不懂荷载组合和内力调整的先后顺序?看这里!

天津市装配式建筑发展推进平台2019-09-17 09:52:52

规范的作用效应组合,一般建立在线弹性分析叠加原理基础上。高规JGJ 3-2010在第5.6节《荷载组合和地震作用组合的效应》正文和条文说明中首次将线形叠加予以明确,以符合《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153的有关规定,区分线形分析和非线性分析的不同效应组合状况。


常规情况下,荷载效应组合仍以线弹性分析叠加类型为主,上述假定已成为中国绝大部分规范和教材解释荷载效应的默认前提条件。


另一方面,中国规范对结构总体地震作用工作性能、地震剪力分担及构件内力调整等内容做了详细规定,并且在结构分析之前需对结构体系相关属性进行定义,使荷载组合(实为“荷载效应组合”)时必须注意规范的这些内力调整,并且要关注调整的前后顺序。


1、非线性作用效应组合


查《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153-2008第 8.2.4条:对持久设计状况和短暂设计状况,应采用作用的基本组合。


01 基本组合的效应设计值可按下式确定:



注:在作用组合的效应函数S(•)中,符号“∑”和“+”均表示组合,即同时考虑所有作用对结构的共同影响,而不表示代数相加。


02 当作用与作用效应按线性关系考虑时,基本组合的效应设计值可按下式计算:



注:1.对持久设计状况和短暂设计状况,也可根据需要分别给出作用组合的效应设计值;


2.可根据需要,从作用的分项系数中将反映作用效应模型不定性的系数γsd分离出来。


高规JGJ 3-2010条文说明:第5.6.1条和5.6.3条均适应于【作用和作用效应】呈【线性关系】的情况。如果结构上的作用和作用效应不能以线性关系表述,则作用组合的效应应符合现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153的有关规定。


2、常规荷载组合【线形关系】


01 规范规定


以高规JGJ 3-2010为例。


第5.6.1条:持久设计状况和短暂设计状况下,当荷载与荷载效应按线性关系考虑时,荷载【基本组合】的【效应设计值】应按下式确定:



第2项增加γL是新规范的调整。设计使用年限为50年时取1.0,100年时取1.1。


第5.6.3条:地震设计状况下,当作用与作用效应按线性关系考虑时,荷载和地震作用基本组合的效应设计值应按下式确定:



从地震作用效应的解释可以看出,组合前应乘以相应的增大系数、调整系数。


02 荷载组合及相关问题


荷载组合一般指的是荷载效应组合。涉及内力调整的组合,指的是基本组合。


荷载组合的种类:


1)基本组合:承载能力极限状态设计荷载效应组合。


2)标准组合:正常使用极限状态设计荷载效应组合。


3)准永久组合:正常使用极限状态,考虑荷载长期效应组合。


4)人防组合:考虑核武器(或常规武器)爆炸等效静荷载与静荷载同时作用,承载能力极限状态设计荷载效应组合。


至于荷载效应组合原则(特别是基本组合)、组合数量、分类及标准化使用,查各软件使用手册即可。手工校核设计内力时,需要用到组合号及其组合顺序。


一般情况下,手工校核应注意【设计内力】≠【分析内力】≠【组合内力】,因都经过了内力组合前、后的调整。


3、荷载效应组合和内力调整的顺序


01 高规JGJ 3-2010第5.6.5条


1)非抗震设计时,应按本规程第5.6.1条的规定进行荷载组合的效应计算。


2)抗震设计时,应同时按本规程第5.6.1条和5.6.3条的规定进行荷载和地震作用组合的效应计算;


3)按本规程第5.6.3条计算的组合内力设计值,尚应按本规程有关规定进行调整。


02 高规JGJ 3-2010第5.6节条文说明


1)地震设计状况作用基本组合的效应,当本规程有规定时,地震作用效应标准值应首先乘以相应的调整系数、增大系数,然后再进行效应组合。


如:薄弱层剪力增大、楼层最小地震剪力系数(剪重比)调整、框支柱地震轴力的调整、转换构件地震内力放大、框架-剪力墙结构和筒体结构有关地震剪力调整等。


2)对非抗震设计的高层建筑结构,应按式(5.6.1)计算荷载效应的组合;对抗震设计的高层建筑结构,应同时按式(5.6.1)和式(5.6.3)计算荷载效应和地震作用效应组合,并按本规程的有关规定(如强柱弱梁、强剪弱弯等),对组合内力进行必要的调整。同一构件的不同截面或不同设计要求,可能对应不同的组合工况,应分别进行验算。


