其他作用(荷载与结构设计方法).ppt

荷载与结构设计方法,5.1温度作用5.2变形作用5.3爆炸作用5.4浮力作用5.5冲击力和撞击力5.6制动力5.7离心力5.8预加力,第5章其他作用,5.1温度作用,5.1.1温度作用基本概念及原理,温度应力：结构或构件的温度发生变化时，任一点的热变形（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），使体内该点产生一定的应力。,5.1温度作用,5.1.1温度作用基本概念及原理,例：1）各类建筑的屋面板，产生温度应力和温度变形；2）浇筑地下构筑物和高层建筑筏形基础等大体积混凝土结构时，水化热温升和降温散热引起贯穿裂；3）钢结构的焊接过程，焊缝及附近温度最高，可达16000C以上，其邻近区域则温度急剧下降。不均匀的温度场使材料产生不均匀的膨胀。,火灾对于工程结构来说也是一种危害较大的作用，它对人们的生命财产安全、对环境的破坏十分巨大。火灾作用是一种荷载作用，火灾荷载为：,式中q1火灾荷载；W0火灾区域纤维类燃料的质量；AF火灾区域的地板面积。,5.1温度作用,5.1.1温度作用基本概念及原理,A：静定结构温度变化引起材料膨胀和收缩变形是自由的，在结构上不引起内力，变形由虚功原理导出。,B：超静定结构超静定结构，存在赘余约束，温度变化引起的杆件变形不是自由的，受到约束，在结构上产生内力，此内力与结构的刚度大小有关，超静定结构中的温度作用效应，根据变形协调条件，按弹性理论方法计算。,5.1温度作用,5.1.2温度应力和变形的计算,变形：结构或构件的支座或地基发生不均匀沉降等，使结构物被迫产生的变形。A：静定结构：允许构件产生符合其约束条件的位移，结构不产生应力和应变。B：超静定结构：多余约束束缚结构的自由变形，产生应力和应变。,5.2变形作用,例：1）地基土的不均匀性引起的变形；2）地基土发生冻融、冻胀、湿陷等现象；3）地基比较均匀，上部结构荷载、刚度相差过大，产生沉降。都会引起结构内力。钢筋混凝土结构，存在着两种特殊的变形作用，即混凝土的收缩和徐变。混凝土的收缩：混凝土在空气中硬化时体积减小的现象。在混凝土中产生拉应力，加速裂缝的产生和发展。,5.2变形作用,混凝土的徐变：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而增长的现象。徐变对结构不利影响：A：在长期荷载作用下的受弯构件，徐变使挠度增大12倍；B：长细比较大的偏心受压构件，徐变引起的附加偏心距增大，构件的强度降低约20%；C：过度的变形会影响到路面的平整度。,5.2变形作用,工程中大量的结构都属于超静定结构，结构由变形作用引起的内力足够大时，可能引起房屋开裂、影响结构正常使用甚至倒塌等，在结构设计计算中必须考虑变形作用。,5.2变形作用,爆炸是物质运动急剧增速，由一种状态迅速转变成另一种状态，并将其内含的能量，在瞬时集中释放的现象。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：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：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。定向爆炸：为拆除现有结构而设计的爆炸。,5.3爆炸作用,5.3.1爆炸的概念,震荡作用：在破坏作用的区域内，有一个能使物体震荡、使之松散的力量。冲击波作用：随爆炸的出现，冲击波最初出现正压力，而后出现负压力。负压力就是气压下降后的空气振动，称为吸引作用碎片的冲击作用：爆炸产生的碎片，飞散范围100500米，碎片的体积越小，飞散的速度越大，危害越严重。