其他作用(荷载与结构设计方法)

荷载与结构设计方法§5.1温度作用§5.2变形作用§5.3爆炸作用§5.4浮力作用§5.5冲击力和撞击力§5.6制动力§5.7离心力§5.8预加力第5章其他作用§5.1温度作用§5.1.1温度作用基本概念及原理温度应力：结构或构件的温度发生变化时，任一点的热变形（膨胀或收缩）受到周围相邻单元体的约束（内约束）或其边界受到其他结构或构件的约束（外约束），使体内该点产生一定的应力。§5.1温度作用§5.1.1温度作用基本概念及原理例：1）各类建筑的屋面板，产生温度应力和温度变形；2）浇筑地下构筑物和高层建筑筏形基础等大体积混凝土结构时，水化热温升和降温散热引起贯穿裂；3）钢结构的焊接过程，焊缝及附近温度最高，可达16000C以上，其邻近区域则温度急剧下降。不均匀的温度场使材料产生不均匀的膨胀。火灾对于工程结构来说也是一种危害较大的作用，它对人们的生命财产安全、对环境的破坏十分巨大。火灾作用是一种荷载作用，火灾荷载为：FAWq01式中q1—火灾荷载；W0—火灾区域纤维类燃料的质量；AF—火灾区域的地板面积。§5.1温度作用§5.1.1温度作用基本概念及原理A：静定结构温度变化引起材料膨胀和收缩变形是自由的，在结构上不引起内力，变形由虚功原理导出。B：超静定结构超静定结构，存在赘余约束，温度变化引起的杆件变形不是自由的，受到约束，在结构上产生内力，此内力与结构的刚度大小有关，超静定结构中的温度作用效应，根据变形协调条件，按弹性理论方法计算。§5.1温度作用§5.1.2温度应力和变形的计算变形：结构或构件的支座或地基发生不均匀沉降等，使结构物被迫产生的变形。A：静定结构：允许构件产生符合其约束条件的位移，结构不产生应力和应变。B：超静定结构：多余约束束缚结构的自由变形，产生应力和应变。§5.2变形作用例：1）地基土的不均匀性引起的变形；2）地基土发生冻融、冻胀、湿陷等现象；3）地基比较均匀，上部结构荷载、刚度相差过大，产生沉降。都会引起结构内力。钢筋混凝土结构，存在着两种特殊的变形作用，即混凝土的收缩和徐变。混凝土的收缩：混凝土在空气中硬化时体积减小的现象。在混凝土中产生拉应力，加速裂缝的产生和发展。§5.2变形作用混凝土的徐变：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而增长的现象。徐变对结构不利影响：A：在长期荷载作用下的受弯构件，徐变使挠度增大1—2倍；B：长细比较大的偏心受压构件，徐变引起的附加偏心距增大，构件的强度降低约20%；C：过度的变形会影响到路面的平整度。§5.2变形作用工程中大量的结构都属于超静定结构，结构由变形作用引起的内力足够大时，可能引起房屋开裂、影响结构正常使用甚至倒塌等，在结构设计计算中必须考虑变形作用。§5.2变形作用爆炸是物质运动急剧增速，由一种状态迅速转变成另一种状态，并将其内含的能量，在瞬时集中释放的现象。结构工程中遇到的爆炸主要有四类：①燃料爆炸：汽油和煤气等燃料以及易燃化工产品在一定条件下起火爆炸；②工业粉尘爆炸：面粉厂、纺织厂等生产车间充斥着颗粒极细的粉尘，在一定的温度和压力条件下突然起火爆炸。③武器爆炸：战争期间的常规武器和核武器的轰击、汽车炸弹的袭击以及军火仓库的爆炸。④定向爆炸：为拆除现有结构而设计的爆炸。§5.3爆炸作用§5.3.1爆炸的概念①震荡作用：在破坏作用的区域内，有一个能使物体震荡、使之松散的力量。②冲击波作用：随爆炸的出现，冲击波最初出现正压力，而后出现负压力。负压力就是气压下降后的空气振动，称为吸引作用③碎片的冲击作用：爆炸产生的碎片，飞散范围100—500米，碎片的体积越小，飞散的速度越大，危害越严重。④热作用（火灾）：爆炸温度约在2000—30000C左右，爆炸气体扩散发生在极短的瞬时，一般可燃物质不足以起火燃烧。建筑物内遗留大量的热，把从破坏设备内部流出的可燃气体或易燃、可燃蒸气点燃，使建筑物内的可燃物全部起火，加重爆炸的破坏程度。§5.3爆炸作用§5.3.2爆炸的破坏作用水浮力：作用于建筑物底面由下向上的水压力，等于建筑物排开同体积的水重力。