1荷载类型及其作用(土木名校课件)

第一章绪论内容提要一、荷载与作用1、“结构上的作用”的定义2、“结构上的作用”的分类二、作用分类、作用效应S三、结构设计方法一、荷载与作用1、“结构上的作用”的定义将能使结构产生效应的各种因素总称为作用施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）的原因的总称直接作用在结构上的各种荷载直接作用能够引起结构内力、变形等效应的非直接作用因素间接作用（地震、温度变化、基础不均匀沉降等）荷载——由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力，例如重力、土压力、水压力、风压力；效应——结构的内力、位移、变形、应力、应变、裂缝、速度、加速度等；工程结构的功能：一是提供满足人们需要的结构空间和实体；一是抵御可能出现的各种环境作用间接作用和直接作用（狭义意义上的荷载）也可统称广义荷载。二、“结构上的作用”的分类按随时间的变异分类永久作用在结构使用期间，其值不随时间而变化，或其变化值与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用【例如】结构自重，土压力、预加力、基础沉降、焊接、水的浮力、混凝土收缩及徐变作用等可变作用在结构使用期间，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不可以忽略不计的作用【例如】安装荷载、楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、汽车荷载、汽车离心力、汽车制动力、流水压力、冰压力、温度作用等偶然作用在结构使用期间，不一定出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间较短的作用【例如】地震作用（地震力和地震加速度等）、爆炸、船舶或漂流物的撞击作用、汽车撞击作用等按随空间位置的变异分类固定作用在结构空间位置上具有固定的分布【例如】工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等可动作用在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布【例如】工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等按结构的反应分类静态作用不使结构或结构构件产生加速度，或产生的加速度可以忽略不计【例如】结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载等动态作用使结构或结构构件产生不可忽略的加速度【例如】地震、吊车荷载、设备振动、作用于高耸结构上的风荷载等荷载分类按作用时间的长短和性质永久荷载在结构使用期间，其值不随时间而变化，或虽有变化，但变化不大，且其变化值与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。（恒载）可变荷载在结构使用期间，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不可以忽略不计的荷载。（活载）偶然荷载在结构使用期间不一定出现，但一旦出现，其值很大，作用时间则较短的荷载。永久荷载（恒载）【例如】结构自重，土压力、预应力等可变荷载（活载）【例如】楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等偶然荷载【例如】爆炸力、撞击力等作用效应S（p2）直接或间接作用于结构构件上，在结构内产生的内力（轴力、剪力、弯矩）和变形（挠度、转角、裂缝等）称为“作用效应”S.三、结构设计方法TheDesignApproach◆工程结构的设计需要保证安全可靠、经济合理◆由于实际工程结构中存在多种不确定性◆结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡结构的功能FunctionsofStructure◆安全性Safety◎如（M≤Mu，构件最终破坏时的承载力）◎结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。◎在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。◆适用性Serviceability◎如（f≤[f]）◎结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。◆耐久性Durability◎如（wmax≤[wmax]）◎结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。◆结构的可靠性reliability■可靠性——安全性、适用性和耐久性的总称■就是指结构在规定的使用期限内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。■结构可靠性越高，建设造价投资越大。■如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。极限状态LimitState◆结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。◆区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”钢筋混凝土简支梁的可靠、失效和极限状态概念结构的功能可靠极限状态失效安全性受弯承载力MMuM=MuMMu适用性挠度变形f[f]f=[f]f[f]耐久性裂缝宽度wmax[wmax]wmax=[wmax]wmax[wmax]承载力能力极限状态UltimateLimitState超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求◆结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）◆结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）◆结构塑性变形过大而不适于继续使用◆结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）◆结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）正常使用极限状态ServiceabilityLimitState超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求。◆过大的变形、侧移（影响非结构构件、不安全感、不能正常使用（吊车）等）；◆过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；◆过大的振动（不舒适）；◆其他正常使用要求。结构设计方法由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。◆容许应力设计法kf][◎钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；◎结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；◎没有考虑结构功能的多样性要求；◎安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。◆破损阶段设计法KMMu整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。◎但安全系数K仍然凭经验确定，◎没有考虑结构功能的多样性要求的问题。◆多系数极限状态设计法除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，)()(0，，，，，hbAkfkfMqkMssskcckuikqi◎材料强度fck和fsk是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。◎荷载值qik也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上限分位值。◎荷载系数kqi，材料强度系数kc和ks仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。◆以概率理论为基础的极限状态设计法由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度reliabilitydegree。当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率[Pf]。失效概率probabilityoffailurePf=P(SR)f(Z)bzmzPfZ=R-S结构功能函数Z=R-SPf=P(SR)=P(Z0)ZZfPmbb值2.73.23.74.2失效概率Pf3.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5b—可靠指标reliabilityindex◆根据统计，触电的年死亡率为6×10-6◆b=3.7时，Pf=1.1×10-4，按设计基准期50年考虑，年失效概率为1.1×10-4/50=2.2×10-6◆50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。◆我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取b=3.2，对脆性破坏取b=3.7。◆对于重要的工程结构，应提高可靠指标。