荷載組合
荷載組合
荷載組合是指根據橋涵特性、使用要求、橋位處自然條件、荷載的性質和荷載出現的概率等，在設計時應作為可能在結構上同時出現的若干荷載。橋涵設計荷載組合有六種，即基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種相組合；基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種其他可變荷載的一種或幾種相組合;平板掛車或履帶車與結構重力、預加應力、土地重力及土側壓力中的一種或幾種相組合；基本可變荷載的一種或幾種與永久荷載的一種或幾種與偶然荷載中的船隻或漂流物撞擊力相組合；橋涵在進行施工階段的驗算時，根據可能出現的施工荷載進行組合；結構重力、預加應力、土重及土側壓力中的一種或幾種與地震力相組合。荷載性質不同，各種荷載組合發生的概率亦不一定相同，因此，不同荷載組合時，結構物應有不同的安全儲備，即安全係數應有所區別。
荷載組合是荷載效應組合的簡稱。指各類構件設計時不同極限狀態所應取用的各種荷載及其相應的代表值的組合。應根據使用過程中可能同時出現的荷載進行統計組合，取其最不利情況進行設計。
以往對荷載組合主要是憑藉工程設計經驗，採用能被工程界廣泛接受的荷載組合係數來表達。近年來，在荷載統計分析研究方面，由於引用了隨機過程作為可變荷載的概率模型，使荷載隨時間而變異的客觀現實逐漸得到反映，從而有可能在基於概率理論的基礎上，提出荷載組合的各種實用方法。完善的理論還有待發展。
現今能供實用的荷載組合理論，主要是將各種荷載簡化成比較簡單的隨機過程概率模型。對常遇的各種荷載，一般可用三種典型的荷載隨機過程概率模型，即荷載隨時間變化的樣本函數來描述：
①永久荷載。在設計基準期T內保持恆定的量值，隨時間的變化很小，也即荷載出現的概率p=1，重現次數r=1，其樣本函數如圖1a。
荷載組合
荷載組合
③瞬時可變荷載。在設計基準期T內的重現次數r很多，但持續時間短，在每時段內出現的概率p也很小，其樣本函數如圖1c。
其中可變荷載的出現或變動的時刻，一般可按泊松過程考慮，其荷載的持續時間也可採用各種不同的統計規律。
根據各種荷載的重要性，荷載的組合分為六類：組合Ⅰ-Ⅵ：
組合Ⅰ：基本可變荷載（平板掛車或履帶車除外）的一種或幾種，與永久荷載的一種或幾種相組合；
組合Ⅱ：基本可變荷載（平板掛車或履帶車除外）的一種或幾種，與永久荷載的一種或幾種和其它可變荷載的一種或幾種相
組合；
組合Ⅲ：平板掛車或履帶車，與結構重量、預加應力、土的重力及土側壓力的一種或幾種相組合；
組合Ⅳ：基本可變荷載（平板掛車或履帶車除外）的一種或幾種，與永久荷載的一種或幾種和偶然荷載中的船隻或漂流物的
撞擊力相組合；
組合Ⅴ：橋涵在進行施工階段的驗算時，根據可能出現的施工荷載（如結構重力、腳手架、材料機具、人群、風力以及拱橋
的單向推力等）進行組合；
構件在吊裝時，其自重應乘以動力係數1.2或0.85，並可視構件具體情況適當增減；
組合Ⅵ：結構重力、預加應力、土重及土側壓力中的一種或幾種與地震力相組合。
荷載組合詳解：荷載規範里的荷載組合中提到的荷載“基本組合”、“頻遇組合”和“准永久組合”分別表示什麼？分別用在什麼情況下？
1）基本組合是屬於承載力極限狀態設計的荷載效應組合，它包括以永久荷載效應控制組合和可變荷載效應控制組合，荷載效應設計值取兩者的大者。兩者中的分項係數取值不同，這是新規範不同老規範的地方，它更加全面地考慮了不同荷載水平下構件地可靠度問題。
