第5章土木工程荷載

第5章

土木工程荷載

荷載的定義荷載一般是指作用在結(jié)構(gòu)上的外力?？煞譃椋红o荷載或恒荷載：大小、位置和方向不變，或其變化與平均值相比可以忽略，如結(jié)構(gòu)自重。活荷載或可變荷載：大小、位置和方向隨時(shí)間變化，如人、風(fēng)、雪偶然荷載：指在結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)的作用，但它一旦出現(xiàn)，其量值很大且持續(xù)時(shí)間較短，例如爆炸力、撞擊力等。活荷載中有：位置可移動(dòng)的移動(dòng)荷載；有較高速度同物體相接觸的沖擊荷載；隨時(shí)間多次重復(fù)作用的荷載為重復(fù)荷載；反向作用的反復(fù)荷載或交變荷載：在試驗(yàn)中一個(gè)方向作用，以一定速率施加的荷載稱(chēng)為單調(diào)荷載；當(dāng)加載和卸載交替進(jìn)行時(shí)為循環(huán)荷載。在重復(fù)荷載下材料可能發(fā)生疲勞破壞。荷載還可以分為集中荷載和均布荷載。集中荷載分布荷載集中荷載是指荷載作用的范圍相對(duì)于結(jié)構(gòu)的尺度來(lái)講很小，可以忽略為一個(gè)點(diǎn)作用的荷載，集中荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不連續(xù)的作用。集中荷載可以直接進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。分布荷載分布荷載是指荷載作用的范圍相對(duì)于結(jié)構(gòu)的尺度是線(xiàn)或面作用的荷載，分布荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)連續(xù)的作用。分布荷載不能直接進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，需要以積分的辦法求得分布荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的整體作用效果。作用和效應(yīng)結(jié)構(gòu)上的作用：是指能使結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效應(yīng)的各種因素的總稱(chēng)。有直接作用和間接作用。直接作用：指施加在結(jié)構(gòu)上的集中和分布荷載，也是長(zhǎng)期以來(lái)工程界習(xí)稱(chēng)的“荷載”；間接作用：指引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的其他作用，如地震、基礎(chǔ)沉降、混凝土收縮、溫度變化、焊接影響等。按結(jié)構(gòu)反應(yīng)分，有：靜態(tài)作用和動(dòng)態(tài)作用。作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)。因而荷載生產(chǎn)的效應(yīng)稱(chēng)為荷載效應(yīng)。結(jié)構(gòu)在荷載下將生產(chǎn)應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力指單位截面面積內(nèi)產(chǎn)生的力；應(yīng)變指構(gòu)件單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生的變形――拉伸或壓縮。荷載代表值與標(biāo)準(zhǔn)值

荷載代表值：是為了方便設(shè)計(jì)給荷載規(guī)定以一定的量值?！逗奢d規(guī)范》只給出四種代表值：標(biāo)準(zhǔn)值、準(zhǔn)永久值、頻遇值、組合值，其中標(biāo)準(zhǔn)值是荷載的基本代表值，用相應(yīng)的系數(shù)乘以其標(biāo)準(zhǔn)值得出。荷載的標(biāo)準(zhǔn)值最大荷載統(tǒng)計(jì)分布的特征值，結(jié)構(gòu)或非承重構(gòu)件的自重為永久荷載，一般以自重平均值作為荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。吊車(chē)荷載橋式起重機(jī)、雙鉤吊車(chē)，在吊車(chē)規(guī)格表或有關(guān)手冊(cè)中根據(jù)廠(chǎng)房跨度可查得B、K及最大輪壓以任為設(shè)計(jì)依據(jù)，其中K、B系為求最大內(nèi)力時(shí)布置輪壓位置時(shí)用，兩臺(tái)吊車(chē)只能緊靠，不能重疊。對(duì)軟鉤吊車(chē)，小車(chē)橫向制動(dòng)力：當(dāng)額定起重量Q≤10t時(shí)，取T=（Q+g）*12%;

當(dāng)Q=15-50t時(shí)，T=（Q+g）*10%;當(dāng)Q≥75t,取T=（Q+g）*8%

硬鉤吊車(chē)：按（Ｑ＋g）＊２０％采用。雪荷載雪荷載與地區(qū)有關(guān)?！逗奢d規(guī)范》中根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)，由按３０年一遇改為５０年一遇的最大雪深，平均密度估算最大雪壓以作為當(dāng)?shù)氐幕狙骸Ｉ絽^(qū)基本雪壓應(yīng)通過(guò)實(shí)際調(diào)查后確定；無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可按當(dāng)?shù)乜諘缙教沟貐^(qū)的基本雪壓乘以1.2后采用。屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

式中：

---基本雪壓；

---屋面積雪分布系數(shù)，與屋面形式有關(guān)

