6--其它荷载与作用

6其它荷载与作用本章导读介绍了温度变化引起的结构变形和附加力，以及温度作用产生的条件；探讨了外界因素造成的基础不均匀沉降、或自身原因构件发生收缩和徐变引起的结构变形和内力现象；阐述了土的冻胀力产生的原理、对结构的影响和冻胀力计算的方法；给出爆炸产生机理、爆炸的力学性质及爆炸力计算公式；讨论了车辆行驶动态作用，包括汽车冲击力、离心力、制动力产生原因和确定办法；简介了为什么要对结构施加预加力及施加预加力的方法。6.1温度作用6.1.1温度应力的产生温度作用是指因温度变化引起的结构变形和附加力，当结构物所处环境温度发生变化，且当结构或构件的热变形受到边界条件约束或相邻部分的制约，不能自由胀缩时，则在结构或构件内形成温度应力。温度作用不仅取决于结构物环境温度变化，它还与结构或构件受到的约束条件有关。结构物在温度作用下产生变形时，结构与结构之间、结构与支承体之间、构件内部各单元体之间都会相互影响，相互牵制，产生作用。在土木工程中这些约束条件大致可分为两类：一类是结构物的变形受到阻碍或支承条件的制约，不能自由变形。例如现浇钢筋混凝土框架结构的基础梁嵌固在两柱基之间，基础梁的伸缩变形受到柱基约束。排架结构支承于地基，当上部横梁因温度变化伸长时，横梁的变形使柱产生侧移，在柱中引起内力。图6.1基础梁嵌固于基础之间图6.2排架受支承条件约束另一类是构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。例如简支屋面梁，在日照作用下屋面温度升高，而室内温度相对较低，简支梁沿梁高受到不均匀温差作用，产生翘曲变形，在梁中引起应力。大体积混凝土梁结硬时，水化热使得中心温度较高，两侧温度偏低，内外温差不均衡在截面引起应力。图6.3简支屋面梁温差引起的应力图6.4大体积混凝土水化热引起应力6.1.2温度应力的计算温度变化对结构物产生的影响应根据不同结构类型和约束条件区别对待，对于存在多余约束的超静定结构，或物体内部单元体相互制约的构件，其温度作用效应的计算，一般可根据变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。两端嵌固于支座的约束梁（图6.5a），承受一均匀温差T，若要求此梁温度应力，可先将其一端解除约束，成为一悬臂梁（图6.5b）。(a)约束梁(b)自由变形梁图6.5约束梁与自由变形梁示意悬臂梁在温差T的作用下产生的自由伸长△L及相对变形可由下式求得：TLLTLL式中：α——材料线膨胀系数（1/℃），温度每升高或降低1℃，单位长度构件的伸长或缩短量，几种主要材料线膨胀系数见表6.1；T——温差（℃）；L——梁跨度（m）。（6.1）（6.2）如果悬臂梁右端受到嵌固不能自由伸长，梁内便产生约束力，约束力P的大小等于将自由变形梁压回原位所施加的力（拉为正，压为负），即：式中：E——材料弹性模量；A——材料截面面积；σ——杆件约束应力。由式（6.4）可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关。（6.3）（6.4）LLEAPTETLLAEAAP图6.6忽略横梁弹性变形图6.7考虑横梁弹性变形排架横梁受到均匀温差T作用（图6.6），若忽略横梁在柱端阻力下的弹性变形，横梁伸长，此即柱顶产生的水平位移。TLLTLL柱的抗侧刚度用K表示，K为柱顶产生单位位移时所施加的力，由结构力学可知：33HEIK33HEITLKLV柱顶所受到的水平剪力：式中：I——柱截面惯性矩；H——柱高。由式（6.6）可知温度变化在柱中引起的约束内力与结构长度成正比，当结构物长度很长时，为了降低温度应力，过长的结构每隔一定距离必须设置伸缩缝。（6.6）（6.5）图6.7所示排架条件同图6.6所给排架，考虑柱顶阻力使横梁产生压缩变形，则柱顶实际位移δ1是温差引起的横梁伸长ΔL与横梁压缩变形δ2位移代数和：21LEIVH331EAVL2（6.8）（6.9）（6.7）将式（6.8）、式(6.9)代入式（6.7），取ΔL=αTL可得：)3(3EALEIHVTLEALEIHTLV33柱顶所受水平剪力：由式（6.11）可知，杆件长度与约束力呈非性线关系，只有当横梁轴向刚度EA很大时，式（6.11）与式（6.6）才等同。