第l3卷第1期 2014年3月 宁夏工程技术 Ningxia Engineering Technology Vo1.13 No.1 Mar.2014 文章编号:1671—7244(2014)01—0037~04 图书馆楼面活荷载调查与统计分析 田摘帅, 宋建夏 (宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川 750021) 要i针对高校图书馆的活荷载进行调查统计与分析,检验现行规范规定的图书馆楼面活荷栽设计值是 否安全可靠.由于该调查的实际操作难度较大,所以主要以宁夏大学图书馆为例来进行调查.对其活荷栽进 行调查分析,采用平稳二项随机过程确立其概率模型及其参数,再对其进行检验,检验方法有 检验和 — S检验,可得到活荷载均服从极值I型分布.经统计分析。建议采用5.0 kN/m 作为活荷载标准值进行结构 设计仍然可靠,同时采用综合考虑时的活荷栽标准值来进行结构设计是可行的. 关键词:图书馆;活荷载;调查;统计分析;概率模型 中图分类号:TU312 文献标志码:A 随着社会经济的发展,我国建筑规范也在定期 理的统计分析. 地进行修改,调整当中的一些参数或者可靠度,使 其满足当前的建筑要求.然而,规范中对于图书馆 之类建筑物的要求少之又少,且对于这类建筑物建 造过程中的一些参数一直没有进行重新修订.现行 2活荷载统计 2.1统计方法 建筑材料也与以前的材料有所不同,图书馆的某些 所以,要把它当作一个随机过程而不能把它当作 功能区的改变都对整个建筑物的安全性和可靠度 性,是随机变量.但是,对于在某一个时点上的活荷载, 有很大的影响.本文主要以宁夏大学图书馆为例进 它只是随空间的不同而具有变异性,因此,可以把它 行了现今图书馆的荷载调查、统计与分析,最终验 当作是随机变量. 证现行的建筑规范对于图书馆活荷载荷载取值的 规范采用的活荷载统计方法是以室单位面 可靠度,这对于后续图书馆的活荷载参数取值具有 积的荷载进行分析的.一般而言,在对调查得到 积极的意义. 的活荷载进行统计时,一是可以将实际荷载转化 为等效均布荷载后进行统计分析;另一种还可以 1 图书馆楼面活荷载调查 按照室内平均荷载来进行统计分析.虽然按照室 由于图书馆的功能分区比较多,所以本文主要 内平均荷载(单位面积平均荷载)进行分析时精 将图书馆的功能分区划分为阅览室、自习室以及综 度会有所下降,在理论上其方差比等效均布荷载 合前两种分区进行活荷载的调查统计.统计分析过 的方差大【 ~1,但其统计分析的结果与将实际荷 程中将活荷载分为持久性活荷载和临时性活荷载. 载转化为等效均布荷载的统计结果相比,差值很 持久性荷载作用的时间较长,主要考虑各个功能区 小,并且这种方法操作起来较为简单,统计分析 工作变得更加容易.本文在进行活荷载统计分析 时间相对就比较短,主要考虑临时聚集的人员、临时 时,对调查所获得的数据也是按每个功能区计算 堆放的物品以及维修时临时放置的工具等等.在本 的单位面积平均荷载来统计分析. 2确定活荷载概率模型 文中,为了满足本调查中数理统计所需的大样本的 2.在楼面活荷载规定的整个结构设计基准期 要求,采取了50个样本[1],进行各种活荷载的现场 称量工作,以获取可靠的数据,对获得的数据进行合 内,影响它的主要因素一般不会随时间等有明显 收稿fit期:2013—10—11 对于作用在结构上的活荷载,在整个设计基准 期内,它在空间上都具有变异性,在时间上也有变异 内的办公桌、椅子、书架等等,而临时性荷载的作用 作者简介:田帅(199 ),男,硕士研究生,主要从事混凝土性能方面的研究. 通信联系人:宋建夏(1957一),男,教授,硕士生导师,主要从事混凝土结构理论与应用方面的研究,(电子信箱) songix9903@163.com. 38 宁夏工程技术 第l3卷 的改变,因而楼面活荷载在整个时轴上的概率模 用平稳二项随机过程来分析,最终可以很详细地 型就可以看作是一个平稳二次项随机过程模型. 用直方图来表示图书馆楼面活荷载的概率分布 《工程结构可靠眭设计统一标准》(GB 50068-2001)【4] (图1—3). 中采用的概率模型就是平稳二项随机过程模型…. 在该规范中,采用了以概率理论为基础的极限状 在直方图绘制中,以荷载值区间为横坐标, 以实测频率/组距为纵坐标,根据所绘制的直方 态设计方法(即考虑基本变量概率分布类型的一 图可以明确看出,该图呈正偏态(或呈左偏态) 次二阶矩阵极限状态方法),各种基本变量都是按 分布,因此可以假定其楼面活荷载服从极值1分 照随机变量来考虑的,因此必须将荷载的随机过 布.给出该极值I型分布的分布函数为 程转化为随机变量.如果采用的是任意时点的随 F(x)=exp(-exp(-c ̄(X-/3))). 机变量代替随机过程,这样就偏于不安全.所以为 了安全起见,以设计基准期内出现的荷载最大值 Q 作为随机变量代替随机过程来进行统计分析. 分析可得到,平稳二项随机过程{Q(£),t∈[0,73}在 其中, ,口为荷载分布参数. 2,4活荷载统计参数 本文主要对宁夏大学图书馆进行了各种活 荷载的调查与统计,建立了活荷载的概率模型, 确定活荷载的统计参数,从而得到了图书馆阅览 室、自习室和综合前两种功能分区的活荷载的标 准值.