工程结构荷载与设计方法-荷载与作用

张丽丽安徽徽工工业业大大学学工程程结结构构荷荷载载与与设设计计方方法法（荷荷载载与与作作用用））Chapter0of1结构构上上的的作作用用术语语符符号号作用用：：使结结构构产产生生内内力力和和变变形形的的原原因因，，分分为为直直接接作作用用和和间间接接作作用用两两种种。。荷载载是是直直接接作作用用，，混混凝凝土土的的收收缩缩、、徐徐变变、、温温度度变变化化、、地地基基不不均均匀匀沉沉降降、、地地震震是是间间接接作作用用。。作用用效效应应(S)：结构构上上的的作作用用使使结结构构产产生生的的内内力力（（弯弯矩矩、、剪剪力力、、扭扭矩矩））和和变变形形、、裂裂缝缝的的统统称称。。荷载载标标准准值值：：是指指其其在在结结构构的的使使用用期期间间可可能能出出现现的的最最大大荷荷载载值值。。根根据据统统计计分分析析可可以以确确定定一一个个具具有有一一定定保保证证率率（（如如95%）的的上上限限荷荷载载分分位位值值，，该该特特征征值值称称为为荷荷载载标标准准值值（（符符号号Gk，Qk）。。术语语符符号号组合合值值：按极极限限状状态态设设计计时时为为保保证证结结构构的的可可靠靠性性而而对对同同时时出出现现的的各各种种荷荷载载进进行行组组合合，，使使组组合合后后的的荷荷载载效效应应在在设设计计基基准准期期内内的的超超越越概概率率，，能能与与该该荷荷载载单单独独出出现现时时的的相相应应概概率率趋趋于于一一致致的的荷荷载载值值。。荷载载准准永永久久值值：对可可变变荷荷载载，，在在设设计计基基准准期期内内，，其其超超过过的的总总时时间间约约为为设设计计基基准准期期的的一一半半的的荷荷载载值值。。结构构抗抗力力：结结构构抵抵抗抗外外界界作作用用效效应应的的能能力力。。◆结构构能能够够满满足足功功能能要要求求而而良良好好地地工工作作，，则则称称结结构构是是““可可靠靠””的的或或““有有效效””的的。。反反之之，，则则结结构构为为““不不可可靠靠””或或““失失效效””。。◆区分分结结构构““可靠靠”与与““失效效”的的临临界界工工作作状状态态称称为为“极限限状状态态”何谓谓结结构构的的极极限限状状态态？？安全性

