《工程荷载与可靠度设计原理》课后思考题及复详解

PAGEPAGE11/11《工程荷载与可靠度设计原理》课后思考题解答1荷载与作用什么是施加于工程结构上的作用？荷载与作用有什么区别？结构上的作用是指能使结构产生效应的各种原因的总称,包括直接作用和间接作用.引起结构产生作用效应的原因有两种,一种是施加于结构上的集中力和分布力,例如结构自重,楼面的人群、家具、设备,作用于桥面的车辆、人群,施加于结构物上的风压力、水压力、土压力等,它们都是直接施加于结构,称为直接作用.另一种是施加于结构上的外加变形和约束变形,例如基础沉降导致结构外加变形引起的内力效应,温度变化引起结构约束变形产生的内力效应,由于地震造成地面运动致使结构产生惯性力引起的作用效应等.它们都是间接作用于结构,称为间接作用."荷载"仅指施加于结构上的直接作用；而"作用"泛指使结构产生内力、变形的所有原因.结构上的作用如何按时间变异、空间位置变异、结构反应性质分类？.什么是荷载的代表值？它们是如何确定的？荷载代表值是考虑荷载变异特征所赋予的规定量值,工程建设相关的国家标准给出了荷载四种代表.,.2重力成层土的自重应力如何确定？地面以下深度z处的土体因自身重量产生的应力可取该水平截面上单位面积的土柱体的重力,对于均匀土自重应力与深度成正比,对于成层土可通过各层土的自重应力求和得到.土压力有哪几种类别？土压力的大小与分布与哪些因素有关？根据挡土墙的移动情况和墙后土体所处应力状态,土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力三种类别.土的侧向压力的大小与分布与墙身位移、填土性质、墙体刚度、地基土质等因素有关.试述静止土压力、主动土压力和被动土压力产生的条件？比较三者数值的大小？,E0表示.当挡土墙在土压力的作用下,向离开土体方向移动或转动时,作用在墙背上的土压力从静止土压力值逐渐减少,动的瞬间,,Ea.当挡土墙在外力作用下向土体方向移动或转动时,墙体挤压墙后土体,作用在墙背上的土压力从静止,,,,.,Ep.在相同的墙高和填土条件下,主动土压力小于静止土压力,而静止土压力又小于被动土压力,即：当楼面面积较大时楼面均布活荷载为什么要折减？民用建筑的楼面均布活荷载标准值是建筑物正常使用期间可能出现的最大值,当楼面面积较大时,作用在楼面上的活荷载不可能同时布满全部楼面,在计算楼面梁等水平构件楼面活荷载效应时,若荷载承载面积超过一定的数值,应对楼面均布活荷载予以折减.同样,楼面荷载最大值满布各层楼面的机会更小,,.车道荷载为什么要沿横向和纵向折减？桥梁设计时各个车道上的汽车荷载都是按最不利位置布置的,多车道桥梁上的汽车荷载同时处于最不利位置可能性随着桥梁车道数的增加而减小.在计算桥梁构件截面产生的最大效应〔内力、位移〕时,当桥涵设计车道数等于或大于2时,..什么叫基本雪压？它是如何确定的？雪压是指单位水平面积上的雪重,雪压值的大小与积雪深度和积雪密度有关.基本雪压是在空旷平坦,经统计得到的50,.试述风对屋面积雪的漂移作用与其对屋面雪荷载取值的影响？风对雪的漂积作用是指下雪过程中,风会把部分将要飘落或者已经漂积在屋面上的雪吹移到附近地面或邻近较低的屋面上,对于平屋面和小坡度屋面,上的雪压要小；对于双坡屋面、高低跨屋面,迎风面吹来的雪往往在背风一侧屋面上漂积,.3侧压力静水压强具有哪些特征？如何确定静水压强？静水压力是指静止液体对其接触面产生的压力,具有两个特性：一是静水压强垂直于作用面,.确定静水压强时常以大气压强为基准点,静水压强与水深呈线性关系,随水深按比例增加；水压力作,已知底部深度h,ph.实际工程中为什么常将桥墩、闸墩设计成流线型？目的.试述波浪传播特征与推进过程？,.波浪,波长和波,,,破碎后的波重,,.如何对直立式防波堤进行立波波压力、远破波波压力和近破波波压力的计算？波浪作用力不仅与波浪本身特征有关,还与结构物形式和海底坡度有关.的波浪分为立波、远堤破碎波和近堤破碎波三种波态.在工程设计时,与水深判别波态,分别采用不同公式计算波浪作用力.波压力和近破波波压力计算方法,先求得直墙各转折点压强,将其用直线连接,得到直墙压强分布,,.冰压力有哪些类型？冰压力按其作用性质不同,可分为静冰压力和动冰压力.静冰压力包括冰堆整体推移的静压力,风和.冰堆整体推移静压力计算公式是如何导出的？由于水流和风的作用,推动大面积浮冰移动对结构物产生静压力,可根据水流方向和风向,考虑冰层面积来计算：P[(PP1

