工程结构荷载与设计方法-荷载与作用

张丽安徽工业大学工程结构荷载与设计方法

（荷载与作用）Chapter0of1结构上的作用术语符号作用：使结构产生内力和变形的原因，分为直接作用和间接作用两种。荷载是直接作用，混凝土的收缩、徐变、温度变化、地基不均匀沉降、地震是间接作用。作用效应(S)：结构上的作用使结构产生的内力（弯矩、剪力、扭矩）和变形、裂缝的统称。荷载标准值：是指其在结构的使用期间可能出现的最大荷载值。根据统计分析可以确定一个具有一定保证率（如95%）的上限荷载分位值，该特征值称为荷载标准值（符号Gk，Qk）。术语符号组合值：按极限状态设计时为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载进行组合，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值。荷载准永久值：对可变荷载，在设计基准期内，其超过的总时间约为设计基准期的一半的荷载值。结构抗力：结构抵抗外界作用效应的能力。◆

结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠”的或“有效”的。反之，则结构为“不可靠”或“失效”。◆

区分结构“可靠”与“失效”的临界工作状态称为“极限状态”何谓结构的极限状态？安全性

承载力能力极限状态

不安全适用性耐久性正常使用极限状态不适用性不耐久性Z=R-S=0极限状态Z=R-S<0

失效Z=R-S>0

可靠Z：结构的功能函数何谓结构的极限状态？3.2极限状态S——作用效应ActionEffect

结构上的作用（使结构产生内力和变形的原因，如荷载、不均匀沉降、温度变形、收缩变形、地震等）引起的效应如弯矩M、轴力N、剪力V、扭矩T、挠度f、裂缝宽度w等

S=S(Q)=C*QR——结构抗力Resistance

结构抵抗作用效应的能力，如受弯承载力Mu、受剪承载力Vu、容许挠度[f]、容许裂缝宽度[w]R=R(fc,fy,A,h0,As,…)结构力学的主要内容为何开设本课程？3.2极限状态★

