荷載與結構設計方法課后思考題答案

1、.荷載與結構設計方法習題解答1荷載與作用1.1 什么是施加于工程結構上的作用？荷載與作用有什么區(qū)別？結構上的作用是指能使結構產生效應的各種原因的總稱, 包括直接作用和間接作用。引起結構產生作用效應的原因有兩種, 一種是施加于結構上的集中力和分布力, 例如結構自重 , 樓面的人群、家具、設備, 作用于橋面的車輛、人群, 施加于結構物上的風壓力、水壓力、土壓力等, 它們都是直接施加于結構,稱為直接作用。另一種是施加于結構上的外加變形和約束變形, 例如基礎沉降導致結構外加變形引起的力效應 , 溫度變化引起結構約束變形產生的力效應, 由于地震造成地面運動致使結構產生慣性力引起的作用效應等。它們都是間接

2、作用于結構, 稱為間接作用。 荷載 僅指施加于結構上的直接作用；而 作用 泛指使結構產生力、變形的所有原因。1.2 結構上的作用如何按時間變異、空間位置變異、結構反應性質分類？結構上的作用按隨時間變化可分永久作用、可變作用和偶然作用；按空間位置變異可分為固定作用和自由作用；按結構反應性質可分為靜態(tài)作用和動態(tài)作用。1.3 什么是荷載的代表值？它們是如何確定的？荷載代表值是考慮荷載變異特征所賦予的規(guī)定量值, 工程建設相關的國家標準給出了荷載四種代表值：標準值 , 組合值 , 頻遇值和準永久值。荷載可根據不同設計要求規(guī)定不同的代表值, 其中荷載標準值是荷載的基本代表值 , 其它代表值都可在標準值的基

3、礎上考慮相應的系數得到。23 / 302.1 成層土的自重應力如何確定？2重 力 作 用地面以下深度 z 處的土體因自身重量產生的應力可取該水平截面上單位面積的土柱體的重力, 對于均勻土自重應力與深度成正比, 對于成層土可通過各層土的自重應力求和得到。2.2 土壓力有哪幾種類別？土壓力的大小及分布與哪些因素有關？根據擋土墻的移動情況和墻后土體所處應力狀態(tài), 土壓力可分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力三種類別。土的側向壓力的大小及分布與墻身位移、填土性質、墻體剛度、地基土質等因素有關。2.3 試述靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力產生的條件？比較三者數值的大小？當擋土墻在土壓力作用下, 不產

4、生任何位移或轉動, 墻后土體處于彈性平衡狀態(tài), 此時墻背所受的土壓力稱為靜止土壓力 , 可用 e0 表示。當擋土墻在土壓力的作用下, 向離開土體方向移動或轉動時, 作用在墻背上的土壓力從靜止土壓力值逐漸減少 , 直至墻后土體出現(xiàn)滑動面?；瑒用嬉陨系耐馏w將沿這一滑動面向下向前滑動, 在滑動楔體開始滑動的瞬間 , 墻背上的土壓力減少到最小值, 土體應力處于主動極限平衡狀態(tài), 此時作用在墻背上的土壓力稱為主動土壓力 , 可用 ea 表示。當擋土墻在外力作用下向土體方向移動或轉動時, 墻體擠壓墻后土體 , 作用在墻背上的土壓力從靜止土壓力值逐漸增大, 墻后土體也會出現(xiàn)滑動面, 滑動面以上土體將沿滑動方

5、向向上向后推出, 在滑動楔體開始隆起的瞬間, 墻背上的土壓力增加到最大值, 土體應力處于被動極限平衡狀態(tài)。此時作用在墻背上的土壓力稱為被動土壓力, 可用 ep 表示。在相同的墻高和填土條件下, 主動土壓力小于靜止土壓力, 而靜止土壓力又小于被動土壓力, 即：eae 0ep2.4 如何由朗金土壓力理論導出土的側壓力計算方法？郎金土壓力理論假定土體為半空間彈性體, 擋土墻墻背豎直光滑 , 填土面水平且無附加荷載, 根據半空間土體的應力狀態(tài)和極限平衡條件導出了土壓力計算方法。當填土表面受有連續(xù)均布荷載或局部均布 荷載 , 擋土墻后有成層填土或填土處有地下水時, 還應對側向土壓力進行修正。2.5 試述

6、填土表面有連續(xù)均布荷載或局部均布荷載時土壓力的計算？當擋土墻后填土表面有連續(xù)均布荷載q 作用時 , 可將均布荷載換算成當量土重, 其土壓力強度比無均布荷載時增加一項qka 即可。墻底的土壓力強度為： 土壓力作用點在梯形的重心。(qh )ka , 實際的土壓力分布圖為梯形abcd 部分；當填土表面承受有局部均布荷載時, 通?？刹捎媒品椒ㄌ幚? 從局部均布荷載的兩端o 點及 m點作兩條輔助線oa 和 mc, 且與水平面成45/ 2 角。認為a 點以上和 c 點以下的土壓力都不受地面荷載影響 ,ac 間的土壓力按均布荷載對待, 對墻背產生的附加土壓力強度為qka ,ac 墻面上的土壓力分布如圖所示

