工程荷載與可靠度設(shè)計(jì)原理課件

1、目 錄第1章 緒論第2章 荷載的分類與計(jì)算第3章 荷載效應(yīng)組合和結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)第4章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一. 本門課程的主要學(xué)習(xí)任務(wù)了解荷載產(chǎn)生的主要背景，理解荷載的各種分類形式，掌握工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的各種主要荷載的取值確定問題；理解結(jié)構(gòu)可靠度的概念;掌握結(jié)構(gòu)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法中相關(guān)的一些基本理論,荷載效應(yīng)存在組合的問題，為以后學(xué)習(xí)各種土木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)墊定基本理論方法基礎(chǔ)。二. 本門課程的學(xué)習(xí)要求 本課程內(nèi)容多、課時(shí)少，建議課前預(yù)習(xí)并完成簡(jiǎn) 答題，做為平時(shí)成績(jī)的內(nèi)容之一。 本課程為必修課、考試課，一個(gè)學(xué)分?？己藰?biāo)準(zhǔn)為：平時(shí)作業(yè)完成情況（包括考勤紀(jì)律遵守情況/課堂聽課和回答表現(xiàn)）占總評(píng)成績(jī)的30%，期末

2、考試占70%。作業(yè)遲交不記分。第1章 緒 論1.1結(jié)構(gòu)上的作用及作用效應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB 500682001)中1.1.1結(jié)構(gòu)上的作用 結(jié)構(gòu)上的作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的集中或分布荷載，以及引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因。 作用就其形式而言，可分為以下兩類。 (1) 直接作用: 當(dāng)以力的形式作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，稱為直接作用，習(xí)慣上稱為荷載。 (2) 間接作用: 當(dāng)以變形的形式作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)，稱為間接作用。 作用按結(jié)構(gòu)反應(yīng)不同可分為以下兩類。 (1) 靜態(tài)作用:不使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生加速或產(chǎn)生的加速度很小可以忽略不計(jì)的作用。 (2) 動(dòng)態(tài)作用:使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不可忽略的加速度的作用

3、。1.1.2作用效應(yīng)S 由于直接作用或間接作用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力(如軸力、彎矩、剪力、扭矩等)和變形(如撓度、轉(zhuǎn)角、裂縫等)，被稱為“作用效應(yīng)”，用S表示。 當(dāng)作用為直接作用(荷載)時(shí)，其效應(yīng)也被稱為“荷載效應(yīng)”。荷載Q與荷載效應(yīng)之間，一般近似按線性關(guān)系考慮： 常數(shù) C 為荷載效應(yīng)系數(shù)第2章 荷載的分類與計(jì)算2.1 荷載的類型建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)中2.1.1 永久荷載永久荷載也稱之為恒載，在結(jié)構(gòu)使用期間，其值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)，或其變化是單調(diào)的并能趨于限值的荷載。主要包括:結(jié)構(gòu)自重、土體自重力等由重力引起的荷載，以及土側(cè)壓力、靜

4、水壓力、水浮力、預(yù)加應(yīng)力、混凝土收縮和徐變影響力、基礎(chǔ)變位影響力等。2.1.2 可變荷載可變荷載指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載，也稱為活荷載，包括樓面活荷載，屋面活荷載，車輛荷載及其沖擊力、離心力、人群荷載,流水壓力、波浪荷載、凍脹力、雪荷載、冰壓力、風(fēng)荷載、車輛制動(dòng)力、溫度影響力、變形作用、支座摩阻力等。2.1.3 偶然荷載偶然荷載指那些在結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，作用時(shí)間較短暫，但一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時(shí)間很短的荷載，主要包括地震作用、船只或漂流物的撞擊力、爆炸力等。2.2 各種荷載的計(jì)算2.2.1 重力荷載地球上一定高度范圍內(nèi)的物體均會(huì)受到地球

5、引力的作用而產(chǎn)生重力。該重力導(dǎo)致的荷載稱為重力荷載。圖2.1(1)土的自重(2)結(jié)構(gòu)自重根據(jù)結(jié)構(gòu)的材料種類、材料體積以及材料容重可得結(jié)構(gòu)自重。G = V (2-1) 式中G構(gòu)件的自重(kN)；構(gòu)件材料的容重(kN/ m3 )；可查材料的單位自重表。(3)雪荷載雪荷載是房屋屋面結(jié)構(gòu)的主要荷載之一。屋面水平投影面上的雪荷載SK(kN/m2) 應(yīng)按下式計(jì)算:基本雪壓SO(kN/m2) 取值原則:根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)(站)觀察并收集的每年最大雪壓，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出的50年一遇的最大雪壓(重現(xiàn)期為50年的最大雪壓)，即為當(dāng)?shù)氐幕狙?。屋面積雪分布系數(shù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)規(guī)定對(duì)不同類別的屋面