在统计分析时需要对所得到的数据进行检 验,一般采用 检验法和 —Js检验法【 , 检验 1.8O l_60 1.40 l_20 1.O0 【0, 上的最大值Q 的概率分布 )是任一时点 分布 ( )的m次方, ( )根据统计分析得到. 2.3确定活荷载分布一直方图 通过对图书馆楼面活荷载的调查与统计,采 2.5O 2m 1.50 1.O0 晷0_50 O.0o L hJ 0.O0 0.15 0.30 0.45 O.60 O.75 0.90 l_O5 1.20 一 1 I l_- 组中荷载值/(kN・m ) b临时性活荷载直方图 O.15 n3O 0.45 0.60 0.75 0.90 1.05 1.20 1.35 组中荷载值/(kN・m ) a持久性活荷载直方图 图1 阅览室活荷载直方图 2.50 2.00 1.50 1.8O 1.60 褂 1.0o 0.5O 萋 褂0.80 鬓0.60 嚣0.4O 壬j(0.20 O.oo O.00 O.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 1.05 1.20 0・15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 1.05 1・20 1・35 -. .I.I.-,I 组中荷载值/(kN・m ) 组中荷载值/(kN・m-2) a持久性活荷载直方图 b临时性活荷载直方图 图2自习室活荷载直方图 2.50 2.0o 蚤1.50 褂1.00 羹0,50 林O伽 }..I.I.I.-.-。-。_。一. 蓁[_.一.I.-。I.I._.I._. 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 l_05 1.20 1.35 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 1.05 1.20 1.35 组中荷载值/(kN・in-z) 组中荷载值/(kN・n广2) a持久性活荷载直方图 b临时性活荷载直方图 图3综合图书馆活荷载直方图 第1期 田 帅等:图书馆楼面活荷载调查与统计分析 39 法对大子样成立,即要求n≥50.2种方法本文都 可以采用,但是由于 检验法的结果分组是由 人为指定的,存在着较多的主观性,因此本文采 用更为精确的K一|s检验法对各种情况下的荷载 进行检验. 图书馆内办公需要的设备也较以前有所改进,因此 在荷载变化上也有一定的影响;由于本文调查数据 的实际操作性难度较大,所以在荷载的调查和称量 过程中会有微小的误差,这对对比结果也有一定的 影响.这些略微的变化对于建筑的安全可靠度有一 对调查所获得的数据进行统计分析,按照不 同功能分区的图书馆楼面活荷载的统计参数见 定的影响,但是整个建筑物仍满足《工程结构可靠 性设计统一标准》(GB 50153--2008)t 】规定,也满足 表1~2.其中/.tx,o-X分别为平均值及标准差. 表1 图书馆楼面活荷载在任一时点的统计参数 kN/m 表2图书馆楼面活荷载在设计基准期最大值的统计参数 kN/m 为了能够全面地分析统计结果,现将《建筑 结构荷载规范》(GB J9—87)[2】中规定的楼面活 荷载在任一时点及设计基准期内活荷载最大值 的统计参数列于表3. 表3 1987年规范楼面活荷载最大值的统计参数 kN/m 分别将表1~3的参数进行比较可知:对于准永 久荷载和临时性活荷载在任一时点的活荷载,阅览 室、自习室及综合图书馆的平均值均略大于1987 年规范中的荷载值;类似的,对于准永久荷载的设 计基准期内活荷载最大值,阅览室、自习室及综合 图书馆的平均值也略大于1987年规范中的荷载 值.造成这样结果的原因如下:现在的图书馆较以 前来相比,在建造时使用的材料与以前所采用的材 料有所不同,会导致一定的荷载差值;主要原因还 是由于现在图书馆所需要的图书数量大大增加,这 就使图书馆楼面活荷载较以前有所增加,以及现在 结构的安全性要求. 2.5确定活荷载分布 通过 检验法和 —S检验法对调查的数据 进行了检验之后,可以确定在各种功能的图书馆 分区其准持久性荷载和临时性活荷载都服从极 值I型分布,具体的分布函数为 (x)=exp(-exp(一 ))), 其中, =1.282 6/-0, = 一0.577 2/g. 任一时点楼面最大活荷载的概率分布函数 参数见表4.在概率极限状态设计取值时取设计 基准期作为可靠性分析的基准时间,则很容易证 明极值I型分布的极大值也服从极值I型分布, 从而得到设计基准期内荷载最大值的概率分布 函数,即 ( )=exp(一exp(一 ( —卢 ))), 式中:0/=1.282 6/0";/3M +ln(m)/a,其中m为活 荷载在基准期内出现的次数.则设计基准期内活 荷载最大值的概率分布函数参数见表5. 表4任一时点楼面最大活荷载的概率分布函数参数 表5设计基准期内活荷载最大值的概率分布函数参数 3 图书馆楼面活荷载组合的统计参数 上述已经对调查所获得的数据进行了在任一 时点和设计基准期最大活荷载的统计参数及其概 率分布函数参数的确定,将楼面准持久性活荷载 最大值和临时性活荷载最大值的组合值作为统计 宁夏工程技术 第l3卷 的最终结果.