第六章-其它荷载与作用(修改)

荷载与结构设计方法第六章其它荷载与作用第六章其它荷载与作用本章内容第一节温度作用第二节变形作用第三节冻胀力第四节爆炸作用第五节行车动态作用第一节温度作用一、温度作用基本概念及原理温度作用——因温度变化引起的结构变形和附加力。当结构物所处环境的温度发生变化，且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，就会在结构或构件内形成一定的应力，这个应力被称为温度应力，即温度作用，是指因温度变化引起的结构变形和附加力。温度作用大小影响因素：环境温度变化约束条件工程上的约束条件：（1）结构物的变形受到其它物体的阻碍或支承条件的制约，不能自由变形。框架结构基础梁的伸缩变形受到柱基约束，没有任何变形余地。第一节温度作用（2）构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。①简支屋面梁，在日照作用下屋面温度高于室内温度，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。②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。第一节温度作用二、温度应力计算根据不同的结构类型和约束条件考虑温度变化对结构内力和变形的影响。静定结构在温度变化时能够产生自由变形，结构物无约束应力产生，故无内力。此变形可由变形体系的虚功原理计算。静定结构：第一节温度作用1)-(6/0htPMtPNpt结构中任一点P沿任意方向p-p的变形；材料的线膨胀系数（1/℃）。温度每升高或降低1℃，单位长度构件的伸长或缩短量主要材料线膨胀系数见表6-1；杆件轴线处的温度；杆件上、下侧温度差的绝对值；杆件截面高度；杆件的图的面积，图为虚拟状态下轴力大小沿杆件的分布图；杆件的图的面积，图为虚拟状态下弯矩大小沿杆件的分布图。pt0tthPNPM第一节温度作用存在多余约束，其温度作用效应的计算，一般根据变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。超静定结构：材料线膨胀系数/(×10-6/℃)轻骨料混凝土7普通混凝土10砌块6～10钢、锻铁、铸铁12不锈钢16铝、铝合金24表6-1常用材料的线膨胀系数第一节温度作用变形作用的概念所谓变形作用，实质上是结构物由于种种原因引起的变形受到多余约束的阻碍，而导致结构物产生内力。①由于外界因素造成结构基础的移动或不均匀沉降；②由于自身原因收缩或徐变使构件发生伸缩变形。第二节变形作用对于静定结构：允许产生符合其约束条件的位移，结构内不会产生应力和应变对于超静定结构：多余约束限制结构自由变形，从而产生应力和应变产生原因第二节变形作用由于在工程实际中大量碰到的是超静定问题，在这种情况下，由于变形作用引起的内力问题必须引起我们足够的重视，譬如支座的下沉或转动引起结构物的内力；地基不均匀沉降使得上部结构产生次应力，严重时会使房屋开裂；构件的制造误差使得强制装配时产生内力等等。图6-1工程结构物的变形二、混凝土收缩和徐变混凝土收缩：混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。对于混凝土结构而言，有两种特殊的变形作用，即徐变和收缩。第二节变形作用混凝土徐变：混凝土在长期外力作用下产生随时间而增长的变形称为徐变为了把应变和应力减到最小，必须采取多种措施，或是便于建筑物的不均匀变形，或是加强各个部分并把各个部分连结在一起，以抵抗变形及由此产生的应力。一种常用的方法就是设置伸缩缝和施工缝，特别是沿建筑物的屋顶和外墙设置。（1）限制结构物伸缩缝距离，控制结构不要过长；（2）设置后浇带减少混凝土早期收缩影响；（3）收缩应力较大部位加强配筋；（4）采用补偿收缩混凝土，抵销收缩变形和约束应力等。第二节变形作用工程设计中如何考虑？设置后浇带第二节变形作用一、土的冻胀原理及作用冻土在寒冷地区，温度降低至冻结温度时，土中液态水冻结为固态冰，冰胶结了土颗粒形成的一种特殊连结的土，称为冻土。