第5章土木工程荷载

第5章

土木工程荷载

荷载的定义荷载一般是指作用在结构上的外力。可分为：静荷载或恒荷载：大小、位置和方向不变，或其变化与平均值相比可以忽略，如结构自重。活荷载或可变荷载：大小、位置和方向随时间变化，如人、风、雪偶然荷载：指在结构使用期间不一定出现的作用，但它一旦出现，其量值很大且持续时间较短，例如爆炸力、撞击力等。活荷载中有：位置可移动的移动荷载；有较高速度同物体相接触的冲击荷载；随时间多次重复作用的荷载为重复荷载；反向作用的反复荷载或交变荷载：在试验中一个方向作用，以一定速率施加的荷载称为单调荷载；当加载和卸载交替进行时为循环荷载。在重复荷载下材料可能发生疲劳破坏。荷载还可以分为集中荷载和均布荷载。集中荷载分布荷载集中荷载是指荷载作用的范围相对于结构的尺度来讲很小，可以忽略为一个点作用的荷载，集中荷载对于结构产生不连续的作用。集中荷载可以直接进行力学计算。分布荷载分布荷载是指荷载作用的范围相对于结构的尺度是线或面作用的荷载，分布荷载对于结构产生相对连续的作用。分布荷载不能直接进行力学计算，需要以积分的办法求得分布荷载对于结构或构件的整体作用效果。作用和效应结构上的作用：是指能使结构生产效应的各种因素的总称。有直接作用和间接作用。直接作用：指施加在结构上的集中和分布荷载，也是长期以来工程界习称的“荷载”；间接作用：指引起结构外加变形或约束变形的其他作用，如地震、基础沉降、混凝土收缩、温度变化、焊接影响等。按结构反应分，有：静态作用和动态作用。作用对结构产生的效应称为结构的作用效应。因而荷载生产的效应称为荷载效应。结构在荷载下将生产应力和应变。应力指单位截面面积内产生的力；应变指构件单位长度上产生的变形――拉伸或压缩。荷载代表值与标准值

荷载代表值：是为了方便设计给荷载规定以一定的量值。《荷载规范》只给出四种代表值：标准值、准永久值、频遇值、组合值，其中标准值是荷载的基本代表值，用相应的系数乘以其标准值得出。荷载的标准值最大荷载统计分布的特征值，结构或非承重构件的自重为永久荷载，一般以自重平均值作为荷载的标准值。吊车荷载桥式起重机、双钩吊车，在吊车规格表或有关手册中根据厂房跨度可查得B、K及最大轮压以任为设计依据，其中K、B系为求最大内力时布置轮压位置时用，两台吊车只能紧靠，不能重叠。对软钩吊车，小车横向制动力：当额定起重量Q≤10t时，取T=（Q+g）*12%;

当Q=15-50t时，T=（Q+g）*10%;当Q≥75t,取T=（Q+g）*8%

硬钩吊车：按（Ｑ＋g）＊２０％采用。雪荷载雪荷载与地区有关。《荷载规范》中根据气象资料统计，由按３０年一遇改为５０年一遇的最大雪深，平均密度估算最大雪压以作为当地的基本雪压。山区基本雪压应通过实际调查后确定；无实测资料时，可按当地空旷平坦地区的基本雪压乘以1.2后采用。屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算：

