第二节 作用和作用效应

　　一、结构上的作用、作用效应和结构抗力

　　结构产生各种效应的原因，统称为结构上的作用。结构上的作用包括直接作用和间接作用。直接作用指的是施加在结构上的集中力或分布力，例如结构自重、楼画活荷载和没备自重等。直接作用的计算一般比较简单，引起的效应比较直观。间接作用指的是引起结构外加变形或约束变形的作用，例如温度的变化、混凝土的收缩或徐变、地基的变形、焊接变形和地震等，这类作用不是以直接施加在结构上的形式出现的，但同样引起结构产生效应。间接作用的计算和引起的效应一般比较复杂，例如地震会引起建筑物产生裂缝、倾斜下沉以至倒塌，但这些破坏效应不仅仅与地震震级、烈度有关，还与建筑物所在场地的地基条件、建筑物的基础类型和上部结构体系有关。

　　过去习惯上将上述两类不同性质的作用统称为荷载。例如将温度变化称为温度荷载，将地震作用称为地震荷载等，这样就混淆了两类不同性质的作用，特别是对间接作用的复杂性认识不足。

　　根据目前结构理论发展水平以及现有规范颁布的现状，对直接作用在结构上的荷载可按《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)(以下简称《荷载规范》)的规定采用，对间接作用，除了对地震作用按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(以下简称《抗震规范》)的规定采用外，其余的间接作用暂时还未制定相应的规范。

　　考虑到广大设计人员的现状及习惯上的衔接，目前还未将两类作用严格划分，而将其简称为荷载。

　　作用在结构上的直接作用或间接作用，将引起结构或结构构件产生内力(如轴力、弯矩、剪力、扭矩等)和变形(如挠度、转角、侧移、裂缝等)，这些内力和变形总称为作用效应，其中由直接作用产生的作用效应称为荷载效应。

　　结构或结构构件承受内力和变形的能力，称为结构的抗力，如构件的承载能力、刚度的大小、抗裂缝的能力等。结构抗力与结构构件的截面形式、截面尺寸及材料强度等级等因素有关。

　　二、荷载的分类

　　荷载是一个不确定的随机变量。在《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068一2001》(以下简称《统一标准》)中，规定设计基准期为50年，在这段期间内，荷载不仅在量值上是变化的，并且，作用在结构上的时间持续性也是变化的。因此在《荷载规范》中，将荷载按以下原则进行了分类。

　　1.按随时间变异分类

　　(1)永久荷载(亦称恒载)。在设计基准期内，其量值不随时间变化，或即使有变化，其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载。如结构的自重、土压力、预应力等。

　　(2)可变荷载(亦称活载)。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能忽略的荷载。如楼(屋)面活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载等。

　　(3)偶然荷载。在设计基准期内，可能出现，也可能不出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间很短的荷载。如地震、爆炸力、撞击力等。

　　2.按随空间位置的变异分类

　　(1)固定荷载。在结构空间位置上具有固定分布的荷载。如结构自重、楼面上的固定设备荷载等。

　　(2)自由荷载。在结构上的一定范围内可以任意分布的荷载。如民用建筑楼面上的活荷载、工业建筑中的吊车荷载等。

　　3.按结构的动力反应分类

　　(1)静态荷载。对结构或结构构件不产生加速度或产生的加速度很小可以忽略不计。如结构的自重、楼面的活荷载等。

　　(2)动态荷载。对结构或构件产生不可忽略的加速度。如吊车荷载、地震作用、作用在高层建筑上的风荷载等。

　　三、荷载的代表值

　　设计中用来验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。

　　1.荷载标准值

　　荷载标准值是指在结构的设计基准期内，在正常情况下可能出现的最大荷载值，例如在《荷载规范》中，住宅楼面的均布活荷载规定为2.0kN/㎡。

　　对于永久荷载的标准值，是按结构构件的尺寸(如梁、柱的断面)与构件采用材料的重度的标准值(如梁、柱材料为钢筋混凝土，则其重度的标准值一般取25kN/m3)来确定的数值。对常用材料重度，可按《荷载规范》附录A采用。

