工程荷載與可靠度設計原理課件

1、目 錄第1章 緒論第2章 荷載的分類與計算第3章 荷載效應組合和結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)第4章 結(jié)構(gòu)設計方法目 錄第1章 緒論一. 本門課程的主要學習任務了解荷載產(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)設計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)設計法中相關(guān)的一些基本理論,荷載效應存在組合的問題，為以后學習各種土木結(jié)構(gòu)的設計墊定基本理論方法基礎。二. 本門課程的學習要求 本課程內(nèi)容多、課時少，建議課前預習并完成簡 答題，做為平時成績的內(nèi)容之一。一. 本門課程的主要學習任務了解荷載產(chǎn)生的主要背景，理 本課程為必修課、考試課，一個學分。考核標準為：平時作業(yè)完成

2、情況（包括考勤紀律遵守情況/課堂聽課和回答表現(xiàn)）占總評成績的30%，期末考試占70%。作業(yè)遲交不記分。 本課程為必修課、考試課，一個學分。第1章 緒 論1.1結(jié)構(gòu)上的作用及作用效應建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準(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: 當以力的形式作用于結(jié)構(gòu)上時，稱為直接作用，習慣上稱為荷載。 (2) 間接作用: 當以變形的形式作用于結(jié)構(gòu)上時，稱為間接作用。 第1章 緒 論1.1結(jié)構(gòu)上的作用及作用效應作用按時間不同可分為以下3類。

3、 (1) 永久作用: 在結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)，其值不隨時間變化，或其變化的量值相對于平均值而言可以忽略不計，或其變化是單調(diào)的并能趨于限值的作用。 (2) 可變作用: 在結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)，其值隨時間變化，且其變化的量值與平均值不可忽略不計的作用。 (3) 偶然作用: 在結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的作用。 作用按空間位置不同可分為以下兩類。 (1) 固定作用: 在結(jié)構(gòu)空間位置上具有固定不變的分布，但其量值可能具有隨機性。 (2) 自由作用: 在結(jié)構(gòu)空間位置上一定范圍內(nèi)可以任意分布，出現(xiàn)的位置和量值都可能是隨機的。作用按時間不同可分為以下3類。 作用按結(jié)構(gòu)反應不同可分為以下

4、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的作用。 (2) 動態(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。 作用按結(jié)構(gòu)反應不同可分為以下兩類。1.1.2作用效應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”，用S表示。 當作用為直接作用(荷載)時，其效應也被稱為“荷載效應”。荷載Q與荷載效應之間，一般近似按線性關(guān)系考慮： 常數(shù) C 為荷載效應系數(shù)1.1.2作用效應Sq(KN/m)lql/2Mmax=ql2/8單位(KN.m)簡支梁ql/2(彎距圖M)q(K

5、N/m)lql/2Mmax=ql2/8單位(KN.m)第2章 荷載的分類與計算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，其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計，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、靜水壓力、水浮力、預加應力、混凝土收縮和徐變影響力、基礎變位影響力等。第2章 荷載的分類與計算2.1 荷載的類型2.1.2 可變荷載可變荷載指在結(jié)構(gòu)使用期間，其值會隨時間發(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，

6、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、風荷載、車輛制動力、溫度影響力、變形作用、支座摩阻力等。2.1.2 可變荷載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)，作用時間較短暫，但一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時間很短的荷載，主要包括地震作用、船只或漂流物的撞擊力、爆炸力等。2.2 各種荷載的計算2.2.1 重力荷載地球上一定高度范圍內(nèi)的物體均會受到地球引力的作用而產(chǎn)生重力。該重力導致的荷載稱為重力荷載。2.1.3 偶然荷載圖2.1(1)土的自重圖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。

7、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。(2)結(jié)構(gòu)自重(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) 應按下式計算:基本雪壓SO(kN/m2) 取值原則:根據(jù)當?shù)貧庀笈_(站)觀察并收集的每年最大雪壓，經(jīng)統(tǒng)計得出的50年一遇的最大雪壓(重現(xiàn)期為50年的最大雪壓)，即為當?shù)氐幕狙?。屋面積雪分布系數(shù)(3)雪荷載基本雪壓SO(kN/m2)高低跨屋面飄積雪分布圖 多跨屋面積雪分布圖 建筑結(jié)構(gòu)設計考慮積雪分布的原則： 屋面板和檁條按積雪不均勻分布的最不利情況采用； 屋架或拱、殼可分別按積雪全跨

