工程荷载与可靠度设计原理讲解

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1、目 录 第1章 绪论 第2章 荷载的分类与计算 第3章 荷载效应组合和结构极限状态 第4章 结构设计方法 一. 本门课程的主要学习任务 了解荷载产生的主要背景，理解荷载的各种分类 形式，掌握工程结构设计需考虑的各种主要荷载 的取值确定问题； 理解结构可靠度的概念;掌握结构采用极限状态 设计法中相关的一些基本理论,荷载效应存在组 合的问题，为以后学习各种土木结构的设计垫定 基本理论方法基础。 二. 本门课程的学习要求 本课课程内容多、课时少，建议课前预习并完成简 答题，做为平时成绩的内容之一。 本课程为为必修课课、考试课试课 ，一个学分。 考核标准为：平时作业完成情况（包括考勤纪律 遵守情况/课

2、堂听课和回答表现）占总评成绩的 30%，期末考试占70%。 作业迟业迟 交不记记分。 第1章 绪 论 1.1结构上的作用及作用效应 建筑结构可靠度设计统一标准(GB 500682001)中 1.1.1结构上的作用 结构上的作用是指施加在结构上的集中或分布荷载 ，以及引起结构外加变形或约束变形的原因。 作用就其形式而言，可分为以下两类。 (1) 直接作用: 当以力的形式作用于结构上时，称 为直接作用，习惯上称为荷载。 (2) 间接作用: 当以变形的形式作用于结构上时， 称为间接作用。 作用按时间不同可分为以下3类。 (1) 永久作用: 在结构使用年限内，其值不随时间变 化，或其变化的量值相对于平

3、均值而言可以忽略不计 ，或其变化是单调的并能趋于限值的作用。 (2) 可变作用: 在结构使用年限内，其值随时间变化 ，且其变化的量值与平均值不可忽略不计的作用。 (3) 偶然作用: 在结构使用年限内不一定出现，但一 旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。 作用按空间位置不同可分为以下两类。 (1) 固定作用: 在结构空间位置上具有固定不变的分 布，但其量值可能具有随机性。 (2) 自由作用: 在结构空间位置上一定范围内可以任 意分布，出现的位置和量值都可能是随机的。 作用按结构反应不同可分为以下两类。 (1) 静态作用:不使结构或结构构件产生加速或产生的 加速度很小可以忽略不计的作用。 (2)

4、 动态作用:使结构或结构构件产生不可忽略的加速 度的作用。 1.1.2作用效应S 由于直接作用或间接作用于结构构件上，在结构 内产生的内力(如轴力、弯矩、剪力、扭矩等)和变形( 如挠度、转角、裂缝等)，被称为“作用效应”，用S表 示。 当作用为直接作用(荷载)时，其效应也被称为“荷载 效应”。荷载Q与荷载效应之间，一般近似按线性关系 考虑： 常数 C 为荷载效应系数 q(KN/m) l ql/2 Mmax=ql2/8 单位(KN.m) 简支梁 ql/2 (弯距图M) 第2章 荷载的分类与计算 2.1 荷载的类型 建筑结构荷载规范(GB 500092001)中 2.1.1 永久荷载 永久荷载也称

5、之为恒载，在结构使用期间，其 值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以 忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的 荷载。 主要包括:结构自重、土体自重力等由重力引 起的荷载，以及土侧压力、静水压力、水浮力 、预加应力、混凝土收缩和徐变影响力、基础 变位影响力等。 2.1.2 可变荷载 可变荷载指在结构使用期间，其值会随时间发 生变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的 荷载，也称为活荷载，包括楼面活荷载，屋面 活荷载，车辆荷载及其冲击力、离心力、人群 荷载,流水压力、波浪荷载、冻胀力、雪荷载、 冰压力、风荷载、车辆制动力、温度影响力、 变形作用、支座摩阻力等。 2.1.3 偶然荷载 偶然荷载指那

