荷载与结构设计方法其他作用

荷载与结构设计方法第6章

其他作用6.1温度作用6.1.1基本概念及原理结构或构件所处环境的温度发生变化时，如果体内任一点（单元体）的热变形（膨胀或收缩）受到周围相邻单元体的约束（内约束）或其边界受到其他结构或构件的约束（外约束），则会使体内该点产生一定的应力，这种应力即为温度应力，亦称温度作用，或称热应力。土木工程结构中会遇到大量因诸如水化热、气温变化、生产热和太阳辐射等温度作用引起问题，根据约束条件可以分成两类：(1)结构或构件由于温度作用产生的变形受到其他物体或支承条件制约，不能自由变形。(2)构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。6.1.2温度应力和变形的计算

对于静定结构，温度变化时，引起的材料膨胀和收缩变形是自由的，即结构能够自由地产生符合其约束条件的位移，结构物无约束应力产生，因此无内力，其变形可由虚功原理导出，按下式计算

应用上式时，其正负号可按如下方法确定，即比较虚拟状态的变形与实际状态由于温度变化引起的变形，若二者变形方向相同，取正号，反之，则取负号。相应地，式中

及

均只取绝对值。

对于超静定结构，因温度变化引起的杆件变形不是自由的，在结构中产生的内力与结构的刚度大小有关，这也是与静定结构有所不同。超静定结构中的温度作用效应，可根据变形协调条件，按弹性理论方法确定。6.2变形作用1．地基的不均匀性引起的变形作用这种变形包括如软土、杂填土、冲沟等本身地基的不均匀变形；地基土发生冻融、冻胀、湿陷等现象；地基虽然比较均匀，但是上部结构荷载相差过大，刚度差别悬殊，发生差异沉降等，这些变形都会引起结构内力。2．混凝土收缩和徐变混凝土在空气中硬化时体积减小现象为混凝土的收缩。混凝土结构如果受到外部支承条件或内部钢筋的约束，这种自发变形即会在混凝土中产生拉应力，从而加速裂缝的产生和发展，并影响构件的耐久性和疲劳强度等性能。混凝土的徐变是指在荷载的长期作用下，混凝土的变形随时间而增长的现象。3.地下结构发生的变形外荷载作用下，地下结构发生的变形导致地层发生与其协调的变形，此时地层就对地下结构产生了反作用力，这一反作用力的大小同地层变形的大小有关。一般假定二者成线性弹性关系，并把这一反作用力称为弹性抗力。在局部变形理论中，以文克尔（E.Winkler）假定为基础，认为地层的弹性抗力与结构变形成正比，即6.3浮力作用水的浮力为作用于建筑物基底底面由下向上的水压力，等于建筑物排开同体积的水重力。水浮力对处于地下水中的结构的受力和工作性能有明显影响。如当贮液池底面位于地下水位以下时，如果贮液池为空载情况，浮力可能会使整个贮液池或底板局部上移，以致底板和顶盖被顶裂，因此对贮液池应进行整体抗浮和局部抗浮验算。从安全角度出发，结构物或基础受到的浮力可作如下处理：

（1）置于透水性饱和地基上的结构物，因地基土孔隙存在自由水，验算稳定性时应考虑采用设计水位时的水浮力；

（2）置于透水性较差的地基上的结构物，可按50%计算浮力；

（3）置于不透水性地基上的结构物，且基础底面与地基接触良好，如黏土地基的桥梁墩台，可不考虑水的浮力；完整岩石(包括节理发育的岩石）上的基础，当基础与基底岩石之间灌注混凝土且接触良好时，水浮力可以不计，但破碎或裂隙严重的岩石，则应计入水浮力；（4）当不能确定地基是否透水时，应将透水和不透水两种情况与其他荷载组合，取其最不利者；对黏性土地基，浮力与土的物理特性有关，应结合实际情况确定；

（5）对有桩基的结构物，作用在桩基承台底部的浮力，应考虑全部底面积，但桩嵌入不透水持力层者，计算承台底部浮力时应扣除桩的截面积；管桩不计水的浮力。6.4冲击力与撞击力6.4.1汽车冲击力车辆以较高速度驶过桥梁时，由于桥面的不平整以及车轮的不圆和发动机的抖动等原因,会引起桥梁结构的振动，桥梁结构在这种动荷载作用下产生的应力和变形要大于在静荷载作用下产生的应力和变形，这种动力效应通常称为冲击作用。汽车荷载的冲击作用一般根据试验和实测结果或近似用汽车荷载乘以冲击系数

来计算。《公路桥涵设计通用规范》中给出了钢筋混凝土、混凝土、砖石砌体桥涵的冲击系数和钢桥的冲击系数。鉴于结构物上的填料能起缓冲和扩散冲击荷载的作用，故对于拱桥和涵洞以及重力式墩台，当填料厚度（包括路面厚度）等于或大于