根据《工程结构可靠性设计统一标 为2 kN/m ;在后来的规范修订中,《建筑结构荷 准》(GB 50153--2008)【 l的荷载组合原则,在设计 载规范》(GB 50009--2001)[41和《建筑结构荷载 规范》(GB 50009--2012)【6】,对于阅览室和自习 基准使用期内,楼面活荷载有2种组合方式,即 L1T= + ls, 室(图书馆)的楼面活荷载标准值仍然采用的是 2 kN/m (对于图书馆而言,阅览室与自习室的功 L = 6+ rT, 故比较分析时均 式中: , 为楼面活荷载组合值江 为在任一 能分区并不是永久固定不变的,m ).将本文所 时点楼面临时性活荷载; 为在任一时点楼面持 采用规范规定的荷载标准值2 kN/久性活荷载;L 为在设计基准期内楼面持久性活 调查得到的数据进行统计分析后,最终得到图书 荷载;L 为在设计基准期内楼面临时性活荷载. 通过这2种组合,选择较大者作为活荷载的 最终取值(表6). 表6楼面活荷载组合的统计参数 kN/m2 4荷载标准值 荷载标准值是指其在结构的使用期间可能 出现的最大荷载值.按《工程结构可靠性设计统 一标准》(GB 50153--2008)规定…,荷载标准值 应为设计基准期50 a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的 规定,但对性质相似的可变荷载,能够使其取值 在保证率上保持相同的水平.《建筑结构荷载规 范》(GB J9—87)【2]在统计数据的基础上,将荷载 标准值取为L +1.5o'r,其中系数1.5为保证 率系数.则 对应的保证率为92.1%,即标准值 取92.1%的分位值.为了能较好地与2001规范【41 和2012年规范[6]进行比较,本文也采用上述取 值的方法进行计算,计算结果见表7. 表7 图书馆楼面活荷载标准值计算结果 kN/m 对于规范当中修订的阅览室和自习室(图书 馆)的活荷载设计标准值,《建筑结构荷载规范》 (GB J9—87)【 】修订时参照ISO2103的规定采用 馆楼面活荷载标准值,由表7可知,阅览室、自 习室以及综合前两种分区的楼面活荷载标准值 均小于规范规定的活荷载标准值.在该调查统计 分析中,所取的分位值为92.1%,由于最终的分 析结果在规范的规定之内,所以说明现代规范中 的分位值取值是合理的,并且图书馆的建筑结构 安全可靠度较高.规范中将阅览室和自习室楼面 活荷载的标准值规定为2 kN/m ,与建筑的实际 标准值有较大的空间[7],所以该建筑的结构是偏 于安全的.在满足规范的要求下,建造图书馆时, 根据存书量可以实际性的将其分位值提高,也就 是将楼面活荷载的保证率提高,则图书馆楼面活 荷载的标准值将会有大幅度的提高,以满足现代 高校图书馆的使用要求和功能要求. 5 结论 (1)通过本文的统计分析,图书馆的持久性 活荷载和临时性活荷载都服从极值I型分布,在 本文中,给出了具体的分布函数,也给出了持久 性活荷载及临时性活荷载的统计参数. (2)1987年发布的《建筑结构荷载规范》将 阅览室的楼面活荷载设定为2 kN/m ,2001年和 2012年发布的规范在修订时并没有对其作出修 改,根据实际计算结构,该规范对于阅览室的修 订值是偏于安全的.考虑到将来高等学校图书馆 的发展趋势,在安全储备范围之内可以适当通过 提高分位值来提高楼面活荷载的标准值,使图书 馆的建筑结构安全可靠度进一步提高,保证结构 的安全稳定性. (3)荷载是建筑结构安全度研究的重要方面 之一.为了满足全概率设计法的要求,对各类荷 载,一方面可以从各种可能的随机因素的影响 上,探讨荷载真正的统计规律,给出各自的理论 分布;另一方面,从随机过程的角度来探讨荷载 的统计特性,弄清荷载随时间、空间变异的变化 规律,给出切合实际的具体荷载随机过程,这都 是需要进一步研究的问题. (下转第44页) 宁夏工程技术 第13卷 (3)研究单株植被在河道中水力特性改变的影 响因素,可排除植被之间相互影响对于试验结果产 生的影响. 参考文献: [1】 刘斌.舍植物明渠阻力特性研究进展[J】.山西科技,2007 (4):11-14. 湿地非淹没芦苇水流阻力的试验研究 [4】 倪汉根,顾峰峰.[J】.水动力学研究与进展,2005(2):167—173. 杨克君,刘兴年,曹叔尤,等.植被作用下的复式河槽漫 滩水流紊动特性[J].水力学报,2005(10):1263—1268. 植被作用下的复式河槽流 [6] 杨克君,刘兴年,曹叔尤,等.速分布特・li[J].水力学报,2006(2):246—250. 王莹莹,蔡世军,赵振兴.有植被河道水流模型试验中的 相似性分析[EB/OL].[2007-10-25].http://www.paper.edu. cn/releasepaper/content/2007 10—466. [2】 王忖,赵振兴.河岸植被对水流影响的研究现状[J】.水资 源保护.2003(6):50-53. 【3】 秦颖荣,赵振兴,朱红钧.有漂浮植被的生态型河道水流 特性研究[EB/OL].[2008-02-01].http://www.paper.edu.cn/ releasepaper/contenff200802一l0. 植被刚度对水流阻力特性影响的研究[D】.南京: [8] 王晓燕.