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1、讲授：张玉林讲授：张玉林荷载及结构设计原理荷载及结构设计原理建筑工程技术教研室建筑工程技术教研室目录目录绪论（建筑结构设计与可靠性理论的发展）绪论（建筑结构设计与可靠性理论的发展）荷载类型荷载类型重力重力侧压力侧压力风荷载风荷载地震作用地震作用其他作用其他作用荷载的统计分析荷载的统计分析结构抗力的统计分析结构抗力的统计分析结构可靠度分析结构可靠度分析结构概率可靠度设计法结构概率可靠度设计法第三章第三章 侧压力侧压力内容提要内容提要 第一节第一节 土的侧压力土的侧压力 第二节第二节 水压力和流水压力水压力和流水压力 第三节第三节 波浪荷载波浪荷载 第四节第四节 冻胀力冻胀力 第五节第五节 冰压力
2、冰压力 第六节第六节 撞击力撞击力土压力概述土压力概述土压力通常是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧压力E填土面码头桥台E隧道侧墙EEo一、一、土压力类型土压力类型被动土压力主动土压力静止土压力土压力n n挡土墙在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，作用在挡土墙背的土压力Eon n在土压力作用下，挡土墙离开土体向前位移至一定数值，墙后土体达到主动极限平衡状态时，作用在墙背的土压力滑裂面Ean Ep滑裂面n在外力作用下，挡土墙推挤土体向后位移至一定数值，墙后土体达到被动极限平衡状态时，作用在墙上的土压力n -+-EoapEaEoEpn对同一挡土墙，在填土的物
3、理力学性质相同的条件下有以下规律：n1. Ea Eo Epn2. p a四、斜截面的应力计算四、斜截面的应力计算莫尔圆莫尔圆（Mohrs circleMohrs circle） 将斜截面应力计算公式改写为将斜截面应力计算公式改写为把上面两式等号两边平方把上面两式等号两边平方, ,然后相加便可消去然后相加便可消去 , ,得得 因为因为 x x , , y y , , xy xy 皆为已知量皆为已知量, ,所以上式是一个以所以上式是一个以 , , 为变量为变量的的圆周方程圆周方程. .当斜截面随方位角当斜截面随方位角 变化时变化时, ,其上的应力其上的应力 , , 在在 - - 直角坐标系内的轨迹
4、是一个圆直角坐标系内的轨迹是一个圆. . 1. 1.圆心的坐标圆心的坐标 （Coordinate of circle centerCoordinate of circle center） 2. 2.圆的半径圆的半径（Radius of circleRadius of circle） 此圆习惯上称为此圆习惯上称为 应力圆应力圆（ plane stress circleplane stress circle）, ,或称为或称为莫尔圆莫尔圆（Mohrs Mohrs circlecircle） （1 1）建）建 - - 坐标系坐标系, ,选定比例尺选定比例尺o二、应力圆作法二、应力圆作法（The me
5、thod for drawing a stress circleThe method for drawing a stress circle）1.1.步骤步骤（StepsSteps）xy x x x x yxyx xyxy y y y yDxyo （2 2）量取）量取OA= OA= x xADAD = = xyxy得得D D点点xy x x x x yxyx xyxyxAOB= OB= y y （3 3）量取）量取BD= BD= yxyx得得DD点点yB ByxD （4 4）连接）连接 DDDD两点的直线与两点的直线与 轴相交于轴相交于C C 点点 （5 5）以）以C C为圆心为圆心, , C