8、均勻分布情況、不均勻分布情況和半跨的均勻分布的情況采用； 框架和柱可按積雪全跨均勻分布情況采用。規(guī)律:天溝附近區(qū)域的積雪比屋脊區(qū)大。高低跨屋面飄積雪分布圖 多跨屋面積雪分布圖 建筑結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)規(guī)定對不同類別的屋面，其屋面積雪分布系數(shù)r 按下表 采用。 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)規(guī)定對不同工程荷載與可靠度設計原理課件工程荷載與可靠度設計原理課件(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，可將荷載乘以動力系數(shù)后按靜力進行計算。 1） 民用建

9、筑樓面活荷載：是指建筑物中的人群、家具、設施等產(chǎn)生的重力作用，這些荷載的量值隨時間發(fā)生變化，位置也是可移動的，亦稱可變荷載。 民用建筑樓面均布活荷載的標準值及其組合值、頻遇值和準永久值系數(shù)，應按下表規(guī)定采用。(4)樓面和屋面活荷載 1） 民用建筑樓面活荷載：是指建 工程荷載與可靠度設計原理課件 設計樓面梁、墻、柱及基礎時，上表中的樓面活荷載標準值在下列情況下應乘以規(guī)定的折減系數(shù)。注:樓面梁的從屬面積應按梁兩側(cè)各延伸二分之一梁間距的范圍內(nèi)的實際面積確定。 A.設計樓面梁時的折減系數(shù): a)第1(1)項當樓面梁從屬面積超過25m2時，應取0.9 ; b)第1(2) 7項當樓面梁從屬面積超過50m2

10、時應取0.9 ; c)第8項對單向板樓蓋的次梁和槽形板的縱肋應取0.8 ;對單向板樓蓋的主梁應取0.6 ;對雙向板樓蓋的梁應取0.8 ; d)第912項應采用與所屬房屋類別相同的折減系數(shù)。下一張 設計樓面梁、墻、柱及基礎時，上表中的樓面活荷載標準值在下列附：國際標準ISO 2103中民用建筑樓面活荷載折減系數(shù)(1) 在計算梁的樓面活荷載效應時，公式為： 對住宅、辦公樓等房屋或其房間，公式為： (A18m2) 對公共建筑或其房間，公式為： (A36m2)式中，A為所計算梁的從屬面積。 (2) 計算多層房屋的柱、墻或基礎的樓面活荷載效應時： 對住宅、辦公樓等房屋，公式為： 對公共建筑，公式為： 式

11、中，n為所計算截面以上樓層數(shù)。附：國際標準ISO 2103中民用建筑樓面活荷載折減系數(shù) a)第1(1)項應按下表規(guī)定采用; b)第1(2) 7項應采用與其樓面梁相同的折減系數(shù); c)第8項對單向板樓蓋應取0.5 ;對雙向板樓蓋和無梁樓蓋應取0.8； d)第912項應采用與所屬房屋類別相同的折減系數(shù)。 B.設計墻、柱和基礎時的折減系數(shù) a)第1(1)項應按下表規(guī)定采用; b)第1(2) 2) 樓面等效均布活荷載的確定原則（詳見規(guī)范附錄B）（a)樓面(板、次梁及主梁)的等效均布活荷載，應在其設計控制部位上，根據(jù)需要按內(nèi)力(如彎矩、剪力等)、變形及裂縫的等值要求來確定。在一般情況下，可僅按內(nèi)力的等值

12、來確定。 (b)連續(xù)梁、板的等效均布活荷載，可按單跨簡支計算。但計算內(nèi)力時，仍應按連續(xù)考慮。 (c)由于生產(chǎn)、檢修、安裝工藝以及結(jié)構(gòu)布置的不同，樓面活荷載差別較大時，應劃分區(qū)域分別確定等效均布活荷載。 樓面結(jié)構(gòu)上的局部荷載可按規(guī)定換算為等效均布活荷載。 2) 樓面等效均布活荷載的確定原則（詳見規(guī)范附錄B）（a 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），可按下式計算: （e）次梁的等效均布活荷載的計算，應按下列公式對彎矩和剪力分別計算，取其中較大者 雙向板的等效均布荷載可按與單向板相同的原則，按四邊簡支板的絕對最大彎矩等值來確定。式中

