建筑工程设计荷载计算（建筑结构设计及荷载分析）

建筑结构设计是建筑设计工作的一部分，指利用力学原理模拟分析建筑物或者构筑物的承载能力，设计出满足其功能要求的结构形式，并配合建筑给水排水暖通空调电气等专业完成建筑整体的设计。

建筑结构包括上部结构设计和基础设计。主要分为框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、砖混结构、钢结构、轻钢结构。

1、建筑结构设计内容

上部结构设计

上部结构设计主要内容及步骤：

1、根据建筑设计来确定结构体系、确定结构主要材料；

2、结构平面布置；

3、初步选用材料类型、强度等级等，根据经验初步确定构件的截面尺寸；

4、结构荷载计算及各种荷载作用下结构的内力分析；

5、荷载效应组合；

6、构件的截面设计。此外还包括某些必要构造措施。需要依据结构专业相关规范、图集等。

上部结构设计：主要分为框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构、砌体结构。

基础设计

基础设计主要内容及步骤：

1、根据工程地质勘察报告、上部结构类型及上部结构传来的荷载效应和当地的施工技术水平及材料供应情况确定基础的形式，材料强度等级，一般有浅基础（如：独立基础、条形基础等）和深基础（如：桩基）。

2、基础底面积的确定及地基承载力验算。

3、基础内力计算及配筋计算。

4、考虑必要的构造措施。

结构施工图上是结构工程师的语言，是直接面对施工现场及相关工程技术人员的，应该按照一定的规范绘制。

2、建筑结构体系

框架结构体系

框架结构是以柱、梁、板组成的空间结构体系作为骨架的建筑。常见的框架结构多为钢筋混凝土建造，多用于10层以下建筑。框架结构设计时，应注意以下事项：

1、柱、梁截面应合理：由位移、轴压比、配筋率等控制，梁大跨取大截面，小跨取小截面，梁的截面也与梁所承受的上部荷载有关，荷载越大截面也应取大，荷载较小截面可相应减小，连续跨梁截面宽度宜相同。柱截面应每隔3层左右收小一次，以节约投资，每次收小时应每侧不小于50mm，以方便支模，也不宜大于200mm，以免刚度突变，最上段（顶上几层）可用300mm×300mm（应满足计算要求）。收小柱截面，也可相应增加使用面积。

2、混凝土强度等级：宜≥C25（留有余地），柱梁宜同，变柱截面处不变混凝土强度等级，以免刚度突变。板不宜高于C40（高规4.5.2条规定）、上海市《控制住宅工程钢筋混凝土现浇楼板裂缝的技术导则》（2001年12月20日以沪建建（2001）第0907号文发布）一。7条规定“现浇楼板的混凝土强度等级不宜大于C30”，中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会混凝土质量专业委员会、高强与高性能混凝土专业委员会编的《钢筋混凝土结构裂缝控制指南》（化学工业出版社2004年4月第一版）也建议“楼板、屋面板采用普通混凝土时，其强度等级不宜大于C30，基础底板、地下室外墙不宜大于C35”，其原因是为了控制水泥用量，混凝土强度等级越高，水泥用量也越多就越容易开裂。

3、柱设计：

1）混凝土设计规范10.3.1条1款：纵筋配筋率不宜大于5﹪，10.3.2条4款：纵筋配筋率大于3﹪时对箍筋直径、间距、弯钩有要求，也可焊成封闭环式（与89规范规定必须焊成封闭环式不同了），11.1.13条：抗震设计时不应大于5﹪；高规6.4.4条3款：不宜大于5﹪、不应大于6﹪，抗震设计时不应大于5﹪，6.4.9条4款同混凝土规范10.3.2条4款，但未要求箍筋可焊成封闭环式。

2）纵筋净间距应≥50mm（混凝土设计规范10.3.1条3款），抗震设计时，截面尺寸大于400mm的柱，纵筋间距不宜大于200mm.

