工程荷载组合理论与应用

土木工程精品系列工程荷载组合理论与应用金伟良编著机械工业出版社全书分成上、下两篇，共２０章。上篇为工程荷载组合理论，包括工程荷载随机过程基础、工程荷载效应分析、工程荷载随机概率模型、工程荷载组合理论和工程荷载组合设计方法等；下篇为工程荷载分类及应用，包括永久荷载、平面活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载、温度荷载、波浪荷载、海流荷载、潮汐荷载、冰荷载、车辆荷载、起重荷载、船舶荷载、冲击荷载和土压力等。全书以工程可靠度理论为主线，强调工程荷载组合理论与以现行国家设计规范为依据的工程荷载应用相结合，可作为土木、水利、公路、铁道、港口、船舶与海洋工程专业的本科生和研究生的教学参考书，也可以作为民用与工业建筑、市政设施、桥梁、道路（公路与铁道）、港口和海洋工程专业技术人员的专业工具书。图书在版编目（ＣＩＰ）数据工程荷载组合理论与应用／金伟良编著—北京：机械工业出版社，２００６３（土木工程精品系列）ＩＳＢＮ７－１１１－１８４７０－ＸⅠ工…Ⅱ金…Ⅲ①工程结构－结构载荷－组合分析②工程结构－结构载荷－载荷分析ⅣＴＵ３１２中国版本图书馆ＣＩＰ数据核字（２００６）第００８１６６号机械工业出版社（北京市百万庄大街２２号邮政编码１０００３７）责任编辑：薛俊高版式设计：霍永明责任校对：姚培新封面设计：张静责任印制：洪汉军北京京丰印刷厂印刷２００６年３月第１版第１次印刷１０００ｍｍ×１４００ｍｍＢ５·１６７５印张·２插页·６５０千字０００１—４０００册定价：５８００元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换本社购书热线电话[phone]编辑热线电话：８８３７９７７６封面无防伪标均为盗版前言工程荷载是土木工程设计、施工、维护和管理必须考虑的环境因素，而工程荷载组合理论则是土木工程设计的基本理论之一。研究和应用工程荷载组合理论是确保工程结构安全、经济、可靠的重要内容。这不仅具有重要的理论和工程应用价值，而且具有显著的社会效益和经济效益。从广义上讲，土木工程包括民用与工业建筑、桥梁、道路、市政设施、港口水运工程、水利建筑物和海洋建筑物等工程，涉及众多工程环境，遭受不同类型的工程荷载作用，以满足工程结构的功能要求。因此，无论是从事土木工程专业知识学习的大学生和研究生，还是从事土木工程应用的工程技术人员，都迫切需要对土木工程中的工程荷载作用有一个较为全面系统的了解和认识，尤其是对工程荷载组合理论的认识，以便在实际工程中能够正确运用和把握，这就构成了《工程荷载组合理论与应用》一书的出版动机。而真正使我产生写作《工程荷载组合理论与应用》一书的原因，有以下三个方面。１从我接受土木工程教育的经历，本科学习海洋工程，研究生（包括硕士和博士）学习桥梁工程，到现在从事土木工程中的结构工程教学和科研工作实践，使我深刻地感受到我们所涉及的建筑结构、空间结构、桥梁结构、水工结构、港口和海洋结构等建筑物的本质问题都是属于结构工程的理论范畴，而不同的则是工程荷载作用的应用问题。然而，传统的教育体系使学生们所学到的工程荷载知识是片面不完整的。即使现在全国各个高校的土木工程专业设置正在向大土木方向发展，但同样未能向学生们系统地介绍工程荷载的知识。因此，编写一本土木工程类的工程荷载教材是非常必要的。２土木工程学科是一门工程实践极强的应用性学科，实行严格的注册工程师制度。目前已进行和正要进行的注册工程师制度有注册结构工程师、注册土木工程师（岩土工程、港口、航道及海岸工程）、注册海洋工程师和注册建筑师等。这就要求土木工程师必须具有系统、宽广、扎实的土木工程专业知识，尤其是工程荷载的系统知识。同时，在系统的土木工程中结构工程、岩土工程和工程荷载作用等知识的基础上，可以适用于民用与工业建筑、桥梁、市政道路（公路与铁道）、港口和海洋工程的设计、施工、维护和管理的工作，具有较好的适应性。３１９９４年中国建筑科学研究院陈基发先生赠送给我一本他编著的《建筑结构荷载设计手册》，陈先生是我国《建筑结构荷载规范》的主编，在建筑结构荷载设计方面有着深入的研究，给了我很大的启发和帮助。之后，我又阅读了《港口工程建设设计手册》中有关荷载的章节，受益匪浅。但上述的两本书都是针对工程荷载的类型来编写，而未阐述工程荷载及其组合理论的基础。美国伊利诺埃大学ＹＫＷｅｎ教授的《ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＬｏａｄＭｏｄｅｌａｎｄＣｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｆｏｒＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄＳａｆｅｔｙＥｖａｌｕａｔｉｏｎ》著作，是对工程荷载理论最为全面的论述，也是工程荷载组合理论的经典著作。因此，从工程教育和应用的角度考虑，我认为有必要将工程荷载组合理论和荷载分类一并予以考虑，尤其是基于可靠度理论的工程荷载组合理论体系的建立，以及工程荷载的随机概率模型的确定和应用，必须形成一个工程荷载组合理论与应用的体系。在上述的原因和动机下，我们从１９９５年开始着手编写《工程荷载分析与应用》的讲义，并在浙江大学研究生中开设课程，１９９６年完成工程荷载组合理论部分的讲义，１９９８年完成工程荷载及其分类部分的讲义。整个讲义编写过程既注意吸收国内外有关工程荷载及其理论的新知识，又融合了浙江大学结构工程研究所在工程荷载组合理论与应用方面的研究成果，力求在工程荷载的理论和应用方面形成一个新的体系，便于读者学习工程荷载知识，应用工程荷载于实际工程。该讲义经过十年来的课程讲授和补充，于２００４年夏完成了《工程荷载组合理论与应用》的全书编著工作，２００５年又对全书进行了系统的校订。《工程荷载组合理论与应用》全书分成上、下两篇，共２０章。