6、，其屋面積雪分布系數(shù)r 按下表 采用。 (4)樓面和屋面活荷載分為：民用建筑樓面均布活荷載、工業(yè)建筑樓面活荷載、屋面均布活荷載、屋面積灰荷載以及施工、檢修荷載和欄桿水平荷載。需考慮沖擊力時(shí)，可將荷載乘以動(dòng)力系數(shù)后按靜力進(jìn)行計(jì)算。 1） 民用建筑樓面活荷載：是指建筑物中的人群、家具、設(shè)施等產(chǎn)生的重力作用，這些荷載的量值隨時(shí)間發(fā)生變化，位置也是可移動(dòng)的，亦稱可變荷載。 民用建筑樓面均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)，應(yīng)按下表規(guī)定采用。 設(shè)計(jì)樓面梁、墻、柱及基礎(chǔ)時(shí)，上表中的樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值在下列情況下應(yīng)乘以規(guī)定的折減系數(shù)。注:樓面梁的從屬面積應(yīng)按梁兩側(cè)各延伸二分之一梁間距的范圍內(nèi)的實(shí)

7、際面積確定。 A.設(shè)計(jì)樓面梁時(shí)的折減系數(shù): a)第1(1)項(xiàng)當(dāng)樓面梁從屬面積超過25m2時(shí)，應(yīng)取0.9 ; b)第1(2) 7項(xiàng)當(dāng)樓面梁從屬面積超過50m2時(shí)應(yīng)取0.9 ; c)第8項(xiàng)對(duì)單向板樓蓋的次梁和槽形板的縱肋應(yīng)取0.8 ;對(duì)單向板樓蓋的主梁應(yīng)取0.6 ;對(duì)雙向板樓蓋的梁應(yīng)取0.8 ; d)第912項(xiàng)應(yīng)采用與所屬房屋類別相同的折減系數(shù)。下一張附：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2103中民用建筑樓面活荷載折減系數(shù)(1) 在計(jì)算梁的樓面活荷載效應(yīng)時(shí)，公式為： 對(duì)住宅、辦公樓等房屋或其房間，公式為： (A18m2) 對(duì)公共建筑或其房間，公式為： (A36m2)式中，A為所計(jì)算梁的從屬面積。 (2) 計(jì)算多層

8、房屋的柱、墻或基礎(chǔ)的樓面活荷載效應(yīng)時(shí)： 對(duì)住宅、辦公樓等房屋，公式為： 對(duì)公共建筑，公式為： 式中，n為所計(jì)算截面以上樓層數(shù)。 a)第1(1)項(xiàng)應(yīng)按下表規(guī)定采用; b)第1(2) 7項(xiàng)應(yīng)采用與其樓面梁相同的折減系數(shù); c)第8項(xiàng)對(duì)單向板樓蓋應(yīng)取0.5 ;對(duì)雙向板樓蓋和無(wú)梁樓蓋應(yīng)取0.8； d)第912項(xiàng)應(yīng)采用與所屬房屋類別相同的折減系數(shù)。 B.設(shè)計(jì)墻、柱和基礎(chǔ)時(shí)的折減系數(shù) 樓面等效均布活荷載的確定原則 (d)單向板上局部荷載(包括集中荷載)的等效均布活荷載qe（KN/m2），可按下式計(jì)算: （e）次梁的等效均布活荷載的計(jì)算，應(yīng)按下列公式對(duì)彎矩和剪力分別計(jì)算，取其中較大者 雙向板的等效均布荷載可

9、按與單向板相同的原則，按四邊簡(jiǎn)支板的絕對(duì)最大彎矩等值來(lái)確定。式中l(wèi)板的跨度; b板上荷載的有效分布寬度，按本附錄B.0.5確定; Mmax一簡(jiǎn)支單向板的絕對(duì)最大彎矩，按設(shè)備的最不利布置確定。計(jì)算Mmax時(shí)，設(shè)備荷載應(yīng)乘以動(dòng)力系數(shù)，并扣去設(shè)備在該板跨內(nèi)所占面積上，由操作荷載引起的彎矩。式中s 次梁間距; l 次梁跨度;Mmax 與Vmax簡(jiǎn)支次梁的絕對(duì)最大彎矩，與最大剪力。按設(shè)備的最不利布置確定。 （f）當(dāng)荷載分布比較均勻時(shí)，主梁上的等效均布活荷載可由全部荷載總和除以全部受荷面積求得。（g）柱、基礎(chǔ)上的等效均布活荷載，在一般情況下，可取與主梁相同。 4） 屋面均布活荷載 工業(yè)及民用房屋的屋面，其