13、l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一簡支單向板的絕對最大彎矩，按設備的最不利布置確定。計算Mmax時，設備荷載應乘以動力系數(shù)，并扣去設備在該板跨內(nèi)所占面積上，由操作荷載引起的彎矩。 樓面等效均布活荷載的確定原則 (d)單向板上局部荷載(式中s 次梁間距; l 次梁跨度;Mmax 與Vmax簡支次梁的絕對最大彎矩，與最大剪力。按設備的最不利布置確定。 （f）當荷載分布比較均勻時，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、基礎上的等效均布活荷載，在一般情況下，可取與主梁相同。式中s 次梁間距;（f）當荷載分布比較均勻時，主梁上的等

14、 3） 工業(yè)建筑樓面活荷載 （a）工業(yè)建筑樓面在生產(chǎn)使用或安裝檢修時，由設備、管道、運輸工具及可能拆移的隔墻產(chǎn)生的局部荷載，均應按實際情況考慮，可采用前述民用建筑樓面等效均布活荷載的計算方法。（b） 工業(yè)建筑樓面(包括工作平臺)上無設備區(qū)域的操作荷載，包括操作人員、一般工具、零星原料和成品的自重，可按均布活荷載考慮，采用2.0kN/m2。生產(chǎn)車間的樓梯活荷載，可按實際情況采用，但不宜小于3.5kN/m2。對于一般金工車間、儀器儀表生產(chǎn)車間、半道體器件車間、棉紡織車間、輪胎廠準備車間和糧食加工車間，當缺乏資料時，可按規(guī)范附錄C表采用。 3） 工業(yè)建筑樓面活荷載 （a）工業(yè)建筑樓面在生產(chǎn)使用工程荷

15、載與可靠度設計原理課件 4） 屋面均布活荷載 工業(yè)及民用房屋的屋面，其水平投影面上屋面均布活荷載標準值、組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)及準永久值系數(shù)按下表采用。 注意：屋面均布活荷載不應與雪荷載同時組合。 4） 屋面均布活荷載 工業(yè)及民用房屋的屋面，其工程荷載與可靠度設計原理課件 5） 屋面積灰荷載 （a）設計生產(chǎn)中有大量排灰的廠房及其鄰近建筑時，對于具有一定除塵設施和保證清灰制度的機械、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分別按表采用。 5） 屋面積灰荷載 （a）設計生產(chǎn)中有大量排工程荷載與可靠度設計原理課件 （b） 對于屋面上易形成灰堆處，當設計屋面板、檁條時，積灰荷載標準值可乘

16、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考慮。 （b） 對于屋面上易形成灰堆處，當設計屋面板、檁條時 6） 施工、檢修荷載和欄桿水平荷載 （a）設計屋面板、檁條、鋼筋混凝土挑檐、雨篷和預制小梁時，施工或檢修集中荷載(人和小工具的自重)應取1.0kN，并應在最不利位置處進行驗算。 注：（i）對于輕型構(gòu)件或較寬構(gòu)件，當施工荷載超過上述荷載時，應按實際情況驗算，或采用加墊板、支撐等臨時設施承受。（ii）當計算挑檐、雨篷承載力時，應沿板寬每隔

17、1. 0m取一個集中荷載;在驗算挑檐、雨篷傾覆時，應沿板寬每隔 2. 53. 0m取一個集中荷載。 6） 施工、檢修荷載和欄桿水平荷載 （a）設計屋面板、檁 6） 施工、檢修荷載和欄桿水平荷載 （b）樓梯、看臺、陽臺和上人屋面等的欄桿頂部水平荷載，應按下列規(guī)定采用: 住宅、宿舍、辦公樓、旅館、醫(yī)院、托兒所、幼兒園，應取0.5kN/m ;學校、食堂、劇場、電影院、車站、禮堂、展覽館或體育場，應取1.0kN/m. （c）當采用荷載準永久組合時，可不考慮施工和檢修荷載及欄桿水平荷載。 6） 施工、檢修荷載和欄桿水平荷載 （b）樓梯、看臺、陽臺 1)吊車工作制等級與工作級別 按吊車在使用期內(nèi)要求的總工