在实际工程中，大部分结构的变形都受到弹性约束，不考虑结构弹性压缩计算的内力较实际内力要高，是偏于安全的。（6.11）（6.10）厂房纵向排架结构柱嵌固于地面（图6.8），排架横梁受到均匀温差作用向两边伸长或缩短，中间有一变形不动点，变形不动点位于各柱抗侧刚度分布的中点。可由柱总抗侧刚度乘以不动点到左端第1根柱的距离等于各柱抗侧刚度乘以该柱到左端第1根柱的距离之和的条件得到。变形不动点两侧横梁伸缩变形将在柱中和横梁引起应力。图6.8厂房纵向排架温度变形分布由结构对称性，考虑不动点一侧内力分析（图6.9），忽略横梁弹性变形，不动点右侧第i根柱的柱顶变位，第i根柱的抗侧刚度，则第i根柱受到的柱顶剪力为：不动点LiHiΔLiEIiViiiTLL33HIEKiii33HIETLKLViiiiii式中Li——第i根柱到不动点的距离。图6.9排架结构温度应力计算简图（6.12）6.1.3温度变化的考虑基本气温是确定温度作用所需最主要的气象参数。《荷载规范》将基本气温定义为50年一遇的月平均最高气温Tmax和月平均最低气温Tmin。它是以全国各基本气象台站历年最高温度月的月平均最高和最低温度月的月平均最低气温为样本，经统计得到的具有一定年超越概率的最高和最低气温。我国多数地区平均气温最高月是7月，平均气温最低月是1月，所以可按7月和1月平均温度采用。我国长江中下游一带大气气温年温差约为30℃。温度作用是由温度变化引起的，温度变化可分为气温变化和结构温差两种情况。气温变化产生均匀温度作用，结构温差造成的结构内外温度差异。（1）均匀温度作用结构的温度作用效应要考虑温升和温降两种工况，温升工况会使构件产生膨胀，而温降则会使构件产生收缩。气温和结构温度的单位采用摄氏度（℃），零上为正，零下为负。温升为正，温降为负。①结构温升工况对结构最大温升的工况，均匀温度作用标准值按下式计算：ks,max0,minTTT(6.13)式中ΔTk——均匀温度作用标准值（℃）；Ts,max——结构最高平均温度（℃）；T0,min——结构最低初始平均温度（℃）。②结构温降工况对结构最大温降的工况，均匀温度作用标准值按下式计算：ks,min0,maxTTT式中ΔTk——均匀温度作用标准值（℃）；Ts,mim——结构最低平均温度（℃）；T0,max——结构最高初始平均温度（℃）。结构最高平均温度Ts,max和最低平均温度Ts,min宜分别根据基本气温Tmax和Tmin按热工学的原理确定。对暴露于环境气温下的室外结构，结构最高平均温度和最低平均温度可分别取基本气温Tmax和Tmin。（2）结构内外温差结构内外温差是指由于日照、骤冷等天气原因或高温车间、低温冷库等使用情况造成的结构内外温度差异，室外环境温度一般可取基本气温，室内环境温度应根据建筑设计的要求采用，当没有规定时，夏季可近似取20℃，冬季可近似取25℃。计算结构或构件的温度作用效应时，应采用材料的线膨胀系数，土木工程常用材料线膨胀系数列于表6.1。表6.1常用材料线膨胀系数结构种类轻骨料混凝土普通混凝土砌体钢，锻铁，铸铁不锈钢铝，铝合金线膨胀系数αT（×10-6/℃）7106～10121624计算桥梁结构因季节气温变化引起的外加变形和约束变形时，应从受到约束时的结构温度开始，考虑最高和最低有效温度的作用效应。公路桥梁结构的最高和最低有效温度标准值可按表6.2取用。注：（1）全国气温分区图见《公路桥规》JTGD60－2004附录B。（2）表中括弧内数值适用于昆明、南宁、广州、福州地区。表6.2公路桥梁结构的有效温度标准值（℃）钢桥面板钢桥混凝土桥面板钢桥混凝土、石桥最高最低最高最低最高最低严寒地区46-4339-3234-23寒冷地区46-2139-1534-10温热地区46-9（-3）39-6（-1）34-3（0）6.2变形作用变形作用是指由于外界因素造成结构基础不均匀沉降，或自身原因构件发生伸缩变形导致结构或构件产生的变形和内力。