7、。mc填土表面有連續(xù)均布荷載填土表面有局部均布荷載2.6 試述民用建筑樓面活荷載的取值方法？2民用建筑樓面活荷載在樓面上的位置是任意布置的, 為方便起見 , 工程設計時一般可將樓面活荷載處理為等效均布荷載, 均布活荷載的量值與房屋使用功能有關, 根據樓面上人員活動狀態(tài)和設施分布情況, 在調查和統(tǒng)計的基礎上 , 劃分檔次 , 確定取值。1活動的人較少 , 如住宅、旅館、醫(yī)院、教室等, 活荷載的標準值可取2.0kn/m 。2活動的人較多且有設備, 如食堂、餐廳在某一時段有較多人員聚集, 辦公樓的檔案室、資料室2可能堆積較多文件資料, 活荷載標準值可取2.5kn/m 。223活動的人很多且有較重的設

8、備, 如禮堂、劇場、影院、體育館看臺人員可能十分擁擠, 無固定座位時可取 3.5kn/m ；有固定座位時可取3.0kn/m 。24活動的人很集中 , 有時很擁擠或有較重的設備, 如商店、展覽廳既有擁擠的人群, 又有較重的物品, 活荷載標準值可取3.5kn/m 。5人員活動的性質比較劇烈, 如健身房、舞廳由于人的跳躍、翻滾會引起樓面瞬間振動, 通常把2樓面靜力荷載適當放大來考慮這種動力效應, 活荷載標準值可取4.0kn/m ;6儲存物品的倉庫, 如藏書庫、檔案庫、貯藏室等, 柜架上往往堆滿圖書、檔案和物品, 活荷載標22準值可取 5.0kn/m 。采用無過道的密集書柜時, 活荷載標準值取為12.

9、0kn/m 。227有大型的機械設備 , 如建筑物的通風機房、電梯機房, 活荷載標準值可取6.0kn/m 7.5kn/m 。8在禮堂、影劇院、教室、辦公樓等場所, 散場、散會或下課之后, 樓梯、走廊、和門廳等處人2流集中 , 擁擠堵塞 , 停留時間較長 , 其樓面活荷載取值應大于相鄰房間的荷載值0.5kn/m 。基于上述方法 , 荷載規(guī)給出了民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻遇值和準永久值系數 , 設計時可直接取用所給數值。2.7當樓面面積較大時, 樓面均布活荷載為什么要折減？民用建筑的樓面均布活荷載標準值是建筑物正常使用期間可能出現(xiàn)的最大值, 當樓面面積較大時 ,作用在樓面上的活荷載

10、不可能同時布滿全部樓面, 在計算樓面梁等水平構件樓面活荷載效應時, 若荷載承載面積超過一定的數值, 應對樓面均布活荷載予以折減。同樣 , 樓面荷載最大值滿布各層樓面的機會更小, 在結構設計時 , 對于墻、柱等豎向傳力構件和基礎應按結構層數予以折減。2.8工業(yè)建筑樓面均布活荷載是如何確定的？工業(yè)建筑樓面上荷載的分布形式不同, 生產設備的動力性質也不盡相同, 安裝在樓面上的生產設備是以局部荷載形式作用于樓面, 而操作人員、 加工原料、 成品部件多為均勻分布； 另外, 不同用途的廠房 ,工藝設備動力性能各異, 對樓面產生的動力效應也存在差別。為方便起見 , 常將局部荷載折算成等效均布荷載 , 并乘以

11、動力系數將靜力荷載適當放大, 來考慮機器上樓引起的動力作用。2.9如何將樓面局部荷載換算為樓面等效均布活荷載？板面等效均布荷載按板分布彎矩等效的原則確定, 即簡支板在實際的局部荷載作用下引起的絕對最大彎矩 , 應等于該簡支板在等效均布荷載作用下引起的絕對最大彎矩。單向板上局部荷載的等效均布活荷載 qe , 可按下式計算：qe8 m max2。式中： l為板的跨度； b 為板上荷載的有效分布寬度；mmax 為簡bl支單向板的絕對最大彎矩, 按設備的最不利布置確定, 設備荷載應乘以動力系數。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, 上人屋面應考慮可能出現(xiàn)的

12、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。屋面設有屋頂花園時 , 尚應考慮花池砌筑、苗圃土壤等重量。 屋面設有直升機停機坪時, 則應考慮直升機總重引起的局部荷載和飛機起降時的動力效應。機械、冶金、水泥等行業(yè)在生產過程中有大量排灰產生, 易在廠房及鄰近建筑屋面形成積灰荷載,設計時也應加以考慮。2.11 什么情況下會產生屋面積灰荷載？影響屋面積灰荷載取值有哪些因素？冶金、 鑄造、 水泥等行業(yè)在生產過程中有大量排灰產生, 易于在廠房及其鄰近建筑屋面堆積, 形成積灰荷載。當房屋離灰源較近, 且位于不利風向下的屋面天溝、凹角和高低跨處, 常形成嚴重的灰堆現(xiàn)象。設計時應

13、考慮屋面積灰情況, 合理確定積灰荷載, 以保證結構的安全性。影響積灰厚度的主要因素有除塵裝置的使用、清灰制度的執(zhí)行、風向和風速、煙囪高度、屋面坡度和屋面擋風板等。2.12 計算挑檐、雨蓬承載力時, 如何考慮施工、檢修荷載？設計屋面板、檁條、鋼筋混凝土挑檐、雨蓬和預制小梁時, 除了考慮屋面均布活荷載外, 還應驗算在施工、檢修時可能出現(xiàn)在最不利位置上, 由人和工具自重形成的集中荷載。屋面板、檁條、鋼筋混凝土挑檐和預制小梁, 施工或檢修集中荷載應取1.0kn, 并應作用在最不利位置處進行驗算；計算挑檐、雨蓬承載力時, 應沿板寬每隔 1.0m 取一個集中荷載；在驗算挑檐、雨蓬傾覆時, 應沿板寬每隔 2

