荷载 1绪论重力侧压力.pdf

工 程 结 构 荷 载与 可 靠 度设 计 原 理工 程 结 构 荷 载与 可 靠 度设 计 原 理上海超高层建筑上海超高层建筑迪拜塔迪拜塔建于公元595-605年，李春，国际土木工程历史古迹（International Historic Civil Engineering Landmark）赵州桥1889年建成，塔高320米，总重7000吨，晴天可观赏70公里的景色山西应县木塔，辽代建筑，1056年落成，67.31米高，底层直径30.27米，呈平面八角形。五层六檐，实为九层，共用红松木料3000立方，约2600多吨重。历经950年风霜雨雪和地震仍巍然屹立。38岁的丹麦建筑师D.J.乌茨设计，1957年方案中选，19591973，中间两次停工，历时14年才建成。预算造价350万英镑，实际造价5000万英镑。设计方案由10片薄壳组成，但结构不合理，后改为三铰拱结构。本门课程主要知识点工程结构荷载工程结构荷载（重力、侧压力、风载等）、地震作用与其他作用（温度、沉降、爆炸、浮力等作用）（重力、侧压力、风载等）、地震作用与其他作用（温度、沉降、爆炸、浮力等作用）工程结构可靠度设计原理工程结构可靠度设计原理（荷载和结构抗力的统计分析、结构可靠度分析、结构概率可靠度设计法）（荷载和结构抗力的统计分析、结构可靠度分析、结构概率可靠度设计法）典型工程结构的荷载计算典型工程结构的荷载计算（工民建结构、桥梁结构、隧道衬砌结构）。（工民建结构、桥梁结构、隧道衬砌结构）。相关规范建筑结构可靠度设计统一标准GB 500682001Unified standard for reliability design of building structures建筑地基基础设计规范GB 500072002Code for design of building foundation建筑结构荷载规范GB 500092001(2006 年版)Load code for the design of building structures 建筑抗震设计规范GB 500112010Code for seismic design of buildings 混凝土结构设计规范GB 500102010Code for design of concrete structures 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 32010Technical specification for concrete structures of tall building工程结构可靠度设计统一标准GB 50153-92参考书：1李国强等李国强等.工程结构荷载与可靠度设计原理工程结构荷载与可靠度设计原理.中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社.2005.12第三版第三版2白国良等白国良等.荷载与结构设计方法荷载与结构设计方法.高等教育出版社高等教育出版社.2003.103罗福午等罗福午等.建筑结构概念设计及案例建筑结构概念设计及案例.清华大学出版社清华大学出版社.2003.124叶列平叶列平.混凝土结构混凝土结构.清华大学出版社清华大学出版社.2005.8第二版第二版结构功能的基本要求：结构功能的基本要求：安全 适用 耐久经济 美观安全 适用 耐久经济 美观盘锦燃气爆炸盘锦燃气爆炸盘锦燃气爆炸盘锦燃气爆炸第四章结构设计方法4.1 结构的功能第四章结构设计方法4.1 结构的功能London Ronan Point 公寓天然气爆炸引起连续倒塌公寓天然气爆炸引起连续倒塌龙卷风袭田纳西 房屋严重破坏第一篇工程结构荷载第一章 荷载类型1.1 荷载与作用荷载各种材料的自重人群和家具、设备车辆重力、制动力与冲击力风压力、水压力和土压力爆炸、冲击、制动、离心和其他物体的惯性力直接作用。地震温度变化不均匀沉陷焊接间接作用荷载、作用及作用效应将能使结构产生效应（内力、应力、位移、应变、裂缝、挠度等）的因素统称为作用；将可归结为作用在结构上的力的因素成为直接作用（荷载）；将同样引起结构效应的其他因素称为间接作用。