第三讲-荷载及结构计算简图.ppt

1、第三讲是关于结构构件的荷载和结构计算图，包括1结构荷载，内容，2静力学基础知识，3结构计算图，1结构荷载，1结构荷载。(1)根据作用时间的长度和性质，载荷可分为三类：永久载荷、可变载荷和意外载荷。永久荷载是指在结构设计和使用过程中，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化单调且趋于极限值的荷载。例如，结构的自重、土压力、预应力等荷载，永久荷载也称为恒载。1结构荷载，1.1荷载分类，可变荷载是指在结构设计使用寿命期间，其值随时间变化的荷载，其变化与平均值相比不可忽略。例如，地板活载、起重机负载、风载、雪载等。可变荷载也称为活荷载。偶然荷载是指在结构的设计使用寿命中不一定出现的

2、荷载，一旦出现，其值很大，持续时间很短。例如爆炸力、冲击力等。(1)结构荷载，(2)根据结构响应特性的分荷载，根据结构响应特性可分为静荷载和动荷载。静荷载是使结构产生的加速度可以忽略不计的函数，如结构的自重、住宅和办公楼的楼面活荷载等。动载荷是使结构产生的加速度不可忽略的函数，如地震、起重机载荷、设备振动等。(3)分荷载按作用位置可分为固定荷载和移动荷载按作用位置。固定荷载是指作用位置相同的荷载，如结构的自重。移动荷载是指能够在结构上自由移动的荷载，如车轮压力。1结构荷载，(1)材料重力密度材料单位体积的重量(kN/m3)称为材料重力密度，其表示为。1.2荷载分布形式，如工程中常用的水泥砂浆、

3、石灰砂浆、钢筋混凝土和砖的重力密度分别为20 kN/m3、17 kN/m3、25 kN/m3和19 kN/m3。(2)均布荷载面上的均布荷载，单位面积的荷载值称为均布荷载，其单位为kN/m2或N/m2。下一页的图显示了板的均匀表面载荷。知识链接，一般平板上的自重荷载为均布荷载，其值为重力密度乘以平板厚度。如矩形截面面板，面板厚度为h(m)，重力密度为(kN/m3)，面板自重均匀分布在平面上，单位面积自重gk=h(kN/m2)。1结构载荷、板的均匀布置载荷、梁上的均匀布线载荷、1结构载荷和(3)均匀布线载荷，其单位为千牛顿/米或牛顿/米，称为梁上的均匀布线载荷。一般梁上的自重荷载为均匀布线荷载，

4、其值为重力密度乘以横截面积。例如，矩形截面梁的截面宽度为b(毫米)，截面高度为h(毫米)，重力密度为kN/m3。梁的自重沿跨度方向均匀分布，布线荷载gk=bh(kN/m)沿梁轴分布。1结构荷载，(4)不均匀布线荷载沿跨度方向单位长度荷载分布不均匀称为不均匀布线荷载，其单位为千牛顿/米或千牛顿/米。下图所示挡土墙土压力为不均匀布线荷载。挡土墙的土压力、1个结构荷载和5个集中荷载(集中力)集中在一点上的荷载称为集中荷载(集中力)，其单位为kN或N，通常表示为G或P，如下图所示。柱的自重，通常柱的自重荷载是集中力，其值是重力密度乘以柱的体积，即G=bhL。1结构荷载，板的荷载传递给梁的示意图，1结构

5、荷载应在随后的结构设计中给出一个规定值，即所谓的荷载代表值。永久荷载用标准值表示，可变荷载用标准值、组合值、频繁出现值或准永久值表示。1.3荷载代表值，1结构荷载，当按承载力极限状态设计时，可变荷载代表值一般取其标准值或组合值，而当按正常使用极限状态设计时，可变荷载代表值一般取其频繁出现值或准永久值。1负荷标准值负荷标准值是负荷的基本代表值。荷载标准值是设计基准期(50年)内最大荷载统计分布的特征值，是指结构使用过程中可能出现的最大荷载值。(1)永久荷载标准值(gk或Gk)是永久荷载的唯一代表值。结构的自重可以根据结构的设计尺寸和材料的重力密度来确定。1结构荷载，例3.1矩形截面钢筋混凝土梁L

