荷载类型及其作用(土木名校).ppt

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1、第一章第一章 绪论绪论内容提要内容提要一、荷载与作用一、荷载与作用 1 1、“结构上的作用结构上的作用”的定义的定义 2 2、“结构上的作用结构上的作用”的分类的分类 二、作用分类、作用效应二、作用分类、作用效应S S 三、结构设计方法三、结构设计方法 一、荷载与作用一、荷载与作用 1 1、“结构上的作用结构上的作用”的定义的定义将能使结构产生效应的各种因素总称为作用将能使结构产生效应的各种因素总称为作用施施加加在在结结构构上上的的集集中中或或分分布布荷荷载载，以以及及引引起起结结构构外外加加变变形形或或约约束束变变形（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）的原因的形（地震、基础沉降、温度变化、焊

2、接等）的原因的总称总称 直接作用在结构上的各种荷载直接作用在结构上的各种荷载 直接作用直接作用 能够引起结构内力、变形等效应的非直接作用因素能够引起结构内力、变形等效应的非直接作用因素 间间接接作作用用（地地震震、温温度度变变化化、基基础础不不均均匀沉降等）匀沉降等） 荷载由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力，例如重力、土压力、水压力、风压力； 效应 结构的内力、位移、变形、应力、应变、裂缝、速度、加速度等； 工程结构的功能：一是提供满足人们需要的结构空间和实体；一是抵御可能出现的各种环境作用 间接作用和直接作用（狭义意义上的荷载）也可统称广义荷载。 二、二、“结构上的作用结构上的作用

3、”的分类的分类 按随时间的变异分类按随时间的变异分类 永久作用永久作用 在在结结构构使使用用期期间间，其其值值不不随随时时间间而而变变化化，或或其其变变化化值值与与平平均均值值相相比比可可以以忽忽略略不不计计，或或其其变变化化是是单单调调的的并并能能趋趋于于限限值值的的作用作用【例例如如】结结构构自自重重，土土压压力力、预预加加力力、基基础础沉沉降降、焊焊接接、水水的浮力、混凝土收缩及徐变作用等的浮力、混凝土收缩及徐变作用等 可变作用可变作用 在在结结构构使使用用期期间间，其其值值随随时时间间而而变变化化，且且其其变变化化值值与与平平均均值相比不可以忽略不计值相比不可以忽略不计的作用的作用【

4、例例如如】 安安装装荷荷载载、楼楼面面活活荷荷载载、吊吊车车荷荷载载、风风荷荷载载、雪雪荷荷载载、汽汽车车荷荷载载、汽汽车车离离心心力力、汽汽车车制制动动力力、流流水水压压力力、冰冰压力、温度作用等压力、温度作用等 偶然作用偶然作用在在结结构构使使用用期期间间，不不一一定定出出现现，但但一一旦旦出出现现，其其量量值值很很大且持续时间较短的作用大且持续时间较短的作用【例例如如】 地地震震作作用用（地地震震力力和和地地震震加加速速度度等等）、爆爆炸炸、船舶或漂流物的撞击作用、汽车撞击作用等船舶或漂流物的撞击作用、汽车撞击作用等 按随空间位置的变异分类按随空间位置的变异分类 固定作用固定作用 在结构

5、空间位置上具有固定的分布在结构空间位置上具有固定的分布 【例例如如】工工业业与与民民用用建建筑筑楼楼面面上上的的固固定定设设备备荷荷载载、结结构构构件自重等构件自重等 可动作用可动作用在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布【例如例如】工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等 按结构的反应分类按结构的反应分类 静态作用静态作用 不不使使结结构构或或结结构构构构件件产产生生加加速速度度，或或产产生生的的加加速速度度可可以以忽忽略不计略不计 【例如例如】结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载等结构自重、住宅与办公楼的楼

