eq情商_荷载与结构设计方法之重力、侧压力培训讲义

2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 第2章重力 侧压力 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 1 重力 一 基本概念 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 二 包含的对象 主要包括结构自重 土的自重 雪荷载 车辆重力 楼面和屋面活荷载 2 1 1结构自重结构自重的标准值可按设计尺寸与材料重力密度标准值计算Gk iVi 2 2 i 组成结构或构件各材料的自重 KN M3 按 建筑结构荷载规范 附录A查取 Vi 各结构构件的体积 M3 按设计图纸标注尺寸计算 例题1 教室楼面自重计算取1平方米作为计算单元 30厚水磨石面层 100厚钢筋混凝土结构层 15厚水泥砂浆抹灰 22KN M3 0 030M3 0 66KN 25KN M3 0 100M3 2 50KN 20KN M3 0 015M3 0 30KN gk 3 66KN M2 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 1 2土的自重应力 土是由土颗粒 水 和气所组成的三相非连续介质 若把土简化为连续体 而应用连续介质力学 例如弹性力学 来研究土中应力的分布时 应注意到 土中任意截面上都包括有骨架和孔隙的面积在内 所以在地基应力计算时都只考虑土中某单位面积上的平均应力 必须指出 只有通过土粒接触点传递的粒间应力才能使土粒彼此挤紧 从而引起土体的变形 而且粒间应力又是影响土体强度的一个重要因素 所以粒间应力又称为有效应力 因此 土的自重应力即为土自身有效重力在土体中所引起的应力 在计算土中自重应力时 假设天然地面是一个无限大的水平面 因此在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在 如果地面下土质均匀 土层的天然重度为 在天然地面下任意深度z处水平面上的竖直自重应力 cz 可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重 z 1计算 即 cz z 2 3 沿水平面均匀分布 且与z成正比 即随深度按直线规律分布 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 1 2土的自重应力 一般情况下 地基土是由不同重度的土层所组成 天然地面下深度Z范围内各层土的厚度自上而下分别为h1 h2 hi hn 则成层土深度z处的竖直有效自重应力的计算公式为 cz 1h1 2h2 nhn ihi 2 4 式中n 从天然地面起到深度z处的土层数hi 第i层土的厚度 m i 第i层土的天然重度 若土层位于地下水位以下 由于受到水的浮力作用 单位体积中 土颗粒所受的重力扣除浮力后的重度称为土的有效重度 是土的有效密度与重力加速度的乘积 这时计算土的自重应力应取土的有效重度 对一般土 常见范围为80 130kN m3 计算土中竖向自重应力在划分土层时 一般以每层土为原则 但需考虑地下水位 若地下水位位于某一层土体中 则需将该层土划分为二层土 型成层土中竖向自重应力沿深度变化的分布 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 土的竖向自重应力分布 土的竖向自重应力随着深度直线增大 呈三角形分布 若计算点在地下水位以下 由于水对土体有浮力作用 则水下部分土柱的有效重量应采用土的浮容重计算 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 1 3雪荷载 雪荷载是房屋屋面的主要荷载之一 在我国寒冷地区及其它大雪地区荷载导致屋面结构以及整个结构破坏的事例时有发生 尤其是大跨度结荷载更为敏感 因此在有雪地区 在结构设计中必须考虑雪荷载 影响雪荷载的主要因素有雪的密度 积雪深度 屋面形式等 屋面水平投影面上的雪荷载标准值 应按下式计算 Sk rS0 2 5 式中Sk 雪荷载标准值 KN r 屋面积雪分布系数 屋面积雪分布系数应根据不同类别的屋面形式 按 建筑结构荷载规范 表6 2 1采用 S0 基本雪压 kN m2 基本雪压应按 建筑结构荷载规范 附录D 4中附表D 4给出的50年一遇的雪压采用 对雪荷载敏感的结构 基本雪压应适当提高 并应由有关的结构设计规范具体规定 当城市或建设地点的基本雪压值在 建筑结构荷载规范 附录D中没有给出时 基本雪压值可根据当地年最大雪压或雪深资料 按基本雪压定义 通过统计分析确定 分析时应考虑样本数量的影响 参见附录D 当地没有雪压和雪深资料时 可根据附近地区规定的基本雪压或长期资料 通过气象和地形条件的对比分析确定 也可按 建筑结构荷载规范 附录D中全国基本雪压分布图 附图D 5 1 近似确定 山区的雪荷载应通过实际调查后确定 当无实测资料时 可按当地邻近空旷平坦地面的雪荷载值乘以系数1 2采用 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 屋面积雪分布系数 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 全国各城市的50年一遇雪压和风压 节选 云南 昆明 1891 4 0 2 0 3 0 35 III 0 2 0 3 0 35 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 全国基本雪压分布图 KN m2 附录D 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 1 4车辆荷载 汽车荷载 参见 公路工程技术标准 汽车荷载是公路 桥梁设计的基本可变荷载 1 分类 分为车辆荷载和车道荷载两大类 计算时根据不同的构件和具体情况 采用一种荷载形式 但不能进行叠加 其中 1 车辆荷载 一般在桥梁的横隔梁 行车道板 桥台或挡土墙后土压力的计算中采用车辆荷载 计算时 以汽车车队表示 分为汽车 10级 汽车 20级和汽车 超20级三个等级 验算时 以履带车 平板挂车表示 分为 履带车 履带 50 500KN 挂车 挂 100 1000KN 挂 120 1200KN 2 车道荷载 在桥梁的主梁 主拱和主桁架等的计算中采用车道荷载 在桥梁设计中 由于车道荷载形式简明 实用性强 并且通过车道荷载中的均布荷载加集中荷载的模式可解决大 中 小不同跨径的活载设计标准等问题 故将车道荷载作为车辆荷载的重要补充 