【结构咖】结构设计杂谈——荷载的时空调整

作者 | 鲲鹏

自媒体人

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在结构设计中，我们通常认为荷载是定值，但真的如此吗？

结构自重与材料质量及重力加速度有关，把自重看做定值，问题不大。但地震作用呢？风荷载呢？活载呢？

拿最简单的活载为例，活载的代表值就有四种，分别为标准值、组合值、频遇值及准永久值。再看地震作用，在同一个地区，一栋设计使用年限为15年的房屋，和一栋设计使用年限为50年的房屋，它们的抗震设防烈度能取一样吗，最大地震影响系数能取一样吗？或者说，一栋设计使用年限50年的房屋，使用了35年后，加固复核的时候，地震参数还能按50年来取吗？说到风荷载，海边建一个临时房屋，风荷载该怎么取？

回忆《荷载规范》，设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼板活载均有不同程度的折减，这又是为何呢？

原因在于，作用在楼面上的活荷载，不可能以标准值的大小同时布满在所有的楼面上，因此在设计梁、墙、柱和基础时，还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况。但采用简化的概率统计模型来解决这个问题还不够成熟，所以规范暂按传统的折减系数的办法来考虑。

其实，这就是荷载的时空调整。也就是说，地震作用、风载、活载不是恒定的，而是会随时空发生变化。其本质是把荷载效应当做随机变量来考虑，既然是随机变量，其统计值就和时间（设计使用年限）与空间（荷载分布）有关。进一步思考，结构的抗力也是随机的，有一门叫做《结构可靠度》的课程，就是从概率的角度，来评判结构完成预定功能的可靠性。

基于概率的思想，如果有人问你，这个结构安全吗？理论上，我们是无法回答的。也许，我们可以说，这个结构在某某条件下，大概率是安全的，究竟有多大概率呢，目前是算不出来的。可能有一天，当我们采用全概率思想来做结构设计的时候，我们才能有一个概率维度的答案。

最后，我们解决两个实际问题。第一个，如果设计使用年限不是50年，地震参数该怎么取？

先复习一些基本概念。在建筑抗震设计规范中，一般建筑的设计使用年限定为50年，采用三水准设防思想，通俗来说，就是“小震”、“中震”和“大震”，相应的超越概率分别为0.632（重现期50年），0.10（重现期475年），和0.025（2%~3%）（重现期1975年）。如果将中震定义为基本烈度，则小震为度，大震为度。

第二个问题，不同设计使用年限的风荷载如何确定？

张相庭《结构风工程理论·规范·实践》（中国建筑工业出版社，2006）一书给出不同重现期风压的比值为：

根据上式，重现期对应的基本风压与重现期50年基本风压的比值为：

参考文献：

1）毋剑平，白雪霜，孙建华，《不同设计使用年限下地震作用的确定方法》；

2）周锡元，曾德民，高晓安，《估计不同服役期结构的抗震设防水准的的简单方法》；

3）王亚勇，戴国莹，《建筑抗震设计规范疑问解答》

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