CN113392458A - 一种楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，属于工程结构设计技术领域，解决设计预期状况参数的确定问题；方法包括：将楼面均布活荷载的标准值、分项系数和设计值作为在建筑结构工程设计阶段的设计预期状况参数；根据楼面均布活荷载的现场调研数据，分析楼面均布活荷载的标准值和分项系数关系，并确定出基准数据；基准数据包括标准值基准和对应的分项系数基准；根据基准数据，确定出民用建筑中每一种功能空间楼面均布活荷载的标准值所对应的分项系数；再根据分项系数确定出每一种功能空间楼面均布活荷载的设计值。本发明给出了建筑结构工程设计阶段的设计依据，计算准确、技术简单、方便工程技术人员的使用。

Description

一种楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法
技术领域
本发明涉及工程结构设计技术领域，尤其是一种楼面均布活荷载设计预期状况的确定方法。
背景技术
目前国际上只有可变作用(荷载)variable action的定义：在设计使用年限内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略不计的作用。《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定的可变荷载至少有风荷载、雪荷载、楼面均布活荷载、屋面活荷载、屋面积灰荷载、施工和检修荷载等。
对于楼面均布活荷载，目前国际上通行的分项系数为与荷载概率分布的超越概率无关的超载系数，是一个经验值，且对应不同种类民用建筑的楼面均布活荷载均采用相同的分项系数，无法正确反映出真正需求的荷载设计值，与实际的状况存在明显的差别。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种楼面均布活荷载设计预期状况的确定方法；解决在建筑结构工程设计阶段的设计预期状况的确定问题。
本发明公开了一种楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，包括：
参数选定步骤：将楼面均布活荷载的标准值、分项系数和设计值作为在建筑结构工程设计阶段的设计预期状况参数；
基准数据确定步骤：根据楼面均布活荷载的现场调研数据，分析楼面均布活荷载的标准值和分项系数关系，并结合《建筑结构荷载规范》确定出基准数据；所述基准数据包括标准值基准和对应的分项系数基准；
参数计算步骤：根据所述基准数据，确定出民用建筑中每一种功能空间楼面均布活荷载的标准值所对应的分项系数；再根据所述分项系数确定出每一种功能空间楼面均布活荷载的设计值。
进一步地，所述楼面均布活荷载的分项系数以及设计值均为基于可靠指标的楼面均布活荷载参数。
进一步地，所述设计预期状况的楼面均布活荷载的概率分布为正态概率分布；
基于可靠指标的楼面均布活荷载分项系数γQ,i＝1+βSδQ,i；γQ,i为基于可靠指标的分项系数；βS为作用效应的可靠指标，βS＝-Ф-1(pfs)；其中pfs为作用效应的失效概率；δQ,i为荷载概率分布的变异系数，i为各功能空间楼面种类的编号。
进一步地，基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值为设计预期状况正态概率分布在设定超越概率值下的特征值。
进一步地，基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值Qd,i＝QK,i+βSσQ,i；式中，QK,i为第i种功能空间楼面均布活荷载的标准值，σQ,i为第i种功能空间楼面均布活荷载概率分布的标准差。
进一步地，第i种功能空间楼面均布活荷载概率分布的标准差σQ,i与对应的标准值QK,i以及变异系数δQ,i之间的关系满足；δQ,i＝σQ,i/QK,i。
进一步地，所述参数计算步骤具体包括：
1)获得各类民用建筑楼面均布活荷载的标准值QK,i；
2)根据基准数据的楼面均布活荷载标准值基准Q基准，计算出对应的标准差σ基准；
3)根据楼面均布活荷载的概率分布，计算出各类民用建筑的标准差σQ,i和对应的分项系数γQ,i；
4)根据各类楼面均布活荷载标准值QK,i和对应的分项系数γQ,i得到预期状况楼面均布活荷载基于可靠指标的设计值Qd,i。
进一步地，所述计算出的各类民用建筑的楼面均布活荷载的标准差
Figure BDA0003125017410000031
进一步地，所述计算出的各类民用建筑的楼面均布活荷载的分项系数γQ,i＝1+βS×σQ,i/QK,i。