6、DCD 为半径作圆为半径作圆, ,该圆就是相应于该单元体的应力圆该圆就是相应于该单元体的应力圆C C应力圆的应用应力圆的应用（Application of stress-circleApplication of stress-circle） 1.求单元体上任一 截面上的应力 从应力圆的半径从应力圆的半径 CD CD 按方位角按方位角 的转向转动的转向转动2 2 得到半径得到半径CE.CE.圆周上圆周上 E E 点的坐标就点的坐标就依次为斜截面上的正应力依次为斜截面上的正应力 和切应力和切应力 . .DxyoxAyB ByxDC C2 2 0 0FE E2 2 xya x x x x yxyx
7、xyxye ef f n n2.2.求主应力数值和主平面位置求主应力数值和主平面位置 （Determine principle stress and the Determine principle stress and the direction of principle plane by using direction of principle plane by using stress circlestress circle）（1 1）主应力数值）主应力数值 A A1 1 和和 B B1 1 两点为与主平面两点为与主平面对应的点对应的点, ,其横坐标其横坐标 为主应力为主应力 1 1, ,
8、 2 2 1 12DxyoxAyB ByxDC C2 2 0 0FE E2 2 B1A12 2 0 0DxyoxAyB ByxDC C 1 12A1B1（2 2）主平面方位）主平面方位 由由 CDCD顺时针转顺时针转 2 2 0 0 到到CACA1 1 所以单元体上从所以单元体上从 x x 轴顺时针转轴顺时针转 0 0 （负值）即负值）即到到 1 1对应的对应的主平面的外法线主平面的外法线 0 0 确定后确定后, , 1 1 对应的对应的主平面方位即确定主平面方位即确定3.3.求最大切应力求最大切应力（Determine maximum Determine maximum shearingsh
9、earing stress by using stress circlestress by using stress circle） G G1 1和和GG两点的纵坐标分别代表最大和两点的纵坐标分别代表最大和最小切应力最小切应力 2 2 0 0DxyoxAyB ByxDC C 1 12A1B1G1G2 因为因为最大最小切应力等于应力圆的半径最大最小切应力等于应力圆的半径二、土压力的计算二、土压力的计算1 1、静止土压力（、静止土压力（E E0 0） 在填土表面下任意深度在填土表面下任意深度z z处取出一微元体处取出一微元体M M，作用的应力（如下图）：，作用的应力（如下图）：二、土压力的计算二、
10、土压力的计算1 1、静止土压力（、静止土压力（E E0 0） 在填土表面下任意深度在填土表面下任意深度z z处取出一微元体处取出一微元体M M，作用的应力（如下图）：，作用的应力（如下图）： 竖向的土自重应力竖向的土自重应力 z z = = z z 静止土压力强度静止土压力强度 0 0=k=k0 0 z z= = k k0 0 z z 式式中中， k k0 0 静静止止土土压压力力系系数数，可可近近似似按按 k k0 0= = 1-sin 1-sin / /（ / /为为土土的的有有效效内摩擦角）计算；内摩擦角）计算； 墙后填土容重，墙后填土容重，kN/mkN/m3 3。大大 小小：方方 向向
11、: :作用点作用点： 静止土压力沿墙高为静止土压力沿墙高为三角形分布三角形分布2 2、主动土压力、主动土压力E Ea a、被动土压力、被动土压力E Ep p 朗肯土压力理论朗肯土压力理论 朗朗肯肯土土压压力力理理论论是是根根据据弹弹性性半半空空间间内内的的应应力力状状态态和和土土的的极极限限平平衡衡理理论论而得出的土压力计算方法。而得出的土压力计算方法。 基本假定基本假定 对象为弹性半空间土体对象为弹性半空间土体 填土面无限长填土面无限长 不考虑挡土墙及回填土的施工因素不考虑挡土墙及回填土的施工因素 挡挡土土墙墙的的墙墙背背竖竖直直（ =0=0）、光光滑滑（f f=0=0）、填填土土面面水水平
