荷载课件

荷载与结构设计方法第1章绪论§1.1荷载与作用概念：能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等）的各种原因的总称，就是作用。分类：直接作用——直接以力的不同集结形式作用于结构，这类作用通常称为荷载；间接作用——不直接以力的某种集结形式出现，而通过引起结构振动、外加变形或约束变形，使结构产生内力或变形等效应。作用效应：作用在结构上产生的内力和变形。荷载效应：（直接作用）荷载引起的效应间接作用效应：间接作用引起的效应§1.2作用的分类1.按随时间的变异分类1)永久作用：在设计基准期内作用值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。2)可变作用：在设计基准期内作用值随时间变化，或其变化与平均值相比不可忽略的作用。3)偶然作用：在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。2.按随空间位置的变异分类1)固定作用：在结构空间位置上具有固定的分布，但其量值可能具有随机性的作用。2)自由作用：在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布，出现的位置及量值可能具有随机性的作用。3.按结构的反应特点分类静态作用：对结构或结构构件不产生动力效应，或其产生的动力效应与静态效应相比可忽略不计的作用。动态作用：对结构或结构构件产生不可忽略的动力效应的作用。§1.3结构设计方法经历了容许应力法、破损阶段法、多系数极限状态设计法和概率极限状态设计法四阶段。一、容许应力设计法容许应力设计法是建立在弹性理论基础上的设计方法。其表达式为：容许应力设计法计算简单，但其有许多问题：①没有考虑材料塑性性质。②没有对作用阶段给出明确的定义，也就是使用期间荷载的取值原则规定得不明确。③把影响结构可靠的各种因素(荷载的变异、施工的缺陷、计算公式的误差等)统统归结在反映材料性质的容许应力上，显然不够合理。④的取值无科学根据，纯属经验的，历史上曾多次提高过材料的容许应力值。⑤按容许应力法设计的构件是否安全可靠，无法用实验来验证。≤[]二、破损阶段设计法针对容许应力设计法存在的缺陷，之后出现了假定材料均已达到塑性状态，依据截面所能抵抗的破损内力建立的计算公式。其设计表达式为：式中，——构件最终破坏时的承载能力；——安全系数，用来考虑影响结构安全的所有因素。(凭经验确定）优点为：①它可以反映材料的塑性性质，结束了长期以来假定混凝土为弹性体的局面。②采用一个安全系数，使构件有了总的安全度的概念。③它以承载能力值(如)为依据，其计算值是否正确可由实验检验。MMKu≤/前三个方法的缺点：没有把影响结构可靠性的各类参数都视为随机变量；确定各系数取值时，采用经验或半经验、半统计的方法。概率极限状态设计法：以概率理论为基础，视作用效应和影响结构抗力的主要因素为随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的结构设计方法。二、概率极限状态设计法概率极限状态设计法是以概率理论为基础，将作用效应和影响结构抗力的主要因素作为随机变量，根据统计分析确定可靠概率来度量结构可靠性的结构设计方法。其特点是有明确的、用概率尺度表达的结构可靠度的定义，通过预先规定的可靠指标值，使结构各构件间，以及不同材料组成的结构之间有较为一致的可靠度水平。本章小结几个重要概念：荷载；作用；作用效应；作用分类结构设计方法：概率极限状态设计法第2章重力荷载§2.1重力一、结构自重结构的自重是由地球引力产生的组合结构的材料重力，一般而言，可以根据结构的材料种类、材料体积和材料容重计算结构自重。结构自重一般按照均匀分布的原则计算，在施工阶段，构件在吊装运输或悬臂施工时引起的结构内力，有可能大于正常设计荷载产生的内力，因此，在施工阶段演算构件的强度和稳定时，构件重力应乘以适当的动力系数。