荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法(緒論).

1、荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法（荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法（36學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 本課程主要內(nèi)容：介紹了工程結(jié)構(gòu)各類荷載及作用的概念、原理、計(jì)算方法，以及結(jié)構(gòu)可靠度分析原理和滿足可靠度要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。 若干建筑工程及荷載示例若干建筑工程及荷載示例n風(fēng)荷載風(fēng)荷載：塔科馬大橋風(fēng)毀錄像n海浪作用海浪作用：印尼海嘯錄像n地震作用地震作用：汶川地震地震科普n撞擊作用撞擊作用：911恐怖襲擊n土側(cè)壓力土側(cè)壓力：上海蓮花河畔景苑建筑事故上海蓮花河畔景苑建筑事故（2009年6月27日）此工程位于上海閔行區(qū)蓮花南路羅陽路口西側(cè)，共有13層，建筑面積：70000平方米，占地面積：41176平方米。n原因原因 土質(zhì)

2、軟 PHC管樁水平承受力小 開挖地下車庫 堆土過高堆土過高 天氣n結(jié)論結(jié)論n建議土質(zhì)軟 上海市一個(gè)沖積平原，土質(zhì)較軟，從地質(zhì)條件上來講上海有三種類型土。平均每平方米最大承載力為12噸，如蘇州河一帶平均每平方米最大承載力8噸，如浦東區(qū)一帶平均每平方米最大承載力為5噸，就是事故發(fā)生的閔行區(qū)一帶。 PHC管樁水平承受力小nPHC管樁水平承受力的極限為極限為7 7噸噸 開挖地下車庫n建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定，軟土場地已成樁條件下，開挖基坑高度不應(yīng)超過高度不應(yīng)超過1m1m。n蓮花河畔景苑的建設(shè)方在7號樓建好后，要求在它的南側(cè)離樓不到4.5m的地方，開挖了一個(gè)深達(dá)深達(dá)4.6m4.6m，長80m，寬40

3、m的基坑。堆土過高n蓮花河畔景苑的土最大承載力為最大承載力為5 5噸噸，在沒有任何防護(hù)措施的情況下，堆土高度高度不應(yīng)超過3m，而在既沒有打圍樁又沒有打樁基的情況下，在7號樓的北側(cè)堆了高達(dá)10m長80m寬10m的大概7000方的土，推算下來每平方米的土承受壓力1111噸噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這類土的最大承載力，從而引起了地面下312m的土很大程度上的形變，形變的土擠向四周，對樁就產(chǎn)生了一個(gè)非常大的推力。 天氣n事故發(fā)生在雨季，上海的降水量大，北面土堆的重量大大增加，土層所受的壓力增加，土對樁的推力就增大。同時(shí)，土層里含水量增加，使顆粒與顆粒的摩擦力減小，土的流動(dòng)性增加，進(jìn)一步加大了土對樁的推動(dòng)力，也使樁南

4、面的支撐力也減小。開挖地下車庫開挖地下車庫堆土堆土土形變土形變對樁的推力對樁的推力樁斷裂樁斷裂下雨下雨土含水量土含水量土的流動(dòng)性土的流動(dòng)性土堆的重土堆的重量量支撐力支撐力建議n建議一：考慮到堆土的話，不應(yīng)選用的PHC樁，其水平承載能力較差。改用灌注樁（施工時(shí)用翻插法）n建議二：嚴(yán)格按照施工程序，先下后上。并且做好安全措施防護(hù)。n建議三：建設(shè)管理單位應(yīng)盡快填補(bǔ)體制空白，明確自己職責(zé)范圍，盡到監(jiān)督責(zé)任。n建議四：專業(yè)工作人員，應(yīng)定期進(jìn)行培訓(xùn)，補(bǔ)充相關(guān)專業(yè)知識。本課程具體章節(jié)本課程具體章節(jié)n第一章第一章 緒論緒論n第二章第二章 重力荷載重力荷載n第三章第三章 風(fēng)荷載風(fēng)荷載n第四章第四章 地震作用地震