结构上作用的效果如内力、变形等称为作用效应。永久荷载/作用（permanent load/action）设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计可变荷载/作用(variable load/action)设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略偶然荷载/作用（accidental load/action）设计基准期内出现或不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短1.按随时间的变异分类：按随时间的变异分类：2.按随空间位置的变异分类固定作用在结构空间位置上固定分布可动作用在结构空间位置上的一定范围内任意分布3.按结构的反应分类静态荷载/作用（static load/action）对结构或结构部件不产生加速度或其加速度可忽略动态荷载/作用（Dynamic load/action）对结构或结构部件产生的加速度不可忽略风荷载地震作用温度作用爆炸作用基础不均匀沉降第二章 重力第二章 重力2.1 结构自重结构自重VGb=结构自重：是由地球引力产生的组成结构的材料重力，一般而言，只要知道结构各部件或构件的尺寸及所使用的材料资料，就可以根据材料的重度，算出构件的自重。结构自重：是由地球引力产生的组成结构的材料重力，一般而言，只要知道结构各部件或构件的尺寸及所使用的材料资料，就可以根据材料的重度，算出构件的自重。（2-1）=nibVG1（2-2）土的自重：参见地基基础教材土的自重：参见地基基础教材土的自重应力土的自重应力即为土自身有效重力在土体中所引起的应力。=niiiczh1成层土深度成层土深度Z处的竖直有效自重应力的计算公式：处的竖直有效自重应力的计算公式：2.2土的自重应力土的自重应力莫斯科市中心的鲍曼市场发生屋顶坍塌事件莫斯科市中心的鲍曼市场发生屋顶坍塌事件雪压：单位面积地面上积雪的自重基本雪压：当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。雪压：单位面积地面上积雪的自重基本雪压：当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。ds=雪重度雪深雪重度雪深雪的雪的深度、温度、风速、海拔高度深度、温度、风速、海拔高度都会对基本雪压大小产生影响。都会对基本雪压大小产生影响。2.3 雪荷载雪荷载（一）基本雪压（一）基本雪压省市名城 市 名海拔高度(m)风压(kNm2)雪压(kNm2)雪荷载准永久值系数分区n10 n50 n100 n10 n50 n100 山东青岛市76.0 0.45 0.60 0.70 0.15 0.20 0.25 烟台46.70.40 0.55 0.60 0.30 0.40 0.45 威海46.60.45 0.65 0.75 0.30 0.45 0.50菏泽市49.7 0.25 0.40 0.45 0.20 0.30 0.35 兖州51.7 0.25 0.40 0.45 0.25 0.35 0.45 莒县107.4 0.25 0.35 0.40 0.20 0.35 0.40 临沂87.9 0.30 0.40 O.45 0.25 0.40 0.45 日照市16.1 0.30 0.40 0.45 屋面雪压的影响因素：风、屋面形式（坡度）、屋面散热（二）屋面雪压屋面雪压的影响因素：风、屋面形式（坡度）、屋面散热（二）屋面雪压1、风的影响（漂积作用）、风的影响（漂积作用）高低屋面上漂积雪的分布风会把部分本将飘落在屋面上的雪吹积到附近的地面上或其他较低的物体上多跨屋面上的积雪分布高低屋面上漂积雪的分布风会把部分本将飘落在屋面上的雪吹积到附近的地面上或其他较低的物体上多跨屋面上的积雪分布2、屋面坡度的影响、屋面坡度的影响屋面雪荷载与屋面坡度密切相关，一般随坡度的增加而减小，主要原因是风的作用和雪滑移所致。屋面雪荷载与屋面坡度密切相关，一般随坡度的增加而减小，主要原因是风的作用和雪滑移所致。