进一步地，所述推算出其他类民用建筑的楼面均布活荷载的设计值Qd,i＝γQ,i×QK,i。
本发明的有益效果如下：
本发明将楼面均布活荷载从国际上通行的可变荷载中分离出来，确定了楼面均布活荷载设计预期状况的具体参数种类。在确定设计预期状况参数时，根据实际数据采用稳定分布建模，确定出楼面活荷载的标准值，降低了标准值的经验性；在确定分项系数时，通过基于可靠指标的分项系数与的楼面均布活荷载的超越概率建立直接关系，避免了常规采用超载系数的分项系数的经验性和不准确的问题。根据标准值和分项系数进一步的获取楼面均布活荷载的设计值，对建筑工程的设计给出设计依据，计算准确、技术简单、方便工程技术人员的使用。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法流程图；
图2为本发明实施例中的基于可靠指标的楼面均布活荷载的分项系数的示意图；
图3为本发明实施例中的基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值的示意图；
图4为本发明实施例中的构件承载能力的随机变量概率密度分布图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本实施例公开了一种楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、参数选定步骤：将楼面均布活荷载的标准值、分项系数和设计值作为在建筑结构工程设计阶段的设计预期状况参数；
步骤S2、基准数据确定步骤：根据楼面均布活荷载的现场调研数据，分析楼面均布活荷载的标准值和分项系数关系，并结合《建筑结构荷载规范》确定出基准数据；所述基准数据包括标准值基准和对应的分项系数基准；
步骤S3、参数计算步骤：根据所述基准数据，确定出民用建筑中每一种功能空间楼面均布活荷载的标准值所对应的分项系数；再根据所述分项系数确定出每一种功能空间楼面均布活荷载的设计值。
具体的，本实施例中确定的步骤S1的设计预期状况与国际上通行的持久设计状况存在基本对应关系。持久设计状况体现出的楼面均布活荷载的标准值是固定不变的概念。但本设施例的设计预期状况的内涵为：对于建筑的楼面均布活荷载来说，建筑结构工程设计阶段与既有建筑的实际使用状况肯定存在着明显的差别。
因此，为了能够更准确的表示设计预期状况，将建筑结构工程的设计阶段确定的楼面均布活荷载的标准值、分项系数和设计值作为设计预期状况的参数是符合客观实际的。并且对于不同功能空间的民用建筑楼面，均需能够建立对于的设计预期状况，即得到每种功能空间的民用建筑楼面的楼面均布活荷载的标准值、分项系数和设计值。
在国际通用的标准中，楼面均布活荷载的分项系数均是采用依据经验的超载系数。
欧洲规范EN1990规定的可变荷载分项系数为1.5；而美国的荷载规范(MinimumDesign Load for Building and Other Structures ASCE 7-95)规定的可变荷载分项系数为1.6。我国《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定的可变荷载分项系数为1.4；《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018将《建筑结构荷载规范》的可变荷载分项系数从1.4提高为1.5。
然而，上述楼面均布活荷载的分项系数均是依据经验的超载系数，不能反映出的楼面均布活荷载的分布概率。
《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定的各种类民用建筑楼面的楼面均布活荷载的标准值如表1，
表1楼面均布活荷载标准值
Figure BDA0003125017410000051
Figure BDA0003125017410000061
根据上述均布活荷载标准值结合依据经验的超载系数的分项系数不能反映出真实的楼面均布活荷载的分布概率。
为了能够使在建筑结构工程设计阶段的设计预期状况参数反应出楼面均布活荷载的分布概率，本实施例中的所述楼面均布活荷载的分项系数以及设计值均为基于可靠指标的楼面均布活荷载参数。
更具体的，本实施例的设计预期状况的楼面均布活荷载的概率分布采用正态概率分布，以使设计预期状况参数符合楼面均布活荷载客观分布事实。
其中，基于可靠指标的楼面均布活荷载分项系数γQ,i＝1+βSδQ,i；γQ,i为基于可靠指标的分项系数；βS为作用效应的可靠指标，βS＝-Ф-1(pfs)；其中pfs为作用效应的失效概率；δQ,i为荷载概率分布的变异系数，i为各功能空间楼面种类的编号，i＝1-8，分别对应住宅、教室、礼堂、商店、舞厅、档案库机房和书库在内的功能空间。