P)sinP3

sin] <3.31>式中：PNΩ——浮冰冰层面积<m2>,一般采用历史上最大值；PPa,0.5v2v1 s h

为冰层下的流速<m/s>;2P<Pa>,可取为502<m>,在河中不得大于两倍河宽；

v2,h为冰厚<m>,l为冰层沿水流方向的平均长度s3,P——由于水面坡降对冰层产生的作用力<Pa>,等于920hi,i为水面坡降；3,4P——风对冰层上表面的摩阻力<Pa>,P4

=<0.001~0.002>VV

为风速,采用历史上有冰时期和水流4F 方向基本一致的最大风速<m/s>4F ——结构物迎冰面与冰流方向间的水平夹角；.冰盖层受到温度影响产生的静压力与哪些因素有关？冰盖层温度上升时产生膨胀,若冰的自由膨胀变形受到坝体、桥墩等结构物的约束,.冰场膨胀压力随结构物与冰覆盖层支承体之间的距离大小而变化,.冰的膨胀压力与冰面温度、升温速率和冰盖厚度有关,冰压力沿冰厚方向基本上呈上大下小的倒三角形分布,可认为冰压力的合力作用点在冰面以下1/3冰厚处.3.10试述浮托力产生的原因与考虑的方法？水浮力为作用于建筑物基底面的由下向上的水压力,当基础或结构物的底面置于地下水位以下,在,并传递水压力.浮托力的大小取决于土的物理特性,当地下水能够通过土的孔隙溶入到结构基底,且固体.浮托力作用可根据地基的透水程度,按照结构物丧失的重量等于它所排除的水重这一原则考虑：〔1,100%.〔2〕若结构物位于透水性较差地基上,如置于节理裂隙不发育的岩石地基上,地下水渗入通道不畅50%.〔3,算基底应力时,不计浮力,计算稳定时,计入浮力.对于计算水浮力的水位,计算基底应力用低水位,计算〔4,.〔5.4风荷载基本风压是如何定义的？影响风压的主要因素有哪些？离地面10m高,5010min.影响风压的主要因素有：〔1〕风速随高度而变化,离地表越近,摩擦力越大,因而风速越小.〔2〕与地貌粗糙程度有关,地面粗糙程度高,风能消耗多、风速则低.〔3〕与风速时距风有关,常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准.〔4,构,50.当实测风速高度、时距、重现期不符合标准条件时可进行基本风压换算.试述风速和风压之间的关系？风速和风压之间的关系可由流体力学中的伯努利方程得到,自由气流的风速产生的单位面积上的风压力为：式中w——单位面积上的风压力〔kN/m2〕 〕——空气单位体积重力〔kN/m3〕g——重力加速度〔m/s2〕v——风速〔m/s〕在标准大气压情况下,=0.012018kN/m3,g=9.80m/s2,可得：g.通常取为：什么叫梯度风？什么叫梯度风高度？在离地表300~500m大气边界层以上的高度,风的流动不受地面粗糙层的影响,风沿着等压线以层流方式自由流动,称为梯度风.梯度风流动的起点高度称为梯度风高度.影响大气边界层以下气流流动的因素有哪些？地球表面通过地面的摩擦对空气水平运动产生阻力,从而使靠近地面的气流速度减慢,该阻力对气流只有在离地表300~500m,风速度流动.不同地表粗糙度有不同的梯度风高度,地面粗糙度小,风速变化快,其梯度风高度比地面粗糙.《荷载规范》是如何划分和度量地面粗糙度的？《荷载规范》将地面粗糙度分为ACD和梯度风高度HT如下：A取A

=0.12,H

TA=300m；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以与房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区,取C类指有密集建筑群的城市市区,取C=0.22,HTC=400m；