较低侧的雪的堆积。造成很大的局部堆积雪荷载双坡屋面一侧融化产生的非对称荷载。当坡度大到一定角度是，积雪滑移或滑落，坡度越大滑落的雪越多。2530354045 50r1.00.80.60.40.20屋面坡度对屋面积雪系数的影响屋面坡度对屋面积雪系数的影响3、屋面温度的影响采暖房屋的积雪小；不连续加热的可能危害；冰棱及冰坝形成附加荷载、屋面温度的影响采暖房屋的积雪小；不连续加热的可能危害；冰棱及冰坝形成附加荷载楼面活荷载（live load）楼面活荷载（live load）房屋中生活或工作的人群、家具、用品、设施等产生的荷载。房屋中生活或工作的人群、家具、用品、设施等产生的荷载。2.4 楼面活荷载2.4 楼面活荷载考虑楼面活荷载位置的任意性，为工程应用上方便，一般将楼面活荷载处理为楼面均布荷载。考虑楼面活荷载位置的任意性，为工程应用上方便，一般将楼面活荷载处理为楼面均布荷载。项次类 别标准值项次类 别标准值(kNm2)组合值系数组合值系数c频遇值系数频遇值系数f准永久值系数准永久值系数q1(1)住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园(2)教室、试验室、阅览室、会议室、医院门诊室教室、试验室、阅览室、会议室、医院门诊室2.00.70.50.60.40.52食堂、餐厅、一般资料档案室食堂、餐厅、一般资料档案室2.50.70.60.53(1)礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台礼堂、剧场、影院、有固定座位的看台(2)公共洗衣房公共洗衣房3.03.00.70.70.50.60.30.54(1)商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其旅客等候室商店、展览厅、车站、港口、机场大厅及其旅客等候室(2)无固定座位的看台无固定座位的看台3.53.50.70.70.60.50.50.35(1)健身房、演出舞台健身房、演出舞台(2)舞厅舞厅4.04.00.70.70.60.60.50.36(1)书库、档案库、贮藏室书库、档案库、贮藏室(2)密集柜书库密集柜书库5.012.00.90.90.87通风机房、电梯机房通风机房、电梯机房7.00.90.90.88汽车通道及停车库：汽车通道及停车库：(1)单向板楼盖单向板楼盖(板跨不小于板跨不小于2m)客车消防车客车消防车(2)双向板楼盖双向板楼盖(板跨不小于板跨不小于6m6m)和无梁楼盖和无梁楼盖(柱网尺寸不小于柱网尺寸不小于6m6m)客车消防车客车消防车4.035.02.520.00.70.70.70.70.70.70.70.70.60.60.60.6项次类 别标准值项次类 别标准值(kNm2)组合值系数组合值系数c频遇值系数频遇值系数f准永久值系数准永久值系数q9厨房厨房(1)一般的一般的(2)餐厅的餐厅的2.04.00.70.70.60.70.50.710浴室、厕所、盥洗室：浴室、厕所、盥洗室：(1)第第1项中的民用建筑项中的民用建筑(2)其他民用建筑其他民用建筑2.02.50.70.70.50.60.40.511走廊、门厅、楼梯：走廊、门厅、楼梯：(1)宿舍、旅馆、医院病房、托儿所、幼儿园、住宅宿舍、旅馆、医院病房、托儿所、幼儿园、住宅(2)办公楼、教学楼、餐厅，医院门诊部办公楼、教学楼、餐厅，医院门诊部(3)当人流可能密集时当人流可能密集时2.02.53.50.70.70.70.50.60.50.40.50.312阳台：阳台：(1)一般情况一般情况(2)当人群有可能密集时当人群有可能密集时2.53.50.70.60.5活荷载按楼层的折减系数墙、柱、基础计算截面以上的层数墙、柱、基础计算截面以上的层数123456892020计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数1.00(0.90)0.850.700.650.600.55活荷载的折减（结构和构件的计算）活荷载的折减（结构和构件的计算）某钢砼框架结构平面示意图，底层层高4.2m，基础顶面标高-1.2米，房屋开间4.2米（3.3米）进深6.6米，走廊2.1米。