風(fēng)荷載

風(fēng)荷載也與地區(qū)有關(guān)，內(nèi)地較小，一般基本風(fēng)壓在0.3(但不應(yīng)小于)～0.45范圍內(nèi)；垂直建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：<<建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范>>GB50009-20061.風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（KN/M2）2.高度z處的風(fēng)振系數(shù)3.風(fēng)荷載體型系數(shù)4.風(fēng)壓高度變化系數(shù)5.基本風(fēng)壓（KN/M2）臺(tái)風(fēng)引起柱下部破壞風(fēng)荷載是水平荷載；在高層建筑中，風(fēng)荷載和地震作用成為主要的控制因素。風(fēng)荷載是高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)中所必須考慮的荷載。風(fēng)荷載車(chē)輛荷載汽車(chē)荷載列車(chē)荷載加載時(shí)可由計(jì)算圖式中任意截取，或采用特種活載，換算均布活荷載和加載規(guī)定詳《鐵路工程技術(shù)規(guī)范》附錄八。荷載組合當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)，而不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，則稱(chēng)此特定狀態(tài)為結(jié)構(gòu)對(duì)該功能的極限狀態(tài)，可分為承載力極限狀態(tài)及使用極限狀態(tài)。要求對(duì)于所考慮的極限狀態(tài)確定與之相應(yīng)的荷載效應(yīng)的最不利組合。對(duì)于考慮的極限狀態(tài)而言，荷載效應(yīng)組合是在所有可能同時(shí)出現(xiàn)的諸荷載作用下，確定結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的總效應(yīng)S。所謂荷載效應(yīng)的最不利組合，是指所有可能組合中，對(duì)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生總效應(yīng)為最不利的組合。由地基不均勻沉降引起的內(nèi)力效應(yīng)地基不均勻沉降造成的變形2.3特殊荷載與作用2.3.1地震作用2.3.2風(fēng)荷載風(fēng)與地震是兩種典型的、隨機(jī)的側(cè)向動(dòng)荷載，是建筑設(shè)計(jì)中必然考慮的兩種荷載因素。2.3.1地震作用地震與地震荷載的形成地震是地球內(nèi)發(fā)生的錯(cuò)動(dòng)，發(fā)生地震的地方是震源。震源上方正對(duì)著的地面稱(chēng)為震中。地震時(shí)，在地球內(nèi)部出現(xiàn)的彈性波叫作地震波，包含縱波和橫波。縱波引起地面上下顛簸振動(dòng)；橫波能引起地面的水平晃動(dòng)。橫波是地震造成建筑物破壞的主要原因——地震橫波產(chǎn)生地表的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于慣性作用，建筑物與地表之間存在運(yùn)動(dòng)差，因而形成建筑物的慣性力。震源震中地震波2.3.1地震作用地震與地震荷載的形成建筑物的慣性力與地表運(yùn)動(dòng)加速度成相應(yīng)的關(guān)系：根據(jù)牛頓第二定律，F(xiàn)=ma，F(xiàn)：建筑物的慣性力，m：建筑物的物理質(zhì)量，a：地表運(yùn)動(dòng)加速度。在建筑設(shè)計(jì)中，以等效力原理為基礎(chǔ)，假設(shè)地表不運(yùn)動(dòng)，以等效慣性力作用于建筑物上，形成地震荷載。一般按照建筑物的物理質(zhì)量集中區(qū)域，形成地震荷載。多層建筑物每層形成相應(yīng)的側(cè)向荷載?？紤]建筑物橫向剛度相對(duì)較小，一般以橫向?yàn)榈卣鸷奢d演算方向。=aF地震區(qū)域分布全球主要地震活動(dòng)帶有三個(gè)：環(huán)太平洋地震帶，是地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地帶，發(fā)生全球約80%的地震；歐亞地震帶，占全球地震的15%。海嶺地震帶：分布在太平洋、大西洋、印度洋中的海嶺。中國(guó)位于世界兩大地震帶—環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺，分布廣，是一個(gè)震災(zāi)嚴(yán)重的國(guó)家。我國(guó)的地震活動(dòng)主要分布在五個(gè)地區(qū)：臺(tái)灣省及其附近海域；西南地區(qū)，主要是西藏、四川西部和云南中西部；西北地區(qū)，主要在甘肅河西走廊、青海、寧夏、天山南北麓；華北地區(qū)，主要在太行山兩側(cè)、汾渭河谷、陰山-燕山一帶、山東中部和渤海灣；東南沿海的廣東、福建等地。2.3.1地震作用2.3.1地震作用地震與地震荷載的形成地球上的地震有強(qiáng)有弱。地震強(qiáng)度大小以震級(jí)與地震烈度衡量。震級(jí)是衡量地震大小的一種度量。每一次地震只有一個(gè)震級(jí)。地震烈度是指地面及房屋等建筑物受地震破壞的程度。對(duì)同一次地震，在不同的地區(qū)，地震烈度大小是不一樣的。基本烈度，某一地區(qū)今后一定測(cè)算期內(nèi)，可能遭受的最大地震烈度，是抗震設(shè)計(jì)的主要參考指標(biāo)。設(shè)防烈度，是建筑設(shè)計(jì)所采用的地震烈度標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)情況下采用該地區(qū)的基本烈度指標(biāo)。對(duì)于重要建筑物，在基本烈度基礎(chǔ)上加以調(diào)整。震源遠(yuǎn)離震中，地震烈度低震中附近，地震烈度高2.3.1地震作用地震與地震荷載的形成我國(guó)將建筑物分為四個(gè)等級(jí)，多數(shù)屬于丙類(lèi)的一般建筑物。甲類(lèi)：特別重要的建筑物，地震破壞后果嚴(yán)重；需要專(zhuān)門(mén)研究地震動(dòng)力參數(shù)，構(gòu)造有特殊規(guī)定。乙類(lèi)：重要建筑物，如重點(diǎn)抗震城市的生命線(xiàn)工程與抗震救災(zāi)需要的建筑；按基本烈度提高一度進(jìn)行設(shè)防與相關(guān)構(gòu)造。丙類(lèi)：甲、乙、丁類(lèi)以外的一般建筑物；按基本烈度設(shè)防與進(jìn)行相關(guān)構(gòu)造。丁類(lèi)：次要建筑物，地震破壞后果不會(huì)造成重大傷亡與較大經(jīng)濟(jì)損失。按基本烈度降低一度進(jìn)行設(shè)防與相關(guān)構(gòu)造。六度區(qū)內(nèi)百萬(wàn)以上人口城市的高層建筑，按七度設(shè)防。建筑物的抗地震設(shè)計(jì)建筑物的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)的抗震規(guī)范規(guī)定了建筑物的三個(gè)基本設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：小震不壞：在較基本烈度低1.5度的第一水準(zhǔn)烈度的地震作用下，結(jié)構(gòu)處于正常使用階段，材料受力處于彈性階段。中震可修：在遭受基本烈度（第二水準(zhǔn)烈度）的地震作用下，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)一定的損壞，但加以修繕后可繼續(xù)使用，材料受力處于塑性階段，但被控制在一定限度內(nèi)，殘余變形不大。大震不倒：在較基本烈度高1度的第三水準(zhǔn)烈度作用下，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，但材料的變形仍在控制范圍內(nèi)，不至于迅速倒塌，贏得撤離時(shí)間。2.3.1地震作用2.3.2風(fēng)荷載風(fēng)的形成與危害風(fēng)是由于大氣層的溫度差、氣壓差等大氣現(xiàn)象導(dǎo)致的空氣流動(dòng)現(xiàn)象。建筑物會(huì)對(duì)風(fēng)形成阻擋，因此風(fēng)會(huì)對(duì)于建筑物形成反作用。風(fēng)是極其復(fù)雜的氣流現(xiàn)象，是隨機(jī)性的動(dòng)荷載，巨大的風(fēng)力作用會(huì)致使建筑物水平側(cè)移、振動(dòng)甚至垮塌。在風(fēng)的作用下，建筑物會(huì)發(fā)生以下破壞：