恒载g与构件尺寸、材料容重等有关★

活载q（楼面活载、雪荷载）的数值是随时在变化的★

计算跨度l的不准确★材料强度fy和fc的离散★截面尺寸h0和b的施工误差★应力-应变关系参数k1和k2不一定安全（可靠）绪论3.2极限状态典型工程图示典型工程图示3.2极限状态典型工程图示3.2极限状态若干建筑工工程及荷载载示例3.2极限状态风荷载：塔科马大桥桥风毁录像像若干建筑工工程事故及及荷载示例例3.2极限状态海浪作用：印尼海啸录录像若干建筑工工程事故及及荷载示例例3.2极限状态地震作用：汶川地震地震科普若干建筑工工程事故及及荷载示例例3.2极限状态撞击作用：911恐怖袭击若干建筑工工程事故及及荷载示例例3.2极限状态撞击作用：911恐怖袭击若干建筑工工程事故及及荷载示例例3.2极限状态土侧压力：上海莲花河河畔景苑建建筑事故2009年年6月27日若干建筑工工程事故及及荷载示例例3.2极限状态上海莲花河河畔景苑建建筑事故本课程主要要内容3.2极限状态建筑工程结结构体系各各种作用的的确定及计计算方法结构体系设设计值中作作用和荷载载的组合方方法，抗力力值的确定定要考虑的的随机因素素本课程具体体章节3.2极限状态第一章荷载与作用用第二章重重力第三章侧压力第四章风荷载第五章地震作用第六章其其他作用第七章荷荷载的统计计分析第八章结结构构件抗抗力的统计计分析第九章结结构可靠度设计方法第十章综合例题附录一、结构上上的作用及及其分类1、“结构上的的作用”的定义施加在结构构上的集中中力或分布布力，以及引起结构外外加变形或或约束变形形的原因（地震、基基础沉降、、温度变化化、焊接等等）的总称施加在结构构上的集中中力或分布布力直接作用（（荷载）引起结构外外加变形或或约束变形形的原因间接作用2、“结构上的的作用”的分类按随时间的的变异分类类永久作用在结构使用用期间，其其值不随时时间而变化化，或其变变化值与平平均值相比比可以忽略略不计，或或其变化是是单调的并并能趋于限限值的作用用【例如】结构自重，，土压力、、预加力、、基础沉降降、焊接、、水的浮力力、混凝土土收缩及徐徐变作用等等可变作用用在结构使使用期间间，其值值随时间间而变化化，且其其变化值值与平均均值相比比不可以以忽略不不计的作作用【例如】安装荷载载、楼面面活荷载载、吊车车荷载、、风荷载载、雪荷荷载、汽汽车荷载载、汽车车离心力力、汽车车制动力力、流水水压力、、冰压力力、温度度作用等等偶然作用用在结构使使用期间间，不一一定出现现，但一一旦出现现，其量量值很大大且持续续时间较较短的作作用【例如】爆炸、船船舶或漂漂流物的的撞击作作用、汽汽车撞击击作用等等【思考题】水压力属属于何种种作用？？地震作用用属于何何种作用用？按随空间间位置的的变异分分类固定作用用在结构空空间位置置上具有有固定的的分布【例如】工业与民民用建筑筑楼面上上的固定定设备荷荷载、结结构构件件自重等等可动作用用在结构空空间位置置上的一一定范围围内可以以任意分分布【例如】工业与民民用建筑筑楼面上上的人员员荷载、、吊车荷荷载等按结构的的反应分分类静态作用用不使结构构或结构构构件产产生加速速度，或或产生的的加速度度可以忽忽略不计计【例如】结构自重重、住宅宅与办公公楼的楼楼面活荷荷载等动态作用使结构或结构构构件产生不不可忽略的加加速度【例如】地震、吊车荷荷载、设备振振动、作用于于高耸结构上上的风荷载等等二、荷载分类类按作用时间的的长短和性质质永久荷载（恒载）在结构使用期期间，其值值不随时间而而变化，或虽虽有变化，但但变化不大，，且其变化值值与平均值相相比可以忽略略不计，或其其变化是单调调的并能趋于于限值的荷载载。可变荷载（活载）在结构使用期期间，其值值随时间而变变化，且其变变化值与平均均值相比不可可以忽略不计计的荷载。偶然荷荷载在结构构使用用期间间不一一定出出现，，但一一旦出出现，，其值值很大大，作作用时时间则则较短短的荷荷载。。永久荷荷载（（恒载载）【例如】结构自自重，，土压压力、、预应应力等等可变荷荷载（（活载载）【例如】楼面活活荷载载、屋屋面活活荷载载和积积灰荷荷载、、吊车车荷载载、风风荷载载、雪雪荷载载等偶然荷载载【例如】爆炸力、、撞击力力等三、荷载载代表值值荷载代表表值是指指设计中中用以计计算极限限状态所所采用的的荷载量量值，如如标准值值、组合合值、频频遇值和和准永久久值。建筑结构构设计中中，对不不同荷载载应采用用不同的的代表值值。永久久荷载采采用标准准值作为为代表值值；可变变荷载应应根据设设计要求求采用标标准值、、组合值值、频遇遇值或准准永久值值作为代代表值；；偶然荷荷载应按按建筑结结构使用用的特点点确定其其代表值值。1.