荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法柳炳康思考題解答

1、2.10 屋面活荷載有哪些種類？如何取值？房屋建筑的屋面分為上人屋面和不上人屋面，上人屋面應(yīng)考慮可能出現(xiàn)的人群聚集，活荷載取值較大；不上人屋面僅考慮施工或維修荷載，活荷載取值較小。屋面設(shè)有屋頂花園時(shí)，尚應(yīng)考慮花池砌筑、苗圃土壤等重量。屋面設(shè)有直升機(jī)停機(jī)坪時(shí)，則應(yīng)考慮直升機(jī)總重引起的局部荷載和飛機(jī)起降時(shí)的動(dòng)力效應(yīng)。機(jī)械、冶金、水泥等行業(yè)在生產(chǎn)過程中有大量排灰產(chǎn)生，易在廠房及鄰近建筑屋面形成積灰荷載，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)加以考慮。4.1. 基本風(fēng)壓是如何定義的？影響風(fēng)壓的主要因素有哪些？基本風(fēng)壓是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下得到的，基本風(fēng)壓值是在空曠平坦的地面上，離地面10m高，重現(xiàn)期為50年的10min平均最大風(fēng)速

2、。影響風(fēng)壓的主要因素有：（1）風(fēng)速隨高度而變化，離地表越近，摩擦力越大，因而風(fēng)速越小。（2）與地貌粗糙程度有關(guān)，地面粗糙程度高，風(fēng)能消耗多、風(fēng)速則低。（3）與風(fēng)速時(shí)距風(fēng)有關(guān)，常取某一規(guī)定時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。（4）與最大風(fēng)速重現(xiàn)期有關(guān)，風(fēng)有著它的自然周期，一般取年最大風(fēng)速記錄值為統(tǒng)計(jì)樣本，對于一般結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期為50年；對于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)及對風(fēng)荷載比較敏感的結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期應(yīng)適當(dāng)提高。當(dāng)實(shí)測風(fēng)速高度、時(shí)距、重現(xiàn)期不符合標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)可進(jìn)行基本風(fēng)壓換算。4.13. 工程設(shè)計(jì)中如何考慮脈動(dòng)風(fēng)對結(jié)構(gòu)的影響？對于高聳構(gòu)筑物和高層建筑等柔性結(jié)構(gòu)，風(fēng)壓脈動(dòng)引起的動(dòng)力反應(yīng)較為顯著，必須考慮結(jié)構(gòu)風(fēng)振影響。荷

3、載規(guī)范要求，對于結(jié)構(gòu)基本自振周期T1大于0.25s的工程結(jié)構(gòu)，如房屋、屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu)；以及對于高度大于30m且高寬比大于1.5的高柔房屋，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的順風(fēng)向風(fēng)振。結(jié)構(gòu)風(fēng)振影響可通過風(fēng)振系數(shù)計(jì)算：，式中脈動(dòng)增大系數(shù)可由隨機(jī)振動(dòng)理論導(dǎo)出，此時(shí)脈動(dòng)風(fēng)輸入達(dá)文波特（Davenport）建議的風(fēng)譜密度經(jīng)驗(yàn)公式，也可查表確定。結(jié)構(gòu)振型系數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算，也可采用近似公式或查表確定。脈動(dòng)影響系數(shù)v主要反應(yīng)風(fēng)壓脈動(dòng)相關(guān)性對結(jié)構(gòu)的影響，可通過隨機(jī)振動(dòng)理論分析得到，為方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，已制成表格，供直接查用。4.14. 結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)振產(chǎn)生的原因是什么？建筑物或構(gòu)筑物受到風(fēng)力作用時(shí)

4、，橫風(fēng)向也能發(fā)生風(fēng)振。橫風(fēng)向風(fēng)振是由不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力作用造成的，它與結(jié)構(gòu)截面形狀和雷諾數(shù)有關(guān)。對于圓形截面，當(dāng)雷諾數(shù)在某一范圍內(nèi)時(shí)，流體從圓柱體后分離的旋渦將交替脫落，形成卡門渦列，若旋渦脫落頻率接近結(jié)構(gòu)橫向自振頻率時(shí)會(huì)引起結(jié)構(gòu)渦激共振。4.16. 什么情況下要考慮結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)？如何進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振驗(yàn)算？應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)Re的不同情況進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振驗(yàn)算。當(dāng)雷諾數(shù)增加到Re3.5×106，風(fēng)速進(jìn)入跨臨界范圍時(shí)，出現(xiàn)規(guī)則的周期性旋渦脫落，一旦旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)橫向自振頻率接近，結(jié)構(gòu)將發(fā)生強(qiáng)烈渦激共振，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，危及結(jié)構(gòu)的安全性，必須進(jìn)行橫向風(fēng)振驗(yàn)算?？缗R界強(qiáng)風(fēng)共振引起在z高處振