3）一个截面宜一种直径，宜对称配筋，方便施工，自己设计也简单；钢筋直径不宜上大下小。有个2层的小工程，共16根柱子，KZ1～16，1、2层配筋还有不同，共有32种截面，何苦呢？

4）强柱弱梁，纵筋不要太小，除一、二层框架可用φ16、φ18外，最好用φ20以上。

5）箍筋肢距：一级抗震等级不宜大于200mm及20d（d为箍筋直径）的较大值，二、三级抗震等级不宜大于250mm（89规范三级300mm）及20d的较大值，四级抗震等级不宜大于300mm.何为“箍筋肢距”规范无定义，一般设计人员都认为是两根箍筋在水平方向之间的距离。箍筋肢距也不要太小，如600×600柱用6肢箍、500×500柱用5肢箍、400×400柱用4肢箍太密，无必要，也影响混凝土浇注，可对主筋隔一拉一，节约钢筋。

6）配箍率：新规范比89规范大，与柱轴压比、混凝土强度等级、箍筋抗拉设计强度有关。　

7）用平法表示，不要用列表法，03G101-1图集的列表法也不直观。

4、钢筋混凝土结构中的楼梯：

1）不可用砌体支承。

2）用“小框架”支承，梁柱宜符合三级抗震要求（箍筋≥φ6@150）。

5、钢筋混凝土结构中的构造柱（GZ）：

1）上端与梁板应弱连接，不连应是可以的，也可用1φ12连接，GZ上端应与梁板离开20～30mm，否则会改变上端梁板的受力状况。

2）GZ的箍筋可不加密，它不是抗震构件（有些标准图集有加密的）。

3）GZ必须先砌填充墙（留马牙槎）后浇，施工单位有先浇的，极为不妥。

6、钢筋混凝土结构中的砌体填充墙的拉墙筋长度：不可套用砌体结构，应按抗震设计规范13.3.3条2款：6、7度时不应小于墙长的1/5且不小于700mm，8、9度时宜沿墙全长贯通。

7、钢筋混凝土结构中的电梯机房楼板、水箱等不可用砌体支承，高规是强条。

剪力墙结构体系

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。这种结构在高层房屋中被大量运用。剪力墙结构在进行设计时，应注意以下事项：

1、对剪力墙结构，《建筑抗震设计规范》、《混凝土结构设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》都有一些规定，高规的内容要多一些，且有关于短肢剪力墙的规定（7.1.2条共8款）。一般剪力墙为hw（墙肢截面高度，个人认为此应称为“墙肢长度”，与高规表7.2.16注1及抗震设计规范6.4.9条与表6.4.7注4、混凝土结构设计规范表11.7.15注4统一）/bw（墙肢截面厚度）>8，墙肢截面高度不宜大于8m，较长的剪力墙宜开设洞口（即所谓结构洞）（高规7.1.5条）。短肢剪力墙hw/bw=5（认为按老习惯取4较合理）～8，抗震等级应提高一级。hw/bw<5（认为按老习惯取4较合理），即为异形柱。L形、十字形剪力墙等，只要其中的一肢达到一般剪力墙的要求，则不应认为是短肢剪力墙。

2、高规7.1.1条规定“剪力墙结构的侧向刚度不宜过大”，如果采用全剪力墙结构，即除门窗洞外均为剪力墙，无一片后砌的填充墙，第一周期只有1.02秒，侧向刚度过大，使地震作用过大，不经济，不合理。

3、关于底层剪力墙的厚度：高规7.1.2条规定“高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构”，当短肢剪力墙较多时，其第2款规定“抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于总底部地震倾覆力矩的50%”。SATWE程序在计算时，是将各个墙肢的高厚比进行单独计算，凡hw/bw=5～8，即归入短肢剪力墙，这样算得的短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩就可能容易大于50%。而TAT程序在计算时，是将L形等剪力墙等只要其中的一肢达到一般剪力墙的要求，则不归入短肢剪力墙，在相同的结构中，这样算得的短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩就有可能不大于50%，建议宜按TAT计算该项指标。

4、剪力墙的计算配筋应为墙肢一端的配筋量。

5、在短肢剪力墙较多的剪力墙结构中，多数设计人员将较短的墙段都画为约束边缘构件或构造边缘构件，将计算需要的纵向钢筋均匀配置在整个墙段内，这是不妥的，因为配置在墙肢中和轴附近的钢筋并不能发挥作用，因此纵向钢筋应向墙肢端部集中，宜打印剪力墙边缘构件配筋计算结果复核。抗震设计规范6.4.9条规定：“抗震墙的墙肢长度不大于墙厚的3倍时，应按柱的要求进行设计，箍筋应沿全高加密”，SATWE等程序在计算时也是照此条规定办理。如墙厚为200mm，墙肢长度600～800mm，虽然墙肢长度达到墙厚的3～4倍，认为仍宜按柱配筋。