10、水平投影面上屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值、組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)及準(zhǔn)永久值系數(shù)按下表采用。 注意：屋面均布活荷載不應(yīng)與雪荷載同時(shí)組合。 5） 屋面積灰荷載 （a）設(shè)計(jì)生產(chǎn)中有大量排灰的廠房及其鄰近建筑時(shí)，對(duì)于具有一定除塵設(shè)施和保證清灰制度的機(jī)械、冶金、水泥等的廠房屋面，其水平投影面上的屋面積灰荷載應(yīng)分別按表采用。 （b） 對(duì)于屋面上易形成灰堆處，當(dāng)設(shè)計(jì)屋面板、檁條時(shí)，積灰荷載標(biāo)準(zhǔn)值可乘以下列規(guī)定的增大系數(shù): 在高低跨處兩倍于屋面高差但不大于6.0m的分布寬度內(nèi)取2.0; 在天溝處不大于3.0m的分布寬度內(nèi)取1.40。 （c）積灰荷載應(yīng)與雪荷載或不上人的屋面均布活荷載兩者中的較大值同時(shí)考慮。 6） 施工

11、、檢修荷載和欄桿水平荷載 （a）設(shè)計(jì)屋面板、檁條、鋼筋混凝土挑檐、雨篷和預(yù)制小梁時(shí)，施工或檢修集中荷載(人和小工具的自重)應(yīng)取1.0kN，并應(yīng)在最不利位置處進(jìn)行驗(yàn)算。 注：（i）對(duì)于輕型構(gòu)件或較寬構(gòu)件，當(dāng)施工荷載超過上述荷載時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況驗(yàn)算，或采用加墊板、支撐等臨時(shí)設(shè)施承受。（ii）當(dāng)計(jì)算挑檐、雨篷承載力時(shí)，應(yīng)沿板寬每隔1. 0m取一個(gè)集中荷載;在驗(yàn)算挑檐、雨篷傾覆時(shí)，應(yīng)沿板寬每隔 2. 53. 0m取一個(gè)集中荷載。 6） 施工、檢修荷載和欄桿水平荷載 （b）樓梯、看臺(tái)、陽(yáng)臺(tái)和上人屋面等的欄桿頂部水平荷載，應(yīng)按下列規(guī)定采用: 住宅、宿舍、辦公樓、旅館、醫(yī)院、托兒所、幼兒園，應(yīng)取0.5kN/

12、m ;學(xué)校、食堂、劇場(chǎng)、電影院、車站、禮堂、展覽館或體育場(chǎng)，應(yīng)取1.0kN/m. （c）當(dāng)采用荷載準(zhǔn)永久組合時(shí)，可不考慮施工和檢修荷載及欄桿水平荷載。 1)吊車工作制等級(jí)與工作級(jí)別 按吊車在使用期內(nèi)要求的總工作循環(huán)次數(shù)分成10個(gè)利用等級(jí)，又按吊車荷載達(dá)到其額定值的頻繁程度分成4個(gè)載荷狀態(tài)(輕、中、重、特重) 8個(gè)級(jí)別作為吊車設(shè)計(jì)的依據(jù)。 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)在吊車荷載的規(guī)定中也相應(yīng)采用按工作級(jí)別劃分，現(xiàn)在采用的工作級(jí)別與以往采用的工作制等級(jí)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2-5所示。 表2-5 吊車的工作制等級(jí)與工作級(jí)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系(5)吊車荷載工作制等級(jí)輕 級(jí)中 級(jí)重 級(jí)超 重 級(jí)工

13、作級(jí)別A1A3A4，A5A6，A7A8 2）吊車豎向荷載和水平荷載 A. 吊車豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值吊車的技術(shù)資料(包括吊車的最大Pmax或最小輪壓Pmin)都應(yīng)由工藝提供。大縱向橫向 (b) 吊車豎向荷載的動(dòng)力系數(shù) 當(dāng)計(jì)算吊車梁及其連續(xù)的強(qiáng)度時(shí)，吊車豎向荷載應(yīng)乘以動(dòng)力系數(shù)。動(dòng)力系數(shù)可按表2-6取用。 懸掛吊車、電動(dòng)葫蘆、工作級(jí)別為A1A5的吊車工作級(jí)別為A6A8的軟鉤吊車、硬鉤吊車、其他特種吊車1.051.10表2-6 吊車豎向荷載的動(dòng)力系數(shù) B. 吊車水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值 吊車水平荷載有縱向和橫向兩種。 a) 吊車縱向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值 吊車縱向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按作用在吊車一端軌道上所有剎車輪的最大輪壓之和

14、的10%采用。該項(xiàng)荷載的作用點(diǎn)位于剎車輪與軌道的接觸點(diǎn)，其方向與軌道方向一致。 b) 吊車橫向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：式中，H 吊車橫向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值； Q 吊車的額定起重質(zhì)量； G1橫行小車質(zhì)量。 系數(shù)，對(duì)軟鉤吊車：當(dāng)額定起重量不大于10t時(shí)，應(yīng)取0.12；當(dāng)額定起重量為1650t時(shí)，應(yīng)取0.10；當(dāng)額定起重量不小于75t時(shí)，應(yīng)取0.08；對(duì)硬鉤吊車應(yīng)取0.20 吊車橫向水平荷載應(yīng)等分于吊車橋架的兩端，分別由軌道上的車輪平均傳至軌道，其方向與軌道垂直，并考慮正反方向剎車情況。 3) 多臺(tái)吊車的組合 按照各臺(tái)吊車同時(shí)處于最不利位置，且同時(shí)滿載的極端情況出現(xiàn)的概率是極小的?？蓪⒍嗯_(tái)吊車共同作用