5、型j的等效風(fēng)荷載可由下列公式確定： 式中 計(jì)算系數(shù)；在z高處結(jié)構(gòu)的j振型系數(shù)；第j振型的阻尼比。 橫風(fēng)向風(fēng)振主要考慮的是共振影響，因而可與結(jié)構(gòu)不同振型發(fā)生共振效應(yīng)。對跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振，設(shè)計(jì)時(shí)必須按不同振型對結(jié)構(gòu)予以驗(yàn)算。一般認(rèn)為低振型的影響占主導(dǎo)作用。只需考慮前4個(gè)振型即可滿足要求。6.3 地基不均勻沉降對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生什么樣的影響？舉例說明。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載差異較大、結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜或持力層范圍內(nèi)有不均勻地基時(shí)，會(huì)引起地基不均勻沉降，若體系為超靜定結(jié)構(gòu)，多余約束會(huì)限制結(jié)構(gòu)自由變形，使得上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形和附加應(yīng)力。當(dāng)建筑物上部結(jié)構(gòu)荷載差異較大、結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜以及持力層范圍內(nèi)有不均勻地基時(shí)，會(huì)引起地基發(fā)生

6、不均勻沉降。若體系為超靜定結(jié)構(gòu)，多余約束會(huì)限制結(jié)構(gòu)自由變形，使得上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形和附加應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)房屋開裂。圖示砌體結(jié)構(gòu)房屋，地基不均勻沉降在砌體中引起附加拉力或剪力，當(dāng)附加內(nèi)力超過砌體本身強(qiáng)度便產(chǎn)生裂縫。對于長寬比較大的磚混結(jié)構(gòu)，當(dāng)中部沉降比兩端大時(shí)產(chǎn)生八字形裂縫，當(dāng)兩端沉降比中部大時(shí)產(chǎn)生倒八字形裂縫。圖示單層廠房，因地面大面積堆載造成基礎(chǔ)偏移，柱出現(xiàn)傾斜趨勢，由于受到屋蓋支撐，柱傾斜受阻，在柱頭產(chǎn)生較大附加水平力，使柱身在彎矩作用下開裂，裂縫多集中在柱底彎矩最大處或柱身變截面處；柱身傾斜還會(huì)影響吊車正常運(yùn)行，引起滑車和卡軌現(xiàn)象。砌體結(jié)構(gòu)中部沉降過大引起的正八字裂縫 單層廠房大面積堆載基

7、礎(chǔ)下沉7.3 荷載有哪些代表值? 它們各有什么意義? 分別用于什么場合?荷載的代表值是在設(shè)計(jì)表達(dá)式中對荷載所賦予的規(guī)定值。永久荷載只有標(biāo)準(zhǔn)值；可變荷載可根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值、準(zhǔn)永久值和組合值。（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值是結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)采用的荷載基本代表值，是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值。（2）荷載頻遇值系指在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)結(jié)構(gòu)上較頻繁出現(xiàn)的較大荷載值，主要用于正常使用極限狀態(tài)的頻遇組合中。（3）荷載準(zhǔn)永久值系指在結(jié)構(gòu)上經(jīng)常作用的荷載值，它在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)具有較長的總持續(xù)時(shí)間Tx ，其對結(jié)構(gòu)的影響類似于永久荷載，主要用于正常使用極限狀態(tài)的準(zhǔn)永久組合和頻遇組合中。（4）當(dāng)