在承載力極限狀態設計中，除了基本組合外，還針對於排架、框架等結構，又給出了簡化組合。
2）標準組合、頻遇組合和准永久組合是屬於正常使用極限狀態設計的荷載效應組合。
標準組合在某種意義上與過去的短期效應組合相同，主要用來驗算一般情況下構件的撓度、裂縫等使用極限狀態問題。在組合中，可變荷載採用標準值，即超越概率為5%的上分位值，荷載分項係數取為1.0。可變荷載的組合值係數由《荷載規範》給出。
頻遇組合是新引進的組合模式，可變荷載的頻遇值等於可變荷載標準值乘以頻遇值係數（該係數小於組合值係數），其值是這樣選取的：考慮了可變荷載在結構設計基準期內超越其值的次數或大小的時間與總的次數或時間相比在10%左右。頻遇組合的應用範圍較為窄小，如吊車梁的設計等。由於其中的頻遇值係數許多還沒有合理地統計出來，所以在其它方面的應用還有一段的時間。
准永久組合在某種意義上與過去的長期效應組合相同，其值等於荷載的標準值乘以准永久值係數。它考慮了可變荷載對結構作用的長期性。在設計基準期內，可變荷載超越荷載准永久值的概率在50%左右。准永久組合常用於考慮荷載長期效應對結構構件正常使用狀態影響的分析中。最為典型的是：對於裂縫控制等級為2級的構件，要求按照標準組合時，構件受拉邊緣混凝土的應力不超過混凝土的抗拉強度標準值，在按照準永久組合時，要求不出現拉應力。
500kV坪石B廠至曲江站送電線路工程是全國首條根據2008年制定的新規範規定設計建設的500kV線路，它通過的冰區範圍從5mm輕冰區直至50mm重冰區，涵蓋了規範中開列的所有的冰區，輸電鐵塔的種類繁多。輸電鐵塔是送電線路的支柱，直接關係到整條線路的安全。塔的投資也是線路本體工程中最大的一項。保證安全而又經濟合理是鐵塔設計重要且有意義的課題。
雖然2008年規範已經給出各種冰區鐵塔所受到的荷載大小，然並沒有對荷載組合詳細說明，因設計人員各自的理解不同，會有不同的處理方法。這裡以500kV坪石B廠至曲江站送電線路工程中的鐵塔設計為例，論述該冰區鐵塔設計所應考慮的荷載組合。
基本工況是所有送電線路都必須考慮的，它包括正常運行工況、斷線工況、安裝工況，與無冰區的荷載組合基本一樣。
1.正常運行工況，計算下列荷載組合
1)基本風速、無冰、未斷線(包括最小垂直荷載和最大水平荷載組合)。懸垂型桿塔需計算與鐵塔線路方向軸線成0˚、45˚、60˚及90˚的四個風向基本風速的荷載。一般耐張型桿塔計算90˚和-90˚兩個方向；終端塔還需計算與導線張力方向相同的風向。
2)最低氣溫、無冰、無風、未斷線。
2.斷線工況
按-5℃、有冰、無風的氣象條件，計算下列組合:
1)單迴路塔：懸垂型為斷一相導線、地線未斷；斷一根地線，導線未斷。耐張型為在同檔內斷任意兩相導線，地線未斷；斷任意一根地線與任意一相導線。
2)雙迴路塔：在同檔內斷任意兩相導線，地線未斷；斷任意一根地線與任意一相導線。
3.安裝工況
安裝工況的組合與無冰區的設計完全一樣，不再贅述。
1.最大覆冰、相應風速及氣溫、未斷線
懸垂型桿塔不考慮一側最小垂直荷載與另側最大垂直荷載的組合。這種組合不控制桿件，因為它產生的荷載都小於每相導線、地線同時同向有不均勻覆冰時的荷載。耐張型桿塔因為有負垂直檔距產生的上拔力，所以要考慮拔與壓的組合情況，包括：①前後側都壓；②前後側都拔；③一側壓與另側拔。
2.產生不平衡張力的不均勻冰荷載情況
按未斷線、-5℃、有不均勻冰、有風計算，計算下列組合:
1)每相導線和每根地線同時同向有不均勻冰荷載組合，使桿塔產生最大的彎矩。
2)每相導線和每根地線同時不同向有不均勻冰荷載組合，使桿塔產生最大的扭矩。
