工程结构荷载和可靠度设计原理

2024/12/1工程结构荷载与

可靠度设计原理2024/12/1第1章荷载类型§1.1荷载与作用§1.2作用的分类2024/12/1§1.1荷载与作用荷载—由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力,例如重力、土压力、水压力、风压力；效应—结构的内力、位移、变形、应力、应变、裂缝、速度、加速度等；作用—能使结构产生效应的各种因素总称为作用；直接作用—直接作用在结构上的各种荷载；间接作用—能引起结构内力、变形等效应的非直接作用因素,如地震、温度变化、基础不均匀沉降等。2024/12/1§1.1荷载与作用

直接作用狭义荷载作用广义荷载间接作用2024/12/1§1.2作用的分类1.按随时间的变异分类（1）永久作用:在结构设计基准期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计。例如，结构自重、土压力、水压力、预加应力、基础沉降、焊接等。（2）可变作用:在结构设计基准期内其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略。例如，车辆重力、人员设备重力、风荷载、雪荷载、温度变化等。（3）偶然作用:在结构设计基准期内不一定出现而一旦出现其量值很大且持续时间较短。例如，地震。2024/12/1§1.2作用的分类2.按随空间位置的变异性分类（1）固定作用:在结构空间位置上具有固定的分布。例如，结构自重、结构上的固定设备荷载等。（2）可动作用:在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布。例如，房屋中的人员、家具荷载、桥梁上的车辆荷载等。2024/12/1§1.2作用的分类3.按结构的反应分类（1）静态作用:对结构或结构构件不产生加速度或其加速度可以忽略不计。例如，结构自重、土压力、温度变化等。（2）动态作用:对结构或结构构件产生不可忽略的加速度。例如，地震、风、冲击和爆炸等。2024/12/1第2章重力§2.1结构自重§2.2土的自重应力§2.3雪荷载§2.4车辆荷载§2.5楼面活荷载§2.6人群荷载2024/12/1§2.1结构自重构件的自重（kN）式中构件材料的重度（kN/m3）构件的体积,一般按设计尺寸确定（m3）2024/12/1§2.1结构自重按面积分布自重F2024/12/1§2.1结构自重按长度分布自重f2024/12/1§2.1结构自重均质土中竖向自重应力分布2024/12/1§2.1结构自重成层土中竖向自重应力沿深度的分布2024/12/1§2.1结构自重成层土深度z处的竖直有效自重应力式中从天然地面起到深度z处的土层数第i层土的厚度（m）第i层土的天然重度,若土层位于地下水位以下,计算土的自重应力时应取土的有效重度2024/12/1§2.1结构自重土的有效重度若土层位于地下水位以下,由于受到水的浮力作用,单位体积中,土颗粒所受的重力扣除浮力后的重度称为土的有效重度,是土的有效密度与重力加速度的乘积水的重度,一般取10kN/m32024/12/1§2.3雪荷载2024/12/1§2.3雪荷载一、基本雪压定义:当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。式中:雪压(N/m2)雪重度(N/m3)雪深(m)2024/12/1§2.3雪荷载雪重度随雪深的变化:2024/12/1§2.3雪荷载雪密度随时间的变化:基本雪压最好是直接量测,即直接记录地面雪压值。最大雪深与最大雪重度两者并不一定同时出现。2024/12/1§2.3雪荷载二、屋面的雪压影响屋面雪压的因素:①风；②屋面形式；③屋面散热。风对屋面积雪的影响—漂积作用在下雪过程中,风会把部分本将飘落在屋面上的雪吹积到附近的地面上或其他较低的物体上,这种影响称为风的漂积作用。2024/12/1§2.3雪荷载漂积作用的影响:使敞风较好的平屋面或小坡度屋面上的雪压小于邻近地面上的雪压；在高低跨屋面的情况下，在低屋面形成局部较大的漂积荷载；高低屋面上漂积雪的分布2024/12/1§2.3雪荷载对多跨屋面及曲线型屋面,屋谷附近区域的积雪比屋脊区大。多跨屋面上的积雪分布2024/12/1§2.3雪荷载屋面坡度对积雪的影响当屋面坡度大到某一角度时,积雪就会在屋面上产生滑移或滑落,坡度越大滑落的雪越多,使屋面雪载越小。屋面坡度对屋面积雪分布系数的影响2024/12/1§2.3雪荷载单跨双坡屋面雪载分布2024/12/1§2.3雪荷载屋面散热的影响