15、時(shí)的吊車荷載效應(yīng)組合予以折減。在實(shí)測(cè)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，可得到多臺(tái)吊車的荷載折減系數(shù)(表2-7)。 表2-7 多臺(tái)吊車荷載折減系數(shù)參與組合的吊車臺(tái)數(shù) 吊車工作級(jí)別A1A5A6A820.900.9530.850.9040.800.85（6）公路橋涵上的汽車和人群荷載 交通部頒標(biāo)準(zhǔn)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60- 2004中有以下類型： 汽車荷載 汽車沖擊力 汽車離心力 汽車引起的土側(cè)壓力 人群荷載 汽車制動(dòng)力1）汽車荷載 A.汽車荷載分為公路一級(jí)和公路一級(jí)兩個(gè)等級(jí)。B.各級(jí)公路橋涵設(shè)計(jì)的汽車荷載等級(jí)應(yīng)符合表4.3.1-1的規(guī)定。C.汽車荷載由車輛荷載和車道荷載組成。橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用

16、車道荷載;橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺(tái)和擋土墻土壓力等的計(jì)算采用車輛荷載。車輛荷載與車道荷載的作用不得疊加。 表4.3.1-1各級(jí)公路橋涵的汽車荷載等級(jí)車輛荷載： 公路一級(jí)和公路一級(jí)汽車荷載采用相同的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值。表4.3.1-2車輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo) 車道荷載：由均布荷載和集中荷載組成。 a）公路一級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qK =10.5kN/m;集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值按以下規(guī)定選取:橋梁計(jì)算跨徑小于或等于5m時(shí)，PK =180kN;橋梁計(jì)算跨徑等于或大于50m時(shí)，PK = 360kN;橋梁計(jì)算跨徑在5m一50m之間時(shí)，PK值采用直線內(nèi)插求得。計(jì)算剪力效應(yīng)時(shí)，上述集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值PK應(yīng)乘以l.

17、2的系數(shù)。 b)公路一級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qK和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值PK按公路一級(jí)車道荷載的0.75倍采用。 c)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號(hào)影響線上;集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值只作用于相應(yīng)影響線中一個(gè)最大影響線峰值處。 橋涵設(shè)計(jì)車道數(shù)，應(yīng)符合表4.3.1一3的規(guī)定。多車道橋梁上的汽車荷載應(yīng)考慮多車道折減。 當(dāng)橋涵設(shè)計(jì)車道數(shù)等于或大于2時(shí)，由汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)應(yīng)按表4.3.1-4規(guī)定的多車道折減系數(shù)進(jìn)行折減。但折減后的效應(yīng)不得小于兩設(shè)計(jì)車道的荷載效應(yīng)。 大跨徑橋梁上的汽車荷載應(yīng)考慮縱向折減，折減系數(shù)見表4.3.1-5。2）汽車沖擊力沖擊系數(shù)u可按下式計(jì)算：汽車沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值=汽

18、車荷載標(biāo)準(zhǔn)值沖擊系數(shù)3）汽車離心力汽車離心力標(biāo)準(zhǔn)值=車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值離心力系數(shù)C。離心力系數(shù)C為：式中 V-設(shè)計(jì)速度(km/h)，應(yīng)按橋梁所在路線設(shè)計(jì)速度采用; R曲線半徑(m) 4）汽車制動(dòng)力 一個(gè)設(shè)計(jì)車道上由汽車荷載產(chǎn)生的制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值按車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在加載長(zhǎng)度上計(jì)算的總重力的10%計(jì)算。 公路一I級(jí)汽車荷載的制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值不得小于165kN;公路一II級(jí)汽車荷載的制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值不得小于90kN。 同向行駛雙車道的汽車荷載制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值為一個(gè)設(shè)計(jì)車道制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值的兩倍;同向行駛?cè)嚨罏橐粋€(gè)設(shè)計(jì)車道的2.34倍;同向行駛四車道為一個(gè)設(shè)計(jì)車道的2.68倍。 5）人群荷載 其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列規(guī)定采用： A.