上篇为工程荷载组合理论，包括工程荷载随机过程基础、工程荷载效应分析、工程荷载随机概率模型、工程荷载组合理论和工程荷载组合设计方法等章节，涉及到工程荷载随机过程的基本性质，土木工程结构荷载效应的分析方法，主要工程荷载的统计特性和随机概率模型，荷载组合基本理论与分析方法，基于可靠度理论的工程结构荷载组合设计方法，设计荷载分项系数、组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的确定方法，以及工程荷载组合设计方法的可靠度标定等内容。下篇为工程荷载分类及应用，包括永久荷载、平面活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用、温度作用、波浪荷载、海流荷载、潮汐荷载、冰荷载、车辆荷载、起重荷载、船舶荷载、冲击荷载和土压力等章节，介绍了工程荷载设计代表值的选取，工程荷载的基本概念、性质、计算方法和工程应用等，便于土木工程技术人员直接使用。在本书编写过程中，得到了浙江大学土木工程学系研究生的大力支持，他们在听取“工程荷载分析与应用”课程期间，对本书的讲义提出了许多修改的建议，尤其是我的研究生何勇、陈娟、沈照伟、宋志刚、薛元等人对全书进行了认真的修改和补充，在此，谨表示衷心的谢意。Ⅳ工程荷载组合理论与应用从全书的策划到完成，历时１０余年。期间经历了我国建筑结构类设计规范的重新修订和我国大规模的基本建设高潮，本人期望能够更多地反映这些内容和经验，但限于本人的知识和能力，书中不免存在着许多问题，还望读者指正。２００５年夏于求是园Ⅴ前言目录前言上篇工程荷载组合理论第１章工程荷载随机过程基础３……………………………………………………………１１随机过程的基本概念３………………………………………………………………………１１１随机过程的定义３………………………………………………………………………１１２有限维分布３……………………………………………………………………………１１３数字特征与特征函数４…………………………………………………………………１１４随机过程的类型７………………………………………………………………………１２随机过程概率分布１０………………………………………………………………………１２１概率密度函数１０………………………………………………………………………１２２均值和方差１４…………………………………………………………………………１２３概率分布函数１５………………………………………………………………………１３联合概率分布１７……………………………………………………………………………１３１二维概率密度函数１７…………………………………………………………………１３２二维平均值１９…………………………………………………………………………１３３条件概率１９……………………………………………………………………………１４相关性２１……………………………………………………………………………………１４１相关系数ρ２１…………………………………………………………………………１４２自相关２４………………………………………………………………………………１４３互相关２６………………………………………………………………………………１５Ｆｏｕｒｉｅｒ变换２７………………………………………………………………………………１５１Ｆｏｕｒｉｅｒ分析２７…………………………………………………………………………１５２Ｆｏｕｒｉｅｒ积分２９…………………………………………………………………………１５３Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的复数形式３０……………………………………………………………１６谱密度３１……………………………………………………………………………………１６１谱密度定义３１…………………………………………………………………………１６２窄带和宽带随机过程３３………………………………………………………………１６３导出过程的谱密度３５…………………………………………………………………１６４互谱密度３６……………………………………………………………………………第２章工程荷载响应随机特性３８…………………………………………………………２１线性结构系统的荷载作用响应关系３８……………………………………………………２１１经典方法３９……………………………………………………………………………２１２频率响应法３９…………………………………………………………………………２１３脉冲响应法４０…………………………………………………………………………２１４频率响应函数与脉冲响应函数之间的关系４１………………………………………２１５对任意输入的响应４２…………………………………………………………………２２随机振动的传递４３…………………………………………………………………………２２１均值４４…………………………………………………………………………………２２２自相关４５………………………………………………………………………………２２３谱密度４７………………………………………………………………………………２２４均方响应４８……………………………………………………………………………２２５互相关４８………………………………………………………………………………２２６互谱密度４９……………………………………………………………………………２２７概率分布５０……………………………………………………………………………２３窄带过程的统计分析５０……………………………………………………………………２３１穿越分析５３……………………………………………………………………………２３２峰值分布５７……………………………………………………………………………２３３极大值频率５８…………………………………………………………………………第３章工程荷载随机模型６１…………………………………………………………………３１工程荷载作用模型６１………………………………………………………………………３２永久荷载模型６２……………………………………………………………………………３２１概率密度分布函数６２…………………………………………………………………３２２重度６２…………………………………………………………………………………３２３体积６３……………………………………………