3)某相導線和與同側地線同時有不均勻冰荷載組合，另一極導線及另一根地線正常覆冰組合，使桿塔產生最大彎矩和扭矩。這些組合是現有規範沒有開列，也沒有明確不需考慮這種組合，而這種情況確實會發生。因為導地線各檔各相冰凌脫落時間先後不同，就會出現這種荷載組合。對於直線塔而言，這種組合對選材基本沒有影響，不會增加塔重。而對於耐張塔來說，塔重會因此增加0.7%~1.5%左右，對總體投資影響並不大，設計中應該考慮這種組合。
3.脫冰跳躍情況
根據現有規範，垂直檔距係數小於0.8的桿塔，應按導線、地線脫冰跳躍和不均勻覆冰時產生的上拔力校驗。由此產生的組合有：
1)所有導地線同時跳躍。從全組合而言，還要考慮地線不跳躍，導線跳躍等組合工況。但計算表明，這些組合對塔身材料無影響，所以只需計算所有導地線同時跳躍這一種組合即可。
2)一相導線與同向地線跳躍，另一相導線及地線處於不均勻覆冰造成的不平衡張力狀態組合，使桿塔產生線路縱向的彎矩。
3)一相導線與同側地線跳躍，另一相導線及地線正常覆冰組合，使桿塔產生線路橫向的彎矩。
4.驗算情況
在重冰區線路設計中，驗算覆冰荷載情況是必要時考慮的工況。原因如下：
1)設計的冰荷載是按某特定年限制定的，準確性本身難以保證，且超過設計年限的罕見冰凌也是會出現的。
2)大檔距段的安全運行需要。
3)在一覆冰區內，某些地段或塔位，由於受局部地形、高程、風速、風向的影響而使冰凌顯著增大。
驗算情況需要考慮的組合有：
1)驗算冰厚、-5˚C、有風、未斷線，並計入塔位高差、檔距不等所引起導地線的不平衡張力。
2)一側設計冰厚，另側驗算冰厚，組合產生線路縱向彎矩。
3)某相一側設計冰厚，另側驗算冰厚，而另一相一側驗算冰厚，另側設計冰厚，組合產生最大的扭矩。
4)某相一側設計冰厚，另側驗算冰厚，而另一相前後側都為驗算冰厚，組合產生最大的彎矩和扭矩。
組合1)不會造成塔重大幅度增加。也就是說，驗算冰厚不能取相對設計冰厚過大。在500kV坪石B廠至曲江站送電線路工程中，這樣取值使直線塔重增加≤1%，耐張塔重增加≤4%。如果取值太大，則應該選用更大設計冰區的鐵塔。如果不能再提高設計冰厚(否則就會超過現有規程的最大設計冰厚)，可以適當增大驗算冰厚。
現有規範中沒有明確2)、3)、4)的組合，只明確要求計算1)類組合。3)、4)的組合實際上很少發生，對塔重的增加也不大，無論是直線塔還是耐張塔都≤1%。2)類組合對塔重影響比較大，直線塔約2%，而耐張塔為5.5%~9.5%。其中較大值是用50mm設計冰厚並取得較大的驗算冰厚產生的。實際工程中由於耐張塔的數量較少，對整條線路而言塔重增加幅度會<3%。此種組合是確實會發生的，應該考慮這種組合。
經過技術經濟的比較，選擇了儘可能使塔重增加較小的覆冰區輸電鐵塔的荷載組合。相對無冰區而言，增加了設計覆冰，不均勻覆冰受彎、受扭、受彎扭，驗算覆冰，驗算不均勻冰受彎、受扭、受彎扭；對於直線塔還有脫冰跳躍的組合。當然，考慮的組合不可能包含一切可能發生的情況，這樣做塔重增加太大。對於工程建設而言，過多地考慮幾率很小的情況是不合理的。
上述的荷載組合的考慮，是在滿足現有規程規範和投入增加不多的前提下，力求兼顧了更多可能的組合，是在安全性和經濟性之間合理折衷的探索，可作覆冰區送電線路設計參考。
基本信息
- 中文名
- 荷載組合
- 外文名
- loading combinations
- 別名
- 荷載效應組合
- 拼音
- hé zǎi zǔ hé
- 類型
- 橋樑工程術語
- 作用
- 永久荷載、 持續可變荷載等
- 性質
- 荷載