12、平（ =0=0）、无超载无超载 墙背与填土之间无摩擦力，因而无剪力，即墙背与填土之间无摩擦力，因而无剪力，即墙背为主应力面墙背为主应力面 塑性主动状态塑性主动状态 当当挡挡土土墙墙离离开开土土体体向向远远离离墙墙背背方方向向移移动动时时，墙墙后后土土体体M M有有伸伸张张的的趋趋势势，此此时时单单元元在在水水平平截截面面上上的的法法向向应应力力 z z不不变变而而竖竖向向截截面面上上的的法法向向应应 x x却却逐逐渐渐减减少少（），直直至至满满足足极极限限平平衡衡条条件件为为止止（称称为为主主动动朗朗肯肯状状态态），此此时时 x x 达达最最低低限限值值 a a，因因此此， a a是是小小主主
13、应应力力，而而 z z是是大大主主应应力，并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。力，并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。挡土墙土压力演示（图挡土墙土压力演示（图3-23-2）此时滑动面的方向与大主压力此时滑动面的方向与大主压力 z z的作用面（即水平面）成的作用面（即水平面）成 =45=450 0+ + /2/2 塑性被动状态塑性被动状态 当当挡挡土土墙墙在在外外力力作作用用下下挤挤压压土土体体，水水平平截截面面上上的的法法向向应应力力 z z 不不变变， x x不不断断增增加加（），直直至至满满足足极极限限平平衡衡条条件件（称称为为被被动动朗朗金金状状态态）时时 x x达达最最大大限限值值 p p ，这这
14、时时， x x= = p p是是大大主主应应力力，而而 z z是是小小主主应应力力，并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。挡土墙土压力演示（图挡土墙土压力演示（图3-23-2） 此时滑动面的方向与小主压力此时滑动面的方向与小主压力 z z的作用面（即水平面）成的作用面（即水平面）成 =45=450 0- - /2/2 由土力学的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态时，大主由土力学的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态时，大主应力应力 1 1和小主应力和小主应力 3 3之间应满足以下关系式：之间应满足以下关系式： 粘粘 性性 土土 1 1= = 3 3tgtg2
15、 2(45(450 0+ + /2)+2Ctg(45/2)+2Ctg(450 0+ + /2)/2)或或 3 3= = 1 1tgtg2 2(45(450 0- - /2)-2Ctg(45/2)-2Ctg(450 0- - /2)/2) 无粘性土无粘性土 1 1= = 3 3tgtg2 2(45(450 0+ + /2)/2)或或 3 3= = 1 1tgtg2 2(45(450 0- - /2)/2) 土体达主动极限平衡状态时，土体达主动极限平衡状态时， z z= = z z不变，也即大主应力不变，而水不变，也即大主应力不变，而水平应力平应力 x x是小主应力是小主应力 a a ，即，即 1
16、 1= = z z= = z z 、 3 3= = a a 无粘性土无粘性土 a a= = z tgz tg2 2(45(450 0- - /2)/2)或或 a a= = z kz ka a 粘粘 性性 土土 a a= = z tgz tg2 2(45(450 0- - /2)-2C tg(45/2)-2C tg(450 0- - /2)/2) k ka a主动土压力系数，主动土压力系数， k ka a = = tgtg2 2(45(450 0- - /2)/2) ； 墙后填土的容重，墙后填土的容重，kN/mkN/m3 3，地下水位以下用浮容重；，地下水位以下用浮容重； C C 填土的内聚力，