热作用（火灾）：爆炸温度约在200030000C左右，爆炸气体扩散发生在极短的瞬时，一般可燃物质不足以起火燃烧。建筑物内遗留大量的热，把从破坏设备内部流出的可燃气体或易燃、可燃蒸气点燃，使建筑物内的可燃物全部起火，加重爆炸的破坏程度。,5.3爆炸作用,5.3.2爆炸的破坏作用,水浮力：作用于建筑物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受力和工作性能有明显影响。例：贮液池底面位于地下水位以下时，若贮液池为空载情况，浮力可能会使整个贮液池或底板局部上移，使底板和顶盖顶裂，贮液池应进行整体抗浮验算。,5.4浮力作用,A：存在静水压力的透水性土，如砂类土、碎石土、粘砂土等，计算水浮力。B：桥梁墩台，水浮力对墩台的稳定性不利，验算墩台的稳定。C：基础嵌入不透水性地基，不计算水浮力。D：完整岩石上的基础，当基础与基底岩石之间灌注混凝土且接触良好时，水浮力不计；,5.4浮力作用,冲击作用：车辆在正常或较高时速在桥上行驶时，由于车辆荷载的快速施加，以及桥面的不平整等原因，引起桥梁结构的振动。,5.5冲击力和撞击力,5.5.1汽车竖向冲击力,冲击作用目前没有完全符合实际情况的理论分析和实际计算，采用粗糙的近似方法。设计时，汽车荷载的冲击力为汽车荷载乘以冲击系数。,5.5冲击力和撞击力,5.5.1汽车竖向冲击力,城市桥梁设计荷载标准（CJJ77-98）规定，计算桥上人行道栏杆时，考虑作用在栏杆上的汽车撞击力。防撞栏杆采用80KN横向集中力进行验算，作用点在防撞栏杆板的中心。,5.5冲击力和撞击力,5.5.2汽车水平撞击力,通航河流或有漂流物河流中的桥梁墩台考虑船只或漂流物的撞击力。撞击力有时十分巨大，达1000KN以上，采用实测资料计算。,5.5冲击力和撞击力,5.5.3船只或漂流物的撞击力,汽车制动力：汽车刹车时车轮和路面接触面之间产生的水平摩擦力，等于摩擦因数乘以车辆的总重力。,5.6冲击力和撞击力,5.6.1汽车制动力,影响制动力大小的因素：路面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。路面摩擦因素：水泥混凝土路面：0.74沥青混凝土路面：0.62平整的泥结碎石路面：0.60(根据气候条件和路面潮湿情况不同而变化）。,5.6冲击力和撞击力,5.6.1汽车制动力,城市桥梁设计荷载标准（CJJ77-98）规定一个设计车道的制动力按下列要求取值：采用城A级汽车荷载设计时，制动力采用160KN或10%车道荷载，取两者中的较大值，不包括冲击力。,5.6冲击力和撞击力,5.6.1汽车制动力,采用城B级汽车荷载设计时，制动力应采用90kN或10%车道荷载，并取两者中的较大值，不包括冲击力。四车道的桥梁：制动力按上述规定数值增加1倍。履带车和平板挂车不计制动力。,5.6冲击力和撞击力,5.6.1汽车制动力,工业厂房中，吊车起吊重物，吊车在启动和运行中的刹车产生制动力。吊车制动力（水平荷载）分为纵向制动力（纵向水平荷载）与横向制动力（横向水平荷载）。,5.6冲击力和撞击力,5.6.2吊车制动力,5.6冲击力和撞击力,5.6.2吊车制动力,吊车纵向制动力：吊车（大车）沿厂房纵向启动或刹车时，吊车自重和吊重所引起的纵向水平惯性力。,吊车的横向制动力：小车吊有额定最大起重量时，沿厂房横向启动或刹车引起的横向水平惯性力。,5.6冲击力和撞击力,5.6.2吊车制动力,建筑结构荷载规范规定，吊车纵向水平荷载按一侧所有制动轮最大轮压之和的10%确定，吊车纵向水平荷载设计值：,作用位置：轨道顶面,吊车横向水平荷载：,5.6冲击力和撞击力,5.6.2吊车制动力,吊车横向水平荷载系数（横向制动系数）。,对于硬钩吊车：,式中：Q吊车的额定起重量；Q1小车重量；g重力加速度；,吊车横向水平荷载系数（横向制动系数）。