式中：

---基本雪压；

---屋面积雪分布系数，与屋面形式有关

风荷载

风荷载也与地区有关，内地较小，一般基本风压在0.3(但不应小于)～0.45范围内；垂直建筑物表面上的风荷载标准值计算公式：<<建筑结构荷载规范>>GB50009-20061.风荷载标准值（KN/M2）2.高度z处的风振系数3.风荷载体型系数4.风压高度变化系数5.基本风压（KN/M2）台风引起柱下部破坏风荷载是水平荷载；在高层建筑中，风荷载和地震作用成为主要的控制因素。风荷载是高层建筑、高耸结构和大跨结构中所必须考虑的荷载。风荷载车辆荷载汽车荷载列车荷载加载时可由计算图式中任意截取，或采用特种活载，换算均布活荷载和加载规定详《铁路工程技术规范》附录八。荷载组合当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，而不能满足设计规定的某一功能要求时，则称此特定状态为结构对该功能的极限状态，可分为承载力极限状态及使用极限状态。要求对于所考虑的极限状态确定与之相应的荷载效应的最不利组合。对于考虑的极限状态而言，荷载效应组合是在所有可能同时出现的诸荷载作用下，确定结构或结构构件内产生的总效应S。所谓荷载效应的最不利组合，是指所有可能组合中，对结构或结构构件产生总效应为最不利的组合。由地基不均匀沉降引起的内力效应地基不均匀沉降造成的变形2.3特殊荷载与作用2.3.1地震作用2.3.2风荷载风与地震是两种典型的、随机的侧向动荷载，是建筑设计中必然考虑的两种荷载因素。2.3.1地震作用地震与地震荷载的形成地震是地球内发生的错动，发生地震的地方是震源。震源上方正对着的地面称为震中。地震时，在地球内部出现的弹性波叫作地震波，包含纵波和横波。纵波引起地面上下颠簸振动；横波能引起地面的水平晃动。横波是地震造成建筑物破坏的主要原因——地震横波产生地表的往复运动，由于惯性作用，建筑物与地表之间存在运动差，因而形成建筑物的惯性力。震源震中地震波2.3.1地震作用地震与地震荷载的形成建筑物的惯性力与地表运动加速度成相应的关系：根据牛顿第二定律，F=ma，F：建筑物的惯性力，m：建筑物的物理质量，a：地表运动加速度。在建筑设计中，以等效力原理为基础，假设地表不运动，以等效惯性力作用于建筑物上，形成地震荷载。一般按照建筑物的物理质量集中区域，形成地震荷载。多层建筑物每层形成相应的侧向荷载。考虑建筑物横向刚度相对较小，一般以横向为地震荷载演算方向。=aF地震区域分布全球主要地震活动带有三个：环太平洋地震带，是地震活动最强烈的地带，发生全球约80%的地震；欧亚地震带，占全球地震的15%。海岭地震带：分布在太平洋、大西洋、印度洋中的海岭。中国位于世界两大地震带—环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震灾严重的国家。我国的地震活动主要分布在五个地区：台湾省及其附近海域；西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部；西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓；华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、山东中部和渤海湾；东南沿海的广东、福建等地。2.3.1地震作用2.3.1地震作用地震与地震荷载的形成地球上的地震有强有弱。地震强度大小以震级与地震烈度衡量。震级是衡量地震大小的一种度量。每一次地震只有一个震级。地震烈度是指地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度。对同一次地震，在不同的地区，地震烈度大小是不一样的。基本烈度，某一地区今后一定测算期内，可能遭受的最大地震烈度，是抗震设计的主要参考指标。设防烈度，是建筑设计所采用的地震烈度标准，多数情况下采用该地区的基本烈度指标。对于重要建筑物，在基本烈度基础上加以调整。震源远离震中，地震烈度低震中附近，地震烈度高2.3.1地震作用地震与地震荷载的形成我国将建筑物分为四个等级，多数属于丙类的一般建筑物。甲类：特别重要的建筑物，地震破坏后果严重；需要专门研究地震动力参数，构造有特殊规定。乙类：重要建筑物，如重点抗震城市的生命线工程与抗震救灾需要的建筑；按基本烈度提高一度进行设防与相关构造。丙类：甲、乙、丁类以外的一般建筑物；按基本烈度设防与进行相关构造。丁类：次要建筑物，地震破坏后果不会造成重大伤亡与较大经济损失。按基本烈度降低一度进行设防与相关构造。六度区内百万以上人口城市的高层建筑，按七度设防。建筑物的抗地震设计建筑物的抗震设防标准我国的抗震规范规定了建筑物的三个基本设防标准：小震不坏：在较基本烈度低1.5度的第一水准烈度的地震作用下，结构处于正常使用阶段，材料受力处于弹性阶段。中震可修：在遭受基本烈度（第二水准烈度）的地震作用下，结构可能出现一定的损坏，但加以修缮后可继续使用，材料受力处于塑性阶段，但被控制在一定限度内，残余变形不大。大震不倒：在较基本烈度高1度的第三水准烈度作用下，结构出现严重破坏，但材料的变形仍在控制范围内，不至于迅速倒塌，赢得撤离时间。2.3.1地震作用2.3.2风荷载风的形成与危害风是由于大气层的温度差、气压差等大气现象导致的空气流动现象。建筑物会对风形成阻挡，因此风会对于建筑物形成反作用。风是极其复杂的气流现象，是随机性的动荷载，巨大的风力作用会致使建筑物水平侧移、振动甚至垮塌。在风的作用下，建筑物会发生以下破坏：

1）主体结构变形导致内墙裂缝；

2）长时间的风振效应使结构受到往复应力作用而发生局部疲劳破坏；

3）外装饰，受风力作用而脱落；

4）轻屋面，受风的作用会像上浮起甚至破坏。2.3.2风荷载风荷载的基本理论气体的流动速度与压力成反比，迎风面受到压力作用，其他面由于风的流动而受到吸力。基本风压基本风压是指某一地区，风力在迎风表面产生作用的标准值。平坦空旷的地面，距地面10米高处，年最大风速发生时10分钟内的风速平均值所形成的，并考虑该风速的历史重现期（30年为标准期限）而确定的迎风面风力作用。风玫瑰图如图所表示的某一地区的冬季、夏季主导风向的图形。建筑形体与风的作用迎风面风力为压力，侧风面随着与风的夹角的变化，风力逐渐有压力转变为吸力；矩形、圆形、三角形等不同的平面形状的建筑物，各个侧面所受的风力作用差异很大。建筑物表面粗糙会加大风力的作用。2.3.2风荷载2.3.2风荷载高度与风的作用随着风力测试点的高度增加，所受风力作用也随之加大。风的振动效应阵风会产生强烈的风阵效应，并且具有极大的不