并且，基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值为设计预期状况正态概率分布在设定超越概率值下的特征值。
优选的，设定超越概率值为2％；作用效应的可靠指标βS为《建筑结构检测技术标准》规定的βS＝2.05。
正态概率分布基于可靠指标的楼面均布活荷载的分项系数的示意见图2。
其中，基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值Qd,i＝QK,i+βSσQ,i；式中，QK,i为第i种功能空间楼面均布活荷载的标准值，σQ,i为第i种功能空间楼面均布活荷载概率分布的标准差。
正态概率分布基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值的示意见图3。
更具体的，第i种功能空间楼面均布活荷载概率分布的标准差σQ,i与对应的标准值QK,i以及变异系数δQ,i之间的关系满足；δQ,i＝σQ,i/QK,i。
具体的，在步骤S2的基准数据确定中，包括以下子步骤：
步骤S201、获取楼面均布活荷载的现场调研数据；
《建筑结构设计统一标准》(草案)和《工业与民用建筑荷载规范》(试行)曾进行过楼面均布活荷载的现场调研工作。调研的目的是确定楼面均布活荷载的标准值。调研的对象包括133个办公楼的2201个办公室和10大城市566间住宅和229间搬迁房。
将调研数据统计分布的参数列入表2之中。在表2中，已将《建筑结构设计统一标准》(草案)等调研数据的计量单位由“kgf/m2”转为国际单位制“kN/m2”。
表2调研数据及计量单位换算
Figure BDA0003125017410000071
在表2中，持久⑴和持久⑶约相当于《建筑结构荷载规范》规定频遇荷载。持久⑴和持久⑵统计分布的均值μ，远远小于《建筑结构荷载规范》限定的1.0kN/m2，只有1.0kN/m2的40％～50％。
在表2中，人员⑵和人员⑷是调研估计的最大人员荷载值，在数值上应该接近《建筑结构荷载规范》规定的标准荷载与频遇荷载的差值，1.0kN/m2。但是，人员⑵和人员⑷统计分布的均值μ远远小于《建筑结构荷载规范》预留的最大人员荷载值1.0kN/m2，只有1.0kN/m2的35％～46％。
步骤S202、对调研数据进行调整变换，分析楼面均布活荷载的标准值和分项系数关系；
将均值μ作为楼面均布活荷载标准值，对调研数据进行变换，将调研得到的统计分布的均值μ进行放大处理，并根据均值和标准差的对应关系，计算与放大后的均值μ对应的标准差σ、变异系数δ以及分项系数；表3给出了具体放大处理后的计算结果。
表3调研数据对应的标准值与基于可靠指标的分项系数
Figure BDA0003125017410000081
对调研数据进行调整变换后，分析得到以下符合客观事实的规律：
1)表3中“调研”一栏所在行是直接使用调研数据和基于本实施例的可靠指标的分项系数公式，计算得到的基于可靠指标的分项系数，这四个分项系数介于1.66～2.41之间，平均值约为2.03。
2)将调研得到的均值μ放大为1.0kN/m2，对应的标准差σ按照与均值μ的对应规则进行调整，按本实施例的基于可靠指标的分项系数公式得到的基于可靠指标的分项系数。见表3中，“调整1”一栏所在行这四个分项系数介于1.46～1.83之间，平均值约为1.66。该值接近于美国规范可变荷载的分项系数。
3)将调研得到的均值μ放大为2.0kN/m2，对应的标准差σ按照与均值μ的对应规则进行调整，按本实施例的基于可靠指标的分项系数公式得到的基于可靠指标的分项系数。见表3中，“调整2”一栏所在行这四个分项系数介于1.33～1.71之间，平均值约为1.50。
4)将调研得到的均值μ放大为3.0kN/m2，对应的标准差σ按照与均值μ的对应规则进行调整，按本实施例的基于可靠指标的分项系数公式得到的基于可靠指标的分项系数。见表3中，“调整3”一栏所在行这四个分项系数介于1.27～1.48之间，平均值约为1.38。
通过上述分析可知，采用本实施例的基于可靠指标的分项系数公式得到的楼面均布活荷载的标准值和分项系数的对应关系为：分项系数具有随着标准值增大而相应减小的规律。而，这个规律也反映出所有种类的功能空间楼面均布活荷载的荷载标准值与分项系数的规律。并且，通过分析，也得到了与楼面均布活荷载标准值QK,i对应的标准差σQ,i，解决了《建筑结构检测技术标准》未能解决的问题。
步骤S203、结合《建筑结构荷载规范》确定出基准数据；所述基准数据包括标准值基准和对应的分项系数基准；