6、面活荷载等 动态作用动态作用 使结构或结构构件产生不可忽略的加速度使结构或结构构件产生不可忽略的加速度 【例例如如】地地震震、吊吊车车荷荷载载、设设备备振振动动、作作用用于于高高耸耸结结构构上上的风荷载等的风荷载等荷载分类荷载分类 按作用时间的长短和性质按作用时间的长短和性质 永久荷载永久荷载 在在结结构构使使用用期期间间 ，其其值值不不随随时时间间而而变变化化，或或虽虽有有变变化化，但但变变化化不不大大，且且其其变变化化值值与与平平均均值值相相比比可可以以忽忽略略不不计计，或或其其变变化化是是单调的并能趋于限值的荷载。（单调的并能趋于限值的荷载。（恒载）恒载） 可变荷载可变荷载 在在结结构构

7、使使用用期期间间 ，其其值值随随时时间间而而变变化化，且且其其变变化化值值与与平平均均值值相比不可以忽略不计的荷载。（相比不可以忽略不计的荷载。（活载）活载） 偶然荷载偶然荷载 在在结结构构使使用用期期间间不不一一定定出出现现，但但一一旦旦出出现现，其其值值很很大大，作作用用时间则较短的荷载时间则较短的荷载。永久荷载（恒载）永久荷载（恒载） 【例如例如】 结构自重，土压力、预应力等结构自重，土压力、预应力等 可变荷载（活载可变荷载（活载）【例例如如】 楼楼面面活活荷荷载载、屋屋面面活活荷荷载载和和积积灰灰荷荷载载、吊吊车车荷荷载载、风荷载、雪荷载等风荷载、雪荷载等偶然荷载偶然荷载 【例如例如】

8、 爆炸力、撞击力等爆炸力、撞击力等v作用效应作用效应S（p2）直接或间接作用于结构构件上，在结构内产生的内力直接或间接作用于结构构件上，在结构内产生的内力（轴力、剪力、弯矩）和变形（挠度、转角、裂缝（轴力、剪力、弯矩）和变形（挠度、转角、裂缝等）称为等）称为“作用效应作用效应”S.三、三、 结构设计方法结构设计方法 The Design Approach 工程结构的设计需要保证工程结构的设计需要保证安全可靠安全可靠、经济合理经济合理 由于实际工程结构中存在多种不确定性由于实际工程结构中存在多种不确定性 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，

9、取得性问题，取得安全可靠与经济合理之间的均衡安全可靠与经济合理之间的均衡结构的功能结构的功能 Functions of Structure 安全性安全性 Safety 如（如（MMu，构件最终破坏时的承载力），构件最终破坏时的承载力） 结结构构在在预预定定的的使使用用期期间间内内（一一般般为为50年年），应应能能承承受受在在正正常常施施工工、正正常常使使用用情情况况下下可可能能出出现现的的各各种种荷荷载载、外外加加变变形形（如如超超静静定定结结构构的的支支座座不不均均匀匀沉沉降降）、约约束束变变形形（如如温温度度和和收缩变形受到约束时）等的作用。收缩变形受到约束时）等的作用。 在在偶偶然然事事

10、件件（如如地地震震、爆爆炸炸）发发生生时时和和发发生生后后，结结构构应应能能保保持持整整体体稳稳定定性性，不不应应发发生生倒倒塌塌或或连连续续破破坏坏而而造造成成生生命命财财产的严重损失。产的严重损失。 适用性适用性 Serviceability 如（如（f f ） 结结构构在在正正常常使使用用期期间间，具具有有良良好好的的工工作作性性能能。如如不不发发生生影影响响正正常常使使用用的的过过大大的的变变形形（挠挠度度、侧侧移移）、振振动动（频频率率、振振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。 耐久性耐久性 Durability 如（如（wma

11、x wmax） 结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀混凝土碳化、钢筋锈蚀），），结构的结构的承载力和刚度承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。 结构的可靠性结构的可靠性 reliability 可靠性可靠性安全性、适用性和耐久性的总称安全性、适用性和耐久性的总称 就就是是指指结结构构在在规规定定的的使使用用期期限限内内（