18、作循環(huán)次數(shù)分成10個利用等級，又按吊車荷載達到其額定值的頻繁程度分成4個載荷狀態(tài)(輕、中、重、特重) 8個級別作為吊車設計的依據(jù)。 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)在吊車荷載的規(guī)定中也相應采用按工作級別劃分，現(xiàn)在采用的工作級別與以往采用的工作制等級存在對應關(guān)系，如表2-5所示。 表2-5 吊車的工作制等級與工作級別的對應關(guān)系(5)吊車荷載工作制等級輕 級中 級重 級超 重 級工作級別A1A3A4，A5A6，A7A8 1)吊車工作制等級與工作級別(5)吊車荷載工作制等級輕 2）吊車豎向荷載和水平荷載 A. 吊車豎向荷載標準值吊車的技術(shù)資料(包括吊車的最大Pmax或最小輪壓Pmin)都

19、應由工藝提供。大縱向橫向 2）吊車豎向荷載和水平荷載大縱向橫向 (b) 吊車豎向荷載的動力系數(shù) 當計算吊車梁及其連續(xù)的強度時，吊車豎向荷載應乘以動力系數(shù)。動力系數(shù)可按表2-6取用。 懸掛吊車、電動葫蘆、工作級別為A1A5的吊車工作級別為A6A8的軟鉤吊車、硬鉤吊車、其他特種吊車1.051.10表2-6 吊車豎向荷載的動力系數(shù) (b) 吊車豎向荷載的動力系數(shù)懸掛吊車、電動葫蘆、工作級別 B. 吊車水平荷載標準值 吊車水平荷載有縱向和橫向兩種。 a) 吊車縱向水平荷載標準值 吊車縱向水平荷載標準值應按作用在吊車一端軌道上所有剎車輪的最大輪壓之和的10%采用。該項荷載的作用點位于剎車輪與軌道的接觸點

20、，其方向與軌道方向一致。 b) 吊車橫向水平荷載標準值按下式計算：式中，H 吊車橫向水平荷載標準值； Q 吊車的額定起重質(zhì)量； G1橫行小車質(zhì)量。 B. 吊車水平荷載標準值 吊車縱向水平荷載標準值應按作 系數(shù)，對軟鉤吊車：當額定起重量不大于10t時，應取0.12；當額定起重量為1650t時，應取0.10；當額定起重量不小于75t時，應取0.08；對硬鉤吊車應取0.20 吊車橫向水平荷載應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) 多臺吊車的組合 按照各臺吊車同時處于最不利位置，且同時滿載的極端情況出現(xiàn)的概率是極小的?？蓪⒍嗯_吊車共同作

21、用時的吊車荷載效應組合予以折減。在實測調(diào)查和統(tǒng)計分析的基礎上，可得到多臺吊車的荷載折減系數(shù)(表2-7)。 表2-7 多臺吊車荷載折減系數(shù)參與組合的吊車臺數(shù) 吊車工作級別A1A5A6A820.900.9530.850.9040.800.85 系數(shù)，對軟鉤吊車：當額定起重量不大于10（6）公路橋涵上的汽車和人群荷載 交通部頒標準公路橋涵設計通用規(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 汽車制動力（6）公路橋涵上的汽車和人群荷載 汽車荷載1）汽車荷載 A.汽車荷載分為公路一級和公路一級兩個等級。B.各級公路橋涵設計的汽車荷載等級應符

22、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)的整體計算采用車道荷載;橋梁結(jié)構(gòu)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。車輛荷載與車道荷載的作用不得疊加。 表4.3.1-1各級公路橋涵的汽車荷載等級1）汽車荷載C.汽車荷載由車輛荷載和車道荷載組成。橋梁結(jié)構(gòu)的車輛荷載：車輛荷載： 公路一級和公路一級汽車荷載采用相同的車輛荷載標準值。表4.3.1-2車輛荷載的主要技術(shù)指標 公路一級和公路一級汽車荷載采用相同的車輛荷載標準值。表 車道荷載：由均布荷載和集中荷載組成。 a）公路一級車道荷載的均布荷載標準值為qK =10.5kN/m;集中荷載標準值按以下規(guī)定選取

23、:橋梁計算跨徑小于或等于5m時，PK =180kN;橋梁計算跨徑等于或大于50m時，PK = 360kN;橋梁計算跨徑在5m一50m之間時，PK值采用直線內(nèi)插求得。計算剪力效應時，上述集中荷載標準值PK應乘以l.2的系數(shù)。 b)公路一級車道荷載的均布荷載標準值qK和集中荷載標準值PK按公路一級車道荷載的0.75倍采用。 c)車道荷載的均布荷載標準值應滿布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)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影響線中一個最大影響線峰值處。 車道荷載：由均布荷載和集中荷載組成。 a）公路一級車 橋涵設計車道數(shù)，應符合表4.3.1一3的規(guī)定。多車道橋梁上的汽車荷載應考慮多車道折減。 當橋涵