14、.5 3.0m 的取一個集中荷載 , 集中荷載的位置作用于挑檐、雨蓬端部。2.13 試述公路橋梁汽車荷載的等級和組成？車道荷載的計算圖式和標準值？公路橋梁汽車荷載分為公路級和公路級兩個級別, 分別由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁結構的整體計算采用車道荷載, 車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。橋梁結構的局部加載、涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計算采用車輛荷載。車輛荷載和車道荷載的作用不得疊加。車道荷載是個虛擬荷載 , 它的荷載標準值qk 和pk 是在不同車流密度、 車型、 車重的公路上 , 對實際汽車車隊車重和車間距的測定和效應分析得到。車道荷載的均布荷載標準值應滿布于使結構產生最不利效應的同號影響

15、線上；集中荷載標準值只作用于相應影響線中一個最大影響線峰值處。車道荷載的計算圖式見圖2.28 。公路級車道荷載的均布荷載的標準值為qk10.5kn/m ；集中荷載標準值按以下的規(guī)定選?。簶蛄河嬎憧鐝叫∮诨虻扔?m,pk180kn；橋梁計算跨徑等于或大于50m 時,pk360kn；橋梁的計算跨徑在5m50m之間時 ,pk 值采用直線插求得。計算剪力的效應時, 上述集中荷載的標準值pk 應乘以 1.2 的系數。公路級車道荷載的均布荷載標準值qk 和集中荷載標準值用。pk 按公路 級車道荷載的0.75 倍采車道荷載的均布荷載標準值應滿布于使結構產生最不利效應的同號影響線上；集中荷載標準值只作用于相應

16、影響線中一個最大影響線峰值處。圖 2.28 車道荷載的計算圖式2.14 車道荷載為什么要沿橫向和縱向折減？橋梁設計時各個車道上的汽車荷載都是按最不利位置布置的, 多車道橋梁上的汽車荷載同時處于最不利位置可能性隨著橋梁車道數的增加而減小。在計算橋梁構件截面產生的最大效應力、位移時, 應考慮多車道折減。當橋涵設計車道數等于或大于2 時, 由汽車荷載產生的效應應進行折減。大跨徑橋梁隨著橋梁跨度的增加橋梁上實際通行的車輛達到較高密度和滿載的概率減小, 應考慮計算跨徑進行折減。2.15 城市橋梁在設計中如何考慮作用于橋面的車輛荷載取值？我國城市橋梁的荷載設計, 依據城市橋梁設計荷載標準cjj77-98

17、, 該標準適用于城市新建、 改建的永久性橋梁與涵洞、高架道路及承受機動車的結構物的荷載設計。標準中采用兩級荷載標準, 即城-a 級、城 -b 級。城 -a 級汽車荷載適用于快速路及主干路。城-b 級汽車荷載適用于次干路及支路。2.16 橋梁設計時 , 人行道上的人群荷載如何考慮？22公路橋規(guī)人群荷載標準值按下列規(guī)定采用：當橋梁計算跨徑小于或等于50m 時, 人群荷載標準值為 3.0kn/m；當橋梁計算跨徑等于或大于150m 時, 人群荷載標準值為2.5 kn/m；當橋梁計算跨徑在250m 150m之間時 , 可由線性插得到人群荷載標準值。對跨徑不等的連續(xù)結構, 以最大計算跨徑為準。人群荷載在橫

18、向應布置在人行道的凈寬度, 在縱向施加于使結構產生最不利荷載效應的區(qū)段。公路橋梁人行道板局部構件可以一塊板為單元, 按標準值4.0kn/m 的均布荷載作用在一塊板上進行力計算。計算人行道欄桿時, 作用在欄桿立柱頂上的水平推力標準值取0.75kn/m ；作用在欄桿扶手上的豎向力標準值取 1.0kn/m 。我國城市人口密集, 人行交通繁忙 , 城市橋梁人群荷載的取值較公路橋梁規(guī)定的要大。對于人行道板2的人群荷載應按 5kn/m 的均布荷載或 1.5kn 的豎向集中荷載分別計算, 并作用在一塊構件上 , 取其受力不利者。對于梁、桁架、拱及其他大跨結構的人群荷載, 需根據加載長度及人行道寬來確定, 可

19、按下列公式2計算 , 且人群荷載在任何情況下不得小于2.4kn/m 。2.17 廠房吊車縱向和橫向水平荷載如何產生？其取值如何確定？吊車縱向水平荷載是由吊車的大車運行機構在啟動或制動時引起的水平慣性力, 慣性力為運行重量與運行加速度的乘積, 此慣性力通過制動輪與鋼軌間的摩擦傳給廠房結構。吊車水平荷載取決于制動輪的輪壓和它與鋼軌間的滑動摩擦系數, 該摩擦系數一般取0.10 。因此 , 吊車縱向水平荷載標準值, 應按作用在一邊軌道上所有剎車輪的最大輪壓之和的10%采用。吊車橫向水平荷載是當小車吊有額定最大起重量時, 小車運行機構啟動或剎車所引起的水平慣性力,它通過小車制動輪與橋架軌道之間的摩擦力傳