8、結(jié)構(gòu)上同時(shí)作用有兩種或兩種以上的可變荷載時(shí)，各荷載最大值在同一時(shí)刻出現(xiàn)的概率極小。此時(shí)，各可變荷載的代表值可采用組合值，即采用不同的組合值系數(shù)yc對各自標(biāo)準(zhǔn)值予以折減后的荷載值ycQk。7.5 什么是荷載效應(yīng)? 它與荷載有什么關(guān)系? 作用在結(jié)構(gòu)上的荷載Q對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，稱為荷載效應(yīng)，記作S，一般指結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力、應(yīng)力、變形等。對于線彈性結(jié)構(gòu)或靜定結(jié)構(gòu)，荷載效應(yīng)Q與荷載S之間具有線性關(guān)系，但在實(shí)際工程的許多情況下，荷載效應(yīng)與荷載之間并不存在線性關(guān)系，而是某種較為復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，但目前進(jìn)行荷載效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，考慮到應(yīng)用簡便，不管結(jié)構(gòu)材料是線性的還是非線性的、結(jié)構(gòu)是靜定的還是超靜定的，一般

9、仍假定荷載效應(yīng)S和荷載Q之間為線性關(guān)系，以荷載的統(tǒng)計(jì)規(guī)律代替荷載效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這樣可以大大簡化荷載效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析，方便工程應(yīng)用。8.3 什么結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能的不定性? 如何得出其統(tǒng)計(jì)參數(shù)?結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于受材料品質(zhì)、制作工藝、受荷情況、環(huán)境條件等因素的影響，引起材料性能的變異，導(dǎo)致了材料性能的不定性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能的不定性，應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)試件材料性能的不定性和試件材料性能換算為構(gòu)件材料性能的不定性兩部分。結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能的不定性可采用隨機(jī)變量W f來表示，而W f的平均值與變異系數(shù)經(jīng)推導(dǎo)分別為：，因此只要已知W 0（為反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能與試件材料性能差別的隨機(jī)變量）、fs（為試件材料性能值）的統(tǒng)

10、計(jì)參數(shù)，便能求得W f的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。目前，W 0的統(tǒng)計(jì)參數(shù)很難由實(shí)測得出，一般還是憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，而fs的統(tǒng)計(jì)參數(shù)則較容易得到，這方面已做了相當(dāng)多的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)工作。9.2 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分為哪幾類? 試舉例說明其主要內(nèi)容。我國建筑統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和公路統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)都將極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。（1）承載能力極限狀態(tài)。這類極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)：1）整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如雨棚、煙囪傾覆、擋土墻滑移等）；2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞，如

11、軸心受壓構(gòu)件中混凝土達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度、構(gòu)件鋼筋因錨固長度不足而被拔出等），或者因?yàn)檫^度的塑性變形而不適于繼續(xù)承受荷載；疲勞破壞是在使用中由于荷載多次重復(fù)作用而使構(gòu)件喪失承載能力。結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于塑性變形過大而使其幾何形狀發(fā)生顯著改變，這時(shí)雖未達(dá)到最大承載能力，但已徹底不能使用，故應(yīng)屬于達(dá)到這類極限狀態(tài)。3）由于某些截面或構(gòu)件的破壞而使結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；4）結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；5）地基喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）。（2）正常使用極限狀態(tài)。這類極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)：1）影響正

12、常使用或有礙外觀的變形；2）影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫過寬等）；3）影響正常使用的振動(dòng)；4）影響正常使用的其他特定狀態(tài)（如混凝土腐蝕、結(jié)構(gòu)相對沉降量過大等）。9.4 可靠指標(biāo)與失效概率有什么關(guān)系? 說明可靠指標(biāo)的幾何意義。可靠指標(biāo)和失效概率一樣，可作為度量結(jié)構(gòu)可靠性的一個(gè)指標(biāo)，可靠指標(biāo)和失效概率之間存在著對應(yīng)關(guān)系。以最簡單的兩個(gè)隨機(jī)變量情況為例，假定在功能函數(shù)Z = R-S中，R和S均服從正態(tài)分布且相互獨(dú)立，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為mR、mS和sR、sS，則結(jié)構(gòu)的失效概率為pf = PZ0=，令，則可獲得可靠指標(biāo)和失效概率之間的關(guān)系式為pf = PY-b = F（-b ）= 1-