17、填土的内聚力， kN/mkN/m2 2； z z 所计算的点离填土面的深度。所计算的点离填土面的深度。Ea通过三角形的形心，即作用在离墙底通过三角形的形心，即作用在离墙底H/3处。处。 粘性土的主动土压力强度粘性土的主动土压力强度包括两部分包括两部分（如下图（如下图）： 无粘性土的主动土压力强度与高度成正比，沿高度的压力分布为三角无粘性土的主动土压力强度与高度成正比，沿高度的压力分布为三角形形（如下图）（如下图），单位墙长的主动土压力为：单位墙长的主动土压力为： 粘性土的侧压力分布仅是粘性土的侧压力分布仅是abcabc部分部分 实实际际上上墙墙与与土土在在很很小小的的拉拉应应力力作作用用下下就
18、就会会分分离离，故故在在计计算算土土压压力力时时可可略略去不计。去不计。 a a点点离离填填土土面面的的深深度度常常称称为为临临界界深深度度，在在填填土土面面无无荷荷载载的的条条件件下下，可可令令式式为零求得为零求得z z0 0值，即：值，即： 主动土压力主动土压力E Ea a通过在三角形通过在三角形abcabc压力分布图的形心，即作用在离墙底压力分布图的形心，即作用在离墙底(H-z(H-z0 0)/3)/3处处如取单位墙长计算，则主动土压力如取单位墙长计算，则主动土压力E Ea a为：为： 当当墙墙受受到到外外力力作作用用而而推推向向土土体体时时，填填土土中中任任意意一一点点的的竖竖向向应应
19、力力 z z = = z z仍仍不不变变，而而水水平平应应力力 x x却却逐逐渐渐增增大大（），直直至至出出现现被被动动朗朗肯肯状状态态，此此时时， x x是是最最大大限限值值 p p ，因因此此 p p是是大大主主应应力力，也也就就是是被被动动土土压压力力强强度度，而而 z z则则是是小小主主应应力力，即即 3 3 = = z z = = z z 、 1 1 = = p p挡土墙土压力演示（图挡土墙土压力演示（图3-23-2） 无粘性土：无粘性土： p p= = z z tgtg2 2(45(450 0+ + /2)= /2)= z z k kp p 粘性土：粘性土： p p= = z z
20、3 3tgtg2 2(45(450 0+ + /2)+2Ctg/2)+2Ctg (45(450 0+ + /2 )/2 ) 式中，式中，k kp p被动土压力系数，被动土压力系数，k kp p= tg= tg2 2(45(450 0+ + /2 /2 ) ) 其余符号同前。其余符号同前。 无粘性土的被动土压力强度无粘性土的被动土压力强度 p p呈呈三角形分布三角形分布（如上图）（如上图）粘性土的被动土压力强度粘性土的被动土压力强度 p p呈呈梯形分布梯形分布（如上图）（如上图） 如取单位墙长计算，则被动土压力如取单位墙长计算，则被动土压力E Ep p可由下式计算：可由下式计算：无粘性土无粘性土
21、：粘粘 性性 土：土： 被动土压力被动土压力E Ep p 通过三角形或梯形分布图的形心通过三角形或梯形分布图的形心例题例题1 1例题例题2 2o【解答】解答】主动土压力系数墙底处土压力强度临界深度主动土压力主动土压力作用点距墙底的距离2cKaz0Ea(h-z0)/36mhKa-2cKa几种常见情况下土压力计算几种常见情况下土压力计算例题分析例题分析o【解答】解答】ABCh=5mh1=2mh2=3mA点B点上界面B点下界面C点主动土压力合力第二节、水压力和流水压力第二节、水压力和流水压力 一、水压力一、水压力 水对结构物的作用水对结构物的作用 化学作用化学作用 对结构物的腐蚀或侵入对结构物的腐蚀
22、或侵入 物理作用物理作用 力学作用（结构物表面产生的静水压力和动水压力）力学作用（结构物表面产生的静水压力和动水压力） 静水压力静水压力 符合符合阿基米德定律阿基米德定律 静水压力静水压力 水平分量、竖向分量水平分量、竖向分量 水平分量水平分量 w w z z 水深的直线函数水深的直线函数 竖竖向向分分量量 结结构构物物承承压压面面和和经经过过承承压压面面底底部部的的母母线线到到自自由由水水平平面之间的面之间的“压力体压力体”体积的水重体积的水重 水压力总是作用于结构物表面的法线方向水压力总是作用于结构物表面的法线方向二、流水压力二、流水压力 结构物表面上某点的水压力结构物表面上某点的水压力
