荷载与结构设计原理 2013-第6章 其它作用

1、,第6章 其它作用,荷载与结构可靠度,兰州大学土木工程与力学学院 王亚军 2013年2月,本章内容,6.2 变形作用,6.3 爆炸作用,6.4 浮力作用,6.5 冲击力和撞击力,6.6 制动力,6.8 预加力,6.1 温度作用,6.7 离心力,6.1 温度作用,1、基本概念 固体的温度发生变化时，体内任一点的热变形由于受到周围相邻单元体的约束或固体的边界受其它构件的约束，使体内该点形成一定的应力，这个应力称为温度应力。 2、温度作用原理 温度的升高、温度的降低、温差。 3、例如 工业建筑的生产车间屋面板混凝土内部的温度分布； 各类结构物温度伸缩缝的设置方法以及大小和间距； 板壳热应力和热应变；

2、 高层建筑筏板基础的浇捣，水化热升温和散热。,6.1.1基本概念及温度作用原理,6.1.2温度应力的计算,6.1 温度作用, 温度变化引起材料自由膨胀、收缩, 材料的变形受到其它构件的约束 内力、变形及位移,静定结构： 温度的变化不引起内力、但引起变形和位移,超静定结构： 温度的变化引起内力、变形和位移,t(0C)升高,l,l= t l,6.1.2温度应力的计算,设杆件上边缘温度升高t10，下边缘升高t20，且t10t20 ，并沿杆件截面厚度为线性。, 杆件的轴线温度： t0=(h1t2+h2t1)/h,杆件上、下边缘温度差： t=t2-t1,温度变化时，引起轴向应变和曲率，不引起剪切变形,=

3、 t 0,=d/ds= (t2-t1 )ds/h/ds= t /h, 截面上引起的弯矩,M=EI =EI t /h,ds,t1ds,h,h1,h2,d,ds,t2ds,结构均匀升（降）温 结构中存在温度差 超静定结构温度变化产生的内力可根据结构力学原理，变形受到约束从而在结构中产生内力。这也是超静定结构不同于静定结构的特征之一。 一般可根据变形协调条件，按结构力学方法计算。,6.1.2温度应力的计算,6.1 温度作用,举例,超静定结构作用效应的计算方法： 方法1：将多余约束释放，利用温度变形等于约束力变形条件。 方法2：将温度变化当做等效力作用与结构。,6.2 变形作用, 变形指外界因素的影响

4、使结构被迫发生变形 地基变形 结构支座位移 混凝土徐变、收缩受内部或外部约束 结构内力重分布 地层对地下结构产生反作用力 地层弹性抗力 制造误差等 变形作用效应 静定结构：支座移动、材料收缩、制造误差等使结构发生的变形不引起内力、但引起变形和位移 超静定结构：支座移动、材料收缩、制造误差等使结构发生的变形引起内力、变形和位移 因而从广义上说，变形作用也是荷载。,变形作用可分为： 1）材料本身的变形：比如混凝土的收缩徐变。 2）结构变形：由于地基承载力不足，发生基础位移产生的变形。 举例： 1、地基不均匀沉降 2、砌体房屋窗脚因集中力产生裂缝 3、混凝土的收缩徐变 混凝土在空气中结硬时期体积随时

5、间的增长会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。 混凝土在长期外力作用下产生随时间而增长的变形称为徐变。,计算方法,按照结构力学超静定结构的内力计算方法计算内力。,6.3 爆炸作用,爆炸作用是一种比较复杂的荷载。一般来说，如果在足够小的容积内以极短的时间突然释放出能量，以致产生一个从爆源向有限空间传播出去的一定幅度的压力波，即在该环境内发生了爆炸。从现象来看，只有足够快的和足够强的以致产生一个人们能够听见的空气冲击压力波，才称为爆炸。 在日常生活中的爆炸很多，如爆竹、煤气罐爆炸等。,6.3.1 爆炸的概念,当爆炸发生在等介质的自由空间时，从爆炸的中心点起，在一定范围内，破坏力能均匀地传播出去，并使在