20、給大車, 等分于橋架兩端, 分別由大車兩側的車輪平均傳至吊車梁上的軌道, 再由吊車梁與柱的聯(lián)接鋼板傳給排架。吊車橫向水平荷載標準值可按下式取值：t=q+q1；式中： q為吊車的額定起吊重量；q1 為橫行小車的重量； g 為重力加速度；為橫向水平荷載系數。橫向水平荷載系數對于軟鉤吊車 , 當額定起重量不大于100kn 時, 橫向水平荷載系數應取0.12 ； 當為 160500kn 時, 應取 0.10 ；當不小于 750kn 時, 應取 0.08 。硬鉤吊車橫向水平荷載系數取為0.20 。2.18 廠房設有多臺吊車時 , 如何考慮吊車荷載組合？當廠房設有多臺吊車時, 考慮到各臺吊車同時聚集在同一

21、柱圍的可能性較小, 各臺吊車同時處于最不利位置且同時滿載的概率更小。在計算吊車豎向荷載時, 單跨廠房設計時最多考慮2 臺吊車；多跨廠房最多只考慮 4 臺吊車。在計算吊車水平荷載時, 不論單跨還是多跨廠房最多只考慮2 臺吊車。2.19 什么叫基本雪壓？它是如何確定的？雪壓是指單位水平面積上的雪重, 雪壓值的大小與積雪深度和積雪密度有關。基本雪壓是在空曠平坦的地面上 , 積雪分布均勻的情況下 , 經統(tǒng)計得到的 50 年一遇的最大雪壓。屋面的雪荷載由于受到屋面形式、 積雪漂移等因素的影響 , 往往與地面雪荷載不同, 需要考慮一換算系數將地面基本雪壓換算為屋面雪荷載。2.20 我國的基本雪壓分布有哪些

22、特點？ 我國基本雪壓分布呈如下特點：1北部是我國突出的雪壓高值區(qū)。該地區(qū)雪量豐富 , 加上溫度低 , 積雪可以保持整個冬季不溶化,新雪覆老雪 , 形成了特大雪壓。2東北地區(qū)冬季多降雪天氣, 同時氣溫較低 , 有利于積雪。因此大興安嶺及長白山區(qū)是我國另一個雪壓高值區(qū)。3長江中下游及淮河流域是我國稍南地區(qū)一個雪壓高值區(qū)。該地區(qū)冬季積雪情況很不穩(wěn)定, 有些年份一冬無積雪 , 而有些年份遇到寒潮南下, 冷暖氣流僵持 , 即降大雪。但積雪期較短。4川西、滇北山區(qū)的雪壓也較高, 該地區(qū)海拔高 , 氣溫低 , 濕度大 , 降雪較多而不易溶化。但該地區(qū)氣溫相對較高 , 積雪不多。5華北及西北大部地區(qū), 冬季溫

23、度雖低 , 但空氣干燥。水汽不足 , 降雪量較少。南嶺、武夷山脈以南、冬季氣溫高 , 很少降雪 , 基本無積雪。2.21 試述風對屋面積雪的漂移作用及其對屋面雪荷載取值的影響？風對雪的漂積作用是指下雪過程中, 風會把部分將要飄落或者已經漂積在屋面上的雪吹移到附近地面或鄰近較低的屋面上, 對于平屋面和小坡度屋面, 風對雪的漂移作用會使屋面上的雪壓一般比鄰近地面上的雪壓要小；對于雙坡屋面、高低跨屋面, 迎風面吹來的雪往往在背風一側屋面上漂積, 引起屋面不平衡雪荷載。風對積雪的漂移影響可通過屋面積雪分布系數加以考慮。3水 作 用3.1 靜水壓強具有哪些特征？如何確定靜水壓強？靜水壓力是指靜止液體對其

24、接觸面產生的壓力, 具有兩個特性： 一是靜水壓強垂直于作用面, 并指向作用面部；二是靜止液體中任一點處各方向的靜水壓強均相等, 與作用的方位無關。確定靜水壓強時常以大氣壓強為基準點, 靜水壓強與水深呈線性關系, 隨水深按比例增加； 水壓力作用在結構物表面法線方向, 水壓力分布與受壓面形狀有關。如果受壓面為垂直平面, 已知底部深度h, 則可按 ph 求得底部壓強 , 再作頂部和底部壓強連線便可得到擋水結構側向壓強分布規(guī)律。3.2 試述等速平面流場中 , 流體受阻時邊界層分離現(xiàn)象及繞流阻力的產生？某一流速為v 的等速平面流場 , 流線是一互相平行的水平線, 在該流場中放置一個固定的圓柱體, 流線在

25、接近圓柱體時流動受阻, 在到達圓柱體表面a 點時 , 該流線流速減至為零 , 壓強增到最大。繼續(xù)流來的流體質點在a 點較高壓強作用下, 沿圓柱面兩側向前流動 , 即從 a 點開始形成邊界層流動。 在圓柱面 a 點到 b 點區(qū)間 , 邊界層流動處于加速減壓狀態(tài)。過了b 點流線擴散 , 邊界層流動呈現(xiàn)相反態(tài)勢, 處于減速加壓狀態(tài) , 繼續(xù)流來的流體質點脫離邊界向前流動, 出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象。置于河流中的橋墩邊界層分離現(xiàn)象, 還會導致橋墩繞流阻力, 繞流阻力是結構物在流場中受到流動方向上的流體阻力, 繞流阻力由摩擦阻力和壓強阻力兩部分組成。邊界層分離3.3 實際工程中為什么常將橋墩、閘墩設計成流線型

