关于荷载分项系数调整对浙江地区混凝土结构经济性影响的分析

关于荷载分项系数调整对浙江地区混凝土结构经济性影响的分析

张海钧

杭州市城乡建设发展研究院，杭州 310012

摘要  我国在结构设计中引入可靠度理论以保证结构的安全性，通过引入分项系数来反映各设计变量的散布情况。结构可靠度同时也是一种安全性与经济性之间的平衡。《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）中，建筑结构的荷载分项系数之前版本有所提高，在提高结构安全性的同时，也增加了材料用量。本文通过对几种典型荷载组合的计算并结合实际对各常见结构构件进行分析，研究分项系数调整对各类结构构件在经济性方面的影响。

关键词  可靠度；分项系数；经济性；结构设计

The analysis of economic effect of partial coefficient adjustment on concrete structure in Zhejiang Province

ZHANG Haijun

建筑结构的安全性直接关系到房屋建筑使用者的生命财产安全, 历来是结构设计标准必须首先考虑和需要审慎解决的重大课题。由于建筑结构中的荷载、材料强度等并不是定值，而是具有一定离散性的变量，因此我国发布《建筑结构可靠性设计统一标准》，引入可靠度理论来保障结构的安全性。为了与安全系数设计概念相适应, 在可靠性设计中引入分项系数, 即将设计表达式中各变量乘以一个系数, 得到新的极限状态设计表达式，这些系数即称为分项系数，分项系数既要反映结构目标可靠指标的要求, 又要反映各设计变量的散布情况, 因此分项系数的确定非常重要。[1]建筑结构可靠度也是一个国家综合性技术经济政策问题, 实质是选择一种安全与经济相对最佳的平衡, 绝对不是从安全或经济任何单一角度所能解决的。[2]我国于2018年对《建筑结构可靠性设计统一标准》进行了修订，提高了部分分项系数，并于2019年实施。国内也有学者针对本次修订带来的结构安全性与经济性变化进行了相关研究。[3] [4]本文主要根据浙江地区的工程经验，分析本次修订对浙江地区混凝土结构经济性产生的影响。

1 基本组合下的荷载变化

浙江地区各县市多处于6、7度区，地震效应作用参与的荷载组合值相对较小，各类结构构件荷载设计值一般由荷载基本组合值确定，根据现行规范《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第3.2.3条，荷载基本组合的效应设计值，由可变荷载控制时，应按下式计算：

由永久荷载控制时，应按下式计算：

根据实际设计过程中的经验，一般情况下，各构件基本组合下的效应设计值由可变荷载控制，因此本文计算荷载组合时按式1进行计算。

根据新版《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018），永久荷载分项系数由1.2调整为1.3，可变荷载分项系数由1.4调整为1.5，在此选取几种典型的荷载组合情况进行计算，对比分项系数调整前后荷载设计值的变化，具体结果见下表：

本文选取工程实际中常见的5种荷载组合：①普通住宅房间，板厚120mm；②商业类功能房间，板厚120mm；③一般楼梯间（永久荷载占比较大）；④密集书库，板厚120mm（可变荷载占比较大）；⑤地下室顶板的消防车道，覆土1.5m，板厚250mm。从表中可以看出，各种常规荷载的组合下，规范调整后的设计值增幅均在7-8%。

2 对梁板的影响

根据工程经验，普通楼板的实际配筋往往远大于计算配筋，主要由最小配筋率控制，因而荷载增加7-8%楼板配筋不会有很大变化。而由计算结果控制的板（如板式楼梯的梯板，采用大板结构的地下室顶板），配筋量将会相应增加，增加量与荷载设计值增幅相当。但是实际工程中这类板总体上占比较小，因此总的来说分项系数的调整对板经济性整体上影响较小。

对梁而言，楼面荷载整体增大就意味着梁的计算荷载设计值的同比增大，梁的计算配筋相应同比增大。对于计算配筋较小的梁，由于本身配筋数值较小，计算配筋结果增加7-8%带来的增幅绝对值有限，一般不会影响最终的实际配筋量，如住宅类建筑地上部分的大多数梁就属于这类梁。但对于商业类建筑、公共建筑、地下室顶板的梁来说，由于其柱网尺寸较大，梁的跨度和受到的荷载也较大，配筋计算结果绝对值远高于上一类梁，计算配筋结果的增加就会提高这类梁中的实际配筋量。因此，分项系数的调整对住宅类建筑的梁经济性影响较小，而对商业类建筑、公共建筑及地下室顶板中的梁经济性则有一定影响，用钢量增加应该在7-8%左右。