6、这个范围内的物体粉碎、飞散，使结构进入塑性屈服状态，产生较大的变形和裂缝，甚至局部损坏或倒塌。爆炸的破坏作用大体有以下几个方面： 1）震荡作用 2）冲击波作用 3）碎片作用 4）热作用（火灾）,6.3 爆炸作用,当冲击波与结构物相遇时，会引起压力、密度、温度和质点速度迅速变化，从而作为一种荷载施加于结构物上，此荷载是冲击波所遇到的结构物几何形状、大小和所处位置方位的强函数。一般来说，爆炸产生的空气冲击波根据结构物所处地面和地下位置不同，其作用也不一样，因此爆炸作用应对地面结构和地下结构区分对待。,6.3.2 爆炸荷载的计算,1、爆炸冲击波对地面结构物的作用 爆炸冲击波对结构产生的荷载主要分为两

7、种，即冲击波超压和冲击波动压。 2、爆炸冲击波对地下结构物的作用 位于岩土介质中的地下结构物所受到的来自地面爆炸产生的荷载与许多因素有关，主要有： 地面空气冲击波压力参数，它引起岩土压缩波向下传播；压缩波在自由场中传播时的参数变化；压缩波遇到结构物时产生反射，这个反射压力取决于波与结构物的相互作用。,1、爆炸冲击波对地面结构物的作用,2、爆炸冲击波对地下结构物的作用,6.4 浮力作用,水浮力为作用于建筑物基底面由下向上的水压力，等于建筑物排开同体积的水重力。地表水或地下水通过土体孔隙的自由水沟通并传递水压力。水是否能渗入基底是产生水浮力的前提条件，因此水浮力与地基土的透水性、地基与基础的接触状

8、态和大小以及漫水时间等因素有关。,6.5 冲击力和撞击力,当车辆以正常或较高时速在桥上行使时，由于车辆荷载的快速施加，以及桥面的不平整、车轮不圆、发动机抖动等原因，会引起桥梁结的振动，这种动力效应通常称为冲击作用。这时，对结构的影响是产生冲击力和产生比静荷载更大的挠度。目前对冲击作用还不能作出完全符合实际情况的理论分析和实际计算，只能采用近似方法，即以系数来考虑冲击作用的影响。 在设计计算中，汽车荷载的冲击力为汽车荷载乘以冲击系数。冲击系数与结构的刚度有关，跨径l愈大，刚度愈小，对荷载缓冲作用愈好。,6.5.1 公路汽车冲击力,冲击系数是根据在已建成的实桥上所做的振动试验的结构分析整理而确定的

9、。,6.5 冲击力和撞击力,6.5.2 铁路列车冲击力,6.5 冲击力和撞击力,城市桥梁设计荷载标准（CJJ 7798）规定，在计算桥上人行人行道栏杆时，应考虑作用在栏杆上的汽车撞击力。这时，防撞栏杆应采用80 kN横向集中力进行检算，作用点应在防撞栏杆板的中心。,6.5.3 汽车撞击力,6.6 制动力,6.6.1 车辆制动力和（列车）牵引力,列车的制动力或牵引力应按列车竖向静活载的10%计算。但当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，制动力或牵引力应按列车竖向静活载的7%计算。,6.6 制动力,6.6.1 车辆制动力和（列车）牵引力,汽车制动力汽车刹车时在车轮与路面之间产生的滑动摩擦力 汽车

10、制动力计算公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004 汽车荷载制动力按同向行驶的汽车荷载（不计冲击力）计算 一个设计车道上由汽车荷载产生的制动力标准值按规范规定的车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%计算，但公路-I级汽车荷载的制动力标准值不得小于165kN；公路-II级汽车荷载的制动力标准值不得小于90kN。,6.6 制动力,6.6.1 车辆制动力和（列车）牵引力, 同向行驶双车道的汽车荷载制动力标准值为一个车道制动力标准值的2倍； 同向行驶三车道的汽车荷载制动力标准值为一个车道制动力标准值的2.34倍； 同向行驶四车道的汽车荷载制动力标准值为一个车道制动力标准值的2.68倍 汽车

