相同

（B）對于承載能力極限狀態(tài)，結構構件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

（C）對于正常使用極限狀態(tài)，應根據(jù)不同的設計要求，采用荷載的標準組合、頻遇組合或準永久組合

（D）對于正常使用極限狀態(tài)應包括結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值

答案：（A）

解答：據(jù)1.1.2節(jié)1（11）（《混凝土規(guī)范》第3.1.5條）規(guī)定“……對其中部分結構構件的安全等級，可根據(jù)其重要程度適當調整”。

【例1.1-3】 一商城的中廳上空采用鋼空腹桁架，其計算跨度l₀=21.0m，桁架高度h=3.2m（圖1.1-1）。桁架上弦與下弦桿采用相同的H型鋼截面尺寸，豎腹桿也均采用相同的H型鋼截面尺寸。該桁架上弦節(jié)點10～15均作用2個節(jié)點集中荷載P_gk及P_qk，P_gk為按永久荷載標準值算得的節(jié)點荷載，P_qk為按屋面上人活荷載標準值2.0kN/m²算得的節(jié)點荷載，P_gk=30kN，P_qk=60kN，設計使用年限的調整系數(shù)γ_L=1，由此算得桁架下弦桿4-5的軸向拉力設計值N_4-5=____kN。

圖1.1-1 【例1.1-3】圖

a）鋼空腹桁架計算簡圖 b）桁架整體彎矩圖 c）桁架整體剪力圖 d）桁架隔離體計算簡圖

（A）540 （B）675 （C）690 （D）720

答案：（B）

解答：空腹桁架屬超靜定結構，不宜采用手算法計算桁架各桿件的內(nèi)力。但是，由于本題僅計算下弦桿4-5（或上弦桿12-13）的內(nèi)力，且本桁架是奇數(shù)孔數(shù)的空腹桁架，故可采用手算法計算該桿的內(nèi)力。

本題由于P_qk/P_gk=60/30=2.0，故可判定屬于可變荷載效應控制的組合。

由于本題中空腹桁架的上下弦桿及豎腹桿均是左右對稱，可知桁架整體剪力圖（圖1.1-1c）中的上弦桿12-13及下弦桿4-5的豎向剪力V_12-13=V_4-5=0.0，相應地上下弦桿12-13及4-5在左端點12及4的桿端彎矩也等于零，即M_12-13=M_4-5=0.0，則下弦桿4-5的軸向拉力設計值可由隔離體（圖1.1-1d）中對節(jié)點12的彎矩平衡條件算得。即當支座點1處的豎向反力設計值R₁=3（1.2P_gk+1.4×1×P_qk）。

則對節(jié)點12的彎矩平衡條件算式為

R₁×9.0-（1.2P_gk+1.4×1×P_qk）×（6.0+3.0）=N_4-5×3.2

【例1.1-4】 一辦公樓樓面簡支梁的計算跨度l₀=10m（圖1.1-2），由永久荷載標準值產(chǎn)生的梁上線荷載g_k=10kN/m，由樓面均布活荷載標準值產(chǎn)生的梁上線荷載q_k=8kN/m，設計使用年限的調整系數(shù)γ_L=1，由此算得該梁跨中彎矩設計值M_中=____kN·m。

（A）230 （B）290 （C）260 （D）200

答案：（B）

解答：因由可變荷載效應控制的組合：γ_G=1.2，γ_Q=1.4

由永久荷載效應控制的組合：γ_G=1.35，γ_Q=1.4，ψ_c1=0.7

圖1.1-2 樓面簡支梁的計算簡圖

【例1.1-5】 基本數(shù)據(jù)及條件同【例1.1-4】的簡支梁，相應地算得該梁左端支座處A的剪力設計值V_A=____kN。

（A）116 （B）106 （C）90 （D）100

答案：（A）

解答：因由可變荷載效應控制的組合：

由永久荷載效應控制的組合：

【例1.1-6】 一展覽廳的圓弧形靜定三鉸拱，其跨度l=25m，矢高f=4m（圖1.1-3），在C、D、E處均作用著兩個集中荷載P_gk及P_qk，即一是由永久荷載標準值產(chǎn)生的拱頂集中荷載P_gk=100kN，另一是由拱面活荷載標準值產(chǎn)生的拱頂集中荷載P_qk=50kN，設計使用年限的調整系數(shù)γ_L=1，由此算得該拱底部拉桿的軸向拉力設計值N_A=____kN。

（A）560.55 （B）495.8

（C）585.25 （D）593.75

圖1.1-3 三鉸拱的計算簡圖

答案：（D）

解答：該拱是靜定的三鉸拱，可根據(jù)圖1.1-3的拱頂彎矩M_D=0的條件，得底部拉桿AB的軸向拉力標準值的計算公式，即

則

相應地底部拉桿的軸向拉力設計值N_A可引用上式進行計算，并代入相應的荷載分項系數(shù)，則有：

由可變荷載效應控制的組合：

由永久荷載效應控制的組合：