5.1 民用建筑楼面均布活荷载

5.1.1 作为强制性条文，本次修订明确规定表5.1.1中列入的民用建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数为设计时必须遵守的最低要求。如设计中有特殊需要，荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数的取值可以适当提高。
    本次修订，对不同类别的楼面均布活荷载，除调整和增加个别项目外，大部分的标准值仍保持原有水平。主要修订内容为：
    1)提高教室活荷载标准值。原规范教室活荷载取值偏小，目前教室除传统的讲台、课桌椅外，投影仪、计算机，音响设备、控制柜等多媒体教学设备显著增加；班级学生人数可能出现超员情况。本次修订将教室活荷载取值由2.0kN/m²提高至2.5kN/m²。
    2)增加运动场的活荷载标准值。现行规范中尚未包括体育馆中运动场的活荷载标准值。运动场除应考虑举办运动会、开闭幕式、大型集会等密集人流的活动外，还应考虑跑步、跳跃等冲击力的影响。本次修订运动场活荷载标准值取为4.0kN/m²。
    3)第8项的类别修改为汽车通道及“客车”停车库，明确本项荷载不适用于消防车的停车库；增加了板跨为3m×3m的双向板楼盖停车库活荷载标准值。在原规范中，对板跨小于6m×6m的双向板楼盖和柱网小于6m×6m的无梁楼盖的消防车活荷载未作出具体规定。由于消防车活荷载本身较大，对结构构件截面尺寸、层高与经济性影响显著，设计人员使用不方便，故在本次修订中予以增加。
    根据研究与大量试算，在表注4中明确规定板跨在3m×3m至6m×6m之间的双向板，可以按线性插值方法确定活荷载标准值。
    对板上有覆土的消防车活荷载，明确规定可以考虑覆土的影响，一般可在原消防车轮压作用范围的基础上，取扩散角为35°，以扩散后的作用范围按等效均布方法确定活荷载标准值。新增加附录B，给出常用板跨消防车活荷载覆土厚度折减系数。
    4)提高原规范第10项第1款浴室和卫生间的活荷载标准值。近年来，在浴室、卫生间中安装浴缸、坐便器等卫生设备的情况越来越普遍，故在本次修订中，将浴室和卫生间的活荷载统一规定为2.5kN/m²。
    5)楼梯单列一项，提高除多层住宅外其他建筑楼梯的活荷载标准值。在发生特殊情况时，楼梯对于人员疏散与逃生的安全性具有重要意义。汶川地震后，楼梯的抗震构造措施已经大大加强。在本次修订中，除了使用人数较少的多层住宅楼梯活荷载仍按2.0kN/m²取值外，其余楼梯活荷载取值均改为3.5kN/m²。
    在《荷载暂行规范》规结1-58中，民用建筑楼面活荷载取值是参照当时的苏联荷载规范并结合我国具体情况，按经验判断的方法来确定的。《工业与民用建筑结构荷载规范》TJ 9-74修订前，在全国一定范围内对办公室和住宅的楼面活荷载进行了调查。当时曾对4个城市(北京、兰州、成都和广州)的606间住宅和3个城市(北京、兰州和广州)的258间办公室的实际荷载作了测定。按楼板内弯矩等效的原则，将实际荷载换算为等效均布荷载，经统计计算，分别得出其平均值为1.051kN/m²和1.402kN/m²，标准差为0.23kN/m²和0.219kN/m²；按平均值加两倍标准差的标准荷载定义，得出住宅和办公室的标准活荷载分别为1.513kN/m²和1.84kN/m²。但在规结1-58中对办公楼允许按不同情况可取1.5kN/m²或2kN/m²进行设计，而且较多单位根据当时的设计实践经验取1.5kN/m²，而只对兼作会议室的办公楼可提高到2kN/m²。对其他用途的民用楼面，由于缺乏足够数据，一般仍按实际荷载的具体分析，并考虑当时的设计经验，在原规范的基础上适当调整后确定。
    《建筑结构荷载规范》GBJ 9-87根据《建筑结构统一设计标准》GBJ 68-84对荷载标准值的定义，重新对住宅、办公室和商店的楼面活荷载作了调查和统计，并考虑荷载随空间和时间的变异性，采用了适当的概率统计模型。模型中直接采用房间面积平均荷载来代替等效均布荷载，这在理论上虽然不很严格，但对结果估计不会有严重影响，而调查和统计工作却可得到很大的简化。
    楼面活荷载按其随时间变异的特点，可分持久性和临时性两部分。持久性活荷载是指楼面上在某个时段内基本保持不变的荷载，例如住宅内的家具、物品，工业房屋内的机器、设备和堆料，还包括常住人员自重。这些荷载，除非发生一次搬迁，一般变化不大。临时性活荷载是指楼面上偶尔出现短期荷载，例如聚会的人群、维修时工具和材料的堆积、室内扫除时家具的集聚等。
    对持续性活荷载L_i的概率统计模型，可根据调查给出荷载变动的平均时间间隔τ及荷载的统计分布，采用等时段的二项平稳随机过程(图3)。