5、作用n第五章側(cè)壓力第五章側(cè)壓力n第六章第六章 其他荷載與作用其他荷載與作用n第七章第七章 荷載的統(tǒng)計(jì)分析荷載的統(tǒng)計(jì)分析n第八章第八章 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的統(tǒng)計(jì)分析n第九章第九章 結(jié)構(gòu)可靠度分析與計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度分析與計(jì)算n第十章第十章 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法n附錄附錄第一章 術(shù)語符號及緒論（2學(xué)時(shí)）1.0 術(shù)語符號術(shù)語符號（參照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB50009-2012）1.1 荷載與作用荷載與作用 1.工程結(jié)構(gòu)的三項(xiàng)基本功能：一是提供能良好地為人類生活和生產(chǎn)服務(wù)，滿足人類使用要求、審美要求的結(jié)構(gòu)空間和實(shí)體。 另一個(gè)是承受和抵御結(jié)構(gòu)服役過程中可能出現(xiàn)的各種環(huán)境作用。

6、 第三是結(jié)構(gòu)的耐久性要求。（時(shí)間）2.結(jié)構(gòu)上的作用結(jié)構(gòu)上的作用：能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)（結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、裂縫等）的各種原因的總稱。3.3.作用效應(yīng)（作用效應(yīng)（S S）：作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的內(nèi)力（彎矩、扭矩、剪力、壓力、拉力等）和變形（撓度、扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸、壓縮、裂縫等）。作用效應(yīng)分類：荷載（直接）效應(yīng)；間接作用效應(yīng)。荷載效應(yīng)：恒荷載效應(yīng)、活荷載效應(yīng)、風(fēng)荷載效應(yīng)等。荷載Q與荷載效應(yīng)S之間，一般近似按線性關(guān)系考慮： S=CQ（C為荷載效應(yīng)系數(shù)）間接作用效應(yīng)：地震作用效應(yīng)、溫度作用效應(yīng)、變形作用效應(yīng)等。4.結(jié)構(gòu)上作用的分類結(jié)構(gòu)上作用的分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類結(jié)構(gòu)上的

7、作用及其分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類結(jié)構(gòu)上的作用及其分類荷載分類荷載分類荷載分類荷載分類荷載代表值荷載代表值荷載代表值荷載代表值荷載代表值荷載代表值荷載代表值荷載代表值工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況u 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法是建立在彈性理論基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法。其表達(dá)式為：容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法是建立在彈性理論基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法。其表達(dá)式為： 式中，式中， 構(gòu)件在使用階段構(gòu)件在使用階段(使用荷載作用下使用荷載作用下)截面上的最大應(yīng)力；截面上的最大應(yīng)力； 材料的容許應(yīng)力。材料的

8、容許應(yīng)力。容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法計(jì)算簡單，但其有許多問題：容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法計(jì)算簡單，但其有許多問題：沒有考慮材料塑性性質(zhì)。沒有考慮材料塑性性質(zhì)。沒有對作用階段給出明確的定義，也就是使用期間荷載的取值原則規(guī)定得沒有對作用階段給出明確的定義，也就是使用期間荷載的取值原則規(guī)定得不明確。不明確。把影響結(jié)構(gòu)可靠的各種因素把影響結(jié)構(gòu)可靠的各種因素(荷載的變異、施工的缺陷、計(jì)算公式的誤差等荷載的變異、施工的缺陷、計(jì)算公式的誤差等)統(tǒng)統(tǒng)歸結(jié)在反映材料性質(zhì)的容許應(yīng)力統(tǒng)統(tǒng)歸結(jié)在反映材料性質(zhì)的容許應(yīng)力 上，顯然不夠合理。上，顯然不夠合理。 的取值無科學(xué)根據(jù)，純屬經(jīng)驗(yàn)的，歷史上曾多次提高過材料的容許應(yīng)的取值無科學(xué)根據(jù)，純屬經(jīng)驗(yàn)