　　对于可变荷载的标准值，则由设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位数来确定，一般取具有95%保证率的上分位值，但对许多还缺少研究的可变荷载，通常还是沿用传统的经验数值。对可变荷载的标准值，可按《荷载规范》的规定采用。

　　2.荷载组合值

　　当结构上作用两种或两种以上的可变荷载时，考虑到其同时达到最大值的可能性较少，因此，在按承载能力极限状态设计或按正常使用极限状态的短期效应组合设计时，应采用荷载的组合值作为可变荷载的代表值。

　　可变荷载的组合值，为可变荷载乘以荷载组合值系数。组合值系数见《荷载规范》表4.1.1。

　　3.荷载频遇值

　　对变荷载，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。

　　可变荷载频遇值应取可变荷载标准值乘以荷载频遇值系数。荷载频遇值系数见《荷载规范》表4.1.1。

　　4.荷载准永久值

　　对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。

　　作用在建筑物上的可变荷载(如住宅楼面上的均布活荷载为2.0kN/㎡)，其中有部分是长期作用在—上面的(可以理解为在设计基准期50年内，不少于25年)，而另一部分则是不出现的。因此，我们也可以把长期作用在结构物上面的那部分可变荷载看作是永久活载来对待。可变荷载的准永久值，为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数φq也就是说，准永久值系数φq，为荷载准永久值与荷载标准值的比值，其值恒小于1.0。

　　在《荷载规范》中，规定了各种不同建筑楼面上均布活荷载的准永久值系数φq，如对住宅楼面的均布活荷载，其准永久值系数φq=0.4，而对书库、档案库则φq=0.8，这表示了对不同用途的建筑物，其准永久值系数φq是不同的。φq的大小表示了均布活荷载数值变动的大小，φq大表示变动较小，φq小则表示变动大。如住宅楼面的均布活荷载标准值为2.0kN/㎡，准永久值系数φq=0.4，因此，荷载准永久值为2.0×0.4=0.8kN/㎡;而对一般书库、档案库楼面均布活荷载为5.0kN/㎡，准永久值系数φq=0.8，因此荷载准永久值为5.0×0.8=4.0kN/㎡。

　　四、荷载分项系数与荷载设计值

　　1.荷载分项系数

　　荷载分项系数是在设计计算中，反映了荷载的不确定性并与结构可靠度概念相关联的一个数值。对永久荷载和可变荷载，规定了不同的分项系数。

　　(1)永久荷载分项系数γG：当永久荷载对结构产生的效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合取γG=1.2;对由永久荷载效应控制的组合，取γG=1.35。当产生的效应对结构有利时，—般情况下取γG=1.0;当验算倾覆、滑移或漂浮时，取γG=0.9;对其余某些特殊情况，应按有关规范采用。

　　(2)可变荷载分项系数γQ：—般情况下取γQ=1.4;但对工业房屋的楼面结构，当其活荷载标准值>4kN/㎡时，考虑到活荷载数值已较大，则取γQ=1.3。

　　2.荷载设计值

　　荷载设计值等于荷载代表值乘以荷载分项系数。按承载能力极限状态计算荷载效应时，需考虑荷载分项系数;按正常使用极限状态计算荷载效应时(不管是考虑荷载的短期效应组合还是长期效应组合)，由于对正常使用极限状态的可靠度比对承载能力极限状态的可靠度要求可以适当放松，因此可以不考虑分项系数，即分项系数=1.0。

　　五、材料强度指标的取值

　　1.强度标准值

　　材料强度标准值为结构设计时采用的材料性能的基本代表值，具有95%的保证率。

　　2.材料分项系数

　　材料强度分项系数是在按承载能力极限状态设计时，按可靠度指标[β]在计算中所采用的系数值。在我国规范中，通过[β]值及材料、几何参数、荷载基本参量，求出各种结构用的材料分项系数。对混凝土，材料分项系数取γC=1.4;对HRB335、HR400、RRB400级钢筋，取γC=1.10。

　　3.材料强度设计值

　　指材料强度标准值除以材料分项系数值后的值。

　　在承载能力极限状态设计中，采用材料强度设计值。