第2章

重力荷載

返回總目錄結構自重工程結構設計理論演變簡況土的自重應力雪荷載車輛荷載人群荷載吊車荷載樓面和屋面活荷載思考題本章內容結構自重結構的自重是由地球引力產生的組合結構的材料重力，一般而言，可以根據結構的材料種類、材料體積和材料容重計算結構自重(式2-1)。結構自重一般按照均勻分布的原則計算，在施工階段，構件在吊裝運輸或懸臂施工時引起的結構內力，有可能大于正常設計荷載產生的內力，因此，在施工階段演算構件的強度和穩定時，構件重力應乘以適當的動力系數。 (2-1)式中，——構件的自重(kN)； ——構件材料的容重(kN/m3)； ——構件的體積，一般按照設計尺寸確定(m3)。式(2-1)適用于一般建筑結構、橋梁結構及地下結構等各構件自重的計算，但要注意土木工程中結構各構件的材料容重可能不同，計算結構自重時可將結構人為地劃分為許多基本構件，然后疊加即得到結構總自重(式2-2)。

(2-2)式中，G——結構總自重(kN)；n——組成結構的基本構件數；——第i個基本構件的重度(kN/m3)；Vi——第i個基本構件的體積(m3)。一般情況下，地基土由不同重度的土層所組成。如圖2.2所示，天然地面下深度z范圍內各層土的厚度自上而下分別為h1，h2，…，hi，…，hn，則多層土深度z處的豎直有效自重應力的計算公式為： (2-4)式中，n——從天然地面起到深度z處的土層數；hi——第i層土的厚度(m)；——第i層土的天然重度(kN/m3)；若土層位于地下水位以下，由于受到水的浮力作用，單位體積中，土顆粒所受的重力扣除浮力后的重度稱為土的有效重度，即：

(2-5)為水的重度，一般取值為10kN/m3，這時計算土的自重應力應取土的有效重度代替天然重度。

圖2.1均質土中豎向自重應力一、基本雪壓

1.基本雪壓的取值原則根據當地氣象臺(站)觀察并收集的每年最大雪壓，經統計得出的50年一遇的最大雪壓(重現期為50年的最大雪壓)，即為當地的基本雪壓。在確定雪壓時，觀察并收集雪壓的場地應符合下列要求。(1)觀察場地周圍的地形為空曠平坦。(2)積雪的分布保持均勻。(3)設計項目地點應在觀察場地的范圍內，或它們具有相同的地形。雪壓是指單位水平面積上的雪重，決定雪壓值大小的是積雪深度與積雪密度，因此年最大雪壓S(kN/m2)可按下式確定： (2-6)式中，h——年最大積雪深度，指從積雪表面到地面的垂直深度(m)。以每年7月份至次年6月份間的最大積雪深度確定；——積雪密度(t/m3)；——重力加速度(9.81m/s2)。雪荷載為了滿足實際工程中某些情況下需要的不是重現期為50年的雪壓數據要求，在《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)附錄D中對部分城市給出重現期為10年、50年和100年的雪壓數據。已知重現期為10年及100年的雪壓時，求當重現期為R年時的相應雪壓值時可按下式確定：

(2-7)式中，——重現期為R年的雪壓值(kN/m2)；——重現期10年的雪壓值(kN/m2)；——重現期為100年的雪壓值(kN/m2)。雪荷載二、雪荷載標準值、組合值系數、頻遇值系數及準永久值系數

1.雪荷載標準值屋面水平投影面上的雪荷載標準值應按下式計算： (2-8) 式中，——雪荷載標準值(kN/m2)； ——屋面積雪分布系數； ——基本雪壓(kN/m2)。雪荷載

2.雪荷載的組合值系數、頻遇值系數及準永久值系數雪荷載的組合值系數可取0.7；雪荷載的頻遇值系數可取0.6；雪荷載的準永久值系數應按分區圖(附圖2)中的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的分區，分別取0.5、0.2、0；對部分城市的準永久系數分區也可按《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)附錄D的規定查出。雪荷載三、屋面積雪分布系數

