建筑楼面多种活荷载组合系数设计方法探讨

张黎

摘要：图书馆、档案馆等建筑内除了设置有藏书库外，一般还有阅览室、会议室及各类办公用房等；而各类教学楼、办公楼等建筑可能也会划定部分楼面作为藏书库。藏书库的楼面荷载取值比一般的楼面荷载都要大，根据《建筑荷载规范（GB5009-2001）》和《建筑抗震设计规范（GB50011-2001）》的要求，藏书库与其它功能的楼面在计算荷载组合和重力荷载代表值时所采用的可变荷载组合系数是不同的。本文首先对两部规范中提到的可变荷载组合值系数进行了辨析，然后探讨了在结构设计中，运用常用的结构设计软件满足两部规范对可变荷载组合值系数取值的复杂要求。

关键词：活荷载组合值系数，荷载，荷载组合，抗震设计

中图分类号： S611 文献标识码： A

在《建筑荷载规范（GB5009-2001）》和《建筑抗震设计规范（GB50011-2001）》（下文简称“荷载规范”及“抗震规范”）的计算系数中出现有活荷载组合值系数或称可变荷载组合值系数，其字面意义相近，但是其含义、取值以及在结构设计计算中的运用却大不相同。在荷载规范中，考虑结构同时承受两种或两种以上可变荷载时，计算荷载效应组合的设计值时对活荷载效应乘以组合值系数，即由可变荷载效应控制的组合适用下式：

（1）

或由永久荷载效应控制的组合适用下式：

（2）

其中荷载规范表4.1.1中列出的民用建筑楼面活荷载的组合值多数为0.7，在表中第6项书库、档案库及储藏室及第7项通风机房和电梯机房的楼面活荷载组合值系数则规定为0.9，而表4.3.1中列出的屋面活荷载的组合值系数则为0.7。在建筑抗震设计规范中，计算地震作用时采用的重力荷载代表值为结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和，其中的可变荷载组合值为可变荷载的标准值乘上组合值系数。建筑抗震设计规范的表5.1.3条列出了各种类型可变荷载的组合值系数，对于按等效均布荷载计算的楼面活荷载，其中藏书库的组合系数为0.8，而其它功能的楼面均为0.5，屋面活荷载则不计入重力荷载代表值，即组合值系数为0。按照抗震设计规范的要求，结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合按照公式(2)（即抗震设计规范的式5.4.1）计算：

（3）

其中在抗震设计中，活荷载组合系数不但影响公式（3）等号右边第一项的竖向荷载作用效应，并且，由于重力荷载代表值是地震作用计算的重要参数，因此该系数的取值同样影响公式（3）等号右边的第二、三项的计算。由于公式（3）并没有把永久荷载和楼面的可变荷载分开考虑，而是把它们结合起来作为重力荷载代表值，所以前文提到的两种活荷载组合值系数并不需要同时考虑。

对于一般的多、高层民用建筑，在进行结构构件的截面承载力计算时，通常仅考虑重力荷载、风荷载及地震作用的组合。根据公式（1）到（3）的要求，荷载组合情况分类列于表格1：

表格 1荷载组合列表

恒载 活荷载 风荷载 地震作用 说明

1 0 0 对应（1），仅考虑恒载及楼面活载

2 0 对应（1），楼面活载为控制荷载

3 0 对应（1），风荷载为控制荷载

4 0 0 对应（2），可变荷载仅楼面活载

5 0 对应（2），可变荷载包括楼面活载及风荷载

6 对应（3），荷载及活荷载合并为重力荷载代表值

其中，风荷载及地震作用均应考虑两个或者以上的方向角以及正负方向，在某些情况下还需要考虑竖向地震作用，因此在设计过程中需要用到的荷载组合是非常多的。由表1可以看出，楼面活荷载组合值系数在所有的荷载组合当中有三种不同的状况：

a.组合1及组合2中不考虑组合值系数；

b.组合3~组合5考虑了荷载规范对应的楼面活荷载组合值系数；

c.组合6在计算重力荷载代表值时考虑了抗震设计规范要求的可变荷载组合值系数。

在计算结构总体控制指标时，由于荷载规范中的楼面活荷载组合值系数的取值不会对结构在水平作用下的层间位移，自振周期等指标产生影响，而抗震设计规范要求的组合值系数的取值则直接关系到总体控制指标是否满足规范的要求。由于重力荷载代表值为结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和，而且藏书库等类型的楼面活荷载值一般比较大，因此组合值系数的取值直接影响计算的重力荷载代表值的数值、楼面的质量分布以及自振的模态。简单地说，抗震规范中的活荷载组合值系数直接影响到总体计算指标中的自振周期、周期比、剪重比、位移比以及层间位移等。

