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1、荷载与结构设计方法,第二章 重力作用,第二章 重力作用,本章内容 第一节 土重及土的侧压力 第二节 结构自重 第三节 楼面及屋面活荷载 第四节 厂房吊车荷载 第五节 车辆荷载 第六节 人群荷载 第七节 雪荷载,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,(a) 任意水平截面土自重应力,一、土的自重压力,（一）均匀土自重应力,假定：（1）为弹性介质，只产生竖向变形； （2）无侧向和剪切变形，竖直和水平面均无剪应力。,深度z处的竖向应力为：,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,(b) 自重应力呈线性增加,（1）处于地下水位以上土层的土自重应力为有效自重应力； （2）处于地下水位以下土层应扣
2、除浮力影响，取土的有效重力。,分布特点： 自重应力随深度按 直线规律增加。,注意：,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,图2.2 成层土中竖向自重应力分布,（二）成层土自重应力,各土层的厚度为hi，重度为gi，则深度z处土的自重应力为：,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,挡土墙是防止土体坍塌的构筑物，常用砖石、素混凝土、钢筋混凝土等材料建成，挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生侧向压力。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生侧向压力。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,扶壁式挡土墙,地锚背拉格梁挡土墙,第二章
3、重力作用 第一节 土重及土的侧压力,抗滑桩排 （兰青公路享堂滑坡）,预应力锚索框架治理滑坡（太原古交公路K13+800）,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,深基坑支护,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,广州市华南快速干线广园站东辅道挡土墙发生塌方事故，塌方缺口长30米、宽2米、高20米。导致这次事件的原因是挡土墙建造不合格加上连日暴雨所致。,徐州弘济桥西侧的桥头堡坍塌河里，挡土墙坍塌的直接原因是施工单位拆除上游施工围堰，水流流速过大，冲刷挡土墙底部引起坍塌。设计存在缺陷，基础埋深未达要求。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,二、土的侧向压力,（一）土的侧向压力分类
4、,墙背侧压力,因填土自重或外荷载引起，其大小和分布与墙身位移、填土性质、墙体材料、墙体刚度、地基土质以及墙和地基之间的摩擦特性等因素有关。,根据墙的位移情况和土体的应力状态，土压力分为三类。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,1.静止土压力(E0),挡土墙在土压力作用下不发生任何变形和位移，墙后填土处于弹性平衡状态时，作用于挡土墙背的土压力,Eo,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,地下室外侧墙因受到内侧楼面结构支撑而没有位移发生，外侧回填土的土压力可按静止土压力计算。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,2.主动土压力(Ea),在土压力作用下，背离墙背方向移动或转动
5、，墙背土压力逐渐减少，直至出现滑动面并且土体滑动瞬间，土应力处于主动极限平衡状态，作用于墙背的土压力,Ea,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,基础围护结构的内侧失去支承，墙体向基坑内产生一定位移，外侧土压力可按主动土压力计算。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,3.被动土压力(Ep),Ep,在外力作用下向土体方向移动或转动，墙背上的土压力逐渐增大，墙后土体会出现滑动面并且土体滑动瞬间，土体应力处于被动极限平衡状态，作用于墙背的土压力,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,桥梁的拱桥桥台，在拱体传递的水平推力作用下，将挤压背后土体产生一定量位移，桥台背后的侧向土压力可按
6、被动土压力计算。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,4.三种土压力之间的关系,-,+,同一挡土墙在填土的物理力学性质相同的条件下有以下规律：,1. Ea E0 Ep,2. p a,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,（二）土压力基本原理,侧压力计算理论,朗金土压力理论,库仑土压力理论,1.朗金土压力理论（应用较为普遍）,假设：（1）墙体为刚性体； （2）墙背竖直、光滑； （3）填土面水平。,墙背为主应力面,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,在材料力学中，两个主应力1 、3， 较大的记为1，称为大主应力， 较小的记为3，称为小主应力。,第二章 重力作用 第一节 土重及
7、土的侧压力,（1）静止土压力状态,墙后土体处于弹性平衡状态,z(1),0(3),朗肯主动土压力强度,竖向应力：,水平应力：,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,（2）主动土压力状态,挡土墙在土压力作用下，产生离开土体的位移，竖向应力保持不变，水平应力逐渐减小，位移增大到a，墙后土体处于朗肯主动状态时，墙后土体出现一组滑裂面，它与大主应力面夹角45o/2，水平应力降低到最低极限值,z(1),a(3),竖向应力：,水平应力：,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,（3）被动土压力状态,z(3),p(1),挡土墙在外力作用下，挤压墙背后土体，产生位移，竖向应力保持不变，水平应力逐渐增大
8、，位移增大到p，墙后土体处于朗肯被动状态时，墙后土体出现一组滑裂面，它与小主应力面夹角45o/2，水平应力增大到最大极限值,竖向应力：,水平应力：,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,2.土体极限平衡应力状态,极限平衡状态下大、小主应力之间的关系：,粘性土：,无粘性土：,据此，可求出主动和被动土压力下水平应力大小,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,K0H,z,K0z,H/3,静止土压力强度,静止土压力系数：,1.通过侧限条件下的试验测定 2.采用经验公式K0 = 1-sin 计算 3.按相关表格提供的经验值确定,静止土压力分布,土压