1.風對屋面積雪的影響下雪過程中，風會把部分將要飄落或者已經飄積在屋面上的雪吹積到附近地面或鄰近較低的物體上，這種影響稱為風對雪的飄積作用。對于高低跨屋面或帶天窗屋面，由于風對雪的飄積作用，會將較高屋面上的雪吹落在較低屋面上，在低屋面處形成局部較大飄積雪荷載。有時這種積雪非常嚴重，最大可出現3倍于地面積雪的情況。低屋面上這種飄積雪大小及其分布情況與高低屋面上的高差有關。由于高低跨屋面交接處存在風渦作用，積雪多按曲線分布堆積(圖2.3)。對于多跨屋面，屋谷附近區域的積雪比屋脊區大，其原因之一是風作用下的雪飄積，屋脊處的部分積雪被風吹落到屋谷附近，飄積雪在天溝處堆積較厚(圖2.4)。雪荷載

圖2.3高低跨屋面飄積雪分布圖2.4多跨屋面積雪分布一、公路橋梁車輛荷載汽車車隊分為汽車-10級、汽車-15級、汽車-20級和汽車-超20級4個等級，汽車車隊的縱向排列如圖2.5所示。每級車隊中有一輛是重車，其前后都是主車，主車數量不限，圖中所示荷載為軸重。在設計3車道或4車道橋涵時，考慮到3行車隊和4行車隊單向并行通過的概率較小，計算荷載時可分別折減20%和30%，但折減后不得小于兩行車隊布載的計算結果。平板掛車和履帶車荷載分為掛車-80，掛車-100、掛車-120和履帶-50四種。用驗算荷載進行驗算時，對于履帶車，沿橋縱向可考慮多輛行駛，但兩車凈距不得小于50m；對于平板掛車，全橋均以通過一輛計算。車輛標準荷載的等級，應根據橋梁所在公路的等級、使用任務、性質和將來的發展等具體情況確定，一般可參照表2-3選用。車輛荷載圖2.5各級汽車車隊的縱向排列(軸重力單位：kN；距離單位：m)車輛荷載注：①一條公路上的橋涵，一般采用同一設計荷載和驗算荷載。②當改建三級干線公路時，對原有橋涵達到汽車-15級、掛車-80荷載標準的可適當利用。③在有集裝箱運輸的一級公路，應采用汽車-超20級、掛車-120的車輛荷載。④橋面行車道凈寬4.5m的橋涵，其平板掛車不作具體規定，設計時可按實際情況自行確定。⑤臨時性橋涵的車輛荷載可自行確定。公路等級汽車專用公路一般公路高速公路一二二三四計算荷載汽車-超20級汽車-超20級汽車-20級汽車-20級汽車-20級汽車-20級汽車-10級驗算荷載掛車-120掛車-120掛車-100掛車-100掛車-100掛車-100履帶-50表2-3車輛荷載等級選用表二、城市橋梁汽車荷載我國建設部1998年制定了《城市橋梁設計荷載標準》(CJJ77—1998)，該標準適用于城市內新建、改建的永久性橋梁與涵洞、高架道路及承受機動車的結構物的荷載設計。標準中采用兩級荷載標準，即城-A級、城-B級。城-A級汽車荷載適用于快速路及主干路，城-B級汽車荷載適用于次干路及支路。在城市橋梁設計中汽車荷載可分為車輛荷載和車道荷載兩種形式。城-A級車輛采用五軸式貨車加載，總軸重700kN，前后軸距為18.0m，行車限界橫向寬度為3.0m(圖2.6)；城-B級車輛采用三軸式貨車加載，總軸重300kN，前后軸距為4.8m，行車限界橫向寬度為3.0m(圖2.7)。城-A級與城-B級標準載重汽車的橫斷面尺寸相同，其橫橋向布置應符合圖2.8的規定。車輛荷載一、公路橋梁人群荷載