在常用结构设计软件SATWE程序的设计参数设置中，荷载规范定义的活荷载组合值系数是在“分析与设计参数补充定义”项的“荷载组合”这一选项页中进行调整，而对于抗震规范要求的可变荷载组合值系数则需由使用者分别在“地震信息”和“荷载组合”中分别设置。在“地震信息”中设置的值仅对用于地震作用计算的重力荷载代表值及由此算得的地震作用（即公式（3）等号右边的第二、三项）有影响，而在“荷载组合”菜单的“活荷重力代表值系数”的设置值则仅对公式（3）等号右边的第一项有影响。由于设计软件功能的限制，对于单个计算模型，这些系数均只能统一取值，而不能对计算模型中的局部楼面按照使用功能的不同而分别设置。而通过在结构设计软件中调整部分楼面的活荷载输入值，结构工程师可以利用一般的结构设计软件实现对同一结构单元中不同使用功能楼面按规范要求设定正确的活荷载组合值系数的目的。假设同一结构单元不同功能类型的楼面对应有种楼面荷载值，对应的组合值系数，在总体信息中按照结构单元中面积最大的楼面使用功能对应的组合值系数来设定活荷载系数（），而其它楼面在结构分析程序中输入的活荷载（）则进行调整，令到，即

（4）

对于一般的民用建筑，即使是同一种荷载类型，荷载规范和抗震规范规定的活荷载组合值系数都不尽相同。例如，对于图书馆、档案馆、办公楼等一般的民用建筑，在总体信息中一般按照其中的办公室、阅览室及会议室等楼面的活荷载组合值系数进行设置（荷载规范：和抗震规范：），但藏书库的活荷载组合值系数分别为和，显然由公式（4）求得的藏书库楼面的活荷载调整值不能兼顾两个规范的要求。由表格1的分析可知，这两个组合值系数并不需要同时考虑。因此当需要准确考虑荷载组合值系数对结构的影响时，本文建议结构工程师通过调整程序的自定义荷载组合，把结构的电算分开三次进行：第一次仅考虑表格1中序号为1及2组合类型的各项荷载组合，由于不存在活荷载组合值系数问题，楼面活荷载只需要按照正常值输入即可；第二次计算则仅考虑表格1中序号为3~5组合类型的各项荷载组合，其中对应于荷载规范要求的活荷载组合值系数可以定为0.7，而楼面活荷载则按照公式（4）提供的方法进行调整、输入；第三次计算则仅考虑表格1中序号为6组合类型的各项荷载组合，即仅考虑包含地震作用的荷载组合，而在计算参数设置时可设置对应于抗震规范要求的活载组合值系数0.5，并且相应调整局部楼面及天面的活荷载输入值。对于结构的总体控制指标的校核，其中风荷载作用下的层间位移值由于不涉及到楼面活荷载，因此第一及第二次计算均可得准确的结果，而第三次的计算中准确地考虑了抗震规范对楼面活荷载的取值要求以及由重力荷载代表值反算的质量分布，从而包括自振周期、地震作用下的位移等总体控制指标以及地震作用值均可在此次计算中准确得到。在进行构件截面承载力设计时，结构工程师则需要采用三次计算所得的构件配筋结果的包络值。显然，对于通常的建筑，规范所要求的结构总体控制指标以及用于结构构件设计的荷载工况及组合均在这三次计算中全部考虑了，并且实现了准确地按照规范的要求设置活荷载折减系数的目的。

尽管荷载规范及抗震规范都使用了活荷载组合值系数这一名称，但是其意义却是不同的，并且对于藏书库、档案库等功能的楼面来说，两部规范对系数的取值均与一般功能的楼面不同。而由于程序功能的限制，当运用现有的结构分析软件进行结构设计时，软件并不能针对不同使用功能的楼面，根据这两个系数取值的不同要求而调整个别楼面活荷载的组合值系数。因此，当设计具有较复杂使用功能的建筑物时，结构工程师除了需要对这两个组合值系数的含义仔细辨析，还应该针对工程项目的特点，有针对性地分拆计算过程，并根据需要调整组合值系数的取值以及换算楼面荷载，从而实现可靠、经济地进行结构设计工作。

参考文献：

[1] 建筑结构荷载规范 GB 50009-2001（2006年版） [S]. 北京：中华人民共和国建设部2006.

[2] 建筑抗震设计规范 GB 50011-2001 (2008年版)[S]. 北京：中华人民共和国建设部2008.

[3] 全国民用建筑工程设计技术措施 结构 （2003版）[S]. 北京：建设部工程质量安全监督与行业发展司 中国建筑标准设计研究所 2003.

[4] SATWE用户手册及技术条件 [S]. 北京：中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部 2005.