活荷載折減精細(xì)化處理在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李建業(yè), 楊悠子

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司建研科技股份有限公司， 北京 100013)

1 活荷載標(biāo)準(zhǔn)值折減

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范理解與應(yīng)用》[2](2012版)指出，“在均布活荷載統(tǒng)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件所承受的來自不同空間域的活荷載不可能同時(shí)達(dá)到其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的最大值，存在空間組合問題。同時(shí)，其均值和方差統(tǒng)計(jì)與統(tǒng)計(jì)面積相關(guān)，一般來說房間面積越大，均值和方差越小。因此，在確定活荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)應(yīng)該考慮空間的變異性和不同構(gòu)件的受荷面積大小的影響，對(duì)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p。”

《荷載規(guī)范》5.1.2條規(guī)定，設(shè)計(jì)樓面梁、墻、柱及基礎(chǔ)時(shí)，本規(guī)范表5.1.1中樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值的折減系數(shù)取值不應(yīng)小于下列規(guī)定。

1.1 設(shè)計(jì)樓面梁時(shí)

(1)第1(1)項(xiàng)當(dāng)樓面梁從屬面積超過25 m2時(shí)，應(yīng)取0.9。

(2)第1(2)～7項(xiàng)當(dāng)樓面梁從屬面積超過50 m2時(shí)，應(yīng)取0.9。

(3)第8項(xiàng)對(duì)單向板樓蓋的次梁和槽形板的縱肋應(yīng)取0.8，對(duì)單向板樓蓋的主梁應(yīng)取0.6，對(duì)雙向板樓蓋的梁應(yīng)取0.8。

(4)第9～13項(xiàng)應(yīng)采用與所屬房屋類別相同的折減系數(shù)。

1.2 設(shè)計(jì)墻、柱和基礎(chǔ)時(shí)

(1)第1(1)項(xiàng)應(yīng)按《荷載規(guī)范》表5.1.2規(guī)定采用。

(2)第1(2)～7項(xiàng)應(yīng)采用與其樓面梁相同的折減系數(shù)。

(3)第8項(xiàng)的客車，對(duì)單向板樓蓋應(yīng)取0.5，對(duì)雙向板樓蓋和無梁樓蓋應(yīng)取0.8。

(4)第9～13項(xiàng)應(yīng)采用與所屬房屋類別相同的折減系數(shù)。

PKPM V3.1.6及后續(xù)版本在保留舊版程序活荷載折減方式的同時(shí)新增精細(xì)化折減方式，從而滿足《荷載規(guī)范》第5.1.2條對(duì)不同活荷類型采用不同的活荷載折減系數(shù)的規(guī)定。圖1為SATWE參數(shù)設(shè)置對(duì)話框——活荷信息標(biāo)簽頁，活荷載折減參數(shù)設(shè)置分為三個(gè)區(qū)域，傳統(tǒng)方式折減、精細(xì)化折減和消防車荷載折減，其中前兩種折減方式為互斥的關(guān)系。需要注意的是，如果采用精細(xì)化折減方式，則需要在PMCAD建模模塊中指定各房間的活荷載類型。

2 PMCAD中指定房間活荷類別

圖2為PMCAD模塊中交互指定房間活荷載類型界面，點(diǎn)擊菜單后，與《荷載規(guī)范》表5.1.1對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。

沒等我坐穩(wěn)屁股，里屋就傳來李金枝的罵聲。四眼兒張，你個(gè)瞎驢，想娶你姑奶奶，做夢(mèng)去吧你！爹你要再逼我，我就死給你看，就是死我也不跟瞎驢過！咣當(dāng)咣當(dāng)，李金枝使勁搖晃著屋門。

圖2 PMCAD指定房間活荷類型對(duì)話框

選中相應(yīng)活荷類別，點(diǎn)“布置”即可指定目標(biāo)房間的活荷載類別，對(duì)于9～13項(xiàng)可同時(shí)選中所屬房屋類別。圖3為某實(shí)際模型中指定房間活荷類型后，界面所顯示的相應(yīng)信息。

圖3 某工程指定房間活荷類型

3 SATWE中樓面梁活荷折減

在PMCAD結(jié)構(gòu)模型中指定房間的活荷類型后，同時(shí)要在SATWE的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中選擇精細(xì)化折減方式，程序自動(dòng)依據(jù)規(guī)范規(guī)定計(jì)算合理的活荷載折減系數(shù)。

程序中確定梁、墻梁活荷折減系數(shù)的原則如下：對(duì)構(gòu)件周圍的房間進(jìn)行循環(huán)遍歷，每個(gè)房間根據(jù)《荷載規(guī)范》第5.1.2-1條得到一個(gè)折減系數(shù)，最后取最大值作為該梁的最終活荷折減系數(shù)。

3.1 第1(1)項(xiàng)折減

自建測(cè)試小模型，指定房間活荷類型為第1(1)項(xiàng)，程序自動(dòng)計(jì)算樓面梁活荷載折減系數(shù)，如圖4所示。

圖4 第1(1)項(xiàng)活荷樓面梁折減系數(shù)

3.2 第1(2)～7項(xiàng)折減

同(1)所用模型，但設(shè)置房間活荷類型為第1(2)項(xiàng)，程序自動(dòng)計(jì)算樓面梁活荷折減系數(shù)，如圖5所示。

圖5 第1(2)項(xiàng)活荷樓面梁折減系數(shù)

3.3 第9～13項(xiàng)折減

同(1)所用模型，但設(shè)置房間活荷類型為第9項(xiàng)，且房屋類別為1(1)，程序自動(dòng)計(jì)算樓面梁活荷折減系數(shù)，見圖6。