6、有些人在电算总信息中输入分布筋的配筋率为0.30%（规范要求一、二、三级剪力墙最小0.25%，四级剪力墙最小0.20%，为强制性条文），但实际配筋小于0.30%，这就不对了，因为竖向分布筋的配筋率会影响剪力墙的配筋计算结果（见高规7.2.8～7.2.12条）。剪力墙的竖向、横向分布筋也不必太大，如墙厚为200或250mm，纵、横向分布筋都配φ12@200双排（配筋率达0.565～0.452%）似无必要，但钢筋间距宜≤200mm，对防止剪力墙开裂有好处。

砖混结构

砖混结构是混合结构的一种，是采用砖墙来承重，钢筋混凝土梁柱板等构件构成的混合结构体系。适合开间进深较小，房间面积小，多层或低层的建筑，对于砖混结构承重墙体不能改动，而框架结构则对墙体大部可以改动。总体来说砖混结构使用寿命和抗震等级要低些。如今砖混结构建筑已经改为框架结构，钢筋混凝土结构。

砖混结构在进行设计时，应注意以下事项：

1、砖最低MU10，砌块有MU7.5，石材5层以上MU30。

2、水泥砂浆强度折减。不宜用M5水泥砂浆。

3、施工质量等级宜为B级。当为C级时，折减系数0.89（砌体结构设计规范3.2.1条、3.2.2条4款、4.1.4条）。

4、窗（门）间墙宽度、转角墙长度≥1000，转角墙长度达不到1000时宜设L形构造柱。

5、不应设独立混凝土柱承重。

6、构造柱（GZ）：1）一、二层可不设；

2）拉墙筋长1000mm；

3）箍筋在楼面上下500mm范围内＠100mm。

7、挑梁：砌体结构设计规范7.4.6条（原为强条，现在不是）：1/2负筋伸至尾端，其余伸入2L1/3。

3、建筑结构荷载分析

建筑结构在使用期间和施工过程中，要承受各种“作用”。根据“作用”的形式不同，可分为两类：

一类是以力的形式直接施加在结构上，如结构自重、施工荷载、风荷载、雪荷载等，我们称之为直接作用，习惯上也称为结构上的荷载；

另一类是以变形形式施加于结构上，如地基变形、混凝土收缩和徐变、焊接变形、温度变化及地震等引起的作用等，这种能引起结构外加变形或约束变形的作用，我们称之为间接作用。

结构设计中以“荷载”作用为多。

荷载分类

作用在结构上的荷载，在建筑物使用过程中并非固定不变。荷载按照时间分类，可分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载：

1、永久荷载（恒载），其值不随时间变化；或者其变化与平均值相比可以忽略的荷载。例如结构自重、土压力、预应力基础沉降，混凝土收缩，焊接变形等。

2、可变荷载（活载荷），在设计基准期间内，其值随时间变化，且变化值和平均值相比不可忽略的荷载。例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。

3、偶然荷载（特殊载荷或偶然作用），在设计基准期可能出现也可能不出现，一旦出现，其值很大且持续时间较短。例如爆炸力、撞击力，台风雪崩等。

荷载代表值

建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值。下面，我们再来看看这三种荷载的代表值：

1、对永久荷载应采用标准值作为代表值。

2、对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。（建筑结构荷载规范(GB50009-2012)规定：确定可变荷载代表值时应采用50年设计基准期。）

3、对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。

荷载设计值

我们在计算荷载设计值时，除了采用合适的荷载代表值，还要考虑其它因素的影响，如惯性力、摩擦力的变化、短时附加载荷等引起载荷值的变化因素。因此，在设计时一般要将代表值加大，在原来的代表值上乘以一个大于1的荷载分项系数，作为设计值：

荷载设计值=荷载代表值×荷载分项系数后的值

荷载分项系数

荷载分项系数可按下列规定采用：

1、永久荷载的分项系数

当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2；由永久荷载效应控制的组合应取1.35。

当其效应对结构有利时，应取1.0，对倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9。

2、可变荷载分项系数

一般情况应取1.4。但对于标准值大于4KN/㎡的工业房屋楼面结构的活荷载，应取1.3。

荷载组合

在结构设计时，我们还会遇到结构组合的形式，这种情况下的荷载计算，应按下述要求：

建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并应取各自的最不利的组合进行设计。

对于承载能力极限状态，应按荷载的基本组合或偶然组合计算荷载组合的效应设计值，并应采用下列设计表达式进行设计：

y0 Sd≤Rd

y0 — 结构重要性系数，应按各有关建筑结构设计规范的规定采用；

Sd — 荷载组合的效应设计值；

Rd — 结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。

结构计算分析软件

在建筑工程中，为了保证建筑的安全性，在进行建筑结构设计时，我们需要考虑以上作用（包括荷载和其他作用）对建筑产生的作用，并进行计算和分析，使结构能在其使用期限内维持安全稳定。