9、的，歷史上曾多次提高過材料的容許應(yīng)力值。力值。按容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)的構(gòu)件是否安全可靠，無法用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。按容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)的構(gòu)件是否安全可靠，無法用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況u 破損階段設(shè)計(jì)法破損階段設(shè)計(jì)法 針對容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法存在的缺陷，之后出現(xiàn)了假定材料均已達(dá)到塑性狀針對容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法存在的缺陷，之后出現(xiàn)了假定材料均已達(dá)到塑性狀態(tài)，依據(jù)截面所能抵抗的破損內(nèi)力建立的計(jì)算公式。其設(shè)計(jì)表達(dá)式為：態(tài)，依據(jù)截面所能抵抗的破損內(nèi)力建立的計(jì)算公式。其設(shè)計(jì)表達(dá)式為： 式中，式中， 構(gòu)件最終破壞時(shí)的承載能力；構(gòu)件最終破壞時(shí)的承載能力； 安全系數(shù)，用來考慮影響結(jié)構(gòu)安全的所有因素。安

10、全系數(shù)，用來考慮影響結(jié)構(gòu)安全的所有因素。優(yōu)點(diǎn)為：優(yōu)點(diǎn)為：它可以反映材料的塑性性質(zhì)，結(jié)束了長期以來假定混凝土為彈性體的局面。它可以反映材料的塑性性質(zhì)，結(jié)束了長期以來假定混凝土為彈性體的局面。采用一個(gè)安全系數(shù)，使構(gòu)件有了總的安全度的概念。采用一個(gè)安全系數(shù)，使構(gòu)件有了總的安全度的概念。它以承載能力值它以承載能力值(如如 )為依據(jù)，其計(jì)算值是否正確可由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。為依據(jù)，其計(jì)算值是否正確可由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。MMKu/uMkuM工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況 蘇聯(lián)曾把該理論用下式來表達(dá)：蘇聯(lián)曾把該理論用下式來表達(dá)： 式中，式中，M正常使用時(shí)，由各種荷載正常使用時(shí)，由各種荷載 所產(chǎn)生的截面內(nèi)力；

11、所產(chǎn)生的截面內(nèi)力； a反映截面尺寸等的尺寸函數(shù)；反映截面尺寸等的尺寸函數(shù)；k安全系數(shù)安全系數(shù) ， 材料強(qiáng)度的平均值。材料強(qiáng)度的平均值。破損階段理論仍存在一些重大缺點(diǎn)：破損階段理論仍存在一些重大缺點(diǎn)：破損階段計(jì)算，構(gòu)件的承載力是得以保證，但卻無法了解構(gòu)件在正常使用破損階段計(jì)算，構(gòu)件的承載力是得以保證，但卻無法了解構(gòu)件在正常使用時(shí)能否滿足正常使用要求。時(shí)能否滿足正常使用要求。安全系數(shù)安全系數(shù)K的取值仍須經(jīng)驗(yàn)確定，并無嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)。的取值仍須經(jīng)驗(yàn)確定，并無嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)。采用籠統(tǒng)的單一安全系數(shù)，無法就不同荷載、不同材料結(jié)構(gòu)件安全的影響采用籠統(tǒng)的單一安全系數(shù)，無法就不同荷載、不同材料結(jié)構(gòu)件安全的影響

12、加以區(qū)別對待，不能正確地度量結(jié)構(gòu)的安全度。加以區(qū)別對待，不能正確地度量結(jié)構(gòu)的安全度。荷載荷載 的取值仍然也是經(jīng)驗(yàn)值；的取值仍然也是經(jīng)驗(yàn)值；表達(dá)式中采用的材料強(qiáng)度是平均值，它不能正確反映材料強(qiáng)度的變異程度，表達(dá)式中采用的材料強(qiáng)度是平均值，它不能正確反映材料強(qiáng)度的變異程度，顯然也是不夠合理的。顯然也是不夠合理的。12() ,(, ,)iuffKMqMa1f2fiq工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況uMM limmaxffu多系數(shù)多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法由于破損階段理論仍有許多缺點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展的極限狀態(tài)理論應(yīng)由于破損階段理論仍有許多缺點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展的極限狀態(tài)理論應(yīng)運(yùn)而生。極限

