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構上的外力?？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，如結構自重?；詈奢d或可變荷載：大小、位置和方向隨時間變化，如人、風、雪偶然荷載：指在結構使用期間不一定出現的作用，但它一旦出現，其量值很大且持續(xù)時間較短，例如爆炸力、撞擊力等。活荷載中有：位置可移動的移動荷載；有較高速度同物體相接觸的沖擊荷載；隨時間多次重復作用的荷載為重復荷載；反向作用的反復荷載或交變荷載：在試驗中一個方向作用，以一定速率施加的荷載稱為單調荷載；當加載和卸載交替進行時為循環(huán)荷載。在重復荷載下材料可能發(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于結構的尺度來講很小，可以忽略為一個點作用的荷載，集中荷載對于結構產生不連續(xù)的作用。集中荷載可以直接進行力學計算。分布荷載分布荷載是指荷載作用的范圍相對于結構的尺度是線或面作用的荷載，分布荷載對于結構產生相對連續(xù)的作用。分布荷載不能直接進行力學計算，需要以積分的辦法求得分布荷載對于結構或構件的整體作用效果。作用和效應結構上的作用：是指能使結構生產效應的各種因素的總稱。有直接作用和間接作用。直接作用：指施加在結構上的集中和分布荷載，也是長期以來工程界習稱的“荷載”；間接作用：指引起結構外加變形或約束變形的其他作用，如地震、基礎沉降、混凝土收縮、溫度變化、焊接影響等。按結構反應分，有：靜態(tài)作用和動態(tài)作用。作用對結構產生的效應稱為結構的作用效應。因而荷載生產的效應稱為荷載效應。結構在荷載下將生產應力和應變。應力指單位截面面積內產生的力；應變指構件單位長度上產生的變形――拉伸或壓縮。荷載代表值與標準值

荷載代表值：是為了方便設計給荷載規(guī)定以一定的量值?！逗奢d規(guī)范》只給出四種代表值：標準值、準永久值、頻遇值、組合值，其中標準值是荷載的基本代表值，用相應的系數乘以其標準值得出。荷載的標準值最大荷載統(tǒng)計分布的特征值，結構或非承重構件的自重為永久荷載，一般以自重平均值作為荷載的標準值。吊車荷載橋式起重機、雙鉤吊車，在吊車規(guī)格表或有關手冊中根據廠房跨度可查得B、K及最大輪壓以任為設計依據，其中K、B系為求最大內力時布置輪壓位置時用，兩臺吊車只能緊靠，不能重疊。對軟鉤吊車，小車橫向制動力：當額定起重量Q≤10t時，取T=（Q+g）*12%;

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

硬鉤吊車：按（Ｑ＋g）＊２０％采用。雪荷載雪荷載與地區(qū)有關?！逗奢d規(guī)范》中根據氣象資料統(tǒng)計，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地的基本雪壓。山區(qū)基本雪壓應通過實際調查后確定；無實測資料時，可按當地空曠平坦地區(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準值按下式計算：