根据存在时间长短分为多年冻土季节性冻土瞬时冻土季节性冻土地基在冻结和融化过程中，往往产生冻胀和融陷，过大的冻融变形，将造成结构物的损伤和破坏。第三节冻胀力冻胀力又称冻拔力，季节性冻土层中，由于冰夹层及冰镜体的形成使土层产生均匀或不均匀的隆起、鼓包、开裂等现象。冰融化后土层又会发生明显下沉，往往对路基、桥梁、隧道等交通工程的施工及维护造成很大困难。冻账力冻胀力土体冻结体积增大，土体膨胀变形受到约束时产生，约束越强，冻胀力也就越大。当冻胀力达到一定界限时不再增加，这时的冻胀力就是最大冻胀力。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。第三节冻胀力平均冻胀率地面最大冻胀量与土的冻结深度之比。根据冻胀率的不同，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》给出了地基土的冻胀性分类，见表6.2。冻胀力分为：切向冻胀力、法向冻胀力和水平冻胀力。第三节冻胀力地基土的冻胀性可根据平均冻胀率分类第三节冻胀力表6-2地基土的冻胀性分类土的名称冻前天然含水量ω(%)冻结期间地下水位距冻结面的最小距离hw(m)平均冻胀率η(%)冻胀等级冻胀类别碎（卵）石、砾、粗、中砂（粒径小于0.075mm颗粒质量分数大于15%），细砂（粒径小于0.075mm颗粒质量分数大于10%）ω≤12＞1.0η≤1Ⅰ不冻胀≤1.01＜η≤3.5Ⅱ弱冻胀12＜ω≤18＞1.0≤1.03.5＜η≤6Ⅲ冻胀ω＞18＞0.5≤0.56＜η≤12Ⅳ强冻胀粉砂ω≤14＞1.0η≤1Ⅰ不冻胀≤1.01＜η≤3.5Ⅱ弱冻胀14＜ω≤19＞1.0≤1.03.5＜η≤6Ⅲ冻胀19＜ω≤23＞1.0≤1.06＜η≤12Ⅳ强冻胀ω＞23不考虑η＞12Ⅴ特强冻胀粉土ω≤19＞1.5η≤1Ⅰ不冻胀≤1.51＜η≤3.5Ⅱ弱冻胀19＜ω≤22＞1.5≤1.53.5＜η≤6Ⅲ冻胀22＜ω≤26＞1.5≤1.56＜η≤12Ⅳ强冻胀26＜ω≤30＞1.5≤1.5η≤12Ⅴ特强冻胀ω＞30不考虑粘性土ω≤ωp+2＞2.0η≤1Ⅰ不冻胀≤2.01＜η≤3.5Ⅱ弱冻胀ωp＜ω≤ωp+5＞2.0≤2.03.5＜η≤6Ⅲ冻胀ωp+5＜ω≤ωp+9＞2.0≤2.06＜η≤12Ⅳ强冻胀ωp+9＜ω≤ωp+15＞2.0≤2.0η＞12Ⅴ特强冻胀ω＞ωp+15不考虑注：ωp——塑限含水量（%）；ω——在冻土层内冻前天然含水量的平均值。第三节冻胀力PGTTTTN冻土深度冻胀力ho（1）切向冻胀力平行于结构物基础侧面产生上拔力，下图所示基础侧面作用的侧向力T。（2）法向冻胀力垂直于结构物基础底面，下图所示基础底面作用的法向力N。第三节冻胀力PGTTTTN冻土深度冻胀力ho（3）水平冻胀力垂直作用于基础或结构物侧面，当水平冻胀力对称作用于基础两侧，侧向力相互平衡，对结构无不利影响；当水平冻胀力作用于下图所示挡土结构侧壁时，会产生水平方向推力，类似于土压力的作用。第三节冻胀力一、爆炸的概念爆炸是物质系统在足够小的容积内，以极短的时间突然迅速释放大量能量，以致产生一个从爆源向有限空间传播出去的一定幅度的压力波的物理或化学过程。爆炸按照爆炸发生机理和作用性质分：物理爆炸、化学爆炸、燃气爆炸和核爆炸等多种类型。第四节爆炸作用二、爆炸力学性质1.压力时间曲线核爆升压时间很快；化爆升压时间相对较慢，峰值压力亦较核爆为低；燃爆升压最慢，峰值压力也更低。2.冲击波和压力波爆炸会在瞬间压缩周围空气而产生超压，爆炸压力超过正常大气压，核爆、化爆和燃爆都产生不同幅度的超压，其作用效应相当于静压。从压力时间曲线看：超压第四节爆炸作用OOOPP2PP1PP1tttt2t2负压段（a）核爆炸（b）化学爆炸（c）燃气爆炸图6-2压力—时间曲线在极短的时间内压力达到峰值，气体急速地被挤压和推进而产生冲击波。冲击波所到之处，除产生超压外，还带动波阵面后空气质点高速运动引起动压，动压与物体形状和受力面方位有关，类似于风压。以超压为主，动压很小，可以忽略，其爆炸波属压力波。核爆、化爆燃气爆炸第四节爆炸作用cdccepKqvkpp32)(04.05.03VAppVvk1.由炸药、燃气、粉尘等引起的爆炸荷载宜按等效静力荷载采用。