19、當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑小于或等于50m時(shí)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3 .0kN/m2;當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑等于或大于150m時(shí)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.5kN/m2時(shí);當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑在50m一150m之間時(shí)，可由線性內(nèi)插得到人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值。城鎮(zhèn)郊區(qū)行人密集地區(qū)的公路橋梁，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值取上述規(guī)定值的1.15倍。 專用人行橋梁，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.5kN/m2。 B.人群荷載在橫向應(yīng)布置在人行道的凈寬度內(nèi)，在縱向施加于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利荷載效應(yīng)的區(qū)段內(nèi)。 C.人行道板(局部構(gòu)件)可以一塊板為單元，按標(biāo)準(zhǔn)值4.0kN/M的均布荷載計(jì)算。 D.計(jì)算人行道欄桿時(shí)，作用在欄桿立柱頂上的水平推力標(biāo)準(zhǔn)值取0.75kN/m;作用在欄桿扶

20、手上的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值取1.0KN/m.2.2.3 靜水壓力及動(dòng)水壓力(1)靜水壓強(qiáng)p與靜水總壓力P在重力作用下靜水壓強(qiáng)p為：h水的深度; 水的重度；p0自由表面壓強(qiáng)，一般為大氣壓強(qiáng)，由于大氣壓強(qiáng)是始終存在的，故在工程上采用相對(duì)壓強(qiáng)，取p0 =0，故可用下式計(jì)算靜水壓強(qiáng)h靜水壓強(qiáng)的分布 靜水壓強(qiáng)的特點(diǎn)：（i）水中任意一點(diǎn)壓強(qiáng)的大小與水深成正比，與作用面垂直。（ii）水中任意一點(diǎn)壓強(qiáng)各向等值，與作用面的方位無(wú)關(guān)。h鉛垂面靜水壓強(qiáng)的分布斜面靜水壓強(qiáng)的分布靜水總壓力P1) 平面壁上的靜水總壓力數(shù)值大小式中作用點(diǎn)在分布三角形的形心處， 垂直指向平面壁。當(dāng)L=h時(shí)，平面壁為鉛垂面 Phh當(dāng)平面壁寬度b=1m

21、時(shí)，即單位寬度平面壁上的靜水總壓力為ABCD2) 曲面壁上的靜水總壓力作用在曲面壁上,指向曲面 中心。數(shù)值為式中 ： P與水平面夾角V壓力體體積，其周界為三部分:曲面、水體自由表面及由曲面周界引至與水體自由表面相交的鉛垂面。例2.5有一弧形閘門，如圖所示，半徑r=4m，門寬b=6 m，H=2m，水面與門軸同高，求該閘門所受靜水總壓力。解：壓力體的體積v=斷面ABC的體積V= （AOB扇形面積- BOC三角形面積）門寬b(2)流水壓力根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程，可得伯諾里積分方程：式中: z每單位重力水體所具有的位能，簡(jiǎn)稱單位位能; v流速， 表示每單位重力水體所具有的動(dòng)能,

22、簡(jiǎn)稱單位動(dòng)能; p某深度處的壓強(qiáng) 表示每單位重力水體以壓強(qiáng)形式保持的一種能量， 簡(jiǎn)稱單位壓能水流作用在結(jié)構(gòu)上，速度v由v1變?yōu)関2=0，壓強(qiáng)由p1變?yōu)閜2 ，結(jié)構(gòu)面上的流水壓強(qiáng)為：流體的位能Z不變時(shí)，若v1v2,則p1p2 橋墩流水壓力的計(jì)算橋墩迎水面水流單元體的壓強(qiáng)p為： v 水流未受橋墩影響時(shí)的流速， 為水的重度。 若橋墩迎水面受阻面積為A，再引入考慮墩臺(tái)平面形狀的系數(shù) K，橋墩上的流水壓力按下式計(jì)算： 式中，P作用在橋墩上的流水壓力(kN )； v設(shè)計(jì)流速(m/s)；A橋墩阻力面積，一般算至沖刷線處；g重力加速度，K由試驗(yàn)測(cè)得的橋墩形狀系數(shù)，按表5-2取用。橋墩形狀方形橋墩矩形橋墩(長(zhǎng)邊

23、與水流平行)圓形橋墩尖端形橋墩?qǐng)A端形橋墩K 1.51.30.80.70.6表5-2 橋墩形狀系數(shù)K【計(jì)算題1】某存放一般資料的兩層檔案館，其承重結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土無(wú)梁樓蓋板柱體系。柱網(wǎng)尺寸為7.8m7.8m，樓層凈高為3.0m，樓板厚度為0.26m，樓面層建筑作法為0.04m。各層樓面上設(shè)置可靈活布置的C型輕鋼龍骨，不保溫兩層12mm紙面石膏板隔墻，求柱在基礎(chǔ)頂部截面處由樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸向力。解：(1)隔墻產(chǎn)生的附加樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。由于隔墻位置可靈活布置，其自重作為樓面活荷載的附加值應(yīng)計(jì)入，可求得：查建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)附錄A第11項(xiàng)得隔墻自重為0.27kN