标准层3.3m，共6层，如何确定结构计算简图？如何计算竖向荷载?q1q2q2q2q2q2找坡层竖向荷载下框架结构计算简图（示意图）左图仅为示意图，不全面！屋面恒载屋面恒载SBS防水卷材+铝箔保护层0.4kN/m220mm厚水泥砂浆找平层20kN/m30.02m0.4kN/m250mm苯板保温层0.5kN/m21：10水泥珍珠岩找坡层（3）1/215.3m31/211kN/m31.26kN/m2隔气层0.1kN/m220mm厚水泥砂浆找平层0.4kN/m2100mm现浇楼板25kN/m30.1m2.5kN/m215mm天棚抹灰17kN/m30.015m0.26kN/m25.82kN/m2梁自重ql=0.3m(0.60.1)m25kN/m30.02m20.50m17kN/m34.09kN/m线荷载q1 5.82kN/m24.2m4.09kN/m28.53kN/m楼面恒载12mm大理石地面28kN/m30.012mm0.34kN/m230mm细石混凝土24kN/m30.03mm0.72kN/m2100mm现浇楼板25kN/m30.1m2.5kN/m215mm天棚抹灰17kN/m30.015m0.26kN/m23.86kN/m2q23.864.24.0920.30kN/m2.5 车辆荷载车辆荷载：公路桥：汽车、挂车、履带车等铁路桥：列车车列荷载：集中荷载(尺寸及车的排列方式）车道荷载：均布荷载和一个作用在任意位置的集中荷载。静活载：不包括冲击效应的车辆荷载。（1）公路车辆荷载公路-级公路-级桥梁结构的整体计算车道荷载；桥梁的局部加载，对于涵洞、桥台和挡土墙压力车辆荷载公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路汽车荷载等级公路级公路级公路级公路级公路级注：1、二级公路作为干线公路且重型车辆较多时，其桥涵设计可采用公路级汽车荷载。2、四级公路重型车辆少时，其桥涵设计可采用公路级车道荷载效应的0.8倍，车辆荷载效应可采用0.7倍。项目单位技术指标项目单位技术指标车辆重力标准值kN550轮距m1.8前轴重力标准值kN30前轮着地宽度及长度m0.30.2中轴重力标准值kN2120中后轮着地宽度及长度m0.60.2后轴重力标准值kN2140车辆外形尺寸（长宽）m152.5轴距m3+1.4+7+1.4车辆荷载的主要技术指标各级公路桥涵的汽车荷载等级横向布置设计车道数 2345678横向折减系数1.000.780.670.600.55 0.52 0.50横向折减系数计算跨径L0（m）纵向折减系数计算跨径L0（m）纵向折减系数150L0400400L0600600L08000.970.960.95800L0100010000.940.93纵向折减系数列车荷载中活载（中华人民共和国铁路标准活载）普通活载220（kN）1.5 220（kN）1.5 220（kN）1.5 220（kN）1.5 220（kN）1.592（kN/m）30 80（kN/m）特种活载（小桥）250（kN）1.5 250（kN）1.5 250（kN）人群荷载公路桥梁设计：3kN/m2(密集区3.5）/1.2kN/块人行扶手：水平0.75kN/m竖向1kN/m城市桥梁5kN/m2(大跨结构2.4）/1.2kN/块思考题思考题荷载与作用在概念上有何不同？荷载与作用在概念上有何不同？说明直接作用与间接作用的区别。说明直接作用与间接作用的区别。作用（或荷载）有哪些类型？作用（或荷载）有哪些类型？影响基本雪压的主要因素有哪些？影响基本雪压的主要因素有哪些？说明影响屋面雪压的主要因素及原因。说明影响屋面雪压的主要因素及原因。计算楼面活荷载效应时，为什么当活荷载影响面积超过一定数值时需要对均布活荷载取值加以折减？计算楼面活荷载效应时，为什么当活荷载影响面积超过一定数值时需要对均布活荷载取值加以折减？侧压力有几种？侧压力有几种？