图3 持续性活荷载随时间变化示意图

 对临时性活荷载L_r由于持续时间很短，要通过调查确定荷载在单位时间内出现次数的平均率及其荷载值的统计分布，实际上是有困难的。为此，提出一个勉强可以代替的方法，就是通过对用户的查询，了解到最近若干年内一次最大的临时性荷载值，以此作为时段内的最大荷载L_rs，并作为荷载统计的基础。对L_r也采用与持久性活荷载相同的概率模型(图4)。

图4 临时性活荷载随时间变化示意图

出于分析上的方便，对各类活荷载的分布类型采用了极值Ⅰ型。根据L_r和L_rs的统计参数，分别求出50年最大荷载值L_iT和L_rT的统计分布和参数。再根据Tukstra的组合原则，得出50年内总荷载最大值L_T的统计参数。在1977年以后的三年里，曾对全国某些城市的办公室、住宅和商店的活荷载情况进行了调查，其中：在全国25个城市实测了133栋办公楼共2201间办公室，总面积为63700m²，同时调查了317栋用户的搬迁情况；对全国10个城市的住宅实测了556间，总为7000m²，同时调查了229户的搬迁情况；在全国10个城市实测了21家百货商店共214个柜台，总面积为23700m²。
    表2中的L_k系指《建筑结构荷载规范》GBJ 9-87中给出的活荷载的标准值。按《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068的规定，标准值应为设计基准期50年内荷载最大值分布的某一个分位值。虽然没有对分位值的百分数作具体规定，但对性质类同的可变荷载，应尽量使其取值在保证率上保持相同的水平。从表5.1.1中可见，若对办公室而言，L_k＝1.5kN/m²，它相当于L_T的均值μ_Lt 加1.5倍的标准差σ_LT，其中1.5系数指保证率系数α。若假设L_T的分布仍为极值Ⅰ型，则与α对应的保证率为92.1％，也即L_k取92.1％的分位值。以此为标准，则住宅的活荷载标准值就偏低较多。鉴于当时调查时的住宅荷载还是偏高的实际情况，因此原规范仍保持以往的取值。但考虑到工程界普遍的意见，认为对于建设工程量比较大的住宅和办公楼来说，其荷载标准值与国外相比显然偏低，又鉴于民用建筑的楼面活荷载今后的变化趋势也难以预测，因此，在《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001修订时，楼面活荷载的最小值规定为2.0kN/m²。