水浮力对处于地下水中的结构受力和工作性能有明显影响。例：贮液池底面位于地下水位以下时，若贮液池为空载情况，浮力可能会使整个贮液池或底板局部上移，使底板和顶盖顶裂，贮液池应进行整体抗浮验算。§5.4浮力作用A：存在静水压力的透水性土，如砂类土、碎石土、粘砂土等，计算水浮力。B：桥梁墩台，水浮力对墩台的稳定性不利，验算墩台的稳定。C：基础嵌入不透水性地基，不计算水浮力。D：完整岩石上的基础，当基础与基底岩石之间灌注混凝土且接触良好时，水浮力不计；§5.4浮力作用冲击作用：车辆在正常或较高时速在桥上行驶时，由于车辆荷载的快速施加，以及桥面的不平整等原因，引起桥梁结构的振动。§5.5冲击力和撞击力§5.5.1汽车竖向冲击力冲击作用目前没有完全符合实际情况的理论分析和实际计算，采用粗糙的近似方法。设计时，汽车荷载的冲击力为汽车荷载乘以冲击系数。§5.5冲击力和撞击力§5.5.1汽车竖向冲击力《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77-98）规定，计算桥上人行道栏杆时，考虑作用在栏杆上的汽车撞击力。防撞栏杆采用80KN横向集中力进行验算，作用点在防撞栏杆板的中心。§5.5冲击力和撞击力§5.5.2汽车水平撞击力通航河流或有漂流物河流中的桥梁墩台考虑船只或漂流物的撞击力。撞击力有时十分巨大，达1000KN以上，采用实测资料计算。§5.5冲击力和撞击力§5.5.3船只或漂流物的撞击力汽车制动力：汽车刹车时车轮和路面接触面之间产生的水平摩擦力，等于摩擦因数乘以车辆的总重力。§5.6冲击力和撞击力§5.6.1汽车制动力影响制动力大小的因素：路面的粗糙状况及充气压力的大小、制动装置的灵敏性、行车速度等。路面摩擦因素：水泥混凝土路面：0.74沥青混凝土路面：0.62平整的泥结碎石路面：0.60(根据气候条件和路面潮湿情况不同而变化）。§5.6冲击力和撞击力§5.6.1汽车制动力《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77-98）规定一个设计车道的制动力按下列要求取值：采用城—A级汽车荷载设计时，制动力采用160KN或10%车道荷载，取两者中的较大值，不包括冲击力。§5.6冲击力和撞击力§5.6.1汽车制动力采用城—B级汽车荷载设计时，制动力应采用90kN或10%车道荷载，并取两者中的较大值，不包括冲击力。四车道的桥梁：制动力按上述规定数值增加1倍。履带车和平板挂车不计制动力。§5.6冲击力和撞击力§5.6.1汽车制动力工业厂房中，吊车起吊重物，吊车在启动和运行中的刹车产生制动力。吊车制动力（水平荷载）分为纵向制动力（纵向水平荷载）与横向制动力（横向水平荷载）。§5.6冲击力和撞击力§5.6.2吊车制动力§5.6冲击力和撞击力§5.6.2吊车制动力吊车纵向制动力：吊车（大车）沿厂房纵向启动或刹车时，吊车自重和吊重所引起的纵向水平惯性力。maxT吊车的横向制动力：小车吊有额定最大起重量时，沿厂房横向启动或刹车引起的横向水平惯性力。§5.6冲击力和撞击力§5.6.2吊车制动力《建筑结构荷载规范》规定，吊车纵向水平荷载按一侧所有制动轮最大轮压之和的10%确定，吊车纵向水平荷载设计值：：max01.0PT作用位置：轨道顶面吊车横向水平荷载：gQQT)(1§5.6冲击力和撞击力§5.6.2吊车制动力—吊车横向水平荷载系数（横向制动系数）。tQtQtQ7508.0501510.01012.0对于软钩吊车对于硬钩吊车：20.0式中：Q—吊车的额定起重量；Q1—小车重量；g—重力加速度；—吊车横向水平荷载系数（横向制动系数）。§5.6冲击力和撞击力§5.6.2吊车制动力假设吊车横向水平荷载等分于大车的两侧，由轨道上的车轮平均传至轨道，方向与轨道垂直，考虑正、反两个方向的刹车情况。§5.6冲击力和撞击力§5.6.2吊车制动力1、概念：桥梁离心力是车辆在弯道行驶时产生的惯性力；以水平力的形式作用于桥梁结构。《城市桥梁设计荷载标准》规定，位于曲线上桥梁的墩台，曲率半径小于或等于250m时，计算离心力。