1）主體結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致內(nèi)墻裂縫；

2）長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)振效應(yīng)使結(jié)構(gòu)受到往復(fù)應(yīng)力作用而發(fā)生局部疲勞破壞；

3）外裝飾，受風(fēng)力作用而脫落；

4）輕屋面，受風(fēng)的作用會(huì)像上浮起甚至破壞。2.3.2風(fēng)荷載風(fēng)荷載的基本理論氣體的流動(dòng)速度與壓力成反比，迎風(fēng)面受到壓力作用，其他面由于風(fēng)的流動(dòng)而受到吸力?；撅L(fēng)壓基本風(fēng)壓是指某一地區(qū)，風(fēng)力在迎風(fēng)表面產(chǎn)生作用的標(biāo)準(zhǔn)值。平坦空曠的地面，距地面10米高處，年最大風(fēng)速發(fā)生時(shí)10分鐘內(nèi)的風(fēng)速平均值所形成的，并考慮該風(fēng)速的歷史重現(xiàn)期（30年為標(biāo)準(zhǔn)期限）而確定的迎風(fēng)面風(fēng)力作用。風(fēng)玫瑰圖如圖所表示的某一地區(qū)的冬季、夏季主導(dǎo)風(fēng)向的圖形。建筑形體與風(fēng)的作用迎風(fēng)面風(fēng)力為壓力，側(cè)風(fēng)面隨著與風(fēng)的夾角的變化，風(fēng)力逐漸有壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槲?；矩形、圓形、三角形等不同的平面形狀的建筑物，各個(gè)側(cè)面所受的風(fēng)力作用差異很大。建筑物表面粗糙會(huì)加大風(fēng)力的作用。2.3.2風(fēng)荷載2.3.2風(fēng)荷載高度與風(fēng)的作用隨著風(fēng)力測(cè)試點(diǎn)的高度增加，所受風(fēng)力作用也隨之加大。風(fēng)的振動(dòng)效應(yīng)陣風(fēng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的風(fēng)陣效應(yīng)，并且具有極大的不