类似于温度影响效应，如果结构体系为静定结构，当结构发生符合其约束条件的位移时，不会产生内力；若结构体系为超静定结构，多余约束会限制结构自由变形，支座的移动和转动引起结构内力。当混凝土构件在空气中结硬产生收缩或在长期外力作用下发生徐变时，由于构件内钢筋与混凝土之间、混凝土各单元体之间相互影响、相互制约，不能自由变形，也会引起结构内力。6.2.1地基变形的影响当建筑物地基发生不均匀沉降。使得上部结构产生附加变形和附加应力，严重时房屋开裂。图6.10所示为一砌体结构房屋，当中部沉降比两端大产生八字形裂缝，两端沉降比中部大产生倒八字形裂缝。图6.11所示单层厂房，因地面大面积堆载造成基础偏移，柱出现倾斜趋势，使柱身在弯矩作用下开裂。下沉下沉图6.10中部沉降引起正八字裂缝图6.11厂房堆载基础下沉图6.12所示刚架桥，两个立柱支承于不同地基之上，当右端支柱基础下沉，刚架梁柱相应产生附加弯矩。横梁左端的裂缝从上向下开展，右端从下向上开展。图6.13所示连续梁桥，当墩台沉降不均匀时，将在梁内引起附加力，如两端桥台下沉较大，则中间桥墩上梁身所受负弯矩增大，顶部会产生自上而下的裂缝。下沉下沉下沉图6.12刚架桥支柱下沉开裂图6.13连续梁桥桥台沉陷裂缝6.2.2混凝土收缩和徐变混凝土在空气中结硬体积缩小的现象称为混凝土收缩。混凝土在外力长期作用下随荷载持续时间而增长的变形称为混凝土徐变。图6.14所示钢筋混凝土梁，因混凝土收缩在梁腹部产生梭形裂缝。图6.15所示混凝土楼盖，在楼盖的角部，两个方向混凝土收缩形成拉应力的合力，使得楼盖角部或板角处出现斜裂缝。板裂缝梁收缩收缩收缩图6.14梁腹部梭形裂缝6.15楼盖角部斜裂缝混凝土徐变要引起钢筋与混凝土材料之间的应力重分布。在超静定结构中，应计算徐变在各杆件之间的内力重分布。徐变与混凝土应力的大小、加载时混凝土龄期、水灰比等因素有关。常用徐变系数反映变形增大现象，按表6.3取用。表6.3徐变系数和收缩应力大气条件相对湿度75%相对湿度55%构件理论厚度受荷时混凝项目土龄期（d）2Ah/u(cm)2Ah/u(cm)≤20≥60≤20≥60徐变系数φt3~67~60602.72.21.42.11.91.73.83.01.72.92.52.0收缩应力εt(10-3)3~67~60600.260.230.160.210.210.200.430.320.190.310.300.286.3冻胀力6.3.1土的冻胀原理及作用含有水分的土体温度降低到其冻结温度时，土中孔隙水冻结成冰，并将松散的土颗粒胶结在一起形成冻土。冻土根据其存在的时间长短可分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土三类，其中季节性冻土是冬季冻结，夏季融化，每年冻融交替一次的土层。季节性冻土地基往往产生冻胀和融陷，将造成结构物的损伤和破坏。地基土的冻胀与土的类别和含水量有关，土的冻胀仅是土中原有水分冻结时产生的体积膨胀。碎石类土、中粗砂冻胀效应微弱，冻胀效应在粘性土和粉土地基中表现较强。土体冻结膨胀变形受到约束时，则产生冻胀力，约束越强，冻胀力越大。建造在冻胀土上的结构物，相当于对地基的冻胀变形施加约束，使得地基土不能自由膨胀产生冻胀力，地基的冻胀力作用在结构物基础上，引起结构发生变形产生内力。6.3.2冻胀性类别及冻胀力分类地基土可分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类。《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011给出了地基土的冻胀性分类，见表6.4。根据土的冻胀力对结构物的不同作用方式，冻胀力分为切向冻胀力、法向冻胀力和水平冻胀力。（1）切向冻胀力平行于结构物基础侧面，通过基础与冻土之间的粘结强度，使基础随着土体的冻胀变形产生上拔力。（2）法向冻胀力垂直于结构物基础底面，当基础埋深超过冻结深度，法向冻胀力N把基础向上抬起。（