B=0.16,HTB=HT0=350m；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市取 =0.30,H =450m.D T04.8什么是风载体型系数？它是如何确定的？建筑物处于风流场中,风力在建筑物表面上的分布是不均匀的,风作用在建筑物表面的不同部位将引起不同的风压值,此值与来流风压之比称为风载体型系数.风载体型系数表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律,主要与建筑物的体型和尺寸有关.目前要完全从理论上确定受风力作用的任意形状物体的压力分布尚做不到,.高层建筑为什么要考虑群体间风压相互干扰？如何考虑？高层建筑群房屋相互间距较近时,由于尾流作用,引起风压相互干扰,对建筑物产生动力增大效应,使得房屋局部风压显著增大,设计时可将单体建筑物的体型系数us乘以相互干扰增大系数加以考虑.,为什么要区分平均风和脉动风？结构顺向的风作用可分解为平均风和脉动风,平均风的作用可通过基本风压反映,基本风压是根据10min,虽然它已从统计的角度体现了平均重现期为50.脉动风是一种随机动力荷载,风压脉动在高频段的峰值周期约为1~2min,一般低层和多层结构的自振周期都小于它,因此脉动影响很小,不考虑风振影响也不致于影响到结构的抗风安全性.而对于高耸构筑物和高层建筑等柔性结构,风压脉动引起的动力反应较为明显,结构的风振影响必须加以考虑.工程设计中如何考虑脉动风对结构的影响？对于高耸构筑物和高层建筑等柔性结构,风压脉动引起的动力反应较为显著,必须考虑结构风振影响.对于结构基本自振周期T1大于0.25s30m1.5.1 结构风振影响可通过风振系数计算,式中脉动增大系数1 z z脉动风输入达文波特〔Davenport〕建议的风谱密度经验公式,也可查表确定.结构振型系数z可根据结构动力学方法计算,也可采用近似公式或查表确定.脉动影响系数v主要反应风压脉动相关性对结构的影响,可通过随机振动理论分析得到,为方便设计人员进行工程设计,已制成表格,供直接查用.结构横向风振产生的原因是什么？建筑物或构筑物受到风力作用时,横风向也能发生风振.横风向风振是由不稳定的空气动力作用造成的,它与结构截面形状和雷诺数有关.对于圆形截面,当雷诺数在某一范围内时,流体从圆柱体后分离的旋涡将交替脱落,形成卡门涡列,若旋涡脱落频率接近结构横向自振频率时会引起结构涡激共振.什么叫锁定现象？在结构产生横向共振反应时,若风速增大,旋涡脱落频率仍维持不变,与结构自振频率保持一致,这一只有当风速大于结构共振风速约1.3,.什么情况下要考虑结构横风向风振效应？如何进行横风向风振验算？ReRe≥3.5×106,风速进入跨临界范围时,,,.跨临界强风共振引起在z高处振型j的等效风荷载可由下列公式确定：式中j