24、設計車道數(shù)等于或大于2時，由汽車荷載產(chǎn)生的效應應按表4.3.1-4規(guī)定的多車道折減系數(shù)進行折減。但折減后的效應不得小于兩設計車道的荷載效應。 大跨徑橋梁上的汽車荷載應考慮縱向折減，折減系數(shù)見表4.3.1-5。 橋涵設計車道數(shù)，應符合表4.3.1一3的規(guī)定。多車道橋梁上工程荷載與可靠度設計原理課件2）汽車沖擊力沖擊系數(shù)u可按下式計算：汽車沖擊力標準值=汽車荷載標準值沖擊系數(shù)3）汽車離心力汽車離心力標準值=車輛荷載標準值離心力系數(shù)C。離心力系數(shù)C為：式中 V-設計速度(km/h)，應按橋梁所在路線設計速度采用; R曲線半徑(m)2）汽車沖擊力沖擊系數(shù)u可按下式計算：汽車沖擊力標準值=汽車 4）汽車

25、制動力 一個設計車道上由汽車荷載產(chǎn)生的制動力標準值按車道荷載標準值在加載長度上計算的總重力的10%計算。 公路一I級汽車荷載的制動力標準值不得小于165kN;公路一II級汽車荷載的制動力標準值不得小于90kN。 同向行駛雙車道的汽車荷載制動力標準值為一個設計車道制動力標準值的兩倍;同向行駛?cè)嚨罏橐粋€設計車道的2.34倍;同向行駛四車道為一個設計車道的2.68倍。 4）汽車制動力 5）人群荷載 其標準值應按下列規(guī)定采用： A.當橋梁計算跨徑小于或等于50m時，人群荷載標準值為3 .0kN/m2;當橋梁計算跨徑等于或大于150m時，人群荷載標準值為2.5kN/m2時;當橋梁計算跨徑在50m一15

26、0m之間時，可由線性內(nèi)插得到人群荷載標準值。城鎮(zhèn)郊區(qū)行人密集地區(qū)的公路橋梁，人群荷載標準值取上述規(guī)定值的1.15倍。 專用人行橋梁，人群荷載標準值為3.5kN/m2。 B.人群荷載在橫向應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，按標準值4.0kN/M的均布荷載計算。 D.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. 5）人群荷載 其標準值應按下列規(guī)定采用： A2.2.3 靜水壓力及動水壓力(1)靜水壓強p與靜水總壓力P在重力作用下靜水壓強p為：h

27、水的深度; 水的重度；p0自由表面壓強，一般為大氣壓強，由于大氣壓強是始終存在的，故在工程上采用相對壓強，取p0 =0，故可用下式計算靜水壓強h靜水壓強的分布2.2.3 靜水壓力及動水壓力h水的深度;h靜水壓強的 靜水壓強的特點：（i）水中任意一點壓強的大小與水深成正比，與作用面垂直。（ii）水中任意一點壓強各向等值，與作用面的方位無關(guān)。h鉛垂面靜水壓強的分布斜面靜水壓強的分布 靜水壓強的特點：h鉛垂面靜水壓強的分布斜面靜水壓強的分布靜水總壓力P1) 平面壁上的靜水總壓力數(shù)值大小式中作用點在分布三角形的形心處， 垂直指向平面壁。當L=h時，平面壁為鉛垂面 Phh當平面壁寬度b=1m時，即單位寬

28、度平面壁上的靜水總壓力為ABCD靜水總壓力PPhh當平面壁寬度b=1m時，即單位寬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。2) 曲面壁上的靜水總壓力式中 ： P與水平面夾例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例2.5有一弧形閘門，如圖所示，半徑r=4m，門寬b=6(2)流水壓力根據(jù)流體運動時

29、的連續(xù)性方程、能量方程和動量方程，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，簡稱單位位能; v流速， 表示每單位重力水體所具有的動能,簡稱單位動能; p某深度處的壓強 表示每單位重力水體以壓強形式保持的一種能量， 簡稱單位壓能(2)流水壓力根據(jù)流體運動時的連續(xù)性方程、能量方程和動量方程水流作用在結(jié)構(gòu)上，速度v由v1變?yōu)関2=0，壓強由p1變?yōu)閜2 ，結(jié)構(gòu)面上的流水壓強為：流體的位能Z不變時，若v1v2,則p1p2 水流作用在結(jié)構(gòu)上，速度v由v1變?yōu)関2=0，壓強由p1變?yōu)閜 橋墩流水壓力的計算橋墩迎水面水流單元體的壓強p為： v 水流未受橋墩影響時的流速， 為水的重度。 若橋墩