关于其他类别的荷载，由于缺乏系统的统计资料，仍按以往的设计经验，并参考国际标准化组织1986年颁布的《居住和公共建筑的使用和占用荷载》ISO 2103而加以确定。
    对藏书库和档案库，根据70年代初期的调查，其荷载一般为3.5kN/m²左右，个别超过4kN/m²，而最重的可达5.5kN/m²(按书架高2.3m，净距0.6m，放7层精装书籍估计)。GBJ9-87修订时参照ISO 2103的规定采用为5kN/m²，并在表注中又给出按书架每米高度不少于2.5kN/m²的补充规定。对于采用密集柜的无过道书库规定荷载标准值为12kN/m²。
    客车停车库及车道的活荷载仅考虑由小轿车、吉普车、小型旅行车(载人少于9人)的车轮局部荷载以及其他必要的维修设备荷载。在ISO 2103中，停车库活荷载标准值取2.5kN/m²。按荷载最不利布置核算其等效均布荷载后，表明该荷载值只适用于板跨不小于6m的双向板或无梁楼盖。对国内目前常用的单向板楼盖，当板跨不小于2m时，应取4.0kN/m²比较合适。当结构情况不符合上述条件时，可直接按车轮局部荷载计算楼板内力，局部荷载取4.5kN，分布在0.2m×0.2m的局部面积上。该局部荷载也可作为验算结构局部效应的依据(如抗冲切等)。对其他车的车库和车道，应按车辆最大轮压作为局部荷载确定。
    目前常见的中型消防车总质量小于15t，重型消防车总质量一般在(20～30)t。对于住宅、宾馆等建筑物，灭火时以中型消防车为主，当建筑物总高在30m以上或建筑物面积较大时，应考虑重型消防车。消防车楼面活荷载按等效均布活荷载确定，本次修订对消防车活荷载进行了更加广泛的研究和计算，扩大了楼板跨度的取值范围，考虑了覆土厚度影响。计算中选用的消防车为重型消防车，全车总重300kN，前轴重为60kN，后轴重为2×120kN，有2个前轮与4个后轮，轮压作用尺寸均为0.2m×0.6m。选择的楼板跨度为2m～4m的单向板和跨度为3m～6m的双向板。计算中综合考虑了消防车台数、楼板跨度、板长宽比以及覆土厚度等因素的影响，按照荷载最不利布置原则确定消防车位置，采用有限元软件分析了在消防车轮压作用下不同板跨单向板和双向板的等效均布活荷载值。
    根据单向板和双向板的等效均布活荷载值计算结果，本次修订规定板跨在3m至6m之间的双向板，活荷载可根据板跨按线性插值确定。当单向板楼盖板跨介于2m～4m之间时，活荷载可按跨度在(35～25)kN/m²范围内线性插值确定。
    当板顶有覆土时，可根据覆土厚度对活荷载进行折减，在新增的附录B中，给出了不同板跨、不同覆土厚度的活荷载折减系数。
    在计算折算覆土厚度的公式(B.0.2)中，假定覆土应力扩散角为35°，常数1.43为tan35°的倒数。使用者可以根据具体情况采用实际的覆土应力扩散角θ ，按此式计算折算覆土厚度。
    对于消防车不经常通行的车道，也即除消防站以外的车道，适当降低了其荷载的频遇值和准永久值系数。
    对民用建筑楼面可根据在楼面上活动的人和设施的不同状况，可以粗略将其标准值分成以下七个档次：
    (1)活动的人很少L_k＝2.0kN/m²；
    (2)活动的人较多且有设备L_k＝2.5kN/m²；
    (3)活动的人很多且有较重的设备L_k＝3.0kN/m²；
    (4)活动的人很集中，有时很挤或有较重的设备L_k＝3.5kN/m²；
    (5)活动的性质比较剧烈L_k＝4.0kN/m²；
    (6)储存物品的仓库L_k＝5.0kN/m²；
    (7)有大型的机械设备L_k＝(6～7.5)kN/m²。
    对于在表5.1.1中没有列出的项目可对照上述类别和档次选用，但当有特别重的设备时应另行考虑。
    作为办公楼的荷载还应考虑会议室、档案室和资料室等的不同要求，一般应在(2.0～2.5)kN/m²范围内采用。
    对于洗衣房、通风机房以及非固定隔墙的楼面均布活荷载，均系参照国内设计经验和国外规范的有关内容酌情增添的。其中非固定隔墙的荷载应按活荷载考虑，可采用每延米长度的墙重(kN/m)的1/3作为楼面活荷载的附加值(kN/m²)，该附加值建议不小于1.0kN/m²，但对于楼面活荷载大于4.0kN/m²的情况，不小于0.5kN/m²。
    走廊、门厅和楼梯的活荷载标准值一般应按相连通房屋的活荷载标准值采用，但对有可能出现密集人流的情况，活荷载标准值不应低于3.5kN/m²。可能出现密集人流的建筑主要是指学校、公共建筑和高层建筑的消防楼梯等。
5.1.2 作为强制性条文，本次修订明确规定本条列入的设计楼面梁、墙、柱及基础时的楼面均布活荷载的折减系数，为设计时必须遵守的最低要求。
    作用在楼面上的活荷载，不可能以标准值的大小同时布满在所有的楼面上，因此在设计梁、墙、柱和基础时，还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况，也即在确定梁、墙、柱和基础的荷载标准值时，允许按楼面活荷载标准值乘以折减系数。
    折减系数的确定实际上是比较复杂的，采用简化的概率统计模型来解决这个问题还不够成熟。目前除美国规范是按结构部位的影响面积来考虑外，其他国家均按传统方法，通过从属面积来虑荷载折减系数。对于支撑单向板的梁，其从属面积为梁两侧各延伸二分之一的梁间距范围内的面积；对于支撑双向板的梁，其从属面积由板面的剪力零线围成。对于支撑梁的柱，其从属面积为所支撑梁的从属面积的总和；对于多层房屋，柱的从属面积为其上部所有柱从属面积的总和。

类别采用的折减系数改用  。对第1(2)～8项的建筑类别，直接按楼面梁的折减系数，而不另考虑按楼层的折减。这与ISO 2103相比略为保守，但与以往的设计经验比较接近。
    停车库及车道的楼面活荷载是根据荷载最不利布置下的等效均布荷载确定，因此本条文给出的折减系数，实际上也是根据次梁、主梁或柱上的等效均布荷载与楼面等效均布荷载的比值确定。
    本次修订，设计墙、柱和基础时针对消防车的活荷载的折减不再包含在本强制性条文中，单独列为第5.1.3条，便于设计人员灵活掌握。
5.1.3 消防车荷载标准值很大，但出现概率小，作用时间短。在墙、柱设计时应容许作较大的折减，由设计人员根据经验确定折减系数。在基础设计时，根据经验和习惯，同时为减少平时使用时产生的不均匀沉降，允许不考虑消防车通道的消防车活荷载。