3 对墙柱的影响

剪力墙和框架柱设计的主要控制因素为轴压比，所有楼层的荷载增加7-8%，所有的墙柱的轴压比也会同比增加7-8%，那么调整前轴压比接近规范规定限值的墙柱，就有可能超出轴压比限制或因轴压比偏大而导致配筋率不合理，需要相应增加墙柱的截面面积，以满足轴压比和配筋率的要求。在实际设计过程中，通常是先根据经验初步设计墙柱的截面，在某些楼层统一改变墙柱的厚度和截面尺寸，同一层墙柱的厚度或截面大体一致，再根据计算结果逐步调整个别墙柱截面，并不会控制所有墙柱均接近其轴压比限制。因此，在分项系数调整以后，因调整导致轴压比超出限制的墙柱往往仅是少数，一般是位于建筑物底部一两层“中柱”，这样的墙柱在整个建筑物的墙柱中占比较小，所以实际需要调整的墙柱也只占少数。就整体经济性而言，荷载分项系数的调整，对竖向构件的影响比较有限。

地下室外墙不同于普通剪力墙，它所受到的荷载主要来自于侧向的土压力和水压力，在设计中一般会把土压力当作永久荷载，水压力当作可变荷载，分项系数的调整会使得地下室外墙的侧向荷载相应增加，具体增幅应在永久荷载与可变荷载分项系数调整的幅度之间。因此荷载分项系数的调整会增加地下室外墙的配筋量，增幅在8%左右。

4对基础的影响

本文从底板、承压桩、抗拔桩三方面来分析分项系数调整对基础的影响。地下室底板设计时，通常按照地区经验确定底板厚度，底板的厚度通常选取得较厚，以保证底板拥有足够的抗弯刚度，这样在地下水的作用下底板变形较小，可以减少地下室底板开裂渗水的情况。因此，在实际工程中地下室底板的配筋计算值往往较小，按照规范最小配筋率来配筋，分项系数小幅调整并不会影响地下室底板的配筋值。

对承压桩而言，上部计算荷载整体上浮7-8%，各墙柱下的承台提供的承载力设计也应提高7-8%，需根据实际情况调整桩长或者桩的数量。而对于抗拔桩来说，各墙柱下的抗拔力设计值等于水浮力减去上部结构能够提供的总重量，水浮力作为可变荷载会因为分项系数调整而增大，上部结构的重量因其对结构有利，其分项系数仅能取1.0，与调整前相同，因此分项系数调整对各墙柱下的抗拔力设计值提升幅度较大，具体数值由各工程实际设计水头决定，抗拔桩的经济性影响是各种结构构件中最大的。

5结论

1）根据对几种典型荷载组合进行对比计算，《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）中荷载分项系数的调整将增加7-8%的楼面荷载设计值。

2）分项系数的调整对楼板、柱、墙（地下室外墙除外）、地下室底板的整体经济性影响不大。

3）分项系数的调整对梁整体经济性的影响与梁的配筋量有关，配筋量较小的梁（如住宅类建筑的上部结构梁）影响较小，配筋量较大的梁（如公共建筑和地下室顶板的梁）有一定影响。

4）分项系数调整在经济性方面，对承压桩有一定影响，对抗拔桩影响较大。

参考文献

[1]严松宏,周佳媚,高波.结构可靠性设计分项系数研究[J].西南交通大学学报,2002(06):623-627.

[2]李明顺,胡德炘,史志华.《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)的技术合理性与依据[J].建筑结构,2002(01):61-66.

[3]蒋利学,王卓琳.我国现行建筑结构设计规范可靠度的校核与分析[J].结构工程师,2020,36(02):1-9.

[4]程凯凯,程正杰,姚继涛,崔莹,宋梅梅.荷载分项系数调整对轻钢结构构件可靠性和材料用量的影响分析[J].应用力学学报,2020,37(05):2303-2308+2340.

作者简介：张海钧，男，1987年3月出生，籍贯浙江杭州，硕士研究生，工程师，从事结构设计以及工程管理相关研究工作。