屋面散发的热量使部分积雪融化,同时也使雪滑移更易发生,故采暖房屋的积雪一般比非采暖房屋小。2024/12/1§2.4车辆荷载定义对于公路桥,车辆荷载是指汽车、挂车、履带车等；对于铁路桥,车辆荷载是指列车。车辆荷载标准车列荷载车道荷载2024/12/1§2.4车辆荷载公路车辆荷载汽车荷载分为两个等级:公路Ⅰ级和公路Ⅱ级；对于桥梁结构的整体计算，汽车荷载采用车道荷载；对于桥梁的局部加载；对于涵洞、桥台和挡土墙压力等的计算，汽车荷载采用车辆荷载。对于多车道桥涵，可根据多个车道上同时出现最大汽车荷载的概率大小，对荷载效应进行折减。车道数越多，折减率越大。2024/12/1§2.4车辆荷载车辆荷载布置图单位（m）2024/12/1§2.4车辆荷载列车荷载列车荷载应采用中华人民共和国铁路标准活载,及“中-活载”。我国城市桥梁设计荷载标准规定的城-A级车道荷载2024/12/1§2.5楼面活荷载定义楼面活荷载指房屋中生活或工作的人群、家具、用品、设施等产生的重力荷载。工程处理考虑到楼面活荷载在楼面位置上的任意性,工程设计应用时,一般将其处理为楼面均布荷载。折减计算结构或构件楼面活荷载效应时,如引起效应的楼面活荷载面积超过一定的数值,则应对楼面均布活荷载折减。2024/12/1§2.5楼面活荷载一些国家楼面均布活荷载取值（kN/m2）2024/12/1§2.6人群荷载公路桥梁设计中人群荷载一般取值为3kN/m2,市郊行人密集区域取值为3.5kN/m2。在有人行道的桥梁上,人群荷载与汽车荷载同时考虑。城市桥梁设计中需考虑人群荷载对结构的作用,①人行道板的人群荷载取5kN/m2的均布荷载或1.5kN的集中竖向力作用在构件上进行计算,取其不利值；②梁、桁架、拱及其他大跨结构的人群荷载可按书中公式计算,但不得小于2.4kN/m2。人行天桥的人群荷载与城市桥梁的人群荷载取值方法差不多。2024/12/1第3章侧压力§3.1土的侧向压力§3.2水压力及流水压力§3.3波浪荷载§3.4冻胀力§3.5冰压力§3.6撞击力2024/12/1§3.1土的侧向压力一、基本概念定义土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的土压力。土压力是挡土墙的主要外荷载,设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点。土压力的大小及分布规律受到墙体可能的移动方向、墙后填土的性质、填土面的形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素的影响。2024/12/1§3.1土的侧向压力分类根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态,土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。2024/12/1§3.1土的侧向压力二、基本原理一般土的侧向压力计算采用朗肯土压力理论或库伦土压力理论,前者应用较为普遍。朗肯土压力理论的基本假设:（1）对象为弹性半空间土体；（2）不考虑挡土墙及回填土的施工因素；（3）挡土墙墙背竖直、光滑、填土面水平，无超载。根据这些假设，墙背与填土之间无摩擦力，因而无剪应力，即墙背为主应力面。2024/12/1§3.1土的侧向压力弹性静止状态竖向应力:水平应力:塑性主动状态竖向应力:水平应力:2024/12/1§3.1土的侧向压力塑性被动状态竖向应力:水平应力:2024/12/1§3.1土的侧向压力三、土压力的计算静止土压力2024/12/1§3.1土的侧向压力主动土压力2024/12/1§3.1土的侧向压力被动土压力2024/12/1§3.2水压力及流水压力一、静水压力定义静止的液体对其接触面产生的压力。规律静水压力的水平分力是水深的直线函数关系。特点静水压力总是作用在结构物表面的法线方向。计算2024/12/1§3.2水压力及流水压力水压力的分布图水压力的竖向分布其他几种水压力在结构物上的分布模式2024/12/1§3.2水压力及流水压力二、动水压力当水流过结构物表面时，会对结构物产生切应力和正应力。切应力只有在水高速流动时，才表现出来。正应力=静水压力+动水压力。即:时段平均动压力（Pa）;脉动压力（Pa）;2024/12/1§3.3波浪荷载波浪的性质成波原因:风、潮汐波浪特性:波长λ、周期τ、波幅h—波浪参数2024/12/1§3.3波浪荷载影响波浪特性的主要因素:风速v，风的持续时间t，水深H和吹程D波浪荷载的计算构筑物的分类2024/12/1§3.3波浪荷载直墙上的波浪荷载—按三种波浪设计（1）立波；（2）近区破碎波,即构筑物附近半个波长范围内发生破碎的波；（3）远区破碎波,及距直墙半个波长以外发生破碎的波。立波的压力波峰压强、波谷压强简化的Sainflow压强分布2024/12/1§3.3波浪荷载远区破碎波的压力

