标准值与设计值的探讨.docx
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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。
关键字：
标准值，设计值，承载能力极限状态设计，正常使用极限状态设计，可变荷载效应组合，永久荷载效应组合，标准组合，频遇组合，准永久组合，pkpm。
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》GB50011—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》GB50011—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。
2..3组合的选用
对于基本组合和偶然组合，是在承载能力极限状态下进行配筋计算的，这里不做详细讨论，我们重点讨论在正常使用极限状态下的组合选用及原因。
标准组合在某种意义上与的短期效应组合（2001以前的规范有提到）相同，主要用来验算一般情况下构件的挠度、裂缝宽度等使用极限状态问题。
在组合中，可变荷载采用标准值，即超越概率为5％的上分位值，荷载分项系数取为1.0。
（可变荷载的组合值系数前面已经提到）。
此时，基本可以理解为活荷载以最大的形式存在了。
这时候如果裂缝宽度和构件变形都满足规范要求，那么我们在实际生活中，应该就没问题了。
频遇组合是新引进的组合模式，可变荷载的频遇值等于可变荷载标准值乘以频遇值系数（该系数小于组合值系数），其值是这样选取的：
考虑了可变荷载在结构设计基准期内超越其值的次数或大小的时间与总的次数或时间相比在10％左右。
频遇组合目前的应用范围较为窄小，如吊车梁的设计等。
由于其中的频遇值系数许多还没有合理地统计出来，所以在其它方面的应用还有一段的时间。
准永久组合 在某种意义上与长期效应组合（2001以前的规范有提到）相同，其值等于荷载的标准值乘以准永久值系数。
它考虑了可变荷载对结构作用的长期性。
在设计基准期内，可变荷载超越荷载准永久值的概率在50％左右。
准永久组合常用于考虑荷载长期效应对结构构件正常使用状态影响的分析中。
最为常用的有两种情况：
1.对于裂缝控制等级为2级的构件，要求按照标准组合时，构件受拉边缘混凝土的应力不超过混凝土的抗拉强度标准值，在按照准永久组合时，要求不出现拉应力。
2，在荷载标准效应作用下并考虑荷载长期作用影响后的构件挠度不超过规定允许挠度值，亦即，应用长期刚度来计算构件的扰度。
按《规范》规定，可按下列公式计算长期刚度：
公式中的Mq就是准永久组合，Ms为标准组合。
Bs为短期刚度。
2.4对准永久组合中两种应用的一些理解
正常使用阶段是在钢筋混凝土破坏时的第I和第II阶段来进行研究的。
第I阶段为没有出现裂缝的时候，钢筋混凝土还处于弹性阶段，此阶段为裂缝一，二级要求时所采用。
由于钢筋混凝土的抗拉强度低，在正常使用阶段常带着裂缝工作的，因此，其裂缝的控制等级属于三级，若使结构构件的裂缝达到一级或二级要求（一级为严格控制裂缝出现，二级为一般控制裂缝出现，三级为允许出现裂缝），必须对其施加预应力，将结构构件做成预应力混凝土构件。
所以准永久组合对裂缝的验算从某种意义上来说，它只出现在对预应力混凝土的验算中。
规范规定在裂缝二级要求的构件中使用准永久组合。
即要求荷载效应在准永久组合值下，克服了混凝土有效预应力后，使构件混凝土不出现拉应力；要求荷载效应标准组合值下，克服了预应力后，其值小于混凝土的抗拉强度。
一级要求就是在标准组合值下，克服了预应力后，使构件混凝土不出现拉应力。
第II阶段为底部受拉区混凝土出现裂缝，裂缝出现以后，塑性变形加剧，变形模量降低显著，并随着荷载的增加，裂缝进一步扩展，截面抗弯刚度进一步降低，内力与产生的变形已经成非线性增加。
此阶段即为按正常使用极限状态变形验算时（挠度）所采用的截面抗弯刚度。
由于混凝土裂缝沿跨度方向分布是不均匀的，裂缝宽度大小不同，即使在纯弯段，各个截面承受弯矩相同，挠度值也不完全一样：
裂缝小的截面处小些，裂缝间截面的大些。
所以，验算变形时所采用的抗弯刚度是指纯弯区段内平均的截面抗弯刚度。
刚度随时间的增长而减小：
试验表明，当作用在构件上的荷载值不变时，变形随时间的增加而增大，即截面抗弯刚度随时间增加而减小。
综上所述，在混凝土受弯构件变形验算时采用平均刚度，考虑到荷载作用时间的影响，把受弯构件抗弯刚度区分为短期刚度Bs和长期刚度B。
用Bs或B代替式EI进行挠度计算。
需要说明的是我们平时说的验算挠度问题指的是长期刚度问题。
的Ms/Mq（€一1）+Ms理解为一个折减的系数。
三：
内力组合
3.1控制截面
在荷载的效应的基本组合或者偶然组合下，进行承载能力极限状态下的配筋计算，还需要进行内力组合，选用最不利组合进行截面设计。
在构件设计时，要找出构件设计的控制截面及控制截面上的最不利内力，作为配筋设计的依据。