9、力作用点,三角形分布,作用点距墙底H/3,（三）土的侧压力计算,1.静止土压力,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,主动土压力强度,Ka：主动土压力系数 Ka=tan2(45o-j/2),当c=0,无粘性土,1.无粘性土主动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布 2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积 3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底H/3处,3.主动土压力,竖向应力sz为大主应力s1（已知），水平应力sx为小主应力s3 （未知），由平衡条件关系式：,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,Ea,无粘性土的主动土压力强度分布图,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧
10、压力,Ea,粘性土的主动土压力强度分布图,当c0, 粘性土,临界深度,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,当c=0,无粘性土,被动土压力强度,1.无粘性土被动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布 2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积 3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底H/3处,Kp：被动土压力系数 Kp=tan2(45o+j/2),2. 被动土压力,竖向应力sz为小主应力s3（已知），水平应力sx为大主应力s1 （未知），由平衡条件关系式：,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,当c0, 粘性土,粘性土被动土压力强度包括两部分,1. 土的自重引起的土压力zKp
11、2. 粘聚力c引起的侧压力2cKp,说明：侧压力是一种正压力，在计算中应考虑,1.粘性土被动土压力强度不存在负侧压力区 2.合力大小为分布图形的面积，即梯形分布图形面积 3.合力作用点在梯形形心,土压力合力,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,（四）填土表面有荷载时的土压力计算,1. 填土表面有连续均布荷载（以无粘性土为例）,将均布荷载 q 换算成当量土重，用假想土重代替均布荷载。 当量的土层厚度 h 为：,以(H+h)为墙高，按填土面无荷载情况计算土压力。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,Ea,填土面有均布荷载的土压力计算,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,当填
12、土面有均布荷载时，其土压力强度比无均布荷载时增加一项qKa即可。,填土面a点的主动土压力强度：,墙底b点的主动土压力强度：,土压力分布为梯形abcd部分；土压力作用点在梯形的重心。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,2. 填土表面受局部均布荷载,1）均布荷载自墙背后某距离开始,自点O作辅助线OD和OE，与水平面的夹角分别为j和q，q=45o+j/2（垂直光滑的墙背）；,D点以上土压力不受地表荷载影响，E点以下完全受均布荷载影响， D和E点间的土压力用直线连接，墙背AB上的土压力为图中阴影部分。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,2）均布荷载在一定宽度范围内,O点及O点作辅助
13、线OD和OE ，与水平面成q角，q=45o+j/2；,D点以上和E点以下的土压力都不受地面荷载影响，D、E点间的土压力按均布荷载对待，对墙背产生的附加土压力强度为qKa ，AB墙面上的土压力为图中阴影部分。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,1，1,2，2,3，3,saA,saB上,saB下,saC下,saC上,saD,挡土墙后有几层不同类的土层，先求竖向自重应力，然后乘以该土层的主动土压力系数，得到相应的主动土压力强度,A点,B点上界面,B点下界面,C点上界面,C点下界面,D点,说明：合力大小为分布图形的面积，作用点位于分布图形的形心处,3. 成层填土（以无粘性土为例）,第二章 重
14、力作用 第一节 土重及土的侧压力,挡土墙后有地下水时，作用在墙背上的土侧压力有土压力和水压力两部分，可分作两层计算，一般假设地下水位上下土层的抗剪强度指标相同，地下水位以下土层用浮重度计算,A点,B点,C点,土压力强度,水压力强度,B点,C点,4. 墙后填土有地下水（以无粘性土为例）,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,（1）土的侧压力与挡土墙高度呈平方关系，挡土墙弯矩与挡土墙高度呈三次方关系，从受力角度挡土墙不可太高。 挡土墙过高可分段设置，水平向保持一段距离。,第二章 重力作用 第一节 土重及土的侧压力,（2）车辆荷载对挡土墙的作用相当于填土表面受局部均布荷载。,第二章 重力作用
15、第二节 结构自重,结构自重是由于地球引力作用而产生的重力，可根据结构的材料种类、构件尺寸和材料重度经计算确定。,在计算工程结构的自重时，常将结构人为地划分为许多基本构件或材料重度不同的若干单元，先分别计算各部分的重量，然后叠加得到结构的总自重。,结构的体积可按图纸设计尺寸计算，材料的重度可按附录一中的规定采用。,第二章 重力作用 第二节 结构自重,由基本构件自重叠加得到结构总自重，计算公式为：,第二章 重力作用 第二节 结构自重,1990年2月16日16时20分，大连重型机器厂四楼会议室屋盖突然塌落，当时共有305人正在开会，造成42人死亡、46人重伤，133人轻伤，直接经济损失300万元。
16、该办公楼1960年建成。1987年该厂在原建的计量办公楼三层楼上接层，扩建成四层。会议室位于接层部分的东部，长21.85m，宽14.9m，面积325.6m2，整体建筑为混合结构，加层屋顶共设五榀梭形轻型钢屋架，钢筋混凝土预制板屋面。 屋盖原设计为槽形板，后改为多孔板；原屋面无保温层，后加了100mm厚炉渣保温层；原设计水泥砂浆找平层20mm厚，实际最厚处50mm厚；原屋面两毡三油防水层，后改为三毡四油防水层。 设计屋面荷载2.37kN/m2，实际为4.64kN/m2，超载近一倍。,第二章 重力作用 第三节 楼面及屋面活荷载,楼面活荷载,一、民用建筑楼面活荷载,楼面上的人群、家具、物品及一般设施等产生的重力作用，其量值随时间发生变化，位置也是可移动的，亦称可变荷载。,楼面活荷载可分为：,持久性部分：指楼面上在某个时段内基本保持不变的荷载，例如家具、物品、常住人员等；,临