6、2，计算跨度为5.1 m，截面尺寸为b=250 mm，h=500 mm，并得出梁的自重(即永久荷载)标准值。示例3.2地板方法为：30毫米水磨石地板、120毫米钢筋混凝土空心板(转换为80毫米实心板)、20毫米厚、板底部涂有石灰砂浆以及地板重量标准值。在计算过程中，应注意物理量单位的换算。(之前已经给出了每种材料的重力密度)，(1)结构载荷，(2)可变载荷标准值(qk，Qk)，由设计使用寿命内最大载荷概率分布的分位数确定，是可变载荷的最大载荷代表值，通过统计获得。中国建筑结构荷载规范规定了活载、雪载、风荷载、吊车荷载等可变荷载标准值的具体值。可直接用于设计。根据荷载规范查得案例一，教学楼教室楼

7、面活荷载标准值为2kn/m2；楼梯楼面活荷载标准值为2.5千牛/平方米。1结构荷载，2可变荷载组合值(Qc)当两个或两个以上的可变荷载同时作用于结构时，各种可变荷载不可能同时达到其最大值(标准值)，因此计算中采用可变荷载组合值，用Qc: Qk可变荷载标准值表示；c可变荷载组合值系数，一般楼面活荷载和雪荷载取0.7，风荷载取0.6。结构3上的负载。可变荷载频率值(Qf)可变荷载频率值是指结构上不时出现的大荷载。对于可变负载，在设计参考期内，总超限时间是指定的较小比率，或者超限频率是指定频率的负载值。可变负载频率值始终小于负载标准值，其值乘以小于1的负载频率系数，在公式中用Qf: Qf可变负载频率

8、值表示；可变负载频率值系数。3.1结构荷载4可变荷载准永久值(Qq)可变荷载准永久值是指在设计基准期内经常作用的可变荷载(其超过时间约为设计基准期的一半)。在规定的时间限制内，总持续时间很长，也就是说，经常作用在结构上的可变载荷。可变负荷标准值乘以小于1的负荷准永久值系数，用Qq表示：Qq的可变负荷准永久值；可变载荷准永久值的q系数。(1)荷载分项系数荷载分项系数用于结构承载能力的极限状态设计，以确保当各种可能的荷载组合出现时，结构能够保持相同的可靠度水平。荷载分项系数分为永久荷载分项系数g和可变荷载分项系数q，其值见下页表格。1.4荷载分项系数和设计值，1结构荷载，基本组合荷载分项系数，1结

9、构荷载，(2)荷载设计值一般情况下，荷载标准值和荷载分项系数的乘积即为荷载设计值，也称设计荷载，其值大致相当于结构在非正常使用下的最大荷载，其可靠性大于标准荷载值。永久荷载的设计值为GGk；可变负载设计值为QQk。示例3.3计算楼层1结构荷载和结构构件承载力设计应采用以下极限状态设计表达式：可变荷载效应控制的随机共振组合：(1)按承载力极限状态设计的实用表达式，永久荷载效应控制的组合：(1.5极限状态下的实用设计表达式，1) GSk和QSk分别称为恒载效应设计值和活载效应设计值。因此，Gk和Qk分别称为恒载设计值和活载设计值，它们是荷载分项系数和荷载代表值的乘积。例4某办公楼矩形截面钢筋混凝土

10、简支梁安全等级为二级，截面尺寸BH=200 mm2，计算跨度l0=5m。平均布线负荷：活载标准值7kN/m，恒载标准值10kN/m(不含自重)。找出跨度中最大弯矩的设计值。【解答】活载组合值系数c=0.7，结构重要系数0=1.0。钢筋混凝土的重量标准值为25kN/m3，因此梁的重量标准值为250.20.4=2kn/m。总恒载标准值GK=102=12kN/mmgk=1/8gkl 02=37.5 knm qk=1/8qkl 02=21.875nm，恒载弯矩控制的跨中弯矩设计值为0(gkCqmqk)=72.063nm，设计值为根据不同的设计要求，应采用荷载效应的频繁组合或准永久组合，并按以下设计表达