24、/m2，隔墻高度等于樓層凈高3.0m，按規(guī)定可取每延米長(zhǎng)墻重的1/3作為隔墻產(chǎn)生的附加樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。Qak= 1/3 3.00.27=0.27kN/m2但其值小于1kN/m2，取等于1kN/m2。 (2)樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。 對(duì)存放一般資料的檔案室樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009-2001)規(guī)定為2.5kN/m2(見表2-9中的第2項(xiàng))。 因此檔案館每層樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值q=2.5+1=3.5kN/m2 (3)樓面活荷載產(chǎn)生的軸向力標(biāo)準(zhǔn)值。 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)，樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值的折減系數(shù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009-2001)規(guī)定其值為0.9，因此由樓面活荷載產(chǎn)生的軸

25、向力標(biāo)準(zhǔn)值(忽略樓板不平衡力矩產(chǎn)生的軸向力影響)為: N=3.5x2x0.9x7.8x7.8=383.3kN2.2.4 風(fēng)荷載 風(fēng)荷載是一種重要的設(shè)計(jì)荷載，對(duì)于高層房屋、高聳結(jié)構(gòu)(如高塔、煙囪)橋梁、起重機(jī)和屋蓋等結(jié)構(gòu)，常常起著主要的作用。(1)風(fēng)荷載的基礎(chǔ)知識(shí)1)風(fēng)的形成 風(fēng)是空氣相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)。由于太陽(yáng)對(duì)地球各處輻射程度和大氣升溫的不均衡性，在地球上的不同地區(qū)產(chǎn)生大氣壓力差，空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動(dòng)就形成了風(fēng)。2)風(fēng)的強(qiáng)度 根據(jù)風(fēng)對(duì)地面(或海面)物體的影響程度劃分等級(jí)。表3-1 蒲福風(fēng)力等級(jí)表風(fēng)力等級(jí)名稱海面狀況浪高/m海岸漁船征象陸地地面物征象距地10m高處相當(dāng)風(fēng)速一般最高

26、km/hmile/hm/s0靜風(fēng)-靜靜、煙直上10.3時(shí)，取tg =0.3 ; k系數(shù)，對(duì)山峰取3.2，對(duì)山坡取1.4; H山頂或山坡全高(m) ; Z建筑物計(jì)算位置離建筑物地面的高度，m;當(dāng)z2. 5H時(shí)，取z=2. 5H 。 如圖所示，取A、C處的修正系數(shù) =1，山坡和山峰的其他部位，AB間和BC間的修正系數(shù)按 的線性插值確定。圖3.3 山坡和山峰示意圖 b) 山間盆地、谷地等閉塞地形 =0.750.85；對(duì)于與風(fēng)向一致的谷口、山口， =1.201.50。 對(duì)于遠(yuǎn)海海面和海島的建筑物或構(gòu)筑物，風(fēng)壓高度變化系數(shù)可按A類粗糙度類別，還應(yīng)考慮下表中給出的修正系數(shù)。距海岸距離/km40406060

27、100修正系數(shù)1.01.01.11.11.2 2)風(fēng)載體型系數(shù)s 結(jié)構(gòu)物體型不同、其表面風(fēng)壓的實(shí)際大小和分布也就不相同。 系數(shù)為正值，為壓力作用，方向指向建筑物表面； 系數(shù)為負(fù)值，為吸力作用，方向離開建筑物表面。風(fēng)荷載體型系數(shù)表 當(dāng)多個(gè)建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時(shí)，宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)，使得房屋某些部位的局部風(fēng)壓顯著增大。設(shè)計(jì)時(shí)可將單體建筑物的體型系數(shù) 乘以相互干擾增大系數(shù)，該系數(shù)參考類似條件的試驗(yàn)資料確定；必要時(shí)宜通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出。3)風(fēng)振系數(shù)Z建筑結(jié)構(gòu)在Z高度處的風(fēng)振系數(shù)Z按下式計(jì)算：式中， 風(fēng)壓高度變化系數(shù)； 脈動(dòng)增大系數(shù)； 脈動(dòng)影響系數(shù)； 振型系數(shù) 。 基本自振

28、周期不大于0.25s的高聳結(jié)構(gòu)和高度不大于30m或高寬比不大于1.5的房屋,可以不考慮風(fēng)振系數(shù),即取Z=1。 結(jié)構(gòu)基本周期T1經(jīng)驗(yàn)公式 1. 高聳結(jié)構(gòu) 一般情況下的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為：T1=(0.0070.013)H 式中，H為結(jié)構(gòu)物總高(m)。 一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)剛度小，結(jié)構(gòu)自振周期長(zhǎng)，可取高值；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)自振周期短，可取低值。 2. 高層建筑 一般情況下的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)： 鋼結(jié)構(gòu)T1=(0.100.15)n 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) T1=(0.050.10)n式中，n為建筑層數(shù)。對(duì)于鋼筋混凝土框架和框剪結(jié)構(gòu) 可按下述公式確定： 對(duì)于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu) 可按下述