26、？在實際工程中 , 為減小繞流阻力 , 常將橋墩、 閘墩設計成流線型, 以縮小邊界層分離區(qū) , 達到降低阻力的目的。3.4 試述波浪傳播特征及推進過程？波浪是液體自由表面在外力作用下產生的周期性起伏波動, 其中風成波影響最大。在海洋深水區(qū) , 波浪運動不受海底摩阻力影響, 稱為深水推進波；波浪推進到淺水地帶, 海底對波浪運動產生摩阻力, 波長和波速縮減 , 波高和波陡增加, 稱淺水推進波；當淺水波向海岸推進, 達到臨界水深 , 波峰發(fā)生破碎 , 破碎后的波重新組成新的水流向前推移, 而底層出現(xiàn)回流 , 這種波浪稱為擊岸波；擊岸波沖擊岸灘, 對海邊水工建筑施加沖擊作用 , 即為波浪荷載。3.5

27、如何對直立式防波堤進行立波波壓力、遠破波波壓力和近破波波壓力的計算？波浪作用力不僅與波浪本身特征有關, 還與結構物形式和海底坡度有關。對于作用于直墻式構筑物上的波浪分為立波、遠堤破碎波和近堤破碎波三種波態(tài)。在工程設計時, 應根據基床類型、水底坡度、浪高及水深判別波態(tài), 分別采用不同公式計算波浪作用力。我國港工規(guī)分別給出了立波波壓力、遠破波波壓力和近破波波壓力計算方法, 先求得直墻各轉折點壓強, 將其用直線連接 , 得到直墻壓強分布 ,即可求出波浪壓力, 計算時尚應考慮墻底波浪浮托力。3.6 冰壓力有哪些類型？冰壓力按其作用性質不同, 可分為靜冰壓力和動冰壓力。靜冰壓力包括冰堆整體推移的靜壓力,

28、 風和水流作用于大面積冰層引起的靜壓力以及冰覆蓋層受溫度影響膨脹時產生的靜壓力；另外冰層因水位上升還會產生豎向作用力。動冰壓力主要指河流流冰產生的沖擊作用。3.7 冰堆整體推移靜壓力計算公式是如何導出的？由于水流和風的作用 , 推動大面積浮冰移動對結構物產生靜壓力, 可根據水流方向和風向, 考慮冰層面積來計算：p( p1p2p3 ) sinp4 sin 式中： p作用于結構物的正壓力n；2浮冰冰層面積, 一般采用歷史上最大值；p1水流對冰層下表面的摩阻力pa, 可取為 0.5v 2 ,svs 為冰層下的流速 ;p2水流對浮冰邊緣的作用力, 可取為度,在河中不得大于兩倍河寬；50 hslv 2

29、, h 為冰厚 ,l為冰層沿水流方向的平均長p3由于水面坡降對冰層產生的作用力,等于 920hi , i 為水面坡降；p4風對冰層上表面的摩阻力, p4= vf, vf 為風速 , 采用歷史上有冰時期和水流方向基本一致的最大風速；結構物迎冰面與冰流方向間的水平夾角；結構物迎冰面與風向間的水平夾角。3.8 冰蓋層受到溫度影響產生的靜壓力與哪些因素有關？冰蓋層溫度上升時產生膨脹, 若冰的自由膨脹變形受到壩體、橋墩等結構物的約束 , 則在冰蓋層引起膨脹作用力。冰場膨脹壓力隨結構物與冰覆蓋層支承體之間的距離大小而變化, 當冰場膨脹受到橋墩等結構物的約束時 , 則在橋墩周圍出現(xiàn)最大冰壓力, 并隨著離橋墩

30、的距離加大而逐漸減弱。冰的膨脹壓力與冰面溫度、升溫速率和冰蓋厚度有關, 冰壓力沿冰厚方向基本上呈上大下小的倒三角形分布 , 可認為冰壓力的合力作用點在冰面以下1/3 冰厚處。3.9 如何根據能量原理導出船只撞擊力近似計算公式？在通行較大的噸位的船只或有漂流物的河流中, 需考慮船只或漂流物對橋梁墩臺的撞擊力, 撞擊力可根據能量相等原則采用一個等效靜力荷載表示撞擊作用。公路橋規(guī)假定船只或排筏作用于墩臺上有效動能全部轉化為撞擊力所做的功, 按等效靜力導出撞擊力f 的近似計算公式。設船只或排筏的質量為m, 駛近墩臺的速度為v, 撞擊時船只或排筏的縱軸線與墩臺面的夾角為如圖所示 , 其動能為：1 mv2

31、212m( vsin)21m( v cos2) 2 假定船只或排筏可以順墩臺面自由滑動, 則船只或排筏給予墩臺的動能僅有前一項, 即：0e1 m(v sin) 22在碰撞瞬間 , 船身以一角速度繞撞擊點a 旋轉 , 其動能為：ee 0是船只在碰撞過程中, 由于船體結構、防撞設備、墩臺等的變形吸收一部分能量而考慮的折減系數,按下式計算：11(d) 2r式中 r水平面上船只對其質心g的回轉半徑 m；d質心 g與撞擊點 a 在平行墩臺面方向的距離m。撞擊時受力圖在碰撞過程中 , 通過船只把傳遞給墩臺的有效動能 e全部轉化為碰撞力 f所作的靜力功 , 即在碰撞過程中 , 船只在碰撞點處的速度由 v 減

32、至零 , 而碰撞力由零增至 f。設撞擊點 a 沿速度 v 的方向的總變位 墩臺或防撞設備、 地基、船體結構等的綜合彈性變形 為 , 材料彈性變形系數為 c單位力所產生的變形 , 則有fc 根據功的互等定理, 有：1f 2e fc22由式 2、 3和 4, 可得w (v sin2 g)2f 2c272f w(vsin) gc82令及 mw代入上式 , 得：gfv sinm c9式中 f船只或排筏撞擊力kn；動能折減系數；v 船只或排筏撞擊墩臺速度m/s ；船只或排筏撞擊方向與墩臺撞擊點切線的夾角；m 船只或排筏質量t ；w船只或排筏重力knc彈性變形系數, 包括船只或排筏及橋梁墩臺的綜合彈性變形