具体的，对调研数据进行调整变换得到的数据中查找与《建筑结构荷载规范》规定的居住和办公建筑的楼面均布活荷载的标准值相同的放大后的均值μ，作为标准值基准；再将按本实施例的基于可靠指标的分项系数公式得到的基于可靠指标的分项系数的平均值作为分项系数基准。具体的标准值基准为2.0kN/m2，对应的分项系数基准为1.50。这个确定的分项系数基准也与《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018规定的可变荷载分项系数相当，不违反《建筑结构可靠性设计统一标准》的规定。
具体的，步骤S3中参数计算步骤具体包括：
1)获得各类民用建筑楼面均布活荷载的标准值QK,i；
在本实施例中，各类民用建筑楼面均布活荷载的标准值QK,i采用《建筑结构荷载规范》规定的标准值，具体见表1。
2)根据基准数据的楼面均布活荷载标准值基准和分项系数基准，计算出对应的标准差σ基准；
基于可靠指标的分项系数公式γ基准＝1+βSδ基准；βS＝2.05；得到分项系数基准γ基准对应的变异系数δ基准＝0.2439；
基于空间楼面均布活荷载概率分布的标准差与对应的标准值以及变异系数之间的关系得到，σ基准＝δ基准×Q基准＝＝0.2439×2＝0.4878kN/m2。
3)根据楼面均布活荷载的概率分布，计算出各类民用建筑的标准差σQ,i和对应的分项系数γQ,i；
具体的，所述计算出的各类民用建筑的楼面均布活荷载的标准差
Figure BDA0003125017410000101
进一步地，对应的所述计算出的各类民用建筑的楼面均布活荷载的分项系数γQ,i＝1+βS×σQ,i/QK,i。
对于楼面均布活荷载标准值为QK,2＝2.5kN/m2教室等来说，根据上述标准差的公式得到标准差
Figure BDA0003125017410000102
再根据上述分项系数的公式得到对应的分项系数γQ,2＝1+2.05×0.5454/2.5＝1.45。
重复上述步骤，对i＝3～8的各类民用建筑进行楼面均布活荷载的标准差和分项系数计算，得到与标准值对应的标准差和分项系数。
4)根据各类楼面均布活荷载标准值QK,i和对应的分项系数γQ,i得到预期状况楼面均布活荷载基于可靠指标的设计值Qd,i。
具体的，所述推算出其他类民用建筑的楼面均布活荷载的设计值Qd,i＝γQ,i×QK,i。
表4列出楼面均布活荷载标准值QK,i和基于可靠指标的分项系数γQ,i，并进行了基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值Qd,i与《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018规定的可变荷载分项系数1.5时的荷载设计值Qd的比较。
表4楼面均布活荷载标准值与设计值比较
Figure BDA0003125017410000111
从表中可以看到，当密集书柜书库的楼面均布活荷载标准值为12.0kN/m2测时，对应的基于可靠指标的分项系数为1.20，设计预期状况基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值Qd,i为14.4kN/m2，而采用荷载持久状况可变荷载分项系数1.5时，荷载设计值为18.0kN/m2。两者相差悬殊，前者更为合理，可以为新建结构工程节省费用。
特别是，当建筑结构设计预期状况主要荷载(自重荷载、楼面均布活荷载和风雪荷载)的基于可靠指标的设计值和分项系数都可以满足βS＝2.05的要求后，便于依据式
Figure BDA0003125017410000112
和图3等从构件承载能力极限状态的可靠指标β中分解出构件承载力的可靠指标βR。而βR是分析确定基于可靠指标的构件承载力分项系数。
更具体的，式
Figure BDA0003125017410000113
中βS＝2.05，β为3.2或3.7。从而获得可靠指标βR的范围。
在可选择的方案中，所述各类民用建筑楼面均布活荷载的标准值QK,i还可以通过以下方法获得，具体包括：
获取某一类楼面活荷载数据，计算持久性活荷载和临时性活荷载对应的等效荷载；利用室面积平均荷载法，将获取的类楼面活荷载数据转化为等效活荷载；
对所述等效活荷载数据进行稳定分布分析，计算经验累积分布函数值；
利用稳定分布进行楼面活荷载数据拟合，确定等效活荷载数据的稳定分布参数，计算稳定分布的累积分布函数F(x)；
根据累积分布函数F(x)在设计基准期t内荷载的极大值分布，确定楼面持久性活荷载和临时性活荷载在设计基准期t内的平均出现次数；