2.在常规炸药爆炸动荷载作用下，结构构件的等效均布静力荷载标准值，可按下式计算：式中：qce—作用在结构构件上的等效均布静力荷载标准值；pc—作用在结构构件上的均布动荷载最大压力，可按国家标准《人民防空地下室设计规范》GB50038-2005中第4.3.2条和第4.3.3条的有关规定采用；Kdc—动力系数，根据构件在均布动荷载作用下的动力分析结果，按最大内力等效的原则确定。3.对于具有通口板的房屋结构，当通口板面积Av与爆炸空间体积V之比在0.05~0.15之间且体积V小于1000m3时，燃气爆炸的等效均布静力荷载pk可按下列公式计算并取其较大值：式中：pv——通口板（一般指窗口的平板玻璃）的额定破坏压力（kN/m2）；Av——通口板面积（m2）；V——爆炸空间的体积（m3）。cdccepKq（6-2）（6-3）（6-4）第四节爆炸作用一、汽车制动力（1）制动力的大小与车辆和路面间的摩擦系数及汽车荷载有关《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)规定：第五节行车动态作用汽车制动力是指汽车在桥上刹车时为了克服其惯性力而在车轮与路面之间发生的滑动摩擦力。一个设计车道上汽车制动力标准值按规定的车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10％计算，但公路－Ⅰ级汽车制动力标准值不得小于165kN；公路－Ⅱ级汽车制动力标准值不得小于90kN。同向行驶双车道的汽车制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的两倍；同向行驶三车道为一个设计车道的2.34倍；同向行驶四车道为一个设计车道的2.68倍。（2）制动力的着力点在桥面以上1.2m处，计算墩台时，可移至支座铰中心或支座底座面上。计算刚构桥、拱桥时，制动力的着力点可移至桥面上，但不计因此而产生的竖向力和力矩。二、汽车冲击力冲击作用由于车辆荷载动力作用而使桥梁发生振动而造成内力和变形增大的现象。第五节行车动态作用冲击影响与结构刚度有关，一般来说，跨径越大，结构越柔，对动力荷载的缓冲作用好，冲击力影响越小。因此，冲击力是随跨径的增大而减小的。冲击系数m可按《公路桥涵设计通用规范》计算：当f1.5Hz时，m=0.05当1.5Hz≤f≤14Hz时，m=0.1767lnf-0.0157当f14Hz时，m=0.45式中f——结构基频（Hz）。由于结构物上的填料能起到缓冲和减振作用，冲击影响能被填料吸收一部分，故:对于拱桥、涵洞以及重力式墩台，当填料厚度(包括路面厚度)等于或大于0.5m时，可不计冲击力。支座的冲击力，按相应的桥梁取用。当汽车荷载局部加载以及在T形梁、箱梁悬臂板上时，冲击系数取0.3。第五节行车动态作用桥梁防撞栏杆的设计应考虑汽车对栏杆的撞击力，撞击力与车重、车速、碰撞角度等因素有关。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)的规定，汽车撞击力在车辆行车方向取1000kN，在车辆行驶垂直方向取500kN，两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上1.2m处，直接分布于撞击所涉及的构件上。对于没有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击力给予折减，但折减后的汽车撞击力不应低于上述规定值的1/6。三、汽车撞击力第五节行车动态作用gRvC2四、离心力当弯道桥的曲线半径等于或小于250m时，应计算汽车荷载产生的离心力。离心力的取值可通过车辆荷载乘以离心力系数C得到：式中v——行车速度（m/s）；R——弯道曲线半径（m）；g——重力加速度，取9.81m/s2。W——车辆总重力(kN)。RvgWRvmF22第五节行车动态作用RvRvC1276.381.9222如果将行车速度v的单位以km/h表示，并将g=9.81m/s2代入，可得：离心力应作用在汽车的重心上，一般离桥面1.2m，为了计算简便，也可移到桥面