30、迎水面受阻面積為A，再引入考慮墩臺平面形狀的系數(shù) K，橋墩上的流水壓力按下式計算： 式中，P作用在橋墩上的流水壓力(kN )； v設計流速(m/s)；A橋墩阻力面積，一般算至沖刷線處；g重力加速度，K由試驗測得的橋墩形狀系數(shù)，按表5-2取用。 橋墩流水壓力的計算橋墩形狀方形橋墩矩形橋墩(長邊與水流平行)圓形橋墩尖端形橋墩圓端形橋墩K 1.51.30.80.70.6表5-2 橋墩形狀系數(shù)K橋墩形狀方形橋墩矩形橋墩(長邊與水流平行)圓形橋墩尖端形橋墩【計算題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0.26

31、m，樓面層建筑作法為0.04m。各層樓面上設置可靈活布置的C型輕鋼龍骨，不保溫兩層12mm紙面石膏板隔墻，求柱在基礎頂部截面處由樓面活荷載標準值產(chǎn)生的軸向力。解：(1)隔墻產(chǎn)生的附加樓面活荷載標準值。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計入，可求得：查建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)附錄A第11項得隔墻自重為0.27kN/m2，隔墻高度等于樓層凈高3.0m，按規(guī)定可取每延米長墻重的1/3作為隔墻產(chǎn)生的附加樓面活荷載標準值。Qak= 1/3 3.00.27=0.27kN/m2但其值小于1kN/m2，取等于1kN/m2。 (2)樓面均布活荷載標準值。 對存放一般資料的

32、檔案室樓面均布活荷載標準值按建筑結(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)。 因此檔案館每層樓面活荷載標準值q=2.5+1=3.5kN/m2 (3)樓面活荷載產(chǎn)生的軸向力標準值。 設計基礎時，樓面活荷載標準值的折減系數(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)生的軸向力標準值(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=383.3kN【計算題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2.2.4 風荷載 風荷載是一種重要的設計荷載，對于高層房屋、高聳結(jié)構(gòu)(如高塔、

33、煙囪)橋梁、起重機和屋蓋等結(jié)構(gòu)，常常起著主要的作用。(1)風荷載的基礎知識1)風的形成 風是空氣相對于地面的運動。由于太陽對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就形成了風。2)風的強度 根據(jù)風對地面(或海面)物體的影響程度劃分等級。2.2.4 風荷載表3-1 蒲福風力等級表風力等級名稱海面狀況浪高/m海岸漁船征象陸地地面物征象距地10m高處相當風速一般最高km/hmile/hm/s0靜風-靜靜、煙直上10.3時，取tg =0.3 ; k系數(shù)，對山峰取3.2，對山坡取1.4; H山頂或山坡全高(m) ; Z建筑物計算位置離建

34、筑物地面的高度，m;當z2. 5H時，取z=2. 5H 。 對于山區(qū)的建筑物，風壓高度變化系數(shù)z 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；對于與風向一致的谷口、山口， =1.201.50。 對于遠海海面和海島的建筑物或構(gòu)筑物，風壓高度變化系數(shù)可按A類粗糙度類別，還應考慮下表中給出的修正系數(shù)。距海岸距離/km40406060100修正系數(shù)1.01.01.11.11.2 如圖所示，取A、C處的修正系數(shù) =1，山 2)風載體型系數(shù)s 結(jié)構(gòu)物體型不同、其表面風

35、壓的實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)為負值，為吸力作用，方向離開建筑物表面。風荷載體型系數(shù)表 2)風載體型系數(shù)s 結(jié)構(gòu)物體型不同、其表面 當多個建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時，宜考慮風力相互干擾的群體效應，使得房屋某些部位的局部風壓顯著增大。設計時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資料確定；必要時宜通過風洞試驗得出。 當多個建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較3)風振系數(shù)Z建筑結(jié)構(gòu)在Z高度處的風振系數(shù)Z按下式計算：式中， 風壓高度變化系數(shù)； 脈動增大系數(shù)； 脈動影響系數(shù)； 振型系數(shù) 。 基本自