13、F（b ）或b = F -1（1- pf ），式中F（×）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，F(xiàn) -1（×）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)。b 與pf 之間的關(guān)系見下圖1，圖中曲線為功能函數(shù)Z的概率密度函數(shù)fZ（z）。因b =mZ /sZ，平均值mZ 距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為mZ = bsZ。如標(biāo)準(zhǔn)差sZ 保持不變，b 值越小，陰影部分的面積就越大，即失效概率pf 越大；反之亦然。圖1 可靠指標(biāo)b 與失效概率pf 的關(guān)系可靠指標(biāo)b 的幾何意義：（1）當(dāng)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)包含兩個(gè)相互獨(dú)立的正態(tài)隨機(jī)變量時(shí)，可靠指標(biāo)b 的幾何意義為：標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)坐標(biāo)系中原點(diǎn)到極限狀態(tài)方程直線的最短距離。（2）當(dāng)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)包

14、含多個(gè)相互獨(dú)立的正態(tài)隨機(jī)變量時(shí)，可靠指標(biāo)b 的幾何意義為：標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)坐標(biāo)系中原點(diǎn)到極限狀態(tài)曲面的最短距離。9.7 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失效性質(zhì)對結(jié)構(gòu)體系可靠度分析有什么影響? 構(gòu)件不同的失效性質(zhì)，會(huì)對結(jié)構(gòu)體系可靠度分析產(chǎn)生不同的影響。對于靜定結(jié)構(gòu)，任一構(gòu)件失效將導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失效，其可靠度分析不會(huì)由于構(gòu)件的失效性質(zhì)不同而帶來變化。對于超靜定結(jié)構(gòu)則不同，由于某一構(gòu)件失效并不意味整個(gè)結(jié)構(gòu)將失效，而是導(dǎo)致構(gòu)件之間的內(nèi)力重分布，這種重分布與體系的變形情況以及構(gòu)件性質(zhì)有關(guān)，因而其可靠度分析將隨構(gòu)件的失效性質(zhì)不同而存在較大差異。9.8 在體系可靠度分析中，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)應(yīng)如何簡化?由于結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，在分析可靠度時(shí)，

15、常常按照結(jié)構(gòu)體系失效與構(gòu)件失效之間的邏輯關(guān)系，將結(jié)構(gòu)體系簡化為三種基本形式，即：串聯(lián)體系、并聯(lián)體系和串并聯(lián)體系。對實(shí)際超靜定結(jié)構(gòu)而言，往往有很多種失效模式，其中每一種失效模式都可用一個(gè)并聯(lián)體系來模擬，然后這些并聯(lián)體系又組成串聯(lián)體系，構(gòu)成串并聯(lián)體系。因此，在結(jié)構(gòu)體系可靠度分析中，首先應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特性、失效機(jī)理確定體系的失效模式，并主要考慮對體系可靠度影響較大的那些有出現(xiàn)較大可能性的、對結(jié)構(gòu)體系可靠度有明顯影響的失效模式，即以主要失效模式作為結(jié)構(gòu)體系可靠度分析的基礎(chǔ)，同時(shí)考慮構(gòu)件間的相關(guān)性和失效模式間的相關(guān)性，建立近似方法計(jì)算體系失效概率。10.2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限是否概念相同? 它們

16、在可靠度分析中有什么作用?結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限是兩個(gè)意義不同的概念。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限則是針對結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)而言的，是結(jié)構(gòu)在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)下所應(yīng)達(dá)到的使用年限。當(dāng)實(shí)際使用年限超過設(shè)計(jì)使用年限后，結(jié)構(gòu)失效概率將會(huì)比設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期值增大，但并不意味該結(jié)構(gòu)立即喪失功能或報(bào)廢。10.3 目標(biāo)可靠指標(biāo)是怎樣確定的?所謂目標(biāo)可靠指標(biāo)，是指預(yù)先給定作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)的可靠指標(biāo)，它表示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的可靠度要求。顯然，目標(biāo)可靠指標(biāo)與工程造價(jià)、使用維護(hù)費(fèi)用以及投資風(fēng)險(xiǎn)、工程破壞后果等有關(guān)。目標(biāo)可靠指標(biāo)應(yīng)綜合考慮社會(huì)公眾對事故的接受程度、可能的投資水平、結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)破壞性質(zhì)及其失效后果等因素，綜合考慮以下因素優(yōu)化確定：（1）公眾心理；（2）結(jié)構(gòu)重要性；（3）結(jié)構(gòu)破壞性質(zhì)；（4）極限狀態(tài)；（5）社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。目前各國基于近似概率法的結(jié)