承载力能力极限状态

不安全适用性耐久性正常使用极限状态不适用性不耐久性Z=R-S=0极限状态Z=R-S<0

失效Z=R-S>0

可靠Z：结构构的的功能能函函数数何谓谓结结构构的的极极限限状状态态？？3.2极限限状状态态S———作用用效效应应ActionEffect结构构上上的的作作用用（（使结结构构产产生生内内力力和和变变形形的的原原因因，如如荷荷载载、、不不均均匀匀沉沉降降、、温温度度变变形形、、收收缩缩变变形形、、地地震震等等））引引起起的的效效应应如弯弯矩矩M、轴力力N、剪力力V、扭矩矩T、挠度度f、裂缝缝宽宽度度w等S=S(Q)=C*QR———结构构抗抗力力Resistance结构构抵抵抗抗作作用用效效应应的的能能力力，，如如受受弯弯承承载载力力Mu、受剪剪承承载载力力Vu、容许许挠挠度度[f]、容许许裂裂缝缝宽宽度度[w]R=R(fc,fy,A,h0,As,……)结构构力力学学的的主主要要内内容容为何何开开设设本本课课程程？？3.2极限限状状态态★恒载载g与构构件件尺尺寸寸、、材材料料容容重重等等有有关关★活载载q（楼面面活活载载、、雪雪荷荷载载））的的数数值值是是随随时时在在变变化化的的★计算跨度度l的不准确确★材料强度度fy和fc的离散★截面尺寸寸h0和b的施工误误差★应力-应变关系系参数k1和k2不一定安安全（可可靠）绪论3.2极限状态态典型工程程图示典型工程程图示3.2极限状态态典型工程程图示3.2极限状态态若干建筑筑工程及及荷载示示例3.2极限状态态风荷载：塔科马大大桥风毁毁录像若干建筑筑工程事事故及荷荷载示例例3.2极限状态态海浪作用用：印尼海啸啸录像若干建筑筑工程事事故及荷荷载示例例3.2极限状态态地震作用用：汶川地震震地震科普普若干建筑筑工程事事故及荷荷载示例例3.2极限状态态撞击作用用：911恐怖袭击击若干建筑筑工程事事故及荷荷载示例例3.2极限状态态撞击作用用：911恐怖袭击击若干建筑筑工程事事故及荷荷载示例例3.2极限状态态土侧压力力：上海莲花花河畔景景苑建筑筑事故2009年6月月27日日若干建筑筑工程事事故及荷荷载示例例3.2极限状态态上海莲花花河畔景景苑建筑筑事故本课程主主要内容容3.2极限状态态建筑工程程结构体体系各种种作用的的确定及及计算方方法结构体系系设计值值中作用用和荷载载的组合合方法，，抗力值值的确定定要考虑虑的随机机因素本课程具具体章节节3.2极限状态态第一章荷载与作作用第二章重重力第三章侧压力第四章风荷载第五章地震作用用第六章其其他作作用第七章荷荷载的的统计分分析第八章结结构构构件抗力力的统计计分析第九章结结构可可靠度设计方法法第十章综合例题题附录一、结构构上的作作用及其其分类1、“结构上上的作用用”的定义施加在结结构上的的集中力力或分布布力，以及引起结构构外加变变形或约约束变形形的原因因（地震、、基础沉沉降、温温度变化化、焊接接等）的总称施加在结结构上的的集中力力或分布布力直接作用用（荷载载）引起结构构外加变变形或约约束变形形的原因因间接作用用2、“结构上上的作用用”的分类按随时间间的变异异分类永久作用用在结构使使用期间间，其值值不随时时间而变变化，或或其变化化值与平平均值相相比可以以忽略不不计，或或其变化化是单调调的并能能趋于限限值的作作用【例如】结构自重重，土压压力、预预加力、、基础沉沉降、焊焊接、水水的浮力力、混凝凝土收缩缩及徐变变作用等等可变作用用在结构使使用期间间，其值值随时间间而变化化，且其其变化值值与平均均值相比比不可以以忽略不不计的作作用【例如】安装荷载载、楼面面活荷载载、吊车车荷载、、风荷载载、雪荷荷载、汽汽车荷载载、汽车车离心力力、汽车车制动力力、流水水压力、、冰压力力、温度度作用等等偶然作用用在结构使使用期间间，不一一定出现现，但一一旦出现现，其量量值很大大且持续续时间较较短的作作用【例如】爆炸、船船舶或漂漂流物的的撞击作作用、汽汽车撞击击作用等等【思考题】水压力属属于何种种作用？？地震作用用属于何何种作用用？按随空间间位置的的变异分分类固定作用用在结构空空间位置置上具有有固定的的分布【例如】工业与民民用建筑筑楼面上上的固定定设备荷荷载、结结构构件件自重等等可动作用用在结构空空间位置置上的一一定范围围内可以以任意分分布【例如】工业与民民用建筑筑楼面上上的人员员荷载、、吊车荷荷载等按结构的的反应分分类静态作用用不使结构构或结构构构件产产生加速速度，或或产生的的加速度度可以忽忽略不计计【例如】结构自重重、住宅宅与办公公楼的楼楼面活荷荷载等动态作用用使结构或或结构构构件产生生不可忽忽略的加加速度【例如】地震、吊吊车荷载载、设备备振动、、作用于于高耸结结构上的的风荷载载等二、荷载载分类按作用时间间的长短和和性质永久荷载（（恒载）在结构使用用期间，，其值不随随时间而变变化，或虽虽有变化，，但变化不不大，且其其变化值与与平均值相相比可以忽忽略不计，，或其变化化是单调的的并能趋于于限值的荷荷载。