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 车辆荷载 车辆荷载分为汽车 10级 汽车 15级 汽车 20级 汽车 超20级四个等级 荷载级别的数字表示车队中标准车的重量 T或10KN 车辆荷载是自由作用 在设计时应根据影响线分析其最不利位置和最不利内力 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 车辆荷载的选用 2 车辆荷载的选用 根据公路的使用任务 功能和将来的发展等具体情况 按 公路工程技术标准 选用 注 一条路线上的桥涵 一般应采用同一计算荷载和验算荷载 当改建三级公路时 对达到汽车一15级 挂车一80荷载标准的原有桥梁可适当利用 有集装箱运输的一级公路 应采用汽车一超20级 挂车一120荷载 桥面行车道宽度为4 5m的桥梁 其平板挂车不作具体规定 设计时可按实际情况自行确定 车辆荷载布置在桥梁上 沿横向作用在不同位置时对各梁所分配的荷载大小是不一样的 为了求得各梁所承担的最大荷载及其对应的最不利荷载位置 通过计算荷载横向分布影响线来确定 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 1 5楼 屋面活荷载 1 楼面活荷载楼面活荷载指房屋中的人群 家具 用品 设备等产生的重力荷载 这些荷载的量值随时间变化 位置可移动 国际上通用活荷载 Liveload 表示这种可变荷载 考虑到楼面活荷载在楼面位置上的任意性 为便于工程设计 一般将其简化为均布荷载 楼面均布活荷载的取值根据建筑物的使用功能确定 我国规范采用平稳二项随机过程模型对楼面荷载进行了大量的统计分析 采用楼面均布活荷载进行工程结构设计 楼面均布活荷载按取值 建筑结构荷载规范 表4 1 1 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 楼面均布活荷载的折减 由于楼面均布活荷载实际上是楼面总活荷载值按楼面面积来平均分摊 因此一般情况下 所考虑的楼面面积越大 则实际平摊到的楼面活荷载越小 因此在计算结构或构件的楼面活荷载效应时 如引起效应的楼面活荷载面积超过一定的数值时应进行折减 另外当楼层数越多时 楼面活荷载在每个楼层都达到其最大值的概率就越小 因此在计算多层和高层建筑的柱 墙或基础的楼面活荷载效应时 应根据楼层数进行折减 设计楼面梁 墙 柱及基础时 表4 1 1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 1设计楼面梁时的折减系数 1 第1 1 项当楼面梁从属面积超过25 时 应取0 9 2 第1 2 7项当楼面梁从属面积超过50 时应取0 9 3 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 4 第9 12项应采用与所属房屋类别相同的折减系数 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 楼面均布活荷载的折减 2设计墙 柱和基础时的折减系数1 第1 1 项应按表4 1 2规定采用 2 第1 2 7项应采用与其楼面梁相同的折减系数 3 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 84 第9 12项应采用与所属房屋类别相同的折减系数 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际面积确定 表4 1 2 注 当楼面上的从属面积超过25m2时应采用括号内的系数 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 屋面活荷载 1 屋面均布活荷载房屋建筑的屋面 其水平投影面上的屋面均布活荷载 应按表4 3 1采用 屋面均布活荷载 不应与雪荷载同时组合 注 1不上人的屋面 当施工或维修荷载较大时 应按实际情况采用 对不同结构应按有关设计规范的规定 将标准值作0 2kN m2的增减 2上人的屋面 当兼作其他用途时 应按相应楼面活荷载采用 3对于因屋面排水不畅 堵塞等引起的积水荷载 应采取构造措施加以防止 必要时 应按积水的可能深度确定屋面活荷载 4屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 屋面积灰荷载 2 屋面积灰荷载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4 4 1 1和表4 4 1 2采用 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 THEEND 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 2侧压力 工程实例1 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 2侧压力 工程实例2 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 2侧压力 工程实例3 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 2侧压力 工程实例4 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 2侧压力 工程实例52005年7月21日发生在广州市海珠城广场的深基坑坍塌事故 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 2 2侧压力 2 1 1土的侧向压力1 基本概念及土压力分类土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的土压力 根据挡土墙retainingwall的位移情况和墙后土体所处的应力状态 土压力分为静止土压力 主动土压力和被动土压力 1 静止土压力at restearthpressures挡土墙在土压力作用下 不产生任何方向的位移或转动而保持原有状态 则墙后的土体处于弹性平衡状态 此时墙背所受的土压力称为静止土压力 用E0表示 例如地下室墙体 2 主动土压力activeearthpressures挡土墙在土压力作用下 离开填土移动或转动 当位移达到某一量值时 墙后的土体开始下滑 墙背所受的土压力达最小值 此时墙背所受的土压力称为主动土压力 用Ea表示 例如基坑支护结构和大多数挡土墙结构 3 被动土压力passiveearthpressures挡土墙在外力作用下 