11、式进行设计：SdC混凝土结构的正常使用极限状态主要是检查构件的变形、抗裂性或裂缝宽度，使其不超过相应的规定限值。 砌体结构正常使用的极限状态要求一般可通过相应的结构措施来保证。(2)根据正常使用的极限状态设计的实用表达式，静力学的2个基础知识，静力学的2个基础知识，静力学是研究物体在力系作用下的平衡规律的科学。静力学是力学的一个分支。静力学中有三个基本物理量：力、力偶和力矩。力的三个要素：力的大小、力的方向和力的作用点。2.1静力学综述，2静力学基础知识，(1)力的分解和综合在实际工程问题中，力F通常被分解为沿直角坐标轴的两个垂直分力Fx和Fy，如下图所示。Fx和Fy的大小可以用三角公式计算，

12、力的合成方法与之相似。示例4尝试计算下图中每个力在X轴和Y轴上的投影。众所周知，F1=80 N，F2=120 N，F3=F4=200 N，每个力的方向如下图所示。(2)扭矩的概念如右图所示。扳手对螺母的转动效果不仅与力F的大小有关，还与O点到力作用线的垂直距离D有关。力点到点的力矩是力点到点o的力矩(Nm或kNm)。例5分别计算力F1和F2到点o的力矩，如下图所示。从例5中可以看出，合力对某一点的力矩具有以下关系：合力对平面相交力系平面中任意点的力矩等于每个力系同一点的力矩的代数和。这是平面相交力系的合成力矩定理。(3)力偶和力偶力矩在力学中，由两个大小相等、方向相反、平行但不重叠的作用线组成

13、的力系称为力偶(如下图所示)，用符号(f，f)表示。注意：力偶不能被简化为一个力，它不能被一个力代替，也不能被一个力平衡。(1)约束和约束反应的概念限制物体运动的其他物体称为物体的约束。例如，柱是梁的约束，基础是柱的约束，铰链是门窗的约束。因为约束限制了被约束对象的运动，所以约束必须对被约束对象施加强烈的影响，这被称为约束反作用。约束反作用的方向总是与被约束物体的运动方向相反。2)光滑接触面的约束反作用力必须通过接触点，并沿着接触面的公共法线方向指向被约束物体，并且只能是压力，如下图所示。3)活动铰链支撑只能限制结构或构件在垂直于支承面的方向上的运动，但不能限制其绕铰链轴的旋转和沿支承面的运动

14、。如下图所示，4)固定铰链支架，它可以限制结构或构件在任何方向的运动，但不能限制其转动。5)固定端支架它可以限制连接点在任何方向的移动和旋转。因此，其轴承反作用力通常由三个反作用力分量表示，即两个垂直力分量和一个反作用力偶，如下图所示。3个结构计算图，3个结构计算图，将结构抽象简化成能反映实际受力情况、便于计算的图形。这种简化图是一种在计算中用来代替实际结构的力学模型，一般称为结构计算图。计算图的选择应遵循以下两个原则：(1)正确反映结构的实际应力，使计算结果接近实际情况；省略次要因素便于分析和计算。3.1计算简图，计算简图一般从以下四个方面进行简化。(1)结构体系的简化在工程实践中，它通常是

15、由几个构件或杆件组成的空间体系。除了在特殊情况下，实际结构通常被分解成一个平面系统，忽略一些小的空间限制，根据其应力条件。纵轴(用粗实线画出)通常用来表示构件或杆。(2)杆和杆之间的简化连接称为节点。铰接是指构件之间的连接受到前一节中介绍的圆柱铰链的限制。连接后，构件可以围绕关节中心相对旋转，但不能相对移动。刚性节点是指钢筋之间通过焊接(钢结构)或现浇(钢筋混凝土结构)的连接。连接后，杆之间既不会发生相对运动，也不会发生相对旋转。即使结构在荷载作用下变形，节点处杆件端点之间的夹角仍保持不变。(3)支座简化在工程结构中，由于支座的结构形式或材料不同，支座的约束条件也有很大差异。一般来说，根据轴承不同的实际结构和约束特点，通常将其简化为三种基本类型：活动铰链轴承、固定铰链轴承和固定端轴承。(4)荷载简化工程结构承受的荷载通常是结构构件的自重和作用于其上的表面荷载。根据其分布，通常将其简化为线性荷载、集中荷载和作用在构件纵轴上的集中力偶。根据支座的约束，工程中常见结构的计算简图有以下几种形式。(1)一端为固定铰链支撑、另一端为活动铰链支撑的简支梁称为简支梁。右图所示为简支梁。3.2、工程中常见结构的计算简图，L1简