可变荷载（（活载）在结构使用用期间，，其值随时时间而变化化，且其变变化值与平平均值相比比不可以忽忽略不计的的荷载。偶然荷载在结构使用用期间不一一定出现，，但一旦出出现，其值值很大，作作用时间则则较短的荷荷载。永久荷载（（恒载）【例如】结构自重，，土压力、、预应力等等可变荷载（（活载）【例如】楼面活荷载载、屋面活活荷载和积积灰荷载、、吊车荷载载、风荷载载、雪荷载载等偶然荷载【例如】爆炸力、撞撞击力等三、荷载代代表值荷载代表值值是指设计计中用以计计算极限状状态所采用用的荷载量量值，如标标准值、组组合值、频频遇值和准准永久值。。建筑结构设设计中，对对不同荷载载应采用不不同的代表表值。永久久荷载采用用标准值作作为代表值值；可变荷荷载应根据据设计要求求采用标准准值、组合合值、频遇遇值或准永永久值作为为代表值；；偶然荷载载应按建筑筑结构使用用的特点确确定其代表表值。1.荷载标准值值荷载标准值值是GB50009-2012规定的荷载载基本代表表值，为设设计基准期期内最大荷荷载统计分分布的特征征值。由于于最大荷载载值是随机机变量，因因此，原则上应由由设计基准准期荷载最最大值概率率分布的某某一分位数数来确定。。但是，有些些荷载并不不具备充分分的统计参参数，只能能根据已有有的工程经验确定。2.荷载组合值值荷载组合值值是对可变变荷载而言言的。当两两种或两种种以上可变变荷载在结结构上同时时作用时，，由于所有有荷载同时时达到其单单独出现时时可能达到到的最大值值的概率极极小，因此此，除主导导荷载(产生最大荷荷载效应的的荷载)仍可以用其其标准值为为代表值外外，其他伴伴随荷载均均取小于其其标准值的的组合值为为荷载代表表值。3.荷载准永久久值：荷载准永久久值也是对对可变荷载载而言的，，是指可变变荷载中活动相对较较小的部分分，在规定的的时间内具具有较长的的总持续期期，对结构构的影响犹犹如永久荷荷载。荷载载准永久值值主要用于于正常使用用极限状态态的长期效效应组合，，其值与可可变荷载出出现的频繁繁程度和持持续时一间间长短有关关。4.荷载频遇值值：荷载准永久久值同样是是对可变荷荷载而言的的，是指可可变荷载在在结构上频频繁出现且且量值较大的的值，主要用于于荷载短期期效应组合合中。可变变荷载频遇遇值可以通通过乘以频频遇值系数数得到，频频遇值系数数通过调查查统计结果果并结合工工程经验综综合分析后后确定。工程结构设设计理论演演变简况容许应力设设计法容许应力设设计法是建建立在弹性性理论基础础上的设计计方法。其其表达式为为：式中，－－构件在在使用阶段段(使用荷载作作用下)截面上的最最大应力；；－材料的容容许应力。。容许应力设设计法计算算简单，但但其有许多多问题：①没有考虑虑材料塑性性性质。②没有对作作用阶段给给出明确的的定义，也也就是使用用期间荷载载的取值原原则规定得得不明确。。③把影响结结构可靠的的各种因素素(荷载的变异异、施工的的缺陷、计计算公式的的误差等)统统归结在在反映材料料性质的容容许应力上上，显然然不够合理理。④容许应应力的取值值无科学根根据，纯属属经验的，，历史上曾曾多次提高高过材料的的容许应力力值。⑤按容许应应力法设计计的构件是是否安全可可靠，无法法用实验来来验证。工程结构设设计理论演演变简况破损阶段设设计法针对容许应应力设计法法存在的缺缺陷，之后后出现了假假定材料均均已达到塑塑性状态，，依据截面面所能抵抗抗的破损内内力建立的的计算公式式。其设计计表达式为为：式中，——构件最终破破坏时的承承载能力；；——安全系数，，用来考虑虑影响结构构安全的所所有因素。。优点为：①它可以反反映材料的的塑性性质质，结束了了长期以来来假定混凝凝土为弹性性体的局面面。②采用一个个安全系数数，使构件件有了总的的安全度的的概念。③它以承载载能力值(如)为依据，其其计算值是是否正确可可由实验检检验。工程结构设设计理论演演变简况苏联曾把该该理论用下下式来表达达：式中，M——正常使用时时，由各种种荷载所所产生的截截面内力；；a——反映截面尺尺寸等的尺尺寸函数；；，——材料强度的的平均值。。破损阶段理理论仍存在在一些重大大缺点：①破损阶段段计算，构构件的承载载力是得以以保证，但但却无法了了解构件在在正常使用用时能否满满足正常使使用要求。。②安全系数K的取值仍须经经验确定，并并无严格的科科学依据。③采用笼统的的单一安全系系数，无法就就不同荷载、、不同材料结结构件安全的的影响加以区区别对待，不不能正确地度度量结构的安安全度。④荷载的取取值仍然也是是经验值；⑤表达式中采采用的材料强强度是平均值值，它不能正正确反映材料料强度的变异异程度，显然然也是不够合合理的。工程结构设计计理论演变简简况概率极限状态态设计法概率极限状态态设计法是以以概率理论为基础，将作用效应和影影响结构抗力力的主要因素作为为随机变量，根据统计分分析确定可靠靠概率来度量量结构可靠性性的结构设计计方法。其特特点是有明确确的、用概率率尺度表达的的结构可靠度度的定义，通通过预先规