标准值与设计值的探讨

标准值与设计值

摘要：荷载和材料强度的标准值是通过试验取得统计数据后，根据其概率分布，并结合工程经验，取其中的某一分位值（不一定是最大值）确定的。

设计值是在标准值的基础上乘以一个分项系数确定的（在国标《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001中有说明）。

荷载的设计值等于荷载的标准值乘荷载分项系数。这在荷载规范中已有明确规定，永久荷载的分项系数为1.2或1.35；可变荷载为1.4或1.3；材料强度的设计值等于材料强度的标准值乘材料强度的分项系数。在现行各结构设计规范中虽没有给出材料强度的分项系数，而是直接给出了材料强度的设计值，但你如果仔细研究是不难发现标准值和设计值之间的系数关系的。材料强度的分项系数一般都小于1。各种分项系数在某种意义上可以理解为是一种安全系数。

我们做结构设计时，涉及到的荷载有永久荷载和可变荷载，偶然荷载(主要在抗震设计方面）它们对构件所产生的效应，往往需要根据不同的要求进行组合设计，才能使结构处于规定的可靠度范围内，规范在承载能力极限状态和正常使用状态这两种状态下，给出了五个常用组合。它们是基本组合，偶然组合，标准组合，频遇组合，准永久组合。其中基本组合（可变荷载效应控制组合和永久荷载控制组合中取一个较大组合值）和偶然组合是在承载能力极限状态设计中进行钢筋混凝土的配筋计算时选用的，而后面三种组合是在正常使用状态下进行抗裂缝，裂缝宽度以及挠度时选用的。

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一：荷载的分类

荷载可分为；永久荷载和可变荷载，偶然荷载。

偶然荷载是指在结构使用期间不一定出现一旦出现其值很大且持续时

间很短的荷载。一般是指地震作用，撞击、爆炸。一般考虑的多的是地震作用了，地震作用(包括地震力和地震加速度等)由《建筑结构抗震规范》GB 50011—2010 具体规定。做极限承载能力设计时，偶然荷载的代表值不乘以分项系数，这是因为偶然荷载标准值确定本身就带有主观臆测的因素，与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当党的代表值。设计公式可按《建筑结构抗震规范》GB 50011—2010 确定。（需要说明的是目前对偶然作用或荷载，在国内尚未有比较成熟的确定方法，因此《荷载规范》在这方面仍未对它具体规定，工程中可参考国际标准化协会正在拟订中的《人为偶然作用》(DIS10252)的规定，该标准目前主要是对在道路和河道交通中和撞击有关的偶然荷载(等效静力荷载)代表值给出一些规定，而对爆炸引起的偶然荷载仅给出原则规定。所有对于偶然荷载和偶然荷载组合这里不做重点讨论。）

永久荷载在结构使用期间其值不随时间变化或其变化与平均值相比可以忽略不计或其变化是单调的并能趋于限值的荷载（就是平时我们所讲的恒载）。而可变荷载是指在结构使用期间其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。这两种荷载都具有不同性质的变异性，我们做设计的时候不可能把各种统计参数，通过复杂的概率运算进行具体设计。因此，在设计时，除了采用能便于设计者使用的设计表达式外，对荷载仍应赋予一个规定的量值，称为荷载代表值。荷载可根据不同的设计要求，规定不同的代表值，以使之能更确切地反映它在设计中的特点。在荷载规范中给出荷载的四种代表值：标准值、组合值、频遇值和准永久值，荷载标准值是荷载的基本代表值，而其他代表值都可在标准值的基础上乘以相应的系数后得出。对于永久荷载来说它的代表值只有标准值可言。（《在结构可靠度统一标准》中还有个作用设计值，用标准值乘以分项系数得到的。）因为它是长期作用在构件上的，不像可变荷载它还存在出现的概率。下面我们来讨论下可变荷载下的标准值，组合值，频遇值与准永久。

二：荷载的代表值的组合与选用

2.1 可变荷载的频遇值与准永久值。

荷载的标准值在设计基准期内最大荷载的意义上确定的，它没有反映荷载作为随机过程而具有随时间变异的特性。当结构按正常使用极限状态的要求进行设计时，例如要求控制房屋的变形，裂缝，局部损坏及引起不舒服的振动时，就应从不同的要求，来选择荷载的代表值。

可变荷载的频遇值对可变荷载在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。它相当于在结构上时而出现较大的荷载，但总小于荷载的标准值。而可变荷载的准永久值对可变荷载在设计基准期内其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。可以理解为在设计基准内经常出现的荷载值（接近于永久荷载）。

2. 2 正常使用极限状态设计与极限状态设计时荷载效应组合的表达式

2.2.1 正常使用状态下的三大组合

我们不难发现可变荷载的标准值，组合值，频遇值，准永久值经常出现的组合有：标准组合，频遇组合与准永久组合中。而这三个组合，就是我们用来验算正常使用状态下构件的抗裂，裂缝的宽度，以及挠度的。

标准组合的公式：

（组合中的设计值仅适用用荷载与荷载效应为直线的情况）

简单的理解就是S=恒载+活载。但是如果有多种活载同时存在时，例如地震和凤活载，那么它们两个很难达到最大值的，所以在风活载后需要乘以一个组合系数：S=恒载+地震的活栽+0.6x风活栽。一般取小的乘以它的组合系数。

频遇值组合公式：

简单的理解就是S=恒载+频遇值系数x活栽。有多个活载时，较小的那个活载还需乘以准永久系数。

准永久组合的设计公式：

简单的理解就是S=恒载+准永久系数x活载。

2.2.2 承载能力极限状态下的两大组合。

承载能力极限状态下的组合是指基本组合与偶然组合

基本组合可以分为可变荷载效应控制组合与永久荷载效应控制组合。取他们的最大值进行设计。

可变荷载效应控制组合公式：

永久荷载效应控制组合公式：

《规范》规定永久荷载的分项系数在可变荷载效应控制组合中应取1.2，由永久荷载控制组合应取1.35（以上的条件是对结构不利时，对其效应有利时一般取1.0）；可变荷载分项系数一般情况下取1.4.对工业用房活荷载值大于4kN/m的楼板结构取1.3. 所以对以上公式可以简单的理解为：可变控制：S=1.2x恒载+1.4x活载如果有两种活载同时出现：S=1.2x恒载+1.4x活载+0.7x1.4x活载。永久控制：S=1.35x恒载+0.7x1.4x（活载1+活载2）。

（以上0.7为组合系数，它不一定是0.7的，也有两种特殊情况，风活载为0.6，当活荷载不怎么移动的取0.9.（例如档案室，图书馆）我们再前面讨论荷载组合中组合中还涉及到的系数有分项系数，组合系数，频遇值系数，准永久系数，这些系数的出发点都是从结构的可靠度出发的。我们可以理解为这是一种荷载出现的概率值。频遇值系数一般在0.5~0.9之间，准永久系数一般在0.3~0.8之间。同一构件的频遇值系数一般大于准永久系数，只要少数是等于的。如餐厅。总结于《荷载规范2001》P10）。偶然荷载组合这里不做详细讨论。