33、在, 一般順橋軸方向取0.0005,橫橋軸方向取 0.0003 。3.10 試述浮托力產生的原因及考慮的方法？水浮力為作用于建筑物基底面的由下向上的水壓力, 當基礎或結構物的底面置于地下水位以下, 在其底面產生浮托力 , 浮托力等于建筑物排開同體積的水重力。地表水或地下水通過土體孔隙的自由水溝通并傳遞水壓力。 浮托力的大小取決于土的物理特性, 當地下水能夠通過土的孔隙溶入到結構基底, 且固體顆粒與結構基底之間接觸面很小時, 可以認為土中結構物處于完全浮力狀態(tài)。浮托力作用可根據地基的透水程度, 按照結構物喪失的重量等于它所排除的水重這一原則考慮：1對于透水性土 , 應計算水浮力；對于非透水性土,

34、 可不考慮水浮力。若結構物位于透水性飽和的地基上 , 可認為結構物處于完全浮力狀態(tài), 按 100%計算浮托力。2若結構物位于透水性較差地基上, 如置于節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖石地基上, 地下水滲入通道不暢 ,可按 50%計算浮托力。3若結構物位于粘性土地基上 , 土的透水性質難以預測 , 對于難以確定是否具有透水性質的土 , 計算基底應力時 , 不計浮力 , 計算穩(wěn)定時 , 計入浮力。對于計算水浮力的水位 , 計算基底應力用低水位 , 計算穩(wěn)定用設計水位。4地下水也對地下水位以下巖石、土體產生浮托力 , 基礎底面以下土的天然重度或是基礎底面以上土的加權平均重度應取有效重度。5地下水位在基底標高上下圍

35、漲落時, 浮托力的變化有可能引起基礎產生不均勻沉降, 應考慮地下水位季節(jié)性漲落的影響。4風 荷 載4.1. 基本風壓是如何定義的？影響風壓的主要因素有哪些？基本風壓是在規(guī)定的標準條件下得到的, 基本風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 平均最大風速。影響風壓的主要因素有：1風速隨高度而變化 , 離地表越近 , 摩擦力越大 , 因而風速越小。2與地貌粗糙程度有關, 地面粗糙程度高 , 風能消耗多、風速則低。3與風速時距風有關 , 常取某一規(guī)定時間的平均風速作為計算標準。4與最大風速重現(xiàn)期有關, 風有著它的自然周期 , 一般取年最大風速記錄值為統(tǒng)計樣

36、本, 對于一般結構 , 重現(xiàn)期為 50 年；對于高層建筑、高聳結構及對風荷載比較敏感的結構, 重現(xiàn)期應適當提高。當實測風速高度、時距、重現(xiàn)期不符合標準條件時可進行基本風壓換算。4.2. 試述風速和風壓之間的關系？風速和風壓之間的關系可由流體力學中的伯努利方程得到, 自由氣流的風速產生的單位面積上的風壓力為：w1v2v222g2式中 w 單位面積上的風壓力kn/m 3空氣密度 t/m 3空氣單位體積重力kn/m 2g 重力加速度 m/s v 風速 m/s 在標準大氣壓情況下 ,= 0.012018kn/m3,g =9.80m/s, 可得：wv20.012018 v2v(kn/m 2 )222 g

37、29.801630在不同的地理位置, 大氣條件是不同的,和 g 值也不相同。通常取為：v2w1600(kn/m 2 )4.3. 山區(qū)及海洋風速各有什么特點？應當如何考慮？山區(qū)地勢起伏多變 , 對風速影響較為顯著 , 山區(qū)風速有如下特點：山間盆地、谷地等閉塞地形, 由于四周高山對風的屏障作用, 一般比空曠平坦地面風速減小1025%,相應風壓要減小2040%。谷口、山口等開敞地形 , 當風向與谷口或山口趨于一致時, 氣流由開敞區(qū)流入兩邊為高山的狹窄區(qū), 流區(qū)壓縮 , 風速必然增大；風速比一般空曠平坦地面增大1020%。山頂、山坡等弧尖地形, 由于風速隨高度增加和氣流越過山峰時的抬升作用, 山頂和山

38、坡的風速比山麓要大。對于山區(qū)的建筑物可根據不同地形條件給出風荷載地形修正系數, 在一般情況下 , 山區(qū)的基本風壓可按相鄰平坦地區(qū)基本風壓乘修正系數后采用。風對海面的摩擦力小于對陸地的摩擦力, 所以海上風速比陸地要大。另外, 沿海地帶存在一定的海陸溫差 , 促使空氣對流 , 使海邊風速增大。基于上述原因, 遠海海面和海島的基本風壓值大于陸地平坦地區(qū)的基本風壓值 , 并隨海面或海島距海岸距離的增大而增大。根據沿海陸地與海面、海島上的同期觀測到的風速資料對比 , 可得不同出海距離下遠海海面和海島基本風壓修正系數。4.4. 試述我國基本風壓分布的特點？我國夏季受太平洋熱帶氣旋影響, 形成的臺風多在東南