圖6 第9項(xiàng)活荷樓面梁折減系數(shù)

4 SATWE中柱、墻活荷折減

結(jié)構(gòu)不同部位有不同的使用功能，折減方式有所不同，常見的組合如：主樓住宅+裙房商場(chǎng)等、底層商場(chǎng)+上部住宅等。SATWE能夠依據(jù)PMCAD模型中所設(shè)定的房間活荷類型和《荷載規(guī)范》，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)更為精確的活荷載折減。

柱、墻柱(支撐不進(jìn)行自動(dòng)折減)確定折減系數(shù)的原則如下：將其截面以上承擔(dān)的所有樓板活荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)按照房間屬性近似按圖7劃分，其中L1部分(對(duì)應(yīng)房間屬性1(1))，L2部分(對(duì)應(yīng)房間屬性1(2)～7)，L3部分(對(duì)應(yīng)房間屬性8)。

圖7 豎向構(gòu)件截面以上房間類型

程序根據(jù)房間屬性執(zhí)行《荷載規(guī)范》5.1.2-2條的規(guī)定進(jìn)行折減，最后按公式(3.1)將折減后的荷載效應(yīng)進(jìn)行累加，并與折減前的總荷載的比值定義為該豎向構(gòu)件的折減系數(shù)C，其中Li可等效為相應(yīng)樓面荷載：

(1)

6層簡單模型，模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的不同部分和不同用途，程序自動(dòng)計(jì)算柱活荷載折減系數(shù)，分為如下兩種情況：

4.1 辦公室(第1(1)項(xiàng))和會(huì)議室(第1(2)項(xiàng))

圖8所示，辦公室與會(huì)議室相鄰，樓面活荷載分別取值為3 kN/m2和5 kN/m2，并對(duì)活荷載折減采用精細(xì)化處理方式，對(duì)第1層某柱折減系數(shù)進(jìn)行校核：

C=(0.7×3×6+0.9×5×6)/(3×6+5×6)=0.825

圖8 柱活荷折減系數(shù)

4.2 商業(yè)(第4(1)項(xiàng))和住宅(第1(1)項(xiàng))

下部3層為商業(yè)用途，樓面活荷載取值為6 kN/m2，上部3層為住宅用途，樓面活荷載取值為4 kN/m2,并對(duì)活荷載折減采用精細(xì)化處理方式(圖9)，對(duì)第1層某柱折減系數(shù)進(jìn)行校核：

C=(0.85×4×3+0.9×6×3)/(4×3+6×3)=0.88

圖9 柱活荷折減系數(shù)

5 消防車活荷載折減

《荷載規(guī)范》第5.1.2-1條規(guī)定，設(shè)計(jì)樓面梁時(shí)，消防車荷載折減系數(shù)的確定需依據(jù)房間是單向板或雙向板。第5.1.3條規(guī)定，設(shè)計(jì)墻、柱時(shí)，可按實(shí)際情況考慮消防車活荷載。

V3.1.6版本SATWE的消防車活荷載折減系數(shù)由單獨(dú)參數(shù)控制，即梁的折減系數(shù)按照樓板是單向板還是雙向板確定(程序規(guī)定，對(duì)于矩形房間，長短邊長度比大于2為單向板，小于2為雙向板)，墻、柱的折減系數(shù)為全樓參數(shù)，并由用戶指定。

如圖10所示模型，樓板為單向板，樓面消防車荷載為30kN/m2，在SATWE參數(shù)對(duì)話框中將墻、柱折減系數(shù)設(shè)置為0.9，樓面梁將自動(dòng)進(jìn)行折減。

圖10 消防車荷載折減

6 實(shí)際工程

某辦公樓建筑，如圖11所示，第4、5層部分房間作為會(huì)議室、閱覽室，其上部為辦公室，分別采用傳統(tǒng)方式、精細(xì)方式進(jìn)行考慮活荷載折減。其中傳統(tǒng)方式折減時(shí)墻、柱折減系數(shù)按荷規(guī)表5.1.2取，樓面梁從屬面積大于25 m2時(shí)折減系數(shù)取為0.9。第4層活荷載折減結(jié)果如圖12所示，可以看到舊版軟件折減偏大。

圖11 辦公樓三維模型

圖12 新、舊活荷折減方式的結(jié)果

7 結(jié)論

本文介紹了PKPM V3.1.6版本SATWE模塊依據(jù)《荷載規(guī)范》新增的活荷載精細(xì)化折減功能，主要包括如下三個(gè)部分：

(1)依據(jù)房間活荷類型自動(dòng)確定樓面梁活荷折減系數(shù)，同時(shí)考慮樓面梁周邊房間用途的不同，二者當(dāng)中取大值。

(2)依據(jù)柱、墻其截面以上房間活荷載類型確定活荷折減，并綜合考慮折減系數(shù)。

(3)提供單獨(dú)設(shè)置參數(shù)，控制消防車活荷載折減，按照房間是單向板還是雙向板確定樓面梁折減，用戶指定全樓全局參數(shù)進(jìn)行柱、墻折減。

全新的荷載精細(xì)化折減方式，不僅能夠有效解決舊版軟件荷載折減方法不全面、荷載折減過多的問題，減少用戶使用成本，同時(shí)對(duì)于程序自動(dòng)計(jì)算得到的構(gòu)件活荷折減系數(shù)，用戶也可在前處理特殊構(gòu)件定義中進(jìn)行修改。通過以上手段，用戶可以對(duì)活荷載折減實(shí)現(xiàn)更為精確高效的控制。