第三章 侧压力第一节土的侧压力第一节土的侧压力3.1.1 基本概念及土压力分类基本概念及土压力分类1、静止土压力、静止土压力2、主动土压力、主动土压力3、被动土压力、被动土压力EaE0EP参见地基基础教材及规范参见地基基础教材及规范第二节 水压力及流水压力第二节 水压力及流水压力静水压力、动水压力静水压力、动水压力3.2.1 静水压力作用在建筑物的法线方向上。静水压力作用在建筑物的法线方向上。3.2.2 流水压力水流过结构物表面时，会对结构物产生切应力和正应力。某点的压力为静动水压力之和。瞬时动水压力为时段平均动压力和脉动压力之和。流水压力水流过结构物表面时，会对结构物产生切应力和正应力。某点的压力为静动水压力之和。瞬时动水压力为时段平均动压力和脉动压力之和。第三节 波浪荷载3.3.1波浪的分类在有波浪时水对结构物产生的附加应力称为波浪压力（波浪荷载）波浪具有波的特性：波长、周期、波幅波浪的分类在有波浪时水对结构物产生的附加应力称为波浪压力（波浪荷载）波浪具有波的特性：波长、周期、波幅h（浪高）（浪高）平均波浪线平均波浪线产生的压力要高于产生的压力要高于计算水位计算水位（静止水位静止水位）产生的压力（差为）产生的压力（差为超高超高h0)。影响波浪的形状和各参数值的因素：风速。影响波浪的形状和各参数值的因素：风速v、风的持续时间、风的持续时间t、水深、水深h、吹程、吹程D。前两项为随机变量，在计算浪高时按照暴风的风速和吹程的最不利组合来确定。前两项为随机变量，在计算浪高时按照暴风的风速和吹程的最不利组合来确定。现行波的分类方法1、海洋表面的波浪按频率（或周期）排列来分类。2、根据干扰力来分类，如风波、潮汐波。3、把波分成自由波和强迫波。4、根据波前进时是否有流量产生把波分成输移波和振动波（按前进的方向分为推进波和立波。3.3.2 波浪荷载的计算波浪对建筑物的荷载不仅和波浪的特性有关还和构筑物的形式和受力特性有关，而当地的地形、地貌、海底坡度等也对其有很大的影响，现行规范具有很大的试验性。一帮情况下波高超过0.5m时，应考虑波高对建筑物的作用力。1、直墙上的波浪荷载立波、近区破碎波、远区破碎波1）立波上的压力适用范围：相对水深与波长的比值在0.135-0.20之间，波陡（超高与波长之比）小于等于0.035。波峰压强公式。波谷压强公式。教材给出的是简化的sainflow(1928）压强公式，目前的分析已经进入了更加精细和完备的阶段，可以查阅相关资料。校园网-图书馆-维普/清华同方-下载波浪的资料，可以归纳出你认为合适的立波上的压强的计算公式。2）近区破碎波的压力波浪在墙前半个波长范围内破碎时，会对墙体产生一个瞬时的动压力，数值大时间短。Bagnold（1939）发现当破碎波夹着空气冲击直墙时，会发生强烈的冲击压力。Minikin（1963）计算公式：最大压强发生在静水面，由动静两部分组成。3）远区破碎波的压力如直墙处海底有斜坡，使直墙水深减少，则波浪将在抵达直墙以前发生破碎。如果波浪发生破碎的位置距离直墙在半个波长以外，称之为远区破碎波。波浪压力的最大值发生在静水面以上1/3远区破碎波的浪高。到墙底处为最大值的1/2。日茹科夫斯基（1940）直墙上最大压强公式。2、圆柱体上的波浪荷载1）小圆柱体上的波浪荷载计算圆柱直径与波长之比小于0.2的圆柱体Morison（1950）阻力+惯性力2）大圆柱体上的波浪荷载计算圆柱直径与波长之比不小于0.2的圆柱体波浪绕过圆柱时就会发生绕射现象。3.4 冻胀力3.4.1 冻土的概念、性质与结构的关系有水的松散岩石和土。多年冻土（永冻土）三年以上季节冻土冬季瞬时冻土几小时或数日冻土的基本成分：土颗粒、冰、液态水、气体和水汽。3.4.2/3土的冻胀原理三要素：水分、土壤和负温度。岩石、松散岩石、沙土、粉土、粘土。地下水位。地基土的冻胀力将会反映到上部结构上切向/法向/水平冻胀力3.5 冰压力冰压力概念及分类1、河流流冰产生的冲击动压力。2、冰堆整体推移的静压力。3、由于风和水流作用于大面积冰层而产生的静压力。4、冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力。冰层因水位升降产生的竖向作用力。3.6 撞击力二OO七年六月十五日凌晨五时十分，国道三二五广东九江大桥发生船撞事故。