第3章 荷载及荷载组合

3.1 作用与荷载的概念

使结构产生效应（如内力、位移等）的各种原因，统称为作用。如果作用是直接施加在结构上的力，例如自重荷载、风荷载、波浪荷载、雪荷载等，可称为直接作用；如果作用是引起结构外加变形和约束变形的，例如地震、基础沉降、混凝土收缩、温度变化、焊接等，可称为间接作用。

结构上的作用力习惯上统称为荷载。塔架结构上的荷载和作用力按时间作用的变异性可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载三类。其中：①永久荷载有结构自重、固定的设备重、结构上的物料重、基础上的土重、土压力、结构内部的预应力等；②可变荷载有风荷载、波浪覆冰荷载、雪荷载、安装检修荷载、机舱面或平台活荷载、基础不均匀沉降引起的荷载、常遇地震作用等；③偶然荷载有塔脚绝缘子破碎、撞击、爆炸、罕遇地震作用等。

作用按结构反应可以分为：①静态作用，这种作用是逐渐地、缓慢地施加在结构上的，作用过程中不产生加速度或加速度甚微可以忽略不计，例如塔架及机舱上人员荷载、雪荷载、设备重等；②动态作用，施加这类作用时，会使结构产生显著的加速度，例如地震作用、设备振动、阵风脉动等。

在进行结构分析时，对于动态作用应当考虑其动力效应，这些动力效应在结构上产生惯性力，这些惯性力作用在结构上，就等效于这些荷载的动力作用，它与结构的动力特性有必然的联系。运用结构动力学方法考虑其影响，也可采用乘以动力系数的简化方法，将动态作用转换为等效静态作用。

在风力发电机组塔架及基础结构的各类荷载中，起主要作用的是风荷载，另外，在地震区地震也是主要的作用力，而对于海上风力发电机组而言，海洋的环境荷载也是主要荷载。

因此，荷载是结构设计的依据，它的取值是否合理和准确，直接影响到结构设计的安全和经济，因而理解及掌握荷载取值方法有着特别重要的意义。作为风力发电机组塔架和基础工程结构设计者，首先要分析它在使用过程中可能出现哪些荷载，它们产生的背景是什么，具备什么特点，哪些在时间和空间上是独立的，哪些可能是相互关联的或不能独立存在的等，然后再确定和正确计算这些荷载。

作用在工程结构上的各种荷载，都具有不同性质的变异性，不仅随地而异，而且随时而异，其量值具有明显的随机性，只是永久荷载（恒荷载）的变异性较小，可变荷载（活荷载）的变异性较大。如果在设计中直接引用反映荷载变异性的各种统计参数，通过复杂的概率运算进行具体设计，将会给设计带来许多困难。因此，在设计时，除了采用便于设计者使用的设计表达式外，对荷载仍规定具体的量值（例如，混凝土自重25kN/m3等），这些确定的荷载值称为荷载的代表值。进行工程结构或结构构件设计时，可根据不同的设计目的和要求，选取不同的荷载代表值，以便更确切地反映它在设计中的特点。永久荷载只有一个代表值：标准值；可变荷载一般有3个代表值：标准值、频遇值和准永久值；偶然荷载的代表值，目前国内还没有比较成熟的确定方法，一般是由各专业部门根据历史记载、现场观测、试验等，并结合工程经验综合分析判断确定。例如地震作用，在《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中规定了荷载标准值的计算方法。由于设计上的需要，有些结构设计规范中，可变荷载除上述代表值外，还规定了其他代表值。荷载标准值是指结构在设计基准期内可能出现的最大荷载值。由于荷载本身的随机性，结构在使用期间的最大荷载也是随机变量，原则上也可用它的统计分布来描述：荷载标准值是具有某种保证率的荷载最大值，结构在使用期间，仍有可能出现量值大于标准值的荷载，只是出现的概率比较小。若有足够的荷载（直接作用）统计资料，能得出它的最大值的概率分布，则按统一规定的设计基准期和统一规定的概率分布的分位值百分数来确定作用代表值，原则上取概率分布特征值，该代表值即为国际标准中所称的特征值。