第七节 作用效应组合

作用效应是指施加在结构上的作用所引起的结构的反应，如轴力、弯矩、剪力、应力等内力，以及位移、应变、裂缝等变形。作用效应需根据结构上的作用进行结构计算求得。

施加在结构上的各种作用，除永久作用如坝体自重等外，多数都有一定的变化范围，有的也可能不出现。例如，大坝在正常蓄水位情况与水库放空、设计或校核洪水等情况下，其上、下游水位各不相同。而当水位发生变化时，作用在大坝上的水压力、浪压力、扬压力等也随之变化。另外，作用在结构上的各种荷载，在结构有效使用期间内，不一定都同时达到最大值，如在校核洪水情况（即上游库水位最高）时，不一定出现最大风速，更不一定发生强烈地震。因此，在结构设计中存在着作用效应的组合问题。所谓作用效应组合是指结构上几种可能同时出现的作用分别产生的作用效应的随机叠加。

作用效应组合的原则是，根据各种作用同时发生的可能性，选择最不利的作用效应进行组合。

在进行各种水工结构上的作用效应组合时，应注意有些作用对一些结构是重要的，而对另一些结构可能不重要。例如温度作用，对拱坝是重要的，必须考虑它对拱坝整体应力的影响；而对分段式混凝土重力坝，一般只考虑它对坝体施工期应力的影响。又如冰压力与浪压力不同时发生，故不考虑其组合。对于拱坝，水压力与温降组合时对结构某部分不利，水压力与温升组合时对结构其他部分不利。因此，应取各部分的不利情况进行组合。

1.分项系数极限状态设计法

GB 50199—94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》规定，水工结构设计应根据结构在施工、安装、运行、检修等不同时期可能出现的不同作用、结构体系和环境条件，将设计工况区分为持久工况（如正常运用时的工况）、短暂工况（如施工、检修时的工况）和偶然工况（如出现非常运用洪水、设计地震、排水失效时的工况）。进行水工结构设计时，应根据不同设计工况，对可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行作用效应组合，并采用各自最不利的组合进行设计。

当结构按承载能力极限状态设计时，对应于持久工况和短暂工况应采用基本组合（即永久作用与可变作用的效应组合），对应于偶然工况应采用偶然组合（即永久作用、可变作用与一种偶然作用的效应组合）。两种偶然作用在设计基准期内同时出现的概率很小，因此在偶然组合中只考虑一种偶然作用，如校核洪水的水荷载与地震作用就不应同时参与组合。

结构变形、裂缝的宽度等与作用持续期的长短有关。作用历时长，虽然作用量值不大，但效应量可能随作用持续期增大（如岩体流变）；作用历时短，虽然作用量值大，但效应量可能不很大。因此，当结构按正常使用极限状态设计时，根据可变作用在结构上总持续期的长短，应考虑长期、短期两种作用效应组合。对持久设计工况应分别考虑长期组合和短期组合；对短暂设计工况只需考虑短期组合。长期组合是正常使用极限状态中，可变作用的长期效应与永久作用效应的组合，可变作用标准值需乘以长期组合系数ρ（ρ值根据有关规范取用）。短期组合是正常使用极限状态中，可变作用的短期效应与永久作用效应的组合，作用值的大小及其效应组合应按建筑物施工与检修的具体条件确定。

2.安全系数设计法

当按安全系数设计法设计水工建筑物时，虽规范中没有明确给出结构的作用效应组合，但给出了结构应考虑的荷载组合（实际上是通过规定结构荷载组合的方式来实现结构的作用效应组合）。

荷载组合分类，各国不尽相同。中国和前苏联的有关规范把荷载组合分为基本组合和特殊组合两类。基本组合由同时出现的几种基本荷载组成，正常蓄水位情况、设计洪水位情况和冰冻情况都属于基本组合。在水工建筑物运行期内，两种特殊荷载同时出现的几率很小，因此特殊组合由同时出现的几种基本荷载和一种特殊荷载组成。校核洪水位情况、地震情况和施工情况都属于特殊组合。美国内务部垦务局则把荷载组合分为正常组合、非常组合和极端组合3类。正常组合相当于中国的基本组合；非常组合相当于中国的特殊组合中校核洪水位情况；极端组合相当于中国的特殊组合中考虑地震的情况。不同建筑物的荷载组合情况不相同，如温度荷载在拱坝设计中计入荷载的基本组合，而在重力坝设计中可不予考虑。