29、公式確定： 式中，H房屋總高度(m)； B房屋寬度(m)。 考慮當(dāng)?shù)氐孛娲植诙群蟮幕撅L(fēng)壓； T1結(jié)構(gòu)的基本自振周期。 查表前計(jì)算 時(shí)，對(duì)地面粗糙度B類地區(qū)可直接代入基本風(fēng)壓。對(duì)A類、C類和D類地區(qū)應(yīng)按當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓分別乘以1.38、0.62和0.32后代入。 （i） 脈動(dòng)增大系數(shù) ，可查下表：（ii） 脈動(dòng)影響系數(shù) a） 結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面較小的情況 對(duì)于結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度遠(yuǎn)小于其高度的情況(如高聳結(jié)構(gòu)等)，若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻，脈動(dòng)影響系數(shù)可按下表采用。 當(dāng)高聳結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的寬度沿高度按直線或接近直線規(guī)律變化，而質(zhì)量沿高度按連續(xù)規(guī)律變化時(shí)，表中的脈動(dòng)影響系數(shù)應(yīng)再乘以修正系數(shù)B和 V 。 B

30、應(yīng)為構(gòu)筑物迎風(fēng)面在z高度處的寬度Bz與底部寬度B0的比值， v可按表確定。 b） 結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度較大的情況 對(duì)于結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度較大的情況(如高層建筑等)，若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻，脈動(dòng)影響系數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)總高度H及其與迎風(fēng)面寬度B的比值，按下表采用。 （iii）振型系數(shù)振型系數(shù)的確定，也可參考荷載規(guī)范附錄F表中數(shù)值。 結(jié)構(gòu)振型系數(shù)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法確定， 順風(fēng)向計(jì)算時(shí)可僅考慮第一振型 。近似公式計(jì)算結(jié)構(gòu)振型系數(shù)時(shí)，對(duì)于高聳構(gòu)筑物可按彎曲型考慮，結(jié)構(gòu)第1振型系數(shù)按下述近似公式計(jì)算： 對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)以剪力墻的工作為主時(shí)，可按彎剪型考慮，結(jié)構(gòu)第1振型系數(shù)按下述近似公式計(jì)算： 迎風(fēng)面寬度遠(yuǎn)小于

31、其高度的高聳結(jié)構(gòu)的振型系數(shù)表荷載規(guī)范附錄F表1-1 （iii）振型系數(shù)剪力墻和框架均起主要作用，迎風(fēng)面寬度較大的高層建筑的振型系數(shù)表荷載規(guī)范附錄F表1.2截面沿高度規(guī)律變化的高聳結(jié)構(gòu)第1振型系數(shù)表BH結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面頂部寬度；B0結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面底部寬度 高度Z處的陣風(fēng)系數(shù)。 計(jì)算直接承受風(fēng)壓的幕墻構(gòu)件(包括門窗)風(fēng)荷載時(shí)的陣風(fēng)系數(shù)應(yīng)按下表確定。對(duì)其他屋面、墻面構(gòu)件陣風(fēng)系數(shù)取1.0。 4）當(dāng)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)荷載中標(biāo)準(zhǔn)值wk按下式計(jì)算： 驗(yàn)算圍護(hù)構(gòu)件及其連接的強(qiáng)度時(shí)，可按下列規(guī)定采用局部風(fēng)壓體型系數(shù)sl：i）外表面 a） 正壓區(qū) 按s表采用； b） 負(fù)壓區(qū) 對(duì)墻面，取-1.0；對(duì)墻角邊，取-1.8； 對(duì)屋

32、面局部部位(周邊和屋面坡度大于10o的屋脊部位) 取-2.2； 對(duì)檐口、雨篷、遮陽(yáng)板等突出構(gòu)件，取-2.0。 注：對(duì)墻角邊和屋面局部部位的作用寬度為房屋寬度的0.1 或房屋平均高度的0.4，取其小者，但不小于1.5m。ii）內(nèi)表面對(duì)封閉式建筑物，按外表面風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0.2或0.2。sl局部風(fēng)壓體型系數(shù) 4） 橫風(fēng)向風(fēng)振 對(duì)圓形截面的結(jié)構(gòu)，應(yīng)按下列規(guī)定對(duì)不同雷諾數(shù)Re的 情況進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振(旋渦脫落)的校核： ） 當(dāng)Re3105且結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速H大于臨界風(fēng)速cr時(shí)， 可發(fā)生亞臨界的微風(fēng)共振。此時(shí)，可在構(gòu)造上采取防振 措施，或控制結(jié)構(gòu)的臨界風(fēng)速不小于15ms。 ）當(dāng)Re3.5106且結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)