23、P P = = P P静静 + + P P动动 瞬时的动水压力瞬时的动水压力P P动动 作用于作用于结构物上的总动水压力结构物上的总动水压力（按面积（按面积F F取平均值）：取平均值）：式中：式中： C Cp p 压力系数；压力系数； 脉动系数；脉动系数； 水的密度（水的密度（kg/mkg/m2 2）；）；v v平均流速（平均流速（m/sm/s）。）。 (pa)(pa)第第 三三 节节 波波 浪浪 荷荷 载载 波峰波峰 波顶波顶 平均波浪线平均波浪线 h/2 浪高浪高h h/2 波谷波谷 计算水位计算水位 波底波底 波长波长 1 1、波浪荷载波浪荷载 有波浪时水对结构物产生的附加应力有波浪时水
24、对结构物产生的附加应力2 2、波浪是一种波波浪是一种波 具有波的特性（图示）具有波的特性（图示）3 3、波浪荷载计算波浪荷载计算（当波高时考虑波浪对构筑物的作用力）（当波高时考虑波浪对构筑物的作用力） 波浪的特性；波浪的特性；构筑物类型构筑物类型；当地的地形地貌；海底坡度等；当地的地形地貌；海底坡度等 根据经验确定根据经验确定 构筑物的分类构筑物的分类（L/L/ = =构筑物水平轴线长度构筑物水平轴线长度/ /浪高波长浪高波长） P25，表，表3-1 L/ 桩柱桩柱 墩柱墩柱 直墙或斜坡直墙或斜坡 直墙直墙(L/)(L/)上的波浪荷载计算上的波浪荷载计算 考虑三种波浪：考虑三种波浪： 立波立波
25、 近区破碎波近区破碎波 构筑物附近半个波长范围内（构筑物附近半个波长范围内（/2/2）发生破碎的波）发生破碎的波 远区破碎波远区破碎波 距直墙半个波长以外（距直墙半个波长以外（ /2/2）发生破碎的波）发生破碎的波 波谷压强波谷压强波峰压强波峰压强h h1 1远区破碎波的波高；远区破碎波的波高；d db b波浪破碎时的水深。波浪破碎时的水深。作用于直墙上的最大压墙：作用于直墙上的最大压墙：（P27P27，3-253-25）K K试验确定，一般取试验确定，一般取； 波浪冲击直墙的水流速度（一般很难确定）波浪冲击直墙的水流速度（一般很难确定） 水的密度，水的密度，kg/mkg/m3 3；g g重力
26、加速度（重力加速度（2 2）。（3 3）近区破碎波的压力）近区破碎波的压力 构筑物附近半个波长范围内（构筑物附近半个波长范围内（ /2/2 ）发生破碎）发生破碎 破碎波对直墙的作用力破碎波对直墙的作用力 瞬时动水压力瞬时动水压力 近区破碎波的压力计算方法近区破碎波的压力计算方法 MinikinMinikin法法 MinikinMinikin法法 最大动水压力发生在静水面；最大动水压力发生在静水面； 近区破碎波的压强近区破碎波的压强 = = 动水压强动水压强 + + 静水压强静水压强 动水压力分布动水压力分布 呈抛物线分布，在呈抛物线分布，在 h hb b/2/2静水面范围内，最大动水压强静水面
27、范围内，最大动水压强p pm m在静水面处。在静水面处。其中，其中，h hb b破碎波的波高；破碎波的波高； 对应于水深为对应于水深为D D处的波长处的波长 H 冻胀力的分类冻胀力的分类切向冻胀力切向冻胀力 作用于结构物基础侧面使基础产生向上拔力作用于结构物基础侧面使基础产生向上拔力法向冻胀力法向冻胀力 nono垂直于基底冰结面和基础底面垂直于基底冰结面和基础底面水平冻胀力水平冻胀力 hoho垂直于基础或结构物侧表面垂直于基础或结构物侧表面水平冻胀力水平冻胀力 ho法向冻胀力法向冻胀力 no切向冻胀力切向冻胀力 冻胀力的计算冻胀力的计算1 1、切向冻胀力切向冻胀力 -按按单位切向冻胀力单位切向
28、冻胀力取值取值 单位切向冻胀力：单位切向冻胀力：平均单位切向冻胀力平均单位切向冻胀力 （k kp pa a） 相对平均单位冻胀力相对平均单位冻胀力T Tk k(kN/m)(kN/m) 一般按平均单位切向力计算（按一般按平均单位切向力计算（按建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范JGJ94-JGJ94-9494） 与基础接触的冻深（与基础接触的冻深（m m） 总的切向冻胀力总的切向冻胀力 T T= = U U H H 与冻土接触的基础周长（与冻土接触的基础周长（m m） 2 2、法向冻胀力法向冻胀力 nono- - 影响因素复杂，随诸因素变化而变化影响因素复杂，随诸因素变化而变化 影响因素：冻土的各种