39、沿海登陸；冬季受西伯利亞和蒙古高原冷空氣侵入 , 冷鋒過境常伴有大風出現(xiàn)。全國基本風壓值分布呈如下特點：1東南沿海為我國大陸上最大風壓區(qū)。這一地區(qū)面臨海洋, 正對臺風的來向 , 臺風登陸后環(huán)流遇山和陸地 , 摩擦力和阻塞力加大 , 臺風強度很快減弱 , 風壓等值線從沿海向陸遞減很快。2西北、華北和東北地區(qū)的北部為我國大陸上風壓次大區(qū)。這一地區(qū)的大風主要由冬季強冷空氣入侵造成的 , 在冷鋒過境之處都有大風出現(xiàn)。3青藏高原為風壓較區(qū) , 主要是由于海拔高度較高所造成的。這一地區(qū)除了冷空氣侵襲造成大風外, 高空動量下傳也能造成大風。4云貴高原和長江中下游地區(qū)風壓較小, 尤其是中部、 、湘西和鄂西為我

40、國風壓最小區(qū)域。5是我國風壓最區(qū) , 主要受太平洋臺風的影響；島主要受南海臺風的襲擊, 故東岸偏南有較大風壓；西沙群島受南海臺風的影響, 風力較大。4.5. 什么叫梯度風？什么叫梯度風高度？在離地表 300500m 大氣邊界層以上的高度 , 風的流動不受地面粗糙層的影響, 風沿著等壓線以層流方式自由流動 , 稱為梯度風。梯度風流動的起點高度稱為梯度風高度。4.6. 影響大氣邊界層以下氣流流動的因素有哪些？地球表面通過地面的摩擦對空氣水平運動產生阻力, 從而使靠近地面的氣流速度減慢, 該阻力對氣流的作用隨高度增加而減弱, 只有在離地表 300500m 以上的高度 , 風才不受地表粗糙層的影響能夠

41、以梯度風速度流動。不同地表粗糙度有不同的梯度風高度, 地面粗糙度小 , 風速變化快 , 其梯度風高度比地面粗糙度大的地區(qū)為低；反之, 地面粗糙度越大 , 梯度風高度將越高。4.7. 荷載規(guī)是如何劃分和度量地面粗糙度的？荷載規(guī)將地面粗糙度分為a、b、c、d 四類 , 分類情況及相應的地面粗糙度指數和梯度風高度 ht 如下：a 類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū), 取 a =0.12, hta=300m；b 類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū), 取 b =0.16, htb=ht0=350m；c類指有密集建筑群的城市市區(qū), 取 c =0.22, htc=400m；d類

42、指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū), 取 d =0.30,h t0=450m。4.8. 試述風壓高度變化系數的導出方法？根據實測結果分析, 大氣邊界層平均風速沿高度變化的規(guī)律可用指數函數來描述, 即：v( z )11v0z0式中v 任一高度z 處平均風速；v0 標準高度處平均風速；z 離地面任一高度m；z0 離地面標準高度 , 通常取為 10m,與地面粗糙度有關的指數, 地面粗糙程度越大 ,越大。由風壓與風速的平方成正比, 再將 1式代入 , 可得：2wa ( z)v( z )2v2woa0z0式中 wa ( z) 任一地貌高度z 處風壓；woa 任一地貌標準高度處風壓。整理 2式 , 并將標

43、準高度z0=10m代入, 可得：wa ( z)woa( z ) 210設標準地貌下梯度風高度為ht0, 粗糙度指數為0 , 基本風壓值為 w0；任一地貌下梯度風高度為hta。根據梯度風高度處風壓相等的條件, 由式可導出：w0 (h t0 ) 2 010woa( h ta ) 210woa( h t0 ) 210( 10 )20h taw0 將式代入 式, 可得任一地貌條件下 , 高度 z 處的風壓：wa ( z)( h t0 )2 010( 10 ) 2h ta( z ) 2w 10zw0a0a上式中z 是任意地貌下的風壓高度變化系數, 應按地面粗糙度指數和假定的梯度風高度ht 確定 , 并隨

44、離地面高度 z 而變化。a將以上數據代入z 的表達式 6, 可得 a、b、c、d 四類風壓高度變化系數：za 類：a1.379 ( z) 0.2410zb 類：b1.000 ( z10)0.32zc 類：c0.616 ( z10)0.44zd 類：d0.318 ( z)0.6010據此 , 可制出風壓高度變化系數 z 的表格 , 供設計時查用。4.9. 簡述矩形平面的單體建筑物風流走向和風壓分布？矩形平面的單體建筑受到風的作用后 , 在其迎風面大約 2/3 高度處 , 氣流有一個正面停滯點 , 氣流從該停滯點向外擴散分流。停滯點以上 , 一部分氣流流動上升并越過建筑物頂面；停滯點以下 , 一部

45、分氣流向下流向地面 , 在緊靠地面處形成水平滾動 , 成為駐渦區(qū)；另一部分氣流則繞過建筑物兩側向背后流去。在鈍體建筑物的背后 , 由于屋面上部的剪切層產生的環(huán)流 , 形成背風渦旋區(qū) , 渦旋氣流的風向與來流風相反, 在背風面產生吸力。矩形平面的單體建筑物在風的作用下 , 迎風面由于氣流正面受阻產生風壓力 , 側風面和背風面由于旋渦作用引起風吸力。迎風面的風壓力在房屋中部最大 , 側風面和背風面的風吸力在建筑物角部最大。側風面-+-背風面駐渦區(qū)停滯點旋渦區(qū)尾流區(qū)迎風面-側風面圖 4.13單體建筑物立面流線分布圖 4.12 風壓在房屋平面上的分布4.10. 什么是風載體型系數？它是如何確定的？建筑