,5.6冲击力和撞击力,5.6.2吊车制动力,假设吊车横向水平荷载等分于大车的两侧，由轨道上的车轮平均传至轨道，方向与轨道垂直，考虑正、反两个方向的刹车情况。,5.6冲击力和撞击力,5.6.2吊车制动力,1、概念：桥梁离心力是车辆在弯道行驶时产生的惯性力；以水平力的形式作用于桥梁结构。城市桥梁设计荷载标准规定，位于曲线上桥梁的墩台，曲率半径小于或等于250m时，计算离心力。离心力为车辆荷载乘以离心力系数C。2、离心力系数：,式中v设计速度，m/s，按桥梁所在路线设计速度采用；R弯道曲线半径，m；,5.7离心力,式中若v以km/h计，则,3、计算多车道离心力时，计入车道的横向折减系数。4、离心力的着力点：在汽车的重心上，离桥面1.2m，也可移到桥面上。5、离心力对墩台的影响：将离心力均匀分布在桥跨上由两墩平均分担。,5.7离心力,构件未受力之前，对钢筋混凝土构件的受拉区预先施加压应力，使构件在使用荷载下产生的拉应力大部分被预压应力抵消。达到改善普通混凝土缺点的目的；混凝土构件在使用荷载下提高构件的抗裂能力（可不出现拉应力或允许出现拉应力而不致开裂、或推迟开裂、或者限制裂缝宽度大小）。,5.8预加力,5.8.1预加应力的概念,外部预加力和内部预加力。结构杆件中的预加力来自结构之外时，所加的预加力称为外部预加力（例：混凝土拱桥的拱顶用千斤顶施加水平预压力；大多数工程中采用内部预加力。内部预加力法通过张拉预应力筋来实现。,5.8预加力,5.8.2预加应力的方法,按照张拉钢筋与浇捣混凝土的先后次序不同分为：分为先张法和后张法。1、先张法（1）定义：先张拉钢筋，后浇灌混凝土构件。（2）工序（先张法施工的三个阶段）、张拉钢筋；、支模、浇灌混凝土和养护；、混凝土达到一定强度，放松钢筋建立预应力,5.8预加力,5.8.2预加应力的方法,5.8预加力,5.8.2预加应力的方法,结论：先张法预应力混凝土构件，预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。这种力的传递过程，需要经过一段传递长度ltr才能完成。（3）先张法的适用范围先张法构件采用工厂化的生产方式，工序少，工艺简单，质量易保证，适用于生产中小型构件。如楼板，屋面板。,5.8预加力,5.8.2预加应力的方法,2、后张法（1）定义：先浇灌混凝土构件，后张拉钢筋。（2）工序：浇砼，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固孔道灌浆；,5.8预加力,5.8.2预加应力的方法,5.8预加力,5.8.2预加应力的方法,结论：后张法预应力构件，预应力是依靠钢筋端部的锚具来传递的。（3）后张法的适用范围,后张法施工程序和工艺复杂，需专用张拉设备和特制锚具，用钢量大；不需要固定的张拉台座，可在现场施工，应用灵活。适用于不便于运输的大型构件。,5.8预加力,5.8.2预加应力的方法,常见的预应力结构为无粘结预应力混凝土结构，属后张法。钢筋表面涂膜防腐蚀油脂，与混凝土一同浇筑。避免预留孔洞、穿筋、灌浆繁杂过程。适用于跨度大于6m的楼板及大跨度梁。,5.8预加力,5.8.2预加应力的方法,预应力钢筋的张拉应力在预应力混凝土构件施工及使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因是在不断降低的，经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种预应力钢筋应力的降低，称为预应力损失。预应力的建立是通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失，引