目前，建筑结构计算和分析，一般采用钢结构计算分析软件STAAD。

STAAD 是一个全面集成的有限元分析和设计解决方案，包括良好的用户界面、可视化工具和国际设计规范。能用于分析受静力载荷、动力响应、土壤结构相互作用或风力、地震及移动载荷影响的几乎所有结构类型，确保按时、按预算完成任何复杂程度的钢结构、混凝土结构、木结构、铝结构和冷弯型钢结构项目。

软件功能

1、分析重力和横向载荷

为各种载荷条件设计和分析简单或复杂结构，包括由重力引起的载荷（如恒载和活载）、跨越条件以及包括风力和地震在内的横向载荷。

2、遵循抗震要求

根据相关建筑规范设计和详细设计抗震系统，生成抗震载荷。在设计元素和设计框架及更大的结构系统（如果适用）时考虑这些作用力。在按比例分配和详细设计元素时，遵循所选设计规范的延展性要求。

3、设计和分析结构模型

快速为整个结构建模，包括甲板、板、板缘和开口、梁、柱、墙、支架、扩展和连续基脚及承台。高效自动执行多个费时的设计和分析任务，并生成文档已就绪的实用系统和组件设计。

4、借助有限元进行设计和分析

使用我们最先进的有限元分析来准确高效地完成整个建筑结构的分析、设计和制图。使用我们的快速求解器减少或消除等待结果的时间。

5、设计梁、柱和墙

优化或分析梁、柱和墙的重力和横向载荷，以快速获得安全经济的设计。充满自信地生成符合美国标准以及许多国际设计规格和建筑规范的设计。

6、检查冷弯型截面设计

使用综合的冷弯型截面库设计轻型钢构件，无需使用单独的专用应用程序。

7、设计抗侧力框架

对斜撑框架和抗弯框架执行抗震和风力建筑规范检查。为您的结构项目快速获取安全可靠的设计。

8、国际标准的设计

在您的产品设计中，使用广泛的国际标准与规格，扩展您的业务实践，利用全球的设计机会。受益于国际标准的广泛支持，充满信心的完成您的设计。

9、生成设计载荷和载荷组合

使用内置载荷生成器将规范要求的风力和抗震载荷应用于结构中。基于结构几何图形、批量和选定建筑规范条款，自动计算相关载荷参数，而无需单独手动计算。使用载荷组合生成器将这些横向载荷工况与重力和其他类型的负荷组合起来。

10、导入在 DXF 中创建的截面图形状

快速导入在 DXF 工程图中详细设计的以公制或英制自定义的截面剖面图。或者使用简单的关键尺寸或从一系列标准库中选取的标准来定义常规形状。

11、集成板筏和基础设计

使用集成在分析主模型中的专业应用程序设计板筏和基础。创建设计计算和钢筋工程图。使用 ISM 添加 BIM 模型中的设计信息。

12、集成钢结构结点设计在单一集成的环境中设计钢结构结点。直接从三维分析中将焊点形态、构件尺寸和合力传输到钢结构结点设计应用程序中。这样可以实现高效的信息复用并减少因结构变化造成的返工量。

13、生成截面属性报告

快速计算截面属性并轻松生成自定义截面图的详细报告。

14、生成结构设计文档

自动生成结构设计文档，包括用于传递设计意图的必要平面图和立面图。对三维模型所作的更改会在文档中自动更新。

15、共享结构模型

将结构模型几何图形和设计结果从一个应用程序传输到另一个应用程序，并同步未来变化。快速共享结构模型、工程图和信息以供整个团队查看。

16、充分利用国际通用标准截面配置文件

使用丰富的国际通用标准的截面配置文件库（不另外收费）完成结构模型。充分利用全球性的设计机会。

如果您有相关的结构项目需要进行分析和计算，或想要采购钢结构计算分析软件STAAD，欢迎关注“艾三维技术”微信公众号，联系我们。

关注“艾三维技术”微信公众号，看直播！免费获得BIM软件7天免费试用和12个BIM软件系列教程，还有精彩案例，BIM解决方案，定期发送！

,