36、振周期不大于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,可以不考慮風振系數(shù),即取Z=1。 3)風振系數(shù)Z式中， 風壓高度變化系數(shù)； 結(jié)構(gòu)基本周期T1經(jīng)驗公式 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，可取高值；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度相對較大，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)。對于鋼筋混凝土框架和框剪結(jié)構(gòu) 可按下述公

37、式確定： 對于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu) 可按下述公式確定： 式中，H房屋總高度(m)； B房屋寬度(m)。 結(jié)構(gòu)基本周期T1經(jīng)驗公式 考慮當?shù)氐孛娲植诙群蟮幕撅L壓； T1結(jié)構(gòu)的基本自振周期。 查表前計算 時，對地面粗糙度B類地區(qū)可直接代入基本風壓。對A類、C類和D類地區(qū)應按當?shù)氐幕撅L壓分別乘以1.38、0.62和0.32后代入。 （i） 脈動增大系數(shù) ，可查下表： 考慮當?shù)氐孛娲植诙群蟮模╥i） 脈動影響系數(shù) a） 結(jié)構(gòu)迎風面較小的情況 對于結(jié)構(gòu)迎風面寬度遠小于其高度的情況(如高聳結(jié)構(gòu)等)，若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻，脈動影響系數(shù)可按下表采用。 當高聳結(jié)構(gòu)迎風面和側(cè)風面的寬度沿高度按直線或接近

38、直線規(guī)律變化，而質(zhì)量沿高度按連續(xù)規(guī)律變化時，表中的脈動影響系數(shù)應再乘以修正系數(shù)B和 V 。 B應為構(gòu)筑物迎風面在z高度處的寬度Bz與底部寬度B0的比值， v可按表確定。（ii） 脈動影響系數(shù) a） 結(jié)構(gòu)迎風面較小的情況 b） 結(jié)構(gòu)迎風面寬度較大的情況 對于結(jié)構(gòu)迎風面寬度較大的情況(如高層建筑等)，若外形、質(zhì)量沿高度比較均勻，脈動影響系數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)總高度H及其與迎風面寬度B的比值，按下表采用。 b） 結(jié)構(gòu)迎風面寬度較大的情況 （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)應根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學方法確定， 順風向計算時可僅考慮第一振型 。近似公式計算結(jié)構(gòu)振型系數(shù)時，對于

39、高聳構(gòu)筑物可按彎曲型考慮，結(jié)構(gòu)第1振型系數(shù)按下述近似公式計算： 對于高層建筑結(jié)構(gòu)，當以剪力墻的工作為主時，可按彎剪型考慮，結(jié)構(gòu)第1振型系數(shù)按下述近似公式計算： （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表迎風面寬度遠小于其高度的高聳結(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)迎風面寬度遠小于其高度的高聳結(jié)構(gòu)的振型系數(shù)表荷載規(guī)范附錄F表剪力墻和框架均起主要作用，迎風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剪力墻和框架均起主要作用，迎風面寬度較大的高層建筑的振型系數(shù)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)迎風面頂部寬度；B0結(jié)構(gòu)迎風面底部寬度截面

40、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)迎風面 高度Z處的陣風系數(shù)。 計算直接承受風壓的幕墻構(gòu)件(包括門窗)風荷載時的陣風系數(shù)應按下表確定。對其他屋面、墻面構(gòu)件陣風系數(shù)取1.0。 4）當計算圍護結(jié)構(gòu)時，風荷載中標準值wk按下式計算： 高度Z處的陣風系數(shù)。 驗算圍護構(gòu)件及其連接的強度時，可按下列規(guī)定采用局部風壓體型系數(shù)sl：i）外表面 a） 正壓區(qū) 按s表采用； b） 負壓區(qū) 對墻面，取-1.0；對墻角邊，取-1.8； 對屋面局部部位(周邊和屋面坡度大于10o的屋脊部位) 取-2.2； 對檐口、雨篷、遮陽板等突出構(gòu)件，取-2.0。 注：對墻角邊和屋面局部部位的作用寬度為房屋寬度的0.1 或