46、物處于風流場中, 風力在建筑物表面上的分布是不均勻的, 風作用在建筑物表面的不同部位將引起不同的風壓值, 此值與來流風壓之比稱為風載體型系數。風載體型系數表示建筑物表面在穩(wěn)定風壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律, 主要與建筑物的體型和尺寸有關。目前要完全從理論上確定受風力作用的任意形狀物體的壓力分布尚做不到, 一般均通過風洞試驗確定風載體型系數。4.11. 高層建筑為什么要考慮群體間風壓相互干擾？如何考慮？高層建筑群房屋相互間距較近時, 由于尾流作用 , 引起風壓相互干擾, 對建筑物產生動力增大效應,使得房屋局部風壓顯著增大, 設計時可將單體建筑物的體型系數us乘以相互干擾增大系數加以考慮。4.12.

47、 計算順風向風效應時 , 為什么要區(qū)分平均風和脈動風？結構順向的風作用可分解為平均風和脈動風 , 平均風的作用可通過基本風壓反映 , 基本風壓是根據10min 平均風速確定的 , 雖然它已從統(tǒng)計的角度體現(xiàn)了平均重現(xiàn)期為 50 年的最大風壓值 , 但它沒有反映風速中的脈動成分。脈動風是一種隨機動力荷載, 風壓脈動在高頻段的峰值周期約為12min, 一般低層和多層結構的自振周期都小于它 , 因此脈動影響很小, 不考慮風振影響也不致于影響到結構的抗風安全性。而對于高聳構筑物和高層建筑等柔性結構, 風壓脈動引起的動力反應較為明顯, 結構的風振影響必須加以考慮。4.13. 工程設計中如何考慮脈動風對結構

48、的影響？對于高聳構筑物和高層建筑等柔性結構, 風壓脈動引起的動力反應較為顯著, 必須考慮結構風振影響。荷載規(guī)要求 , 對于結構基本自振周期t1 大于 0.25s的工程結構 , 如房屋、屋蓋及各種高聳結構； 以及對于高度大于30m且高寬比大于1.5 的高柔房屋 , 應考慮風壓脈動對結構產生的順風向風振。結構風振影響可通過風振系數計算：v z , 式中脈動增大系數可由隨機振動理論導出, 此1zz時脈動風輸入達文波特davenport 建議的風譜密度經驗公式, 也可查表確定。結構振型系數z 可根據結構動力學方法計算, 也可采用近似公式或查表確定。脈動影響系數v 主要反應風壓脈動相關性對結構的影響 ,

49、 可通過隨機振動理論分析得到, 為方便設計人員進行工程設計, 已制成表格 , 供直接查用。4.14. 結構橫向風振產生的原因是什么？建筑物或構筑物受到風力作用時, 橫風向也能發(fā)生風振。橫風向風振是由不穩(wěn)定的空氣動力作用造成的 , 它與結構截面形狀和雷諾數有關。對于圓形截面, 當雷諾數在某一圍時 , 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構橫向自振頻率時會引起結構渦激共振。4.15. 什么叫鎖定現(xiàn)象？在結構產生橫向共振反應時, 若風速增大 , 旋渦脫落頻率仍維持不變, 與結構自振頻率保持一致, 這一現(xiàn)象稱為鎖定。在鎖定區(qū), 旋渦脫落頻率是不變的。只有當風速

50、大于結構共振風速約1.3 倍時 , 旋渦脫落才重新按新的頻率激振。4.16. 什么情況下要考慮結構橫風向風振效應？如何進行橫風向風振驗算？6應根據雷諾數re的不同情況進行橫風向風振驗算。當雷諾數增加到 re 3.5 10 , 風速進入跨臨界圍時 , 出現(xiàn)規(guī)則的周期性旋渦脫落, 一旦旋渦脫落頻率與結構橫向自振頻率接近, 結構將發(fā)生強烈渦激共振, 有可能導致結構損壞 , 危及結構的安全性 , 必須進行橫向風振驗算。22跨臨界強風共振引起在z 高處振型 j 的等效風荷載可由下列公式確定：wcz jj vcrzj / 12800j (kn/m )式中j 計算系數；zj 在 z 高處結構的 j 振型系數

51、；j 第 j 振型的阻尼比。橫風向風振主要考慮的是共振影響 , 因而可與結構不同振型發(fā)生共振效應。對跨臨界的強風共振 , 設計時必須按不同振型對結構予以驗算。一般認為低振型的影響占主導作用。只需考慮前 4 個振型即可滿足要求。4.17. 公路橋規(guī)中是如何考慮橋梁橫向風力作用的？公路橋規(guī)按靜力方法計算橫向風力作用, 即考慮基本風速、設計風速重現(xiàn)期換算系數、風載阻力系數、風速高度變化修正系數、地形和地理條件系數以及陣風風速系數后, 按橫向風壓乘以迎風面積獲得橫向風力。4.18 什么是橋梁靜力風荷載的三分力系數？橋梁的靜力風荷載一般采用三分力來描述, 即氣流流經橋梁時 , 由于截面表面的風壓分布存在差別,上下表面壓強差的面積分就是橋梁所受的升力荷載, 而迎風前后表面壓強差的面積分則是橋梁所受的風阻力荷載 , 即通常所說的橫風向力；此外, 當升力與阻力的合力作用點與橋梁截面的形心不一致時, 還會產生對形心的扭矩。 三分力系數即是上述靜氣動力系數, 反映橋梁截面在均勻流中承受的靜風荷載大小。該系數通常是