朝向填土移动或转动 当位移达到某一量值时 墙后的土体开始上隆 墙背所受的土压力达最大值 此时墙背所受的土压力称为被动土压力 用Ep表示 例如拱桥的桥台 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 土侧压力的概念 EP Ea EO E 土压力 位移 压向土体 0 离开土体 位移 压向土体 0 E0 Ea 土体 土体 土体 Ep 在相同的墙高和填土的条件下 Ea E0 Ep 挡墙 挡墙 挡墙 滑动面 滑动面 离开土体 Lateralearthpressure 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 静止土压力计算 1 基本假定 土压力沿高度呈三角形分布 与深度成正比 2 地面下深度为z处的侧向土压力 zK03 作用在墙上总的静止土压力 即为三角形的面积 4 总静止土压力的作用点 即 E0的作用点 位于墙底面高度的H 3处 或墙顶下面的2H 3处 形心上 H K0 2H 3 H 3 E0 为土的有效内摩擦角 z 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 土的剪切破坏 土体发生剪切破坏时 将沿着其内部某一曲面 滑动面 产生相对滑动 而该滑动面上的切应力就等于土的抗剪强度 1776年 法国学者库仑 C A Coulomb 根据土的试验结果将土的抗剪强度表达为滑动面上法向应力的函数 即 无粘性土 粘性土 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 土的极限平衡应力分析 在土中取一单元土体 作用在单元体上的大主应力为 1 小主应力为 3 在单元体上以水平面成 角度截面上的应力可由平衡条件导出 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 极限平衡条件 土中一点的极限平衡状态 既是库仑直线与莫尔应力圆相切时单元体所处的状态 用几何条件可得如下极限平衡条件表达式 1 3tan2 45 2 2c tan 45 2 3 1tan2 45 2 2c tan 45 2 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 兰金主动土压力计算 兰金 Rankine 1857 土压力理论 本章重点 基本假定 1 挡土墙背垂直 2 墙后填土表面水平 3 挡墙背面光滑即不考虑墙与土之间的摩擦力 根据兰金理论土体达到极限平衡状态的应力分析如下 滑动面 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 兰金主动土压力计算 由图分析可判断大主应力为 z0 H Ea 小主应力为侧压力即主动土压力 设主动土压力系数 于是有 当 由平衡条件可求出 时可得临界深度 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 WilliamJohnMacquornRankine WilliamJohnMacquornRankine1820 1872WilliamJohnMacquornRankinewasaScottishengineerandphysicist Hewasafoundingcontributortothescienceofthermodynamics Rankinedevelopedafullycompletetheoryofthesteamengine Hissteamenginemanualswereusedformanydecades IncivilengineeringRankinemadecontributionsto Forcesinframestructures Soilmechanics Earthpressures andthestabilityofretainingwalls especiallythegraphicalRankinemethod 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 Coulomb RankineEarthpressure Coulomb Rankine 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 库伦主动土压力计算 库伦 Coulomb 1776 土压力理论基本假定1 挡土墙是刚性的 2 墙后填土是无粘性土 砂土 3 滑动土楔体为三角形刚体如图示 H Ea A B C E W R 由平衡条件可求出 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 被动土压力计算 兰金理论 库伦理论 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 关于土压力理论的工程应用问题 我国 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002规定 当填土为无粘性土时 主动土压力系数可按库伦土压力理论确定 当支挡结构满足兰金条件时 主动土压力系数可按兰金土压力理论确定 工程应用中应特别注意以下问题 1 首先必须根据实际情况判断土压力的性质 静止土压力很少发生 工程中当挡土墙背离土体位移量达到墙高的1 3 即可按主动土压力计算 2 被动土压力的位移较大如高10M的墙位移需达到50CM 墙后的土体才达到极限状态 这对一般工程结构是不允许的 对被动土压力的计算结果一般只采用30 3 兰金土压力公式由于没有考虑墙背的摩擦作用 往往计算结果偏大 可达20 偏于保守 4 计算土压力时计算指标对结果影响很大 一般应通过试验确定 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程学院土木工程系袁吉星 兰金主动土压力计算例题a 例1已知某混凝土挡土墙 墙高为H 6 0m 墙背竖直 墙后填土表面水平 填土的重度r 18 5kN m3 200 300 c 19kPa 试计算作用在此挡土墙上的静止土压力 主动土压力和被动土压力 并绘出土压力分布图 解 1 静止土压力 取K0 1 sin 1 0 5 0 5 E0作用点位于处 如图a所示 2 主动土压力根据兰金主压力公式 Ea 0 5 18 5 62 tg2 45 20 2 2 19 6 tg 45 20 2 2 192 18 5 42 6kn m 临界深度 2008荷载与结构设计方法 昆明理工大学建筑工程