首先要确定构件的控制截面，其次要挑选这些截面的最不利内力。
所谓最不利内力，就是使截面配筋最大的内力。
控制截面通常是内力最大的截面，但是不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一截面达到最大值，因此一个构件可能同时有几个控制截面。
对于梁而言一般需要控制三个截面：
左右截面，中间截面。
柱一般只有控制两个截面：
柱顶截面和柱底截面
3．2控制截面的最不利内力类型。
对于框架横梁，其两端支座截面常常是最大负弯矩及最大剪力作用处，在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩。
而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用处。
在梁端截面（指柱边缘处的梁截面），要组合最大负弯矩及最大剪力，也要组合可能出现的正弯矩。
注意，由于内力分析结果都是轴线位置处的梁的弯矩及剪力，但在配筋计算时应采用柱边截面处的内力，因而在组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力。
对于柱子，根据弯矩图可知，弯矩最大值在柱两端，剪力和轴力值在同一楼层内变化较小。
因此，柱的设计控制截面为上、下两个端截面。
注意，在轴线处的计算内力也要换算到梁上、下边缘处的柱截面内力。
柱子弯矩和轴力组合要考虑下述四种可能情况：
1）Mmax及相应的N和剪力v；2）Nmax及相应的M和剪力v；3）Nmin及相应的M和剪力v；4）Vmax及相应的弯矩M和轴力N
有时绝对最大或最小的内力不见得是最不利的。
对于大偏心受压构件，M相等或相近时，N愈小，截面需要的配筋愈多。
对于小偏压构件`，M相等或相近时，N越大所需配筋越多，配筋也会多一些。
所以，组合时要找第4种情况，而且常常是这种情况控制配筋。
3.3竖向活荷载的布置对内力计算的影响。
竖向活荷载是短暂作用的、可变的。
各种不同的布置会产生不同的内力，因此，应该由最不利布置方式计算内力，以求得截面最不利内力。
对于高层建筑，计算不利布置荷载的内力及内力组合工作量很大，而一般民用及公共高层建筑中竖向活荷载不会很大（活荷载1.5—2.5kN/m2），与恒载及水平荷载产生的内力相比，竖向活荷载产生的内力所占比重很小。
因此，多数情况下，可不考虑活荷载的不利布置，只用满布活荷载一种情况计算内力，这样可以大大减小计算工作量。
在竖向活荷载很大时（大于4kN/m2，如图书馆书库、多层工业厂房或仓库），必须考虑活荷载不利布置。
3.4梁端塑性调幅。
框架中允许梁端出现塑性铰。
因此，在梁中可考虑塑性内力重分布，通常是降低支座弯矩，以减小支座处的配筋。
对于现浇框架，支座弯矩的调幅系数采用0.8—0.9。
对于装配整体式框架，由于钢筋焊接或接缝不严等原因，节点容易产生变形，梁端弯矩较弹性计算结果会有所降低，因此支座弯矩调幅系数允许低一些，取0.7－0.8。
支座弯矩降低后，必须相应加大梁跨中弯矩。
这样，在支座出现塑性铰以后，不会导致跨中截面承载力不足。
跨中弯矩应按平衡条件相应增大。
为了保证梁的安全，跨中弯矩应至少取简支梁计算的跨中弯矩的一半。
框架梁塑性调幅塑性调幅主要是在竖向荷载作用下的内力调整，因此，要在组合前进行调幅，然后才和水平荷载作用下的内力进行组合。
在pkpm中的
第五条说的就是没有调幅前的标准内力。
3.5内力的计算。
在手算内力组合时，一般都通过表格进行。
在手算内力组合时，一般都通过表格进行。
内力组合的步骤是：
（1）恒载、活载、风载及地震等效荷载都分别按各自规律布置，进行内力分析；
（2）取出各个构件的控制截面内力，经过内力调整后填入内力组合表内；（3）根据建筑物的具体情况，由规范中选出本结构可能出现的若干组组合，将各内力分别乘以相应的荷载分项系数及组合系数。
在不同组合类型中，分项系数不同，应按规范要求分别采用；（4）按照不利内力的要求分组叠加内力；（5）在若干组不利内力中选取最不利内力作为构件截面的设计内力，有时要通过试算才能找到哪组内力得到的配筋最大。
Pkpm中自动把这些步骤做了。
计算地震作用时，结构的重力荷载代表值应取恒荷载标准值和可变荷载组合值之和。
可变荷载的组合值系数应按下列规定采用：
（1）雪荷载取0.5；
（2）楼面活荷载按实际情况计算时取1.0；按等效均布活荷载计算时，藏书库、档案库、库房取0.8，一般民用建筑取0.5。
参考文献：
《荷载规范GB5009-2001》
《建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001》
《抗震设计规范GB50011-2010》
《混凝土结构设计原理第3版，沈蒲生主编》
《混凝土结构设计第3版，沈蒲生主编》
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