离心力为车辆荷载乘以离心力系数C。2、离心力系数：gRvC2式中v—设计速度，m/s，按桥梁所在路线设计速度采用；R—弯道曲线半径，m；§5.7离心力式中若v以km/h计，则RvC12723、计算多车道离心力时，计入车道的横向折减系数。4、离心力的着力点：在汽车的重心上，离桥面1.2m，也可移到桥面上。5、离心力对墩台的影响：将离心力均匀分布在桥跨上由两墩平均分担。§5.7离心力构件未受力之前，对钢筋混凝土构件的受拉区预先施加压应力，使构件在使用荷载下产生的拉应力大部分被预压应力抵消。达到改善普通混凝土缺点的目的；混凝土构件在使用荷载下提高构件的抗裂能力（可不出现拉应力或允许出现拉应力而不致开裂、或推迟开裂、或者限制裂缝宽度大小）。§5.8预加力§5.8.1预加应力的概念外部预加力和内部预加力。结构杆件中的预加力来自结构之外时，所加的预加力称为外部预加力（例：混凝土拱桥的拱顶用千斤顶施加水平预压力；大多数工程中采用内部预加力。内部预加力法通过张拉预应力筋来实现。§5.8预加力§5.8.2预加应力的方法按照张拉钢筋与浇捣混凝土的先后次序不同分为：分为先张法和后张法。1、先张法（1）定义：先张拉钢筋，后浇灌混凝土构件。（2）工序（先张法施工的三个阶段）ａ、张拉钢筋；ｂ、支模、浇灌混凝土和养护；ｃ、混凝土达到一定强度，放松钢筋建立预应力§5.8预加力§5.8.2预加应力的方法§5.8预加力§5.8.2预加应力的方法结论：先张法预应力混凝土构件，预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。这种力的传递过程，需要经过一段传递长度ltr才能完成。（3）先张法的适用范围先张法构件采用工厂化的生产方式，工序少，工艺简单，质量易保证，适用于生产中小型构件。如楼板，屋面板。§5.8预加力§5.8.2预加应力的方法2、后张法（1）定义：先浇灌混凝土构件，后张拉钢筋。（2）工序：浇砼，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固孔道灌浆；§5.8预加力§5.8.2预加应力的方法§5.8预加力§5.8.2预加应力的方法结论：后张法预应力构件，预应力是依靠钢筋端部的锚具来传递的。（3）后张法的适用范围后张法施工程序和工艺复杂，需专用张拉设备和特制锚具，用钢量大；不需要固定的张拉台座，可在现场施工，应用灵活。适用于不便于运输的大型构件。§5.8预加力§5.8.2预加应力的方法常见的预应力结构为无粘结预应力混凝土结构，属后张法。钢筋表面涂膜防腐蚀油脂，与混凝土一同浇筑。避免预留孔洞、穿筋、灌浆繁杂过程。适用于跨度大于6m的楼板及大跨度梁。§5.8预加力§5.8.2预加应力的方法预应力钢筋的张拉应力在预应力混凝土构件施工及使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因是在不断降低的，经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种预应力钢筋应力的降低，称为预应力损失。预应力的建立是通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失，引起预应力损失的原因有六大类。§5.8预加力§5.8.3预应力损失A.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1；B.张拉预应力钢筋时预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失σl2；C.混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失σl3；D.钢筋应力松弛引起的预应力损失σl4E.混凝土的收缩徐变引起的预应力损失σl5F.当环形构件直径d=3m时，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土局部挤压引起的预应力损失σL6§5.8预加力§5.8.3预应力损失