設有人行道的公路橋梁，采用汽車荷載進行計算時，應同時計入人行道上的人群荷載；而在采用驗算荷載進行計算時，則不計入人群荷載。人群荷載一般取值為3kN/m2；城市郊區行人密集地區取值為3.5kN/m2，也可根據實際情況或參照所在地區城市橋梁設計的規定確定。當公路橋梁上的人行道板為鋼筋混凝土板時，還應以1.2kN的豎向集中力作用在一塊板上進行計算。計算欄桿時，作用在欄桿立柱頂上的水平推力一般取值為0.75kN/m；作用在欄桿扶手上的豎向力一般取值為l.0kN/m。人群荷載二、城市橋梁人群荷載對于梁、桁架、拱及其他大跨結構的人群荷載，需根據加載長度及人行道寬來確定，可按下列公式計算，且人群荷載在任何情況下不得小于2.4kN/m2。當加載長度l<20m時：

W=4.5 (2-9)當加載長度l≥20m時：

W=(4.5-2) (2-10)式中，W——單位面積上的人群荷載(kN/m2)；——加載長度(m)；——單邊人行道寬度(m)，在專用非機動車橋上時宜取1/2橋寬；當1/2橋寬大于4m時，應按4m計。城市橋梁由于人流量較大，計算人行道欄桿時，作用在欄桿扶手上的豎向荷載采用1.2kN/m；水平向外荷載采用1.0kN/m。兩者應分別考慮，不得同時作用。作用在欄桿立柱柱頂的水平推力應取值為1.0kN/m；防撞欄桿應采用80kN橫向集中力進行驗算，作用點放在防撞欄桿板的中心。人群荷載一、吊車工作制等級與工作級別按吊車在使用期內要求的總工作循環次數分成10個利用登級，又按吊車荷載達到其額定值的頻繁程度分成4個載荷狀態(輕、中、重、特重)。根據要求的利用等級和荷載狀態，確定調查的工作級別，共分8個級別作為吊車設計的依據。《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)在吊車荷載的規定中也相應采用按工作級別劃分，現在采用的工作級別與以往采用的工作制等級存在對應關系，如表2-5所示。表2-5吊車的工作制等級與工作級別的對應關系吊車荷載工作制等級輕級中級重級超重級工作級別A1～A3A4，A5A6，A7A82.吊車豎向荷載的動力系數當計算吊車梁及其連續的強度時，吊車豎向荷載應乘以動力系數。動力系數可按表2-6取用。表2-6吊車豎向荷載的動力系數

吊車荷載懸掛吊車、電動葫蘆、工作級別為A1～A5的吊車工作級別為A6～A8的軟鉤吊車、硬鉤吊車、其他特種吊車1.051.103.吊車水平荷載標準值吊車水平荷載有縱向和橫向兩種。1)吊車縱向水平荷載標準值吊車縱向水平荷載標準值應按作用在吊車一端軌道上所有剎車輪的最大輪壓之和的10%采用。該項荷載的作用點位于剎車輪與軌道的接觸點，其方向與軌道方向一致。2)吊車橫向水平荷載標準值吊車橫向水平荷載標準值應按下式計算： (2-13)式中，H——吊車橫向水平荷載標準值；——系數，對軟鉤吊車：當額定起重量不大于10t時，應取0.12；當額定起重量為16～50t時，應取0.10；當額定起重量不小于75t時，應取0.08；對硬鉤吊車：應取0.20；Q——吊車的額定起重質量；G1——橫行小車質量。吊車橫向水平荷載應等分于吊車橋架的兩端，分別由軌道上的車輪平均傳至軌道，其方向與軌道垂直，并考慮正反方向剎車情況。

吊車荷載4.多臺吊車的組合對于多層吊車的單跨或多跨廠房的每個排架，參與組合的吊車臺數應按實際情況考慮；當有特殊情況時，參與組合的吊車臺數也應按實際情況考慮。計算排架考慮多臺吊車水平荷載時，對單跨或多跨的每個排架，參與組合的吊車臺數不應多于兩臺。按照以上組合方法，吊車荷載不論是由兩臺還是由4臺吊車引起，都按照各臺吊車同時處于最不利位置，且同時滿載的極端情況考慮，實際上這種最不利情況出現的概率是極小的。從概率觀點來看，可將多臺吊車共同作用時的吊車荷載效應組合予以折減。在實測調查和統計分析的基礎上，可得到多臺吊車的荷載折減系數(表2-7)。 表2-7多臺吊車荷載折減系數吊車荷載參與組合的吊車臺數吊車工作級別A1～A5A6～A820.900.9530.850.9040.800.85一、樓面活荷載的取值原則