13、狀態(tài)的主要概念是明確結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)入某種狀態(tài)后就喪運(yùn)而生。極限狀態(tài)的主要概念是明確結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)入某種狀態(tài)后就喪失其原有功能，這種狀態(tài)唄成為極限狀態(tài)。當(dāng)時(shí)曾提出失其原有功能，這種狀態(tài)唄成為極限狀態(tài)。當(dāng)時(shí)曾提出3種極限狀態(tài)：種極限狀態(tài)：承載力極限狀態(tài)，撓度極限狀態(tài)，裂縫開展寬度極限狀態(tài)、其表達(dá)式承載力極限狀態(tài)，撓度極限狀態(tài)，裂縫開展寬度極限狀態(tài)、其表達(dá)式為：為：limmaxWW優(yōu)點(diǎn)：客服了破損理論無法了解構(gòu)件在正常使用時(shí)優(yōu)點(diǎn)：客服了破損理論無法了解構(gòu)件在正常使用時(shí)能否滿足正常使用要求的缺陷能否滿足正常使用要求的缺陷承載力極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)撓度極限狀態(tài)撓度極限狀態(tài)裂縫開展寬度極限狀態(tài)裂縫開展寬度極

14、限狀態(tài)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況u概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是以概率理論為基礎(chǔ)，將作用效應(yīng)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是以概率理論為基礎(chǔ)，將作用效應(yīng)和影響結(jié)構(gòu)抗力的主要因素作為隨機(jī)變量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和影響結(jié)構(gòu)抗力的主要因素作為隨機(jī)變量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析確定可靠概率來度量結(jié)構(gòu)可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其特點(diǎn)確定可靠概率來度量結(jié)構(gòu)可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其特點(diǎn)是有明確的、用概率尺度表達(dá)的結(jié)構(gòu)可靠度的定義，通過是有明確的、用概率尺度表達(dá)的結(jié)構(gòu)可靠度的定義，通過預(yù)先規(guī)定的可靠指標(biāo)值，使結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間，以及不同材料預(yù)先規(guī)定的可靠指標(biāo)值，使結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間，以及不同材料組成的結(jié)構(gòu)之

15、間有較為一致的可靠度水平。組成的結(jié)構(gòu)之間有較為一致的可靠度水平。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論演變簡況u概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法國際上把處理可靠度的精確程度分為國際上把處理可靠度的精確程度分為3個(gè)水準(zhǔn)。個(gè)水準(zhǔn)。(1) 水準(zhǔn)水準(zhǔn)I半概率方法。半概率方法。對荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的基本變量部分地進(jìn)行對荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力的基本變量部分地進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并與工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合引入某些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，所以尚不能定量地估數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并與工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合引入某些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，所以尚不能定量地估計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性。計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性。(2) 水準(zhǔn)水準(zhǔn)II近似概率法。近似概率法。該法對結(jié)構(gòu)可靠性賦予概率定義，以結(jié)構(gòu)的

16、該法對結(jié)構(gòu)可靠性賦予概率定義，以結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標(biāo)來度量結(jié)構(gòu)可靠性，并建立了結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)極限狀失效概率或可靠指標(biāo)來度量結(jié)構(gòu)可靠性，并建立了結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，在計(jì)算可靠指標(biāo)時(shí)考慮了基本變量的概率分布類型，態(tài)方程之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，在計(jì)算可靠指標(biāo)時(shí)考慮了基本變量的概率分布類型，并采用了線性化的近似手段，在設(shè)計(jì)截面時(shí)一般采用分項(xiàng)系數(shù)的實(shí)用設(shè)計(jì)表并采用了線性化的近似手段，在設(shè)計(jì)截面時(shí)一般采用分項(xiàng)系數(shù)的實(shí)用設(shè)計(jì)表達(dá)式。目前我國的達(dá)式。目前我國的工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB 501531992)、建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB 500682001)都采用了這種近似概率都采用了這種近似概率法，在此基礎(chǔ)上頒布了各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范。法，在此基礎(chǔ)上頒布了各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范。(3) 水準(zhǔn)水準(zhǔn)III全概率法。全概率法。這是完全基于概率論的結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方