33、速的1.2倍大于臨界風(fēng)速 時(shí)，可發(fā)生跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振，此時(shí)應(yīng)考慮橫風(fēng)向風(fēng) 荷載引起的共振效應(yīng)。 ）當(dāng)雷諾數(shù)為3105Re3.5106時(shí)，則發(fā)生超臨界 范圍的風(fēng)振，可不作處理。）雷諾數(shù)Re臨界風(fēng)速cr和結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速H可按以下公式確定。 雷諾數(shù)Re可按下列公式確定： Re69000vD式中 v計(jì)算所用風(fēng)速，可取vcr值； D結(jié)構(gòu)截面的直徑(m)。 臨界風(fēng)速vcr和結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH可按下列公式確定：當(dāng)結(jié)構(gòu)沿高度截面縮小時(shí)(傾斜度不大于0.02)，可近似 取23結(jié)構(gòu)高度處的直徑。式中Ti結(jié)構(gòu)振型i的自振周期，驗(yàn)算亞臨界微風(fēng)共振時(shí)取T1; St斯脫羅哈數(shù)，對(duì)圓截面結(jié)構(gòu)取0.2 ; H結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)壓高度變化

34、系數(shù); 0基本風(fēng)壓(kN/m2) ; 空氣密度(kg/m3) ）跨臨界強(qiáng)風(fēng)共振引起在z高處振型j的等效風(fēng)荷載可由下列公式確定式中 j計(jì)算系數(shù)，按下表確定; zj在z高處結(jié)構(gòu)的j振型系數(shù)，由計(jì)算確定或查前表， j第j振型的阻尼比;對(duì)第1振型，鋼結(jié)構(gòu)取0.01，房屋鋼結(jié)構(gòu)取0.02,混凝土結(jié)構(gòu)取0.05;對(duì)高振型的阻尼比，若無(wú)實(shí)測(cè)資料，可近似按第1振型的值取用。 校核橫風(fēng)向風(fēng)振時(shí)，風(fēng)的荷載總效應(yīng)可將橫風(fēng)向風(fēng)荷載效應(yīng)Sc與順風(fēng)向風(fēng)荷載效應(yīng)SA按下式組合后確定： 對(duì)非圓形截面的結(jié)構(gòu)，橫風(fēng)向風(fēng)振的等效風(fēng)荷載宜通過空氣彈性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)確定；也可參考有關(guān)資料確定。張相庭:工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)，中國(guó)建筑工業(yè)

35、出版社 上表中的H1為臨界風(fēng)速起始點(diǎn)高度，可按下式確定:式中地面粗糙度指數(shù)，對(duì)A, B, C和D四類分別取0.12, 0.16, 0.22和0.30; vH結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速(m/s) 。注:校核橫風(fēng)向風(fēng)振時(shí)所考慮的高振型序號(hào)不大于4，對(duì)一般懸臂型結(jié)構(gòu)，可只取第1或第2個(gè)振型。 W0對(duì)于特別重要或?qū)︼L(fēng)荷載比較敏感的高層建筑， 其基本風(fēng)壓應(yīng)按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用。(4 )高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì) 振型系數(shù)，可由結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算確定，計(jì)算時(shí)可僅考慮受力方向基本振型的影響;對(duì)于質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的彎剪型結(jié)構(gòu)，也可近似采用振型計(jì)算點(diǎn)距室外地面高Zi與房屋高度H的比值,即可用以下簡(jiǎn)化公式:式中 高層建筑混

36、凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 3-2002定義高層建筑為10層及10層以上的房屋或高度超過28m的房屋，其風(fēng)荷載的計(jì)算特點(diǎn)：s計(jì)算主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載效應(yīng)時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)可按下列規(guī)定采用： 圓形平面建筑取0.8；正多邊形及截角三角形平面建筑，由下式計(jì)算： 式中 n多邊形的邊數(shù)。高寬比H/B不大于4的矩形、方形、十字形平面建筑取1.3； 下列建筑取1.4：1）V形、Y形、弧形、雙十字形、井字形平面建筑；2）L形、槽形和高寬比H/B大于4的十字形平面建筑；3）高寬比H/B大于4，長(zhǎng)寬比L/B不大于1.5的矩形、鼓形平面建筑。 在需要更細(xì)致進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算的場(chǎng)合，風(fēng)荷載體型系數(shù)可按規(guī)程附錄A采用，或由風(fēng)洞試驗(yàn)確定。（5）橋涵規(guī)范中橋梁風(fēng)荷載計(jì)算 假定水平地垂直作用于橋梁各部分迎風(fēng)面積的形心上，其橫橋向標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算:Wd設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓(kN/m2 );Awh 橫向迎風(fēng)面積(m2)，按橋跨結(jié)構(gòu)各部分的實(shí)際尺寸計(jì)算;Vd高度Z處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速(m/s )V10橋梁所在地區(qū)的設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，系按平坦空曠地面，離地面l0m高，重現(xiàn)期為100年10min平均最大風(fēng)速計(jì)算確定.空氣重