03 竖向荷载效应调整


实际上,分析内力经过调整、组合、再调整到设计内力的过程中,不仅涉及到地震作用效应,规范对竖向荷载作用效应也有调整。如典型的考虑内力重分布的梁端弯矩调幅,及考虑活荷载不利分布的梁跨中弯矩放大。


高规JGJ 3-2010第5.2.3条:


在竖向荷载作用下,可考虑框架梁端塑性变形内力重分布对梁端负弯矩乘以调幅系数进行调幅,并应符合下列规定:


1)装配整体式框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.7~0.8,现浇框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.8~0.9;

2)框架梁端负弯矩调幅后,梁跨中弯矩应按平衡条件相应增大;

3)应先对竖向荷载作用下框架梁的弯矩进行调幅,再与水平作用产生的框架梁弯矩进行组合;

4)截面设计时,框架梁跨中截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩设计值的50%。组合后的再调整。


04 其他


1)地震设计状况作用基本组合的效应,当本规程有规定时,地震作用效应标准值应首先乘以相应的调整系数、增大系数,然后再进行效应组合。


如:薄弱层剪力增大、楼层最小地震剪力系数(剪重比)调整、框支柱地震轴力的调整、转换构件地震内力放大、框架-剪力墙结构和筒体结构有关地震剪力调整等。


2)对非抗震设计的高层建筑结构,应按式(5.6.1)计算荷载效应的组合;对抗震设计的高层建筑结构,应同时按式(5.6.1)和式(5.6.3)计算荷载效应和地震作用效应组合,并按本规程的有关规定(如强柱弱梁、强剪弱弯等),对组合内力进行必要的调整。同一构件的不同截面或不同设计要求,可能对应不同的组合工况,应分别进行验算。


框架-剪力墙结构的0.2Vo调整顺序


《高规JGJ3-2010》8.1.4-2条:抗震设计时,框架-剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力应符合下列规定:


各层框架所承担的地震总剪力按本条第1款调整后,应按调整前、后总剪力的比值调整每根框架柱和与之相连框架梁的剪力及端部弯矩标准值,框架柱的轴力标准值可不予调整。


框架-核心筒的0.2Vo调整顺序


《高规JGJ3-2010》9.1.11-3条:抗震设计时,筒体结构的框架部分按侧向刚度分配的楼层地震剪力标准值应符合下列规定:


按本条第2款或第3款调整框架柱的地震剪力后,框架柱端弯矩及与之相连的框架梁端弯矩、剪力应进行相应调整。有加强层时,本条框架部分分配的楼层地震剪力标准值的最大值不应包括加强层及其上、下层的框架剪力。


部分框支剪力墙结构


《高规JGJ3-2010》10.2.17条:【部分框支剪力墙结构】框支柱承受的水平地震剪力标准值应按下列规定采用:

框支柱剪力调整后,应相应调整框支柱的弯矩及柱端框架梁的剪力和弯矩,但框支梁的剪力、弯矩、框支柱的轴力可不调整。


4、结论


综上,按照规范可整理出从分析内力形成设计内力的过程。其中,荷载组合和内力调整的先后顺序应为(对基本组合):分析内力→竖向及地震效应标准值调整,可简称“组合前调整”→效应基本组合,形成组合内力→组合内力调整,可简称“组合后调整”→设计内力


有关说明如下(对基本组合):



5、建议


01 规范或教材应组织专门的文字,对分析内力形成设计内力的过程及相关概念进行定义,以使用户明确相关概念的指向,及其所对应或已包含的调整内容。按本文定义的组合前调整和组合后调整,将分析内力、组合内力、设计内力划分为两个区间是简明扼要的做法。


02 规范或教材在介绍荷载组合时,应提及中国规范对应的调整,以明确组合内力在如本文所述中的位置。同时,可参考ETABS和SAP2000定义荷载工况、分析工况,以加强对中国规范的荷载组合工况的理解,ETABS和SAP2000的对应名称为工况组合——分析工况的结果组合。

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来源:筑龙结构设计

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