——计算系数；

zj振型系数；zj

——第j振型的阻尼比.横风向风振主要考虑的是共振影响,因而可与结构不同振型发生共振效应.对跨临界的强风共振,设计时必须按不同振型对结构予以验算.一般认为低振型的影响占主导作用.只需考虑前4个振型即可满足要求.公路《桥规》中是如何考虑桥梁横向风力作用的？按横向风压乘以迎风面积获得.什么是桥梁静力风荷载的三分力系数？,下表面压强差的面积分就是桥梁所受的升力荷载,而迎风前后表面压强差的面积分则是桥梁所受的风阻力荷载,,,,..?桥梁结构风致振动大致可分为两类,一类是自激发散振动,例如颤振和驰振,振动结构可以不断从气流中获取能量,抵消阻尼对振动的衰减作用,从而使振幅不断加大,导致结构风毁,这实际上是一种空气动力失稳现象,对桥梁危害最大.另一类是限幅振动,例如涡激振动和抖振,涡激振动是由结构尾流中产生的周,,抖振.涡振和抖振均可在低风速下发生,虽不具破坏性,但会对杆件接头等连接部位造成疲劳破坏,设计时.工程结构荷载的统计分析??平稳二项随机过程概率模型将荷载的样本函数模型化为等时段的矩形波函数,其定义为：〔1Tr,=T/r；〔2〕在每个时段内,荷载出现〔即Q<t>＞0〕的概率均为p,不出现〔即Q<t>=0〕的概率为q=1-p〔p,q为常数〕；i〔3〕在每个时段内,荷载出现时,其幅值是非负的随机变量,且在不同时段上的概率分布是相同的,记时段内的荷载概率分布〔也称为任意时点荷载的概率分布〕函数为F<x>=P[Q<t>≤x,t∈]；i〔4〕不同时段上的荷载幅值随机变量是相互独立的,且与在时段上是否出现荷载无关.Tm,m=pr.平稳二项随机过程｛Q<t>≥0,t∈[0,T]｝TQTFT<x>Fi<x>m,平稳二项随机过程的三要素为：①荷载在Tr内荷载QpFi<x>.将荷载统一采用平稳二项随机过程来研究的优点是：对各种荷载,其平稳二项随机过程TQTFT<x>均可采用任意时点荷载分布函数Fi<x>.??荷载随机过程的样本函数是十分复杂的,它随荷载的种类不同而异.函数与其性质了解甚少.荷载统计时,对于常见的永久荷载、楼面活荷载、风荷载、雪荷载、公路与桥梁,,.几种常遇荷载的统计特性如下：〔1〕永久荷载〔如结构自重〕取值在设计基准期T,｛G<t>==T,r=T/=1,而且p=1.〔2〕对于可变荷载〔如楼面活荷载、风荷载、雪荷载等〕,其样本函数的共同特点是荷载一次出现的时间＜T,在设计基准期内的时段数r＞1,且在T内至少出现一次,所以平均出现次数m=pr≥1.不同的可变荷载,其统计参数、p以与任意时点荷载的概率分布函数Fi<x>都是不同的.〔3短期实测值难以保证,公路桥梁结构的设计基准期T为100年,则人群荷载在T内的平均出现次数m=100.???.〔1.〔2〕荷载频遇值系指在设计基准期内结构上较频繁出现的较大荷载值,主要用于正常使用极限状态的频遇组合中.〔3〕荷载准永久值系指在结构上经常作用的荷载值,它在设计基准期内具有较长的总持续时间Tx,其对结构的影响类似于永久荷载,主要用于正常使用极限状态的准永久组合和频遇组合中.〔4〕当结构上同时作用有两种或两种以上的可变荷载时,各荷载最大值在同一时刻出现的概率极小.c此时,各可变荷载的代表值可采用组合值,即采用不同的组合值系数c

对各自标准值予以折减后的荷载值c.kQc.k?T〔x,使其在T内具有不被超越的概率pk即FQk=PQTQ=pk.,各国对如何规pk,pk.??作用在结构上的荷载Q,记作S,.Q与荷载S,但在实际工程的许多情况下,,,但目前进行荷载效应的统计分析时,,一般仍假定荷载效应S和荷载Q,这样可以大大简化荷.?,,雪荷载等,,最大风载与最大雪载同时出现的可能性很小.研究荷载效应组合问题,实质上是求解多个荷载效应随机过程以不同规则组合后产.JCSS规则和Turkstra不便于实际应用.因此,我国各类工程结构设计规范都根据不同的设计要求,采用了较为简单的荷载效应组合形式,并,.结构构件抗力的统计分析??它与构件的作用效应S,记作R.所考虑的作用效应为作用内力时,对应的抗力为构件承载能力；而考虑的作用效应为作用变形时,抗力则.直接对各种结构构件的抗力进行统计分析,并确定其统计参数和分布类型非常困难.目前对抗力的统计分析一般采用间接方法,即首先对影响构件抗力的各种主要因素分别进行统计分析,确定其统计参数；然后通过抗力与各有关因素的函数关系,从各种因素的统计参数推求出构件抗力的统计参数.构件抗力的概率分布类型,可根据各主要影响因素的概率分布类型,应用概率理论或经验判断加以确定.?..??f结构构件由于受材料品质、制作工艺、受荷情况、环境条件等因素的影响,引起材料性能的变异,导致了材料性能的不定性.结构构件材料性能的不定性,应包括标准试件材料性能的不定性和试件材料性能换算为构件材料性能的不定性两部分.ff结构构件材料性能的不定性可采用随机变量f

来表示,而

的平均值与变异系数经推导分别为：0s f , 0s

20202fs0f k f f0 kf目前

的统计参数很难由实测得s f 0出,一般还是凭经验估计,而fs的统计参数则较容易得到,这方面已做了相当多的调查与统计工作.?.结构构件计算模式的不定性,主要是指抗力计算中采用的某些基本假定不完全符合实际和计算公式,例如,用线性化方法来简化分析或计算等.所有这些近似化处理,必然会导致结构构件的计算抗力与实际抗力之.??计算结构构件抗力的统计参数时,按单一材料组成的构件和多种材料组成的构件两种情况,分别建立构件抗力和各种不定性之间的函数关系,利用已知的材料性能、几何参数与计算模式不定性的统计参数,得出构件抗力的统计参数.结构构件抗力R,R.,常根据概率论原理假定抗力的概率分布函数.,若随机变量序列X1,X2,…,Xn当n,1 2 X,X,…,X,,则Y1 2 i1

