荷载与结构设计方法原创论文2

《荷载与结构设计方法》前六章总结

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（哈尔滨工业大学（威海））

摘要：结构在各种环境因素作用下产生效应（应力、位移、应变、裂缝等），工

程结构设计的目的就是要保证结构具有足够的抵抗自然界各种作用力的承载能力，并将结构变形控制在满足正常使用的范围内。结构上的作用是指能使结构产生效应的各种原因的总称：一种是直接作用于结构上的集中力和分布力（例如结构自重、风压力、水压力、土压力等）；另一种是间接作用于结构上的外加变形和约束反力（例如基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起的内力变化等）。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值：标准值，组合值，频遇值和准永久值。

\"Load and structural design methods,\" concluded the first six chapters

Structure under the action of various effects of environmental factors (stress, displacement, strain, cracks, etc.), engineering structures designed to ensure that the structure is to have sufficient force to resist the carrying capacity of various natural and structural deformation control in meeting normal range. The role of the structure is the structure of effects to make the general term for a variety of reasons: one is directly on the structure of the concentration and distribution of power (such as structural weight, wind pressure, water pressure, earth pressure, etc.); another species is the indirect effect on the structural deformation and external constraint forces (such as foundation settlement, shrinkage and creep, the internal forces caused by changes in temperature, etc.). Load value is considered representative of load variability of the provisions given value, construction-related national standard load of four

representative values are given: the standard value, combined value, frequent value and the quasi-permanent value.

引言

作用的正确分析与计算关系到结构设计时的经济性，使用时的安全性，维护时的有效性。作用作为结构破坏的唯一因素，所以正确分析与计算很重要。由于作用在结构上的作用很复杂，所以对作用进行适当的简化非常必要。建筑物作为大体积结构，计算精度要求不是非常的高，正确的简化可以减少计算量，同时也能满足使用的要求。简化需要满足约束要求，不能随便简化，要不然最后的计算结果肯定不符合结构设计要求，最终将导致结构的破坏，危机人民的生命安全与

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财产安全。

一、 重力作用

土的自重应力一般是指土的自重有效重力在土体中引起的应力。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，对于成层土可通过个层土的自重应力求和得到。若土层位于地下水位以下，要用有效重度计算自重。

czihi

i1nn—从天然地面起到深度z出土的层数； hi--第i层土的厚度（m）；

i --第i层土的天然重度（kN/m^3），对地下水位以下的土层，取有效重度。 土的侧向压力的大小及分布与墙身位移、填土性质、墙体刚度、地基土质等因素有关，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。土的侧向压力可采用朗金土压力理论或库仑土压力理论计算。如果墙后填土有地下水时，作用在墙背上的侧压力包括土压力和水压力两部分，地下水位以下的土的重度应力取有效重度。

Pa=γzKa-2c（Ka）^(1/2) ----主动土压力

 Ka---主动土压力系数，Ka= tg2(45o)；

2 c------填土的粘聚力（kPa）。

Pb=γzKb+2c（Kb）^(1/2) ----被动土压力

 Kb---被动土压力系数，Kb= tg2(45o)。

2民用建筑楼面活荷载是指建筑物中的人群、家具、设施等产生的重力作用，这些荷载的量值随时间发生变化，位置也是可以移动的，又称可变荷载。工程设计时，一般将楼面活荷载处理为等效均布荷载，均布荷载的取值与房屋的使用功能有关。

工业建筑楼面活荷载是指厂房车间在生产使用或安装检修时，工艺设备、生产工具、加工原料和成品部件等产生的重力作用。由于厂房加工的性质不同，楼面活荷载的取值有较大差异。

房屋建筑的屋面分为上面和不上人屋面，上面屋面应考虑可能出现的人群聚集，活荷载取值较大；不上人屋面仅考虑施工或维修荷载，活荷载取值较小。屋面设有屋顶花园时，尚应考虑花池砌筑、苗圃土壤等重量。

公路桥梁上行驶的车辆荷载种类繁多，设计中把经常地、大量地出现的汽车荷载排列成车队形式作为设计荷载，把偶然地、个别地出现的平板挂车或履带车作为验算荷载。设有人行道的公路桥梁，采用汽车荷载进行计算时，应计入人行道上的人群荷载，而在采用验算荷载进行验算时，则不计入人群荷载。

工业厂房结构设计应考虑吊车荷载作用，吊车按其工作的繁重程度分为8个级别作为设计依据。

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。

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基本雪压是在空旷平坦的地面上，积雪分布均匀的情况下，经统计得到的50年一遇的最大雪荷载。

二、水作用

自然界的水以不同的存在形式和作用方式对结构物产生作用力。

静止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，并指向作用面内部；二是静止液体中任一点处各方向的静水压强均相等，与作用的方位关。

paha ----相对压强

pa--自有水面下的作用在结构物任一点a的压强；

ha--结构物上的水压强计算点a到水面距离（m）； ---水的重度（kN/m^3）。

在等速平面流场中，当流体流动遇到闸阀、桥墩等阻碍物会产生边界层分离现象及回流旋涡区，引起绕流阻力。

波浪是液体自由表面在外力作用下产生的周期性起伏波动，其中风成波影响最大。

波浪作用力不仅与波浪本身特征有关，还与结构形式和海底坡度有关。对于作用于直墙式构筑物上的波浪分为立波、远堤破碎波和近堤破碎波三种状态。在工程设计时，应根据基床类型、水底坡度、浪高及水深判别波态，分别采用不同公式计算波浪作用力。