6、些在结构使用期间不一定出 现，作用时间较短暂，但一旦出现其值很 大且持续时间很短的荷载，主要包括地震 作用、船只或漂流物的撞击力、爆炸力等 。 2.2 各种荷载的计算 2.2.1 重力荷载 地球上一定高度范围内的物体均会受到地 球引力的作用而产生重力。该重力导致的 荷载称为重力荷载。 图2.1 (1)土的自重 (2)结构自重 根据结构的材料种类、材料体积以及材料 容重可得结构自重。 G = V (2-1) 式中 G构件的自重(kN)； 构件材料的容重(kN/ m3 )；可查材料 的单位自重表。 (3)雪荷载 雪荷载是房屋屋面结构的主要荷载之一。 屋面水平投影面上的雪荷载SK(kN/m2) 应按

7、下式计算: 基本雪压SO(kN/m2) 取值原则:根据当地气象台(站)观察并收集的每 年最大雪压，经统计得出的50年一遇的最大雪压 (重现期为50年的最大雪压)，即为当地的基本雪压 。 屋面积雪分布系数 高低跨屋面飘积飘积 雪分布图图 多跨屋面积积雪分布图图 建筑结构设计考虑积雪分布的原则： 屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采 用； 屋架或拱、壳可分别按积雪全跨均匀分布情况、 不均匀分布情况和半跨的均匀分布的情况采用； 框架和柱可按积雪全跨均匀分布情况采用。 规律:天沟附近区域的积雪比屋脊区大。 建筑结构荷载规范(GB 500092001)规定对 不同类别的屋面，其屋面积雪分布系数r

8、按下表 采用。 (4)楼面和屋面活荷载 分为：民用建筑楼面均布活荷载、工业建筑楼面 活荷载、屋面均布活荷载、屋面积灰荷载以及施 工、检修荷载和栏杆水平荷载。 需考虑冲击力时，可将荷载乘以动力系数后按静 力进行计算。 1） 民用建筑楼面活荷载：是指建筑物中的人群 、家具、设施等产生的重力作用，这些荷载的量值 随时间发生变化，位置也是可移动的，亦称可变荷 载。 民用建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合 值、频遇值和准永久值系数，应按下表规定采用。 设计楼面梁、墙、柱及基础时，上表中的楼面活荷载标 准值在下列情况下应乘以规定的折减系数。 注:楼面梁的从属面积应按梁两侧各延伸二分之一梁间距的 范围内的实

9、际面积确定。 A.设计楼面梁时的折减系数: a)第1(1)项当楼面梁从属面积超过25m2时，应取0.9 ; b)第1(2) 7项当楼面梁从属面积超过50m2时应取0.9 ; c)第8项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8 ;对 单向板楼盖的主梁应取0.6 ;对双向板楼盖的梁应取0.8 ; d)第912项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。 下一张 附：国际标准ISO 2103中民用建筑楼面活荷载折减系数 (1) 在计算梁的楼面活荷载效应时，公式为： 对住宅、办公楼等房屋或其房间，公式为： (A18m2) 对公共建筑或其房间，公式为： (A36m2) 式中，A为所计算梁的从属面积。 (2)

10、 计算多层房屋的柱、墙或基础的楼面活荷载效应时： 对住宅、办公楼等房屋，公式为： 对公共建筑，公式为： 式中，n为所计算截面以上楼层数。 a)第1(1)项应按下表规定采用; b)第1(2) 7项应采用与其楼面梁相同的折减系数; c)第8项对单向板楼盖应取0.5 ;对双向板楼盖和无梁楼盖 应取0.8； d)第912项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。 B.设计墙、柱和基础时的折减系数 2) 楼面等效均布活荷载的确定原则（详见规范附录B） （a)楼面(板、次梁及主梁)的等效均布活荷载，应 在其设计控制部位上，根据需要按内力(如弯矩、 剪力等)、变形及裂缝的等值要求来确定。在一般 情况下，可仅按内

11、力的等值来确定。 (b)连续梁、板的等效均布活荷载，可按单跨简 支计算。但计算内力时，仍应按连续考虑。 (c)由于生产、检修、安装工艺以及结构布置的 不同，楼面活荷载差别较大时，应划分区域分别确 定等效均布活荷载。 楼面结构上的局部荷载可按规定换算为等效均布活荷载 。 楼面等效均布活荷载的确定原则 (d)单向板上局部荷载(包括集中荷载)的等效均布 活荷载qe（KN/m2），可按下式计算: （e）次梁的等效均布活荷载的计算，应按下列公式对弯 矩和剪力分别计算，取其中较大者 双向板的等效均布荷载可按与单向板相同的原则，按 四边简支板的绝对最大弯矩等值来确定。 式中l板的跨度; b板上荷载的有效分布