41、房屋平均高度的0.4，取其小者，但不小于1.5m。ii）內(nèi)表面對封閉式建筑物，按外表面風壓的正負情況取-0.2或0.2。sl局部風壓體型系數(shù) 驗算圍護構(gòu)件及其連接的強度時，可按下列規(guī)定采用 4） 橫風向風振 對圓形截面的結(jié)構(gòu)，應按下列規(guī)定對不同雷諾數(shù)Re的 情況進行橫風向風振(旋渦脫落)的校核： ） 當Re3105且結(jié)構(gòu)頂部風速H大于臨界風速cr時， 可發(fā)生亞臨界的微風共振。此時，可在構(gòu)造上采取防振 措施，或控制結(jié)構(gòu)的臨界風速不小于15ms。 ）當Re3.5106且結(jié)構(gòu)頂部風速的1.2倍大于臨界風速 時，可發(fā)生跨臨界的強風共振，此時應考慮橫風向風 荷載引起的共振效應。 ）當雷諾數(shù)為3105Re

42、3.5106時，則發(fā)生超臨界 范圍的風振，可不作處理。）雷諾數(shù)Re臨界風速cr和結(jié)構(gòu)頂部風速H可按以下公式確定。 4） 橫風向風振 雷諾數(shù)Re可按下列公式確定： Re69000vD式中 v計算所用風速，可取vcr值； D結(jié)構(gòu)截面的直徑(m)。 臨界風速vcr和結(jié)構(gòu)頂部風速vH可按下列公式確定：當結(jié)構(gòu)沿高度截面縮小時(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，驗算亞臨界微風共振時取T1; St斯脫羅哈數(shù)，對圓截面結(jié)構(gòu)取0.2 ; H結(jié)構(gòu)頂部風壓高度變化系數(shù); 0基本風壓(kN/m2) ; 空氣密度(kg/m3) 雷諾數(shù)Re可按下列公式確定：式中Ti結(jié)構(gòu)

43、振型i的自振周 ）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式中 j計算系數(shù)，按下表確定; zj在z高處結(jié)構(gòu)的j振型系數(shù)，由計算確定或查前表， j第j振型的阻尼比;對第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;對高振型的阻尼比，若無實測資料，可近似按第1振型的值取用。 ）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 校核橫風向風振時，風的荷載總效應可將橫風向風荷載效應Sc與順風向風荷載效應SA按下式組合后確定： 對非圓形截面的結(jié)構(gòu)，橫風向風振的等效風荷載宜通過空氣彈性模型的風洞試驗確定；也可參考有關(guān)資料確定。張相庭:工程抗風設計計算手冊，

44、中國建筑工業(yè)出版社 上表中的H1為臨界風速起始點高度，可按下式確定:式中地面粗糙度指數(shù)，對A, B, C和D四類分別取0.12, 0.16, 0.22和0.30; vH結(jié)構(gòu)頂部風速(m/s) 。注:校核橫風向風振時所考慮的高振型序號不大于4，對一般懸臂型結(jié)構(gòu)，可只取第1或第2個振型。 校核橫風向風振時，風的荷載總效應可將橫風向風荷載張 W0對于特別重要或?qū)︼L荷載比較敏感的高層建筑， 其基本風壓應按100年重現(xiàn)期的風壓值采用。(4 )高層建筑抗風設計 振型系數(shù)，可由結(jié)構(gòu)動力計算確定，計算時可僅考慮受力方向基本振型的影響;對于質(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算點距室外地

45、面高Zi與房屋高度H的比值,即可用以下簡化公式:式中 高層建筑混凝土結(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，其風荷載的計算特點： W0對于特別重要或?qū)︼L荷載比較敏感的高層建筑， s計算主體結(jié)構(gòu)的風荷載效應時，風荷載體型系數(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，長寬比L/B不

46、大于1.5的矩形、鼓形平面建筑。 在需要更細致進行風荷載計算的場合，風荷載體型系數(shù)可按規(guī)程附錄A采用，或由風洞試驗確定。s計算主體結(jié)構(gòu)的風荷載效應時，風荷載體型系數(shù)可（5）橋涵規(guī)范中橋梁風荷載計算 假定水平地垂直作用于橋梁各部分迎風面積的形心上，其橫橋向標準值可按下式計算:Wd設計基準風壓(kN/m2 );Awh 橫向迎風面積(m2)，按橋跨結(jié)構(gòu)各部分的實際尺寸計算;Vd高度Z處的設計基準風速(m/s )V10橋梁所在地區(qū)的設計基本風速，系按平坦空曠地面，離地面l0m高，重現(xiàn)期為100年10min平均最大風速計算確定.空氣重度(kN/m3);Z距地面或水面的高度(m); k0 設計風速重現(xiàn)期換算系數(shù)，k1風載阻力系數(shù)，k2考慮地面粗