冰压力按其作用性质不同，可分为静冰压力和动冰压力。由于气候条件各有所异，冰的性质变化多端，再加上观测资料的缺乏，目前对冰压力的研究还不透彻，各种公式计算所得冰压力数值存在较大差异，文中所给的冰荷载的计算方法是一定程度上的近似方法。

pmARybh----极限冰压力

p---极限冰压力合力（N）； h---计算冰厚（m），可取发生频率为1%的冬季冰的最大厚度的0.8倍，当缺乏观测资料时，可用勘探确定的最大冰厚；

b---墩台或结构物在流冰作用高程处的宽度（m）； m---墩台形状系数，与墩台水平截面形状有关； Ry---冰的抗压极限强度（Pa），采用相应流冰期冰块的实际强度，当缺乏试验资料时，

取开始流冰的Ry=735kPa，最高流冰水位时Ry=441kPa;；

A---地区系数，气温在零上解冻时为1.0；气温在零下解冻且冰温为-10℃及以下者为2.0；其间用插入法求得。

在通行较大吨位的船只或有漂流物的河流中，需考虑船只或漂流物对桥梁的撞击力，撞击力可根据能量相等原则采用一个等效静力荷载表示撞击作用。 当基础或结构物的底面置于地下水面以下，在其底面产生浮托力，浮托力的大小取决于土的物理特性，可根据地基土的透水程度，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。

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三、风荷载

大气边界层内风的流动速度与地貌环境有关，并随离地面高度不同而变化。基本风压值是在空旷平坦的地面上，离地面10m高，重现期为50年的10min平均最大 风速。

大气边界层内平均风速沿高度变化的规律与地面粗糙度有关，只有在离地表300m到500m以上的高度，风才不受地面粗糙度层的影响，能够以梯度风速度流动，梯度风流动的起点高度称为梯度风高度，不同地面粗糙度梯度风高度是不同的。

建筑物处于风流动场中，风力在建筑物表面上的分布是不均匀的，取决于建筑物的形状和尺寸。在风的作用下，迎风面由于气流受阻产生风压力，侧风面和背风面由于漩涡作用引起风吸力。

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s乘以相互干扰增大系数加以考虑。

对于围护结构，脉动引起的振动影响很小，可不考虑风振影响，但应考虑脉

动风压的分布，应在平均风的基础上乘以阵风系数。

风对桥梁的作用也可分为平均风引起的静力作用和脉动作用引起的风振作用。脉动风的影响可以通过阵风风压分布系数来反映。它是指一般地貌条件下，作用于桥上的任意点的瞬时最大风压与基本风压的比值，瞬时脉动风压是随时间和空间变化的随机荷载，可看做平稳高斯过程，符合正态分布规律，选定保证系数可得在一定保证率下的设计最大风速。

对于大跨度桥梁结构，除了考虑风的静力作用外，还必须考虑结构的风致振动。

四、地震作用

地震按照其成因可分为三种主要类型：火山地震、塌陷地震和构造地震。其中构造地震为数最多，危害最大。

地震是一种随机现象，从统计的角度，地震的时空分布呈现某种规律性，根据历史地震的分布特征和产生地震的地质背景下，可以将地球上地震活动划分为两个主要地震带：环太平洋地震带和地中海南亚地震带。我国处于环太平洋地震带和地中海南亚地震带之间，是一个多震的国家，抗震设防的国土面积约占全国国土面积的60%。

地震波是一种弹性波，它包括在地球内部传播的体波和在地表附近传播的面波，体波可分为纵波和横波，面波可分为瑞雷波和乐甫波。地震波的传播速度，以纵波最快，横波次之，面波最慢。

地震震级是表示地震本身大小的等级，它以地震释放的能量为尺度，根据记录到的地震波来确定。地震烈度是指某地区地面和各种建筑物遭受一次地震影响的强弱程度，它是按地震造成的后果分类的，相对于震源来说，烈度就是地震场的强度，一次地震只有一个震级，烈度随距离震中的远近而异。

结构由地震引起的振动称为结构的地震反应，振动过程中作用在结构上的惯性力就是“地震作用”，它使结构产生内力，发生变形。

在高烈度区，竖向地震运动的影响明显，应在抗震设计中加以重视。

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地震时地面会发生水平运动和竖向运动，从而引起结构的水平振动和竖向振动，当结构体型复杂、质心和刚心不重合时，还会引起结构扭转振动。

桥梁结构抗震验算时应分别考虑顺桥向和横桥向两个方向水平地震作用和地震动水压力作用以及支座承受的水平力；并应考虑桥台顺桥方向的水平地震作用和地震土压力，而对于简支梁和连续梁上部结构的抗震性能一般不予验算。

五、其他荷载与作用

温度作用是指温度变化引起的结构变形和附加力，温度作用不仅取决于结构

所处环境温度变化，它还与结构或构件的约束条件有关。

当上部结构荷载差异较大、结构体型复杂或持力层范围内有不均匀地基时，会引起地基不均匀沉降，若体系为超静定结构，多于约束会限制结构自有变形，使得上部结构产生附加变形和附加应力。

收缩是混凝土在空气中结硬体积缩小的现象。徐变是混凝土在外力长期作用下随荷载持续时间而增长的变形。

爆炸在极短的时间内释放大量能量，以波的形式对周围介质施加高压。 车辆在桥上行驶由于路面不平等原因会引起车身上下抖动，使桥梁结构受到动力作用，冲击作用与桥梁结构刚度有关，可考虑跨径影响，近似将汽车荷载乘以一个荷载增大系数来反映动力作用。

以某种人为方式在结构构件上预先施加与构件所承受的外荷载产生相反效应的力，称为预加力。根据预应力结构设计方法的不同和施工特点，可分为外部预加力和内部预加力；先张法预加力和后张法预加力；有粘结预应力混凝土、无粘结预应力混凝土和体外配筋预应力混凝土构件；全预应力和部分预应力混凝土结构。

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