12、设设计计工工作作寿寿命命=50年年），在在规规定定的的条条件件下下（正正常常设设计计、正正常常施施工工、正正常常使使用用和和维维护护），完成预定结构功能的能力。完成预定结构功能的能力。 结构可靠性越高，建设造价投资越大。结构可靠性越高，建设造价投资越大。 如如何何在在结结构构可可靠靠与与经经济济之之间间取取得得均均衡衡，就就是是设设计计方方法要解决的问题。法要解决的问题。极限状态极限状态 Limit State 结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失

13、效”。 区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”承载力能力极限状态承载力能力极限状态 Ultimate Limit State超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求 结构或构件达到最大承载力（包括疲劳）结构或构件达到最大承载力（包括疲劳） 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移） 结构塑性变形过大而不适于继续使用结构塑性变形过大而不适于继续使用 结构形成几何可变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰）结构形成几何可

14、变体系（超静定结构中出现足够多塑性铰） 结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）结构或构件丧失稳定（如细长受压构件的压曲失稳）正常使用极限状态正常使用极限状态 Serviceability Limit State 超超过过该该极极限限状状态态，结结构构就就不不能能满满足足预预定定的的适适用用性性和和耐耐久性的功能要求。久性的功能要求。 过过大大的的变变形形、侧侧移移（影影响响非非结结构构构构件件、不不安安全全感感、不不能能正常使用（吊车）等）；正常使用（吊车）等）； 过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）；过大的裂缝（钢筋锈蚀、不安全感、漏水等）； 过大的振动（不舒适）；过大的振动（不

15、舒适）； 其他正常使用要求。其他正常使用要求。结构设计方法结构设计方法 由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合由于结构工程中的不确定性，为取得安全可靠与经济合理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构理的均衡，在设计中需要考虑这些不确定性的影响。结构设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。设计方法就是处理这种安全可靠与经济合理的矛盾。 容许应力设计法容许应力设计法钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性的；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；结构中一点达到容许应力，结构即认为失效；没有考虑结构功能的多样性要求；没有考虑结构功能的多样性要求

16、；安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。 破损阶段设计法破损阶段设计法 整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。由试验验证，构件的总安全度较为明确。 但但安全系数安全系数K仍然仍然凭经验确定，凭经验确定， 没有考虑结构功能的多样性要求的问题。没有考虑结构功能的多样性要求的问题。多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法 除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括的挠度和裂缝除要求对承载力极限状态进行设计

17、外，还包括的挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。宽度（适用性）的极限状态的设计。 对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再对于承载力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，采用单一的安全系数，而采用的多系数表达， 材料强度材料强度 fck 和和 fsk 是根据统计后按一定保证率取其下限分是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。位值，反映的材料强度的变异性。 荷载值荷载值 qik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上限分位值。率取其上限分位值。 荷载系数荷载

18、系数 kqi ，材料强度系数材料强度系数 kc 和和 ks 仍按经验确定，但对仍按经验确定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。以概率理论为基础的极限状态设计法以概率理论为基础的极限状态设计法 由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。较合理的。 失效概率越小，表示结构可靠性越大。

19、因此，可以用失效失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量结构可靠性的概率度量称为称为结构可靠度结构可靠度reliability degree。 当失效概率当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为值称为容许失效概率容许失效概率Pf。失效概率失效概率probability of failurePf = P (S R)结构功能函数结构功能函数 Z =

20、 R - - SPf =P (S R) =P(Z 0)b b 可靠指标可靠指标 reliability index 根据统计，触电的年死亡率为根据统计，触电的年死亡率为610-6 b b =3.7时，时，Pf=1.110-4，按设计基准期按设计基准期50年考虑，年考虑，年失效概率为年失效概率为1.110-4/50=2.210-6 50年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。年后并不是结构就失效，而是失效概率增加。同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌同时，结构失效也并不表示结构倒塌，结构倒塌也不一定造成人员伤亡。也不一定造成人员伤亡。 我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可我国对于一般工程结构，当为延性破坏时，其可靠指标取靠指标取b b =3.2，对脆性破坏取对脆性破坏取b b =3.7。 对于重要的工程结构，应提高可靠指标。对于重要的工程结构，应提高可靠指标。