时，可以不计冲击作用；支座的冲击力，按相应的桥梁取用。6.4.2汽车撞击力为防止或减少因撞击而产生的破坏，应对易受到汽车撞击的结构构件的相关部位采取相应的构造措施，并增设钢筋或钢筋网；桥梁结构必要时需要考虑汽车的撞击作用。桥梁防撞栏杆的设计应考虑汽车对栏杆的撞击力，撞击力与车重、车速、碰撞角度等因素有关。对此各国规范的规定不尽相同。例如，我国《城市桥梁设计通用规范》CJJ11—2011规定：在计算桥上人行道栏杆时，应考虑作用在栏杆上的汽车撞击力，防撞栏杆应采用

横向集中力进行检算，作用点应在防撞栏杆板的中心。6.4.3船只或漂浮物的撞击力船舶与桥梁的撞击作用，如有实测资料，宜采用实测资料；如有相应的研究成果，经审批等手续后可采用研究成果确定作用值。《公路桥涵设计通用规范》JTGD6—2004对内河船舶、海轮的撞击作用根据河道等级、船舶吨位，列出撞击作用的标准值。内河船舶对桥梁墩台的撞击作用也可按静力法计算：即撞击作用力可按船只或排筏作用于结构上的有效动能全部转化为静力功的假定进行计算，并假定撞击力作用于通航水位处结构宽度或长度的中间，撞击角度不易预先确定，应根据具体情况加以确定。顺桥向撞击力标准值约为横桥向撞击力标准值的3/4。6.5制动力汽车制动力是汽车刹车时为克服其惯性运动而在车轮和路面接触面之间产生的水平滑动摩擦力，其值为摩擦因数乘以车辆的总重力。影响制动力大小的因素很多，如路面的粗糙状况、轮胎的粗糙状况及充气压力的大小、制动装置的灵敏性、行车速度等。摩擦因数的大小，可按功能原理经试验确定。制动过程可写成下式

一般正常制动力约为0.2W左右（W为汽车总重力）。

制动力的方向就是行车方向，其着力点在设计车道桥面上方1.2m处。在计算墩台时，可移到支座中心（铰或滚轴中心）或滑动支座、橡胶支座、摆动支座的底座面上。计算刚构桥、拱桥时，可移至桥面，但不计由此产生的竖向力和力矩。6.6离心力物体沿曲线运动或作圆周运动时所产生的离开中心的力称为离心力。《公路桥涵设计通用规范》JTGD6—2004规定，当弯道桥的曲率半径小于或等于250m时，应计算汽车荷载引起的离心力作用；离心力的大小为车辆荷载(不计冲击力)标准值乘以离心力系数

，且与平曲线半径成反比。车辆荷载一般采用均匀分布的等代荷载，离心力系数

可按下式计算

离心力的作用点一般离桥面1.2m，计算墩台时，可移至支座铰中心或支座底部面上。也可以移到桥面上，不计由此引起的力矩。

离心力对墩台的影响，可将离心力均匀分布在桥跨上由两墩平均分担。6.7预应力以特定的方式在结构构件上预先施加的、能产生与构件所承受的外荷载效应相反的应力状态的力称为预应力。构件在未受荷之前，就已经对其施加预应力，这样的构件称为预应力构件。预应力技术在混凝土结构中应用较多，目前已在钢结构、砌体结构和组合结构中得到了研究和应用。预应力在结构进行设计时，应作为永久荷载计算其主效应和次效应，并计入相应阶段的预加应力损失，但不计由于偏心距增大引起的附加效应；在结构进行承载能力极限状态设计时，预应力不作为荷载，而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分；但在连续梁等超静定结构中，仍需要考虑预应力引起的次效应。6.8爆炸作用

爆炸是一种复杂的荷载，结构工程中遇到的爆炸主要有四类：燃料爆炸——汽油和煤气等燃料以及易燃化工产品在一定条件下起火爆炸。工业粉尘爆炸——诸如面粉厂、纺织厂等生产车间充斥着颗粒极细的粉尘，在一定的温度和压力条件下突然起火爆炸。武器爆炸——包括战争期间的常规武器和核武器的轰击、汽车炸弹的袭击以及军火仓库的爆炸。定向爆破——专为拆除现有结构而设计的爆炸。

爆炸的破坏作用大体有以下几个方面：1）震荡作用。在遍及破坏作用的区域内，有一个能使物体震荡、使之松散的力量。2）冲击波作用。随爆炸的出现，冲击波最初出现正压力，而后又出现负压力，即吸引作用。3）碎片的冲击作用。爆炸如产生碎片，会在相当大范围内造成危害。碎片飞散范围通常是100~500m，甚至更远。碎片体积越小，飞散速度越大，危害越严重。4）热作用(火灾）。爆炸温度一般约在2000~3000左右，通常爆炸气体扩散只发生在极其短促的瞬时，对一般可燃物质来说，不足以造成起火燃烧，而且有时冲击波还能起到灭火作用。但建筑物内遗留大量的热，会把从破坏设备内部不断流出的可燃气体或易燃、可燃蒸