自重指结构的材料自身重量产生的重力，属永久作用。kGV1niiiGV二、土的自重应力1、土是由土颗粒、水和气所组成的三相非连续介质。在计算土中应力时，通常将土体视为均匀连续的弹性介质。若土层天然重度为γ，在深度z处a-a水平面,图(a)所示，土体因自身重量产生的竖向应力可取该截面上单位面积的土柱体的重力，即：2、可见自重应力沿水平面均匀分布，且与z成正比，即随深度按直线规律增加，如图(b)所示。czz(a)任意深度水平截面上的土自重应力(b)自重应力呈线性增加一般情况下，地基土由不同重度的土层所组成。如图所示，天然地面下深度z范围内各层土的厚度自上而下分别为h1，h2，…，hi，…，hn，则多层土深度z处的竖直有效自重应力的计算公式为：式中，n——从天然地面起到深度z处的土层数；hi——第i层土的厚度(m)；γi——第i层土的天然重度(kN/m3)；11221ncznniiihhhh11h1122hh112233hhh11223344hhhh123344天然地面地下水位面不透水层面h1h2h3h4czcz线若有地下水存在，则水位以下土层受水的浮力作用，水位以下各层土的天然重度改用土的有效重度，用γ’=γsat-γw若地下水位以下存在不透水层，则在不透水层，层面及层中浮力消失，其自重应力等于全部上覆的水土总重。三、雪荷载:可变荷载1.基本雪压基本雪压指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。表2-12.屋面的雪压风对屋面积雪的影响：漂积作用对于高低跨屋面：规范中取μr为2.0，雪堆长度2h不小于4m，也不大于8m。对多跨坡屋面及曲线形屋面，会引起不平衡积雪荷载。sr屋面坡度对积雪的影响：坡度大于10°可能产生雪滑移；双坡屋面可能形成不平衡雪荷载情况。屋面温度对积雪的影响荷载规范规定了8种典型屋面积雪分布系数，见表2-2。3.我国基本雪压的分布特点(1)新疆北部是我国突出的雪压高值区。(2)东北地区由于气旋活动频繁，并有山脉对气流起抬升作用，冬季多降雪天气，同时气温低，更有利于积雪。(3)长江中下游及淮河流域是我国稍南地区的一个雪压高值区。(4)川西、滇北山区的雪压也较高。该地区海拔高，气温低，湿度大，降雪较多而不易融化。但该地区的河谷内，由于落差大，高度相对较低，气温相对较高，积雪不多。(5)华北及西北大部地区，冬季温度虽低，但空气干燥。水汽不足，降雪量较少，雪压一般为0.2～0.3kN/m2。西北干旱地区，雪压在0.2kN/m2以下。(6)南岭、武夷山脉以南，冬季气温高，很少降雪，基本无积雪。五、行人荷载1.公路桥梁人群荷载一般规定3kN/m2，行人密集地区3.5kN/m2。计算人行道板，以1.2kN的集中力竖向作用于板上；栏杆考虑0.75kN/m的水平力和1kN/m的竖向力2.铁路桥上人行道荷载《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-99）六、吊车荷载混凝土结构（二）的“排架结构”中详细学习。22•吊车荷载竖向荷载横向水平荷载纵向水平荷载minmaxDD、maxT0T¢最大轮压与最小轮压当小车吊有额定起重量开到桥架某一极限位置时，在这一侧产生的轮压；与最大轮压相对应的另一侧轮压称最小轮压。K桥式吊车按照使用的频繁程度分为轻级(A1~A3)、中级(A4、A5)、重级(A6、A7)和特重级(A8)四个载荷状态。23¢最大轮压与最小轮压最大轮压可从产品目录中查得；最小轮压可由下式确定：maxPminPmaxmin)(21PQgGP¢吊车竖向荷载标准值kkDDmin,max,、iikyPDmaxmax,iikyPDminmin,如果两台吊车相同，则ikyPDmaxmax,maxminmax,min,PPDDkkxP2maxP1maxP1maxP2maxK1K2y2y3y4y1=1B1B224¢吊车横向水平荷载标准值（小车吊有重物刹车时引起的惯性力）传力过程：小车惯性力大车吊车梁排架柱作用位置：吊车梁顶面作用方向：垂直轨道maxT——横向制动系数。