荷载标准准值荷载标准准值是GB50009-2012规定的荷荷载基本本代表值值，为设设计基准准期内最最大荷载载统计分分布的特特征值。。由于最最大荷载载值是随随机变量量，因此此，原则上应应由设计计基准期期荷载最最大值概概率分布布的某一一分位数数来确定定。但是，有有些荷载载并不具具备充分分的统计计参数，，只能根根据已有有的工程经验验确定。2.荷载组合合值荷载组合合值是对对可变荷荷载而言言的。当当两种或或两种以以上可变变荷载在在结构上上同时作作用时，，由于所所有荷载载同时达达到其单单独出现现时可能能达到的的最大值值的概率率极小，，因此，，除主导导荷载(产生最大大荷载效效应的荷荷载)仍可以用用其标准准值为代代表值外外，其他他伴随荷荷载均取取小于其其标准值值的组合合值为荷荷载代表表值。3.荷载准永永久值：：荷载准永永久值也也是对可可变荷载载而言的的，是指指可变荷荷载中活动相对对较小的的部分，在规定定的时间间内具有有较长的的总持续续期，对对结构的的影响犹犹如永久久荷载。。荷载准准永久值值主要用用于正常常使用极极限状态态的长期期效应组组合，其其值与可可变荷载载出现的的频繁程程度和持持续时一一间长短短有关。。4.荷载频遇遇值：荷载准永永久值同同样是对对可变荷荷载而言言的，是是指可变变荷载在在结构上上频繁出出现且量值较大大的值，主要用用于荷载载短期效效应组合合中。可可变荷载载频遇值值可以通通过乘以以频遇值值系数得得到，频频遇值系系数通过过调查统统计结果果并结合合工程经经验综合合分析后后确定。。工程结构构设计理理论演变变简况容许应力力设计法法容许应力力设计法法是建立立在弹性性理论基基础上的的设计方方法。其其表达式式为：式中，，－－构构件在在使用用阶段段(使用荷荷载作作用下下)截面上上的最最大应应力；；－材料料的容容许应应力。。容许应应力设设计法法计算算简单单，但但其有有许多多问题题：①没有有考虑虑材料料塑性性性质质。②没有有对作作用阶阶段给给出明明确的的定义义，也也就是是使用用期间间荷载载的取取值原原则规规定得得不明明确。。③把影影响结结构可可靠的的各种种因素素(荷载的的变异异、施施工的的缺陷陷、计计算公公式的的误差差等)统统归归结在在反映映材料料性质质的容容许应应力上上，，显然然不够够合理理。④容容许应应力的的取值值无科科学根根据，，纯属属经验验的，，历史史上曾曾多次次提高高过材材料的的容许许应力力值。。⑤按容容许应应力法法设计计的构构件是是否安安全可可靠，，无法法用实实验来来验证证。工程结结构设设计理理论演演变简简况破损阶阶段设设计法法针对容容许应应力设设计法法存在在的缺缺陷，，之后后出现现了假假定材材料均均已达达到塑塑性状状态，，依据据截面面所能能抵抗抗的破破损内内力建建立的的计算算公式式。其其设计计表达达式为为：式中，——构件最终破破坏时的承承载能力；；——安全系数，，用来考虑虑影响结构构安全的所所有因素。。优点为：①它可以反反映材料的的塑性性质质，结束了了长期以来来假定混凝凝土为弹性性体的局面面。②采用一个个安全系数数，使构件件有了总的的安全度的的概念。③它以承载载能力值(如)为依据，其其计算值是是否正确可可由实验检检验。工程结构设设计理论演演变简况苏联曾把该该理论用下下式来表达达：式中，M——正常使用时时，由各种种荷载所所产生的截截面内力；；a——反映截面尺尺寸等的尺尺寸函数；；，——材料强度的的平均值。。破损阶段理理论仍存在在一些重大大缺点：①破损阶段段计算，构构件的承载载力是得以以保证，但但却无法了了解构件在在正常使用用时能否满满足正常使使用要求。。②安全系数数K的取值仍须须经验确定定，并无严严格的科学学依据。③采用笼统统的单一安安全系数，，无法就不不同荷载、、不同材料料结构件安安全的影响响加以区别别对待，不不能正确地地度量结构构的安全度度。④荷载的的取值仍然然也是经验验值；⑤表达式中中采用的材材料强度是是平均值，，它不能正正确反映材材料强度的的变异程度度，显然也也是不够合合理的。工程结构设设计理论演演变简况概率极限状状态设计法法概率极限状状态设计法法是以概率理论为为基础，将作用效应和和影响结构构抗力的主要因素作作为随机变变量，根据统计计分析确定定可靠概率率来度量结结构可靠性性的结构设设计方法。。其特点是是有明确的的、用概率率尺度表达达的结构可可靠度的定定义，通过过预先规定定的可靠指指标值，使使结构各构构件间，以以及不同材材料组成的的结构之间间有较为一一致的可靠靠度水平。。国际上把处处理可靠度度的精确程程度分为3个水准。(1)水准I——半概率方法法。精度最低，，用随机变变量的一阶阶矩（均值值）加以概概括，可靠靠度分析