1.樓面活荷載的標準值雖然《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)對一般民用建筑和某些類別的工業建筑有明確的樓面荷載取值規定，但設計中有時會遇到要求確定某種規范中未明確的樓面活荷載的情況，此時可按下列方法確定其標準值。(1)對該種樓面活荷載的觀測進行統計，當有足夠資料并能對其統計分布作出合理估計時，則在房屋設計基準期(50年)最大值的分布上，根據協定的百分位取其某分位值作為該種樓面活荷載的標準值。(2)對不能取得充分資料進行統計的樓面活荷載，可根據已有的工程經驗，通過分析判斷后，協定一個可能出現的最大值作為該類樓面活荷載的標準值。(3)對房屋內部設施比較固定的情況，設計時可直接按給定布置圖式或按對結構安全產生最不利效應的荷載布置圖式，對結構進行計算。(4)對使用性質類同的房屋，如內部配置的設施大致相同，一般可對其進行合理分類，在同一類別的房屋中，選取各種可能的荷載布置圖式，經分析研究后選出最不利的布置作為該類房屋樓面活荷載標準值的確定依據，采用等效均布荷載方法求出樓面活荷載標準值。樓面和屋面活荷載2.樓面活荷載準永久值對《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)未明確的樓面活荷載準永久值可按下列原則確定。 (1)按可變荷載準永久值定義，由荷載任意時點分布上的中值確定。 (2)對有可能將可變荷載劃分為持久性和臨時性兩類荷載時，可直接引用持久性荷載分布中的規定分位值為該活荷載的準永久值。 (3)當缺乏系統的觀測資料時，可根據樓面使用性質的類同性，參照《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)中給出的樓面活荷載準永久值系數經分析比較后確定。

樓面和屋面活荷載5.樓面活荷載的動力系數樓面在荷載作用下的動力響應來源于其作用的活動狀態，大致可分為兩大類：一類是在正常活動下發生的樓面穩態振動，例如機械設備的運行，車輛的行使，競技運動場上觀眾的持續歡騰、跳舞和走步等；另一類是偶爾發生的樓面瞬態振動，例如重物墜落、人自高處跳下等。前一種作用在結構上可以是周期性的，也可以是非周期性的；后一種是沖擊荷載，引起振動都將因結構阻尼而消逝。樓面設計時，對一般結構的荷載效應，可不經過結構的動力分析，而直接對樓面上的靜力荷載乘以動力系數后，作為樓面活荷載，按靜力分析確定結構的荷載效應。在很多情況下，由于荷載效應中的動力部分占比重不大，在設計中往往可以忽略，或直接包含在標準值的取值中。對沖擊荷載，由于影響比較明顯，在設計中應予以考慮。

樓面和屋面活荷載二、民用建筑樓面均布活荷載

1.民用建筑樓面均布活荷載標準值及組合值、頻遇值和準永久值系數民用建筑樓面活荷載是指建筑物中的人群、家具、設施等產生的重力作用，這些荷載的量值隨時間發生變化，位置也是可移動的，亦稱可變荷載。樓面活荷載按其隨時間變異的特點，可分為持久性和臨時性兩部分。持久性活載荷是指樓面上在某個時段內基本保持不變的荷載，例如住宅內的家具、物品、常住人員等，這些荷載在住戶搬遷入住后一般變化不大；臨時性活荷載是指樓面上偶爾出現的短期荷載，例如聚會的人群、裝修材料的堆積等。 樓面和屋面活荷載2.民用建筑樓面活荷載標準值折減目前大多數國家均采用半經驗的傳統方法，根據荷載從屬面積的大小來考慮折減系數。1)國際通行做法在國際標準ISO2103中，建議按下述不同情況對樓面均布荷載乘以折減系數。(1)在計算梁的樓面活荷載效應時，公式為：①對住宅、辦公樓等房屋或其房間，公式為：