式中：

---基本雪壓；

---屋面積雪分布系數，與屋面形式有關

風荷載

風荷載也與地區(qū)有關，內地較小，一般基本風壓在0.3(但不應小于)～0.45范圍內；垂直建筑物表面上的風荷載標準值計算公式：<<建筑結構荷載規(guī)范>>GB50009-20061.風荷載標準值（KN/M2）2.高度z處的風振系數3.風荷載體型系數4.風壓高度變化系數5.基本風壓（KN/M2）臺風引起柱下部破壞風荷載是水平荷載；在高層建筑中，風荷載和地震作用成為主要的控制因素。風荷載是高層建筑、高聳結構和大跨結構中所必須考慮的荷載。風荷載車輛荷載汽車荷載列車荷載加載時可由計算圖式中任意截取，或采用特種活載，換算均布活荷載和加載規(guī)定詳《鐵路工程技術規(guī)范》附錄八。荷載組合當整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)，而不能滿足設計規(guī)定的某一功能要求時，則稱此特定狀態(tài)為結構對該功能的極限狀態(tài)，可分為承載力極限狀態(tài)及使用極限狀態(tài)。要求對于所考慮的極限狀態(tài)確定與之相應的荷載效應的最不利組合。對于考慮的極限狀態(tài)而言，荷載效應組合是在所有可能同時出現的諸荷載作用下，確定結構或結構構件內產生的總效應S。所謂荷載效應的最不利組合，是指所有可能組合中，對結構或結構構件產生總效應為最不利的組合。由地基不均勻沉降引起的內力效應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風荷載風與地震是兩種典型的、隨機的側向動荷載，是建筑設計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發(fā)生的錯動，發(fā)生地震的地方是震源。震源上方正對著的地面稱為震中。地震時，在地球內部出現的彈性波叫作地震波，包含縱波和橫波?？v波引起地面上下顛簸振動；橫波能引起地面的水平晃動。橫波是地震造成建筑物破壞的主要原因——地震橫波產生地表的往復運動，由于慣性作用，建筑物與地表之間存在運動差，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動加速度成相應的關系：根據牛頓第二定律，F=ma，F：建筑物的慣性力，m：建筑物的物理質量，a：地表運動加速度。在建筑設計中，以等效力原理為基礎，假設地表不運動，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量集中區(qū)域，形成地震荷載。多層建筑物每層形成相應的側向荷載?？紤]建筑物橫向剛度相對較小，一般以橫向為地震荷載演算方向。=aF地震區(qū)域分布全球主要地震活動帶有三個：環(huán)太平洋地震帶，是地震活動最強烈的地帶，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，地震活動頻度高、強度大、震源淺，分布廣，是一個震災嚴重的國家。我國的地震活動主要分布在五個地區(qū)：臺灣省及其附近海域；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、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有弱。地震強度大小以震級與地震烈度衡量。震級是衡量地震大小的一種度量。每一次地震只有一個震級。地震烈度是指地面及房屋等建筑物受地震破壞的程度。對同一次地震，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)今后一定測算期內，可能遭受的最大地震烈度，是抗震設計的主要參考指標。設防烈度，是建筑設計所采用的地震烈度標準，多數情況下采用該地區(qū)的基本烈度指標。對于重要建筑物，在基本烈度基礎上加以調整。震源遠離震中，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將建筑物分為四個等級，多數屬于丙類的一般建筑物。甲類：特別重要的建筑物，地震破壞后果嚴重；需要專門研究地震動力參數，構造有特殊規(guī)定。乙類：重要建筑物，如重點抗震城市的生命線工程與抗震救災需要的建筑；按基本烈度提高一度進行設防與相關構造。丙類：甲、乙、丁類以外的一般建筑物；按基本烈度設防與進行相關構造。丁類：次要建筑物，地震破壞后果不會造成重大傷亡與較大經濟損失。按基本烈度降低一度進行設防與相關構造。六度區(qū)內百萬以上人口城市的高層建筑，按七度設防。建筑物的抗地震設計建筑物的抗震設防標準我國的抗震規(guī)范規(guī)定了建筑物的三個基本設防標準：小震不壞：在較基本烈度低1.5度的第一水準烈度的地震作用下，結構處于正常使用階段，材料受力處于彈性階段。中震可修：在遭受基本烈度（第二水準烈度）的地震作用下，結構可能出現一定的損壞，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，殘余變形不大。大震不倒：在較基本烈度高1度的第三水準烈度作用下，結構出現嚴重破壞，但材料的變形仍在控制范圍內，不至于迅速倒塌，贏得撤離時間。2.3.1地震作用2.3.2風荷載風的形成與危害風是由于大氣層的溫度差、氣壓差等大氣現象導致的空氣流動現象。建筑物會對風形成阻擋，因此風會對于建筑物形成反作用。風是極其復雜的氣流現象，是隨機性的動荷載，巨大的風力作用會致使建筑物水平側移、振動甚至垮塌。在風的作用下，建筑物會發(fā)生以下破壞：

1）主體結構變形導致內墻裂縫；

2）長時間的風振效應使結構受到往復應力作用而發(fā)生局部疲勞破壞；

3）外裝飾，受風力作用而脫落；

4）輕屋面，受風的作用會像上浮起甚至破壞。2.3.2風荷載風荷載的基本理論氣體的流動速度與壓力成反比，迎風面受到壓力作用，其他面由于風的流動而受到吸力?；撅L壓基本風壓是指某一地區(qū)，風力在迎風表面產生作用的標準值。平坦空曠的地面，距地面10米高處，年最大風速發(fā)生時10分鐘內的風速平均值所形成的，并考慮該風速的歷史重現期（30年為標準期限）而確定的迎風面風力作用。風玫瑰圖如圖所表示的某一地區(qū)的冬季、夏季主導風向的圖形。建筑形體與風的作用迎風面風力為壓力，側風面隨著與風的夾角的變化，風力逐漸有壓力轉變?yōu)槲Γ痪匦?、圓形、三角形等不同的平面形狀的建筑物，各個側面所受的風力作用差異很大。建筑物表面粗糙會加大風力的作用。2.3.2風荷載2.3.2風荷載高度與風的作用隨著風力測試點的高度增加，所受風力作用也隨之加大。風的振動效應陣風會產生強烈的風陣效應，并且具有極大的不