tQtQtQ7508.0501610.01012.0软钩4/)(gQTi每个轮子上的横向水平制动力：iikyTTmax,如果吊车相同，maxmax,max,PTDTkk同样，利用影响线可以确定柱子受到的水平力七、楼、屋面活荷载——可变荷载1.楼面活荷载表2-17设计中应按实际情况考虑折减1）设计楼面梁时的荷载折减系数对住宅、办公楼：λ=0.3+3/√A（A＞18m2）A＞25m2时，λ取0.9对公共建筑：λ=0.5+3/√A（A＞36m2）A＞50m2时，λ取0.92）设计墙、柱和基础时的折减系数表2-182.屋面活荷载1）房屋均布活荷载表2-192）屋面积灰荷载表2-21积灰荷载应与雪荷载或屋面活荷载两者中的较大值同时考虑。§2.2侧压力一、土的侧向压力1.基本概念及土压力分类土压力——墙后填土的自重或填土表面上的荷载对墙产生的侧向压力。根据墙的位移情况和墙后土体所在的应力状态，可分为：1）静止土压力E02）主动土压力Ea3）被动土压力EpEa＜E0＜Ep(a)静止土压力(b)主动土压力(c)被动土压力图挡土墙的3种土压力2、土压力的基本原理土压力的计算是一个比较复杂的问题。实验研究表明，影响土压力大小的因素主要有：土压力的大小及分布、墙身的位移、填土的性质、墙体的截面刚度、地基的土质等。由于缺乏系统的观测资料和大规模的实验研究，在设计中通常采用古典的库仑理论或朗金理论，通过修正、简化来确定土压力。静止土压力计算：E0=1/2γH2K0沿墙高为三角形分布，作用点距墙底H/3。Ea和Ep的计算，以土体极限平衡理论为基础，采用兰金土压力理论或库仑土压力理论。1）兰金土压力理论兰金土压力理论是通过研究弹性半空间土体、应力状态和极限平衡条件导出的土压力计算方法。兰金土压力理论的基本假设如下：①对象为弹性半空间土体；②不考虑挡土墙及回填土的施工因素；③挡土墙墙背竖直、光滑，填土面水平无超载。兰金土压力理论由土强度理论：σ1=σ3tan(45°+φ/2)+2ctan(45°+φ/2)或σ3=σ1tan(45°－φ/2)-2ctan(45°－φ/2)其中，c——填土的粘聚力；对无粘性土，c=0；φ——填土的内摩擦角。（1）主动土压力σaσa＜σz，∴σa为最小主应力则σa=γzKa－2c√Ka其中，Ka=tan2(45°－φ/2)对无粘性土，σa沿墙高三角形分布，如图2-8bEa=1/2γH2Ka对粘性土，σa分布如图2-8c,包括土压力γzKa和粘聚力引起的负侧压力（即拉力）2c√Ka，不考虑这部分拉力，则Ea=1/2（H－z0）(γHKa－2c√Ka)其中，z0=2c/γ√Ka（2）被动土压力σpσp＞σz，∴σp为最大主应力则σp=γzKp+2c√Kp其中，Kp=tan2(45°+φ/2)无粘性土，σp沿墙高三角形分布，对粘性土，σp沿墙高成梯形分布。Ep=1/2γH2Kp+2cH√Kp(3a)填土面有均布荷载的土压力计算(图2－9）当挡土墙后填土表面有连续均布荷载q作用时，可将均布荷载换算成当量土重，即用假想的土重代替均布荷载。当填土面水平时，当量的土层厚度h为：然后再以(H+h)为墙高，按填土面无荷载情况计算土压力。若填土为无粘性土，填土面a点的土压力强度，按兰金土压力理论为：墙底b点的土压力强度为：实际的土压力分布图为梯形abcd部分，土压力作用点在梯形的重心。由上可知，当填土面有均布荷载时，其土压力强度比无均布荷载时增加一项qKa即可。/qhaaaahKqKaaa()()bHhKqHK(3b)填土表面上有局部均布荷载时：土压力计算方法见图2-101、自均布荷载起点作两条辅助线Oa、Ob，与水平面夹角为φ和θ=45°+φ/2，a点以上不受此荷载影响、b点以下完全受影响。(填土表面的均布荷载无限远）2、自荷载两端点作两条辅助线OD、OE，与水平面夹角为θ，D点以上、E点以下不受此荷载影响。(填土表面