29、特性；影响因素：冻土的各种特性； 冻土层底下未冻土的压缩性；冻土层底下未冻土的压缩性； 作用于冻土层上的外部压力；作用于冻土层上的外部压力； 结构物抗变形能力等结构物抗变形能力等 日本：日本： nono= = E E =E =E h/H h/H （P32P32，3-363-36） h h冻胀量；冻胀量； H H冻结深度；冻结深度； E E冻土弹性模量冻土弹性模量 3 3、水平冻胀力水平冻胀力 hoho - 没有确定的计算公式，按基于现场或室内测试给出的经验值没有确定的计算公式，按基于现场或室内测试给出的经验值 细粒土的最大冻胀力：细粒土的最大冻胀力： 100100 150kpa150kpa 粗
30、粒土的最大冻胀力：粗粒土的最大冻胀力： 5050 100kpa100kpa第六节第六节 撞击力撞击力 位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台, ,设计时应考虑船舶或漂流设计时应考虑船舶或漂流物的撞击作用物的撞击作用 撞击作用标准值取用或计算撞击作用标准值取用或计算 当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击作用标准值可按下表采用；当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击作用标准值可按下表采用； 四、五、六、七级航道内的钢筋混凝土桩墩，顺桥向撞击作用标准值可四、五、六、七级航道内的钢筋混凝土桩墩，顺桥向撞击作用标准值可按下表所列数值的按下表所列数值的50%50%考
31、虑。考虑。 当缺乏实际调查资料时，海轮撞击作用标准值可按下表采用。当缺乏实际调查资料时，海轮撞击作用标准值可按下表采用。 可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，应根据桥墩的自身抗撞击能力、桥可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，应根据桥墩的自身抗撞击能力、桥墩的位置和外形、流水流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速度等因素做墩的位置和外形、流水流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速度等因素做桥墩设施的设计桥墩设施的设计。当设有与墩台分开的。当设有与墩台分开的防撞击的防护结构防撞击的防护结构时，桥墩可不计船时，桥墩可不计船舶的撞击作用。舶的撞击作用。 漂流物横桥向撞击力标准值漂流物横桥向撞击力标准值 撞击作用点
32、撞击作用点 内河船舶的撞击作用点，假定为内河船舶的撞击作用点，假定为计算通航水位线计算通航水位线以上以上2m2m的桥墩宽度或长的桥墩宽度或长度的中点。度的中点。 海轮船舶撞击作用点需视实际情况而定。海轮船舶撞击作用点需视实际情况而定。 漂流物的撞击作用点假定在漂流物的撞击作用点假定在计算通航水位线计算通航水位线上桥墩宽度的中点上桥墩宽度的中点 桥梁结构必要时可考虑汽车的撞击作用桥梁结构必要时可考虑汽车的撞击作用 汽车撞击力标准值在车辆行使方向取汽车撞击力标准值在车辆行使方向取1000kN1000kN，在车辆垂直方向取，在车辆垂直方向取500kN500kN，两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上处，直接分布两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上处，直接分布于撞击涉及的构件上。于撞击涉及的构件上。 对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击力标准值予以折减，但折减后汽车撞击力标准值不应低于上述规定取值力标准值予以折减，但折减后汽车撞击力标准值不应低于上述规定取值的的1/61/6。