计算楼面活荷载的标准值D＝a×S+b×T，其中，参数a+b＝1；S为楼面持久性活荷载在设计基准期t内的平均出现次数，T为楼面临时性活荷载在设计基准期t内的平均出现次数。
综上所述，本发明实施例的方案将楼面均布活荷载从国际上通行的可变荷载中分离出来，确定了楼面均布活荷载设计预期状况的具体参数种类。在确定设计预期状况参数时，根据实际数据采用稳定分布建模，确定出楼面活荷载的标准值，降低了标准值的经验性；在确定分项系数时，通过基于可靠指标的分项系数与的楼面均布活荷载的超越概率建立直接关系，避免了常规采用超载系数的分项系数的经验性和不准确的问题。根据标准值和分项系数进一步的获取楼面均布活荷载的设计值，对建筑工程的设计给出设计依据，计算准确、技术简单、方便工程技术人员的使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，包括：
参数选定步骤：将楼面均布活荷载的标准值、分项系数和设计值作为在建筑结构工程设计阶段的设计预期状况参数；
基准数据确定步骤：根据楼面均布活荷载的现场调研数据，分析楼面均布活荷载的标准值和分项系数关系，并结合《建筑结构荷载规范》确定出基准数据；所述基准数据包括标准值基准和对应的分项系数基准；
参数计算步骤：根据所述基准数据，确定出民用建筑中每一种功能空间楼面均布活荷载的标准值所对应的分项系数；再根据所述分项系数确定出每一种功能空间楼面均布活荷载的设计值。
2.根据权利要求1所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，
所述楼面均布活荷载的分项系数以及设计值均为基于可靠指标的楼面均布活荷载参数。
3.根据权利要求2所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，
所述设计预期状况的楼面均布活荷载的概率分布为正态概率分布；
基于可靠指标的楼面均布活荷载分项系数γQ,i＝1+βSδQ,i；γQ,i为基于可靠指标的分项系数；βS为作用效应的可靠指标，βS＝-Ф-1(pfs)；其中pfs为作用效应的失效概率；δQ,i为荷载概率分布的变异系数，i为各功能空间楼面种类的编号。
4.根据权利要求3所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，
基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值为设计预期状况正态概率分布在设定超越概率值下的特征值。
5.根据权利要求4所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，
基于可靠指标的楼面均布活荷载设计值Qd,i＝QK,i+βSσQ,i；式中，QK,i为第i种功能空间楼面均布活荷载的标准值，σQ,i为第i种功能空间楼面均布活荷载概率分布的标准差。
6.根据权利要求5所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，
第i种功能空间楼面均布活荷载概率分布的标准差σQ,i与对应的标准值QK,i以及变异系数δQ,i之间的关系满足；δQ,i＝σQ,i/QK,i。
7.根据权利要求1-6任一项所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，
所述参数计算步骤具体包括：
1)获得各类民用建筑楼面均布活荷载的标准值QK,i；
2)根据基准数据的楼面均布活荷载标准值基准Q基准，计算出对应的标准差σ基准；
3)根据楼面均布活荷载的概率分布，计算出各类民用建筑的标准差σQ,i和对应的分项系数γQ,i；
4)根据各类楼面均布活荷载标准值QK,i和对应的分项系数γQ,i得到预期状况楼面均布活荷载基于可靠指标的设计值Qd,i。
8.根据权利要求7所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，所述计算出的各类民用建筑的楼面均布活荷载的标准差
Figure FDA0003125017400000021
9.根据权利要求7所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，所述计算出的各类民用建筑的楼面均布活荷载的分项系数γQ,i＝1+βS×σQ,i/QK,i。
10.根据权利要求7所述的楼面均布活荷载设计预期状况参数的确定方法，其特征在于，所述推算出其他类民用建筑的楼面均布活荷载的设计值Qd,i＝γQ,i×QK,i。
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