(A＞18m2)(2-14)②對公共建筑或其房間，公式為：

(A＞18m2)(2-15)式中，A為所計算梁的從屬面積，指向梁兩側各延伸1/2梁間距范圍內的實際樓面面積。(2)在計算多層房屋的柱、墻或基礎的樓面活荷載效應時：①對住宅、辦公樓等房屋，公式為： (2-16)②對公共建筑，公式為： (2-17)式中，n為所計算截面以上樓層數，2。樓面和屋面活荷載三、工業建筑樓面活荷載

1.工業建筑的樓面等效均布活荷載在《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)附錄C中列出了金工車間、儀器儀表生產車間、半導體器件車間、棉紡織造車間、輪胎廠準備車間和糧食加工車間等工業建筑樓面活荷載的標準值，供設計人員設計時參照采用。

2.操作荷載及樓梯荷載工業建筑樓面(包括工作臺)上無設備區域的操作荷載，包括操作人員、一般工具、零星原料和成品的自重，可按均布活荷載考慮，其標準一般采用2.0kN/m2。但堆積料較多的車間可取2.5kN/m2；此外有的車間由于生產的不均衡性，在某個時期的成品或半成品堆放特別嚴重，則操作荷載的標準值可根據實際情況確定，操作荷載在設備所占的樓面面積內不予考慮。樓面和屋面活荷載

3.樓面等效均布活荷載的確定方法(1)樓面、變形及裂縫的等值要求來確定等效均布活荷載。在一般情況下，可僅按控制截面內力的等值原則確定。

(2)由于實際工程中生產、檢修、安裝工藝以及結構布置的不同，樓面活荷載差別可能較大，此情況下應劃分區域，分別確定各區域的等效均布活荷載。

(3)連續梁、板的等效均布荷載，可按單跨簡支梁、簡支板計算，但在計算梁、板的實際內力時仍按連續結構進行分析，可考慮梁、板塑性內力重分布，并按彈性階段分析內力確定等效均布活荷載。(4)板面等效均布荷載按板內分布彎矩等效的原則確定，即簡支板在實際的局部荷載作用下引起的絕對最大彎矩，應等于該簡支板在等效均布荷載作用下引起的絕對最大彎矩。單向板上局部荷載的等效均布活荷載，可按下式計算：(5)計算板面等效均布荷載時，還必須明確擱置于樓面上的工藝設備局部荷載的實際作用面尺寸，作用面一般按矩形考慮，并假定荷載按45°擴散線傳遞，這樣可以方便地確定荷載擴散到板中性層處的計算寬度，從而確定單向板上局部荷載的有效分布寬度。 樓面和屋面活荷載四、屋面活荷載和屋面積灰荷載

1.屋面均布活荷載工業及民用房屋的屋面，其水平投影面上屋面均布活荷載標準值、組合值系數、頻遇值系數及準永久值系數按表2-11采用。

樓面和屋面活荷載項次類別標準值/(kN/m2)組合值系數ψc頻遇值系數ψf準永久值系數ψql不上人的屋面0.50.70.50.02上人的屋面2.00.70.50.43屋頂花園3.00.70.60.5表2-11屋面均布活荷載注：①不上人的屋面，當施工或維修荷載較大時，應按實際情況采用；對不同結構應按有關設計規范的規定，將標準值作0.2kN/m2的增減。②上人的屋面，當兼作其他用途時，應按相應樓面活荷載采用。③對于因屋面排水不暢、堵塞等引起的積水荷載，應采取構造措施加以防止；必要時，應按積水的可能深度確定屋面活荷載。④屋頂花園活荷載不包括花圃土石等材料自重。設計時注意屋面活荷載不應與雪荷載同時考慮，此外該活荷載是屋面的水平投影面上的荷載。由于我國大多數地區的雪荷載標準值小于屋面均布活荷載標準值，因此在屋面結構和構件計算時，往往是屋面均布活荷載對設計起控制作用。高檔賓館、大型醫院等建筑的屋面有時還設有直升機停機坪，直升機總重引起的局部荷載可按直升機的實際最大起飛重量并考慮動力系數確定，同時其等效均布荷載不低于5.0kN/m2。當沒有機型技術資料時，一般可依據輕、中、重3種類型的不同要求，按表2-12規定選用局部荷載標準值及作用面積。表2-12直升機的局部荷載及作用面積樓面和屋面活荷載注：荷載的組合值系數應取0.7，頻遇值系數應取0.6，準永久值系數應取0。類型最大起飛重量/t局部荷載標準值/kN作用面積/m2輕型2200.20×0.20中型4400.25×0.25重型6600.30×0.302.屋面積灰荷載