河海大学,2o07. The experimental research on hydraulic characteristics of the channel with vegetation ZHANG Shang,SHEN Runze,CHEN Yang,TONG ng (School of Water Conservancy and Hydmpower Engineering,Hehai University,Nanjing 210098,China) Abstract:In order to research the hydraulic characteristics influence from individual plant to channel,based on the analysis of relevant literatures on the researching methods of the hydraulic characteristics,relevant flume experiments were designed and conducted.The research indicates that the resistance rises with flow increasement.In same flow,the resistance rises and then tends to be constant with the increasement of plant rigidity;emerged plant has more iluence on ffnlow than aquatic vegetation. he hydraulTic characteristics iluence frfnom individual plant is small,further experiments are needed to develop the quantitative relation. Key words:aquatic vegetation;individual plant;flow;plnta riigdiy;head ltoss (责任编辑、校对(上接第4O页) 参考文献: 【1】 中华人民共和国建设部.GB 50153--2008工程结构可靠 性设计统一标准[S】.北京:中国建筑工业出版社,2008. f2】 中华人民共和国建设部.GB J9—87建筑结构荷载规范 王德平) [4】 中华人民共和国建设部.GB 50009—20o1建筑结构荷载 规范【s】.北京:中国建筑工业出版社,2002. [5】 葛素娟.中原地区住宅建筑结构荷栽调查与统计模型研 究『D1.郑州:郑州大学,2004. [6 中华人民共和国建设部.6]GB 50009---2012建筑结构荷载 【s】.北京:中国计划出版社,1991. 【3】 吴小强,姚继涛,刘雅君.住宅楼面活荷栽的统计分析及 楼板可靠度的分析[J].工程力学,2012,29(3):90—94. 规范『s1.北京:中国建筑工业出版社,2012. 【7】 戴公连,刘文硕,李玲竞关于高速铁路中小跨度桥梁设计 活载模式的探讨叨.土木工程学报,2012,45(10):161—168. Investigation and statistical analysis of live load in library TIAN Shuai,SONG Jianxia" (School of Civil Engineering and Water Conservancy,Ningxia Uninversity,Yinehuan 750021,China) Abstract:Inorder to test safe and reliable of live load desinigng value in current regulations hbrary floor,the live load of cu ̄en!libraries in universities Was investigated and analyzed.Due to predictable dificulties in practice,the libraries in Ningxia University were taken for instance to investigate live loads of libraries.Its probabiliy motde1 was established and analyzed through stable binomial random process to and relative parameters.The model needs to be veriifed through X2 test or K—S test. he lTive load obeys type I extreme value distribution.5.0 kN/m0 iS recommended live load stndard valaue.design iS reliable. Meanwhile,it is feasible to adopt comprehensive consideration live load standard for structure designing,etc. Key words:library;live load;survey;statistical analysis;probability model (责任编辑、校对王德平)