X .如i12 Y=XX…X,则lnY12 i1

lnX ,n,lnYY.由于i抗力R的计算模式多为R=X1X2X3…或R=X1X2＋X3X4X5＋X6X7＋…等形式,因此实用上可近似认为,无论X1,X2,…,Xn为何种概率分布,结构构件抗力R的概率分布类型均可假定为对数正态分布.9 结构可靠度分析与计算结构的功能要求有哪些?房屋建筑、公路、桥梁等结构必须满足的功能要求可概括为下列三方面：〔1.,.〔2.,限度.〔.,.结构在预定的期限内,在正常使用条件下,若能同时满足上述要求,则称该结构是可靠的.因此,可以将结构的安全性、适用性和耐久性统称为结构的可靠性.?..〔1.,即认为超过了承载能力极限状态：1〕整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡〔如雨棚、烟囱倾覆、挡土墙滑移等2〕结构构件或其连接因超过材料强度而破坏〔包括疲劳破坏,如轴心受压构件中混凝土达到轴心抗或者因为过度的塑性变形而不适于继续承受荷载；疲劳破坏是在使用中由于荷载多次重复作用而使构件丧失承载能力.使其几何形状发生显著改变,这时虽未达到最大承载能力,但已彻底不能使用,态.3〕由于某些截面或构件的破坏而使结构变为机动体系；4〕结构或结构构件丧失稳定〔如压屈等5〕地基丧失承载能力而破坏〔如失稳等〕.〔2限值即认为超过了正常使用极限状态：1〕影响正常使用或有碍外观的变形；2〕影响正常使用或耐久性能的局部损坏〔包括裂缝过宽等3〕影响正常使用的振动；4〕影响正常使用的其他特定状态〔如混凝土腐蚀、结构相对沉降量过大等〕.??,,,.结构可靠性也可用结构的失失效概率pf,反之失效概率pf,,pf值是十分困难的,,通过可靠指标代替失效概率来度量.?说明可靠指标的几何意义.可靠指标和失效概率一样,可作为度量结构可靠性的一个指标,可靠指标和失效概率之间存在着对应关系Z=R-S中,RS,其平均值和标准差分别为、

和

,则结构的失效概率为p

=P{Z＜0}=PZ

＜PZZR S R S Z

f Z Z＜Z,令Y Z

Z, Z,则可获得可靠指标和失效概率之间的关系式为p =〔〕 fZf=〕1-p 〕式〕为标准正态分布函〕为标准正态分布函数的反函.f

之间的关系见下图1,图中曲线为功能函数Z的概率密度函数f〔z〕/,平均 距f Z Z Z Z坐标原点的距离=.如标准 保持不,值越,阴影部分的面积就越即失效概率p越大；Z Z反之亦然.

Z f图1可靠指标与失效概率pf的关系可靠指标的几何意义：〔1.〔2〕当结构的功能函数包含多个相互独立的正态随机变量时,可靠指标的几何意义为：标准化正态坐标系中原点到极限状态曲面的最短距离.?中心点法不考虑基本变量的实际分布,直接按其服从正态或对数正态分布,导出结构可靠指标的计算公式,分析时采用了泰勒级数在中心点〔均值〕展开.虽然中心点法的最大特点是计算简便,概念明确,但仍存在以下不足：〔1〕该方法没有考虑有关随机变量的实际概率分布,而只采用其统计特征值进行运算.当变量分布不是正态或对数正态分布时,计算结果与实际情况有较大出入.〔2,.〔3〕对于同一问题,如采用不同形式的功能函数,可靠指标计算值可能不同,有时甚至相差较大.??国际JCSS,,亦称JC法.,其主要特点是：对于非,,〔X1*,X2*,…,Xn*,此外该方法能考虑变量的实际概率分布,并通过途径,XiXi*处当量化为正态变量,使可靠指标能真实反映.?..,构件失效并不意味整个结构将失效,而是导致构件之间的内力重分布,这种重分布与体系的变形情况以与.?,,,,失效模式,,.,,对体系可