(1)機械、冶金、水泥等行業在生產過程中有大量排灰產生，易于在廠房及其鄰近建筑屋面堆積，形成積灰荷載。影響積灰厚度的主要因素有除塵裝置的使用、清灰制度的執行、風向和風速、煙囪高度、屋面坡度和屋面擋風板等。當工廠設有一定除塵設施，且能堅持正常清灰的前提下，屋面水平投影面上的積灰荷載應按表2-13采用。(2)對于屋面上易形成灰堆處，當設計屋面板、檁條時，積灰荷載標準值可乘以下列規定的增大系數：①在高低跨處兩倍于屋面高差但不大于6.0m的分布寬度內(圖2.13)取2.0。②在天溝處不大于3.0m的分布寬度內(圖2.14)取1.4。表2-13屋面積灰荷載樓面和屋面活荷載項次類別標準值/(kN/m2)組合值系數ψc頻遇值系數ψf準永久值系數ψq屋面無擋風板屋面有擋風板擋風板內擋風板外1機械廠鑄造車間(沖天爐)0.500.750.300.90.90.82煉鋼車間(氧氣轉爐)-0.750.303錳、鉻鐵合金車間0.751.000.304硅、鎢鐵合金車間0.300.500.305燒結室、一次混合室0.501.000.206燒結廠通廊及其他車間0.30--7水泥廠有灰源車間、窯房、磨房、聯合儲庫、烘干房、破碎房)1.00--8水泥廠無灰源車間(空氣壓縮機站、機修間、材料庫、配電站)0.50--對有雪地區，積灰荷載應與雪荷載一道考慮；雨季的積灰吸水后重度增加，可通過不上人屋面的活荷載來補償。因此，積灰荷載應與雪荷載或不上人的屋面均布活荷載兩者中的較大值同時考慮。【例2.3】要求確定某水泥廠的機修車間天溝處的鋼筋混凝土大型屋面板的屋面積灰荷載標準值。解：查表2-13，該車間屬水泥廠無灰源的車間且屋面坡度a<25°，因此，其屋面積灰荷載標準值為0.5kN/m2，但根據規定天溝處的屋面積灰荷載標準值應乘以增大系數1.4，故該處的屋面積灰荷載標準值qak。

樓面和屋面活荷載圖2.13高低跨屋面積灰荷載的增大系數圖2.14天溝處積灰荷載的增大系數五施工、檢修荷載及欄桿水平荷載1.施工和檢修荷載標準值

設計屋面板、檁條、鋼筋混凝土挑檐、雨篷和預制小梁時，除了考慮屋面均布活荷載外，還應按下列施工、檢修集中荷載(人和工具自重)標準值出現在最不利位置上進行驗算。(1)屋面板、檁條、鋼筋混凝土挑檐和預制小梁，施工或檢修集中荷載應取1.0kN，并應作用在最不利位置處進行驗算。(2)計算挑檐、雨篷承載力時，應沿板寬每隔1.0m取一個集中荷載；在驗算挑檐、雨篷傾覆時，應沿板寬每隔2.5～3.0m取一個集中荷載，集中荷載的位置作用于挑檐、雨篷端部(圖2.15)。(3)對于輕型構件或較寬構件，當施工荷載超過上述荷載時，應按實際情況驗算，或采用加墊板、支撐等臨時設計承受。2.欄桿水平荷載標準值設計樓梯、看臺、陽臺和上人屋面等的欄桿時，考慮到人群擁擠可能會對欄桿產生側向推力，應在欄桿頂部作用水平荷載進行驗算(圖2.16)。欄桿水平荷載的取值與人群活動密集程度有關，可按下列規定采用。

樓面和屋面活荷載樓面和屋面活荷載(2)傾覆點至墻外邊緣的距離。雨篷傾覆時，參照《砌體結構設計規范》(GB50003—2001)第7.4.2條關于挑梁傾覆點的規定，由于雨篷板支于雨