12、宽度，按本附录B.0.5确定; Mmax一简支单向板的绝对最大弯矩，按设备的最不利布 置确定。计算Mmax时，设备荷载应乘以动力系数，并扣去 设备在该板跨内所占面积上，由操作荷载引起的弯矩。 式中s 次梁间距; l 次梁跨度; Mmax 与Vmax简支次梁的绝对最大弯矩，与最大剪力 。按设备的最不利布置确定。 （f）当荷载分布比较均匀时，主梁上的等效均布活荷载 可由全部荷载总和除以全部受荷面积求得。 （g）柱、基础上的等效均布活荷载，在一般情况下，可 取与主梁相同。 3） 工业建筑楼面活荷载 （a）工业建筑楼面在生产使用或安装检修时， 由设备、管道、运输工具及可能拆移的隔墙产生的 局部荷载，均

13、应按实际情况考虑，可采用前述民用 建筑楼面等效均布活荷载的计算方法。 （b） 工业建筑楼面(包括工作平台)上无设备区域 的操作荷载，包括操作人员、一般工具、零星原料 和成品的自重，可按均布活荷载考虑，采用 2.0kN/m2。生产车间的楼梯活荷载，可按实际情 况采用，但不宜小于3.5kN/m2。 对于一般金工车间、仪器仪表生产车间、半道 体器件车间、棉纺织车间、轮胎厂准备车间和粮食 加工车间，当缺乏资料时，可按规范附录C表采用 。 4） 屋面均布活荷载 工业及民用房屋的屋面，其水平投影面上屋面 均布活荷载标准值、组合值系数、频遇值系数及准 永久值系数按下表采用。 注意：屋面均布活荷载不应与雪荷载

14、同时组合。 5） 屋面积灰荷载 （a）设计生产中有大量排灰的厂房及其邻近 建筑时，对于具有一定除尘设施和保证清灰制度的 机械、冶金、水泥等的厂房屋面，其水平投影面上 的屋面积灰荷载应分别按表采用。 （b） 对于屋面上易形成灰堆处，当设计屋面板 、檩条时，积灰荷载标准值可乘以下列规定的增大 系数: 在高低跨处两倍于屋面高差但不大于6.0m的分布 宽度内取2.0; 在天沟处不大于3.0m的分布宽度内取1.40。 （c）积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布 活荷载两者中的较大值同时考虑。 6） 施工、检修荷载和栏杆水平荷载 （a）设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨 篷和预制小梁时，施工或检修集中荷

15、载(人和小工 具的自重)应取1.0kN，并应在最不利位置处进行验 算。 注：（i）对于轻型构件或较宽构件，当施工荷载 超过上述荷载时，应按实际情况验算，或采用加垫 板、支撑等临时设施承受。 （ii）当计算挑檐、雨篷承载力时，应沿板宽每隔 1. 0m取一个集中荷载;在验算挑檐、雨篷倾覆时， 应沿板宽每隔 2. 53. 0m取一个集中荷载。 6） 施工、检修荷载和栏杆水平荷载 （b）楼梯、看台、阳台和上人屋面等的栏杆顶 部水平荷载，应按下列规定采用: 住宅、宿舍、办公楼、旅馆、医院、托儿所、 幼儿园，应取0.5kN/m ;学校、食堂、剧场、电影 院、车站、礼堂、展览馆或体育场，应取 1.0kN/m. （c）当采用荷载准永久组合时，可不考虑施工 和检修荷载及栏杆水平荷载。 1)吊车工作制等级与工作级别 按吊车在使用期内要求的总工作循环次数分成 10个利用等级，又按吊车荷载达到其额定值的频 繁程度分成4个载荷状态(轻、中、重、特重) 8个 级别作为吊车设计的依据。 建筑结构荷载规范(GB 500092001)在吊 车荷载的规定中也相应采用按工作级别划分，现在 采用的工作级别与以往采用的工作制等级存在对应 关系，如表2-5所示。 表2-5 吊车的工作制等级与工作级别的对