11、制动力的作用位置 一般制动力的着力点在桥面以上1.2m处； 计算墩台时 不计由此产生的竖向力和弯矩 制动力可移至支座中心或支座底座面上 计算刚构桥、拱桥时 不计由此产生的竖向力和弯矩 制动力可移至桥面上,6.6 制动力,在工业厂房中，常设有吊车用来起吊重物。吊车在启动和运行中的刹车都会产生制动力。吊车制动力分为纵向制动力和横向制动力两种。惯性力为运行重量与运行加速度的乘积，但必须通过制动轮与钢轨间的摩擦传递给厂方结构。因此，吊车的水平制动力取决于制动轨的轮压和它与钢轨间的滑动摩擦系数，滑动摩擦系数一般可取0.14。 纵向制动力是指吊车沿厂房纵向启动或制动时，由吊车自重和吊重的惯性力所产生的水平

12、荷载。 横向制动力是指荷载有额定最大起重量的小车，沿厂房横向启动或制动时，由于吊重和小车的惯性力而产生的水平荷载。,6.6.2 吊车制动力,W,G+Q,Pmax,Pmin,横向水平制动力,横向水平制动力,L, 吊车竖向荷载（标准值） 当吊车起重量达额定起重量（Q），且小车行使到大车桥一端的极限位置时，吊车轮子作用于该边柱吊车梁轨道上的压力达最大最大轮压Pmax ；此时另一端轨道上的轮压达最小 最小轮压Pmin。（图） 2(Pmax+ Pmin )=(G+Q)+W 吊车横向水平制动力 - 小车制动或启动时小车轮子与桥架之间产生的滑动摩擦力 （图） 小车总制动力 T0 = N (G+Q)/2 每个

13、轮子作用于吊车梁上横向水平荷载： Tx=T0/4= N/8 (G+Q) = N (G+Q) N 制动系数，按GB50009-2001取用 软钩吊车：当吊车额定起重量Q10t时, N =0.12 当吊车额定起重量Q=1650t时, N =0.10 当吊车额定起重量Q75t时, N =0.08 硬钩吊车： N =0.20,6.7 离心力,离心力存在于结构有圆弧工作面的情况，比如曲线桥梁、曲线路面。 位于曲线上的桥梁，当曲率半径小于250m时，需考虑车辆离心力的作用。离心力等于车辆重力P（不计冲击力）乘以离心力系数C，即,6.8 预加力,以特定的方式在结构的构件上预先施加的、能产生与构件所承受的外荷

14、载效应相反的应力状态的力称为预加力。,6.8.1 预加应力的概念,6.8 预加力,1、外部预加力和内部预加力 2、先张法预加力和后张法预加力 3、预弯梁预加力,6.8.2 预加应力的方法,先张法：先张法就是张拉钢筋先于混凝土构件浇筑成型的方法。先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的黏结力传递。但是这种力的传递：过程，需要经过一段传递长度ltr才能完成。,先张法,先张法预应力土构件，预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。,先张法 T,A.施工工序： 1）固定台座，放上预应力筋； 2）用千斤顶张拉钢筋，用夹具将预应力筋固定； 3）浇筑混凝土、养护（特定的养护）、缩短施工周期； 4）混凝土强度达到一定强度（75%以上设计强度）切断钢筋或放松钢筋通过钢筋与混凝土之间的粘结力，对混凝土产生挤压力。 B.优点： 1）张拉工序简单 2）不需放置永久性锚具 3）批量生产 C.缺点： 1）需成批钢模，养护池，一次性投资大 2）适用于直线型布筋，对于曲线布置预应力筋情况较困难,后张法：后张法就是在构件浇筑成型后再张拉钢筋的施工方法。后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递。,后