远区破碎波在直墙上的压强分布2024/12/1§3.3波浪荷载近区破碎波的压力

近区破碎波在直墙上的压强分布2024/12/1§3.3波浪荷载圆柱体上的波浪荷载（1）小圆柱体的波浪荷载计算（2）大圆柱体的波浪荷载计算2024/12/1§3.4冻胀力冻土的概念、性质及与结构物的关系冻土的概念具有负温度或零温度,其中含有冰,且胶结着松散固体颗粒的土。冻土的基本成分固态的土颗粒、冰、液态水、气体和水汽。冻土的性质冻土是一种复杂的多相天然复合体,结构构造上也是一种非均质、各相异性的多孔介质。其中,冰与土颗粒之间的胶结程度及其性质是评价冻土性质的重要因素。2024/12/1§3.4冻胀力冻土的分类（根据冻土存在的时间）（1）多年冻土（或称永冻土）—冻结状态持续三年以上的土层；（2）季节冻土—每年冬季冻结,夏季全部融化的土层；（3）瞬时冻土—冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层。

每年冬季冻结,夏季融化的地表（浅层土体）,在多年冻土地区称之为季节融化层；在季节冻土地区称之为季节冻结层（即季节冻土层）。2024/12/1§3.4冻胀力冻土与结构物的关系冻土抵抗外力的强度提高；季节冻土与结构物的关系非常密切,在季节冻土地区修建的结构物由于土的冻胀作用而造成各种不同程度的冻胀破坏。主要表现在冬季低温时结构物开裂、断裂,严重者造成结构物倾覆等；春融期间地基沉降,对结构产生形变作用的附加荷载。2024/12/1§3.4冻胀力土的冻胀原理土冻胀三要素:水分、土质、负温度。水分由下部土体向冻结锋面迁移，使在冻结面上形成了冰夹层和冰透镜体，导致冻层膨胀，地层隆起。含水量越大，地下水位越高，冻胀程度越大。土体冻结时，土颗粒之间相互隔离，产生位移，使土体体积产生不均匀膨胀。在封闭体系中，由于土体初始含水量冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力，冻胀力随着土体温度的变化而变化。2024/12/1§3.4冻胀力在开放体系中,分凝冰的劈裂作用,使地下水源源不断的补给孔隙水而侵入到土颗粒中间,使土颗粒被迫移动而产生冻胀力。当冻胀力使土颗粒扩展受到束缚时,这种反束缚的冻胀力就表现出来,束缚力越大,冻胀力也就越大。当冻胀力达到一定界限时,就不产生冻胀,这时的冻胀力就是最大冻胀力。建筑在冻胀土上的结构物,使地基上的冻胀变形受到约束,使得地基土的冻结条件发生改变,进而改变着基础周围土体温度,并且将外部荷载传递到地基土中改变地基土冻结时的束缚力。地基土冻结时产生的冻胀力将反映在对结构物的作用上,引起结构物的位移、变形。2024/12/1§3.4冻胀力冻胀力的分类及其计算土体冻结时,体积膨胀产生向四周扩张的内应力,这个力称为冻胀力。冻胀力的分类（1）切向冻胀力；（2）法向冻胀力；（3）水平冻胀力。2024/12/1§3.4冻胀力作用在结构物基础上的冻胀力分类示意图2024/12/1§3.4冻胀力冻胀力的计算（1）切向冻胀力计算2024/12/1§3.4冻胀力（2）法向冻胀力计算2024/12/1§3.4冻胀力（3）水平冻胀力计算2024/12/1§3.5冰压力冰压力概念及分类冰压力概念位于冰凌河流和水库中的结构物,如桥梁墩台,由于冰层的作用对结构产生一定的压力,称此压力为冰压力。冰压力分类（1）河流流冰产生的冲击动压力；（2）冰堆整体推移的静压力；（3）风和水流作用于大面积冰层而产生的静压力；（4）冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力；（5）冰层因水位升降产生的竖向作用力。2024/12/1§3.5冰压力冰压力的计算冰的破坏力取决于结构物的形状、气温及冰的抗压极限强度等因素，可按下式计算:2024/12/1§3.6撞击力船只或水中漂流物对桥梁墩台的撞击力:船只或水中漂流物的重量（kN）；水流速度（m/s）；撞击时间（s）,若无船只实测资料,一般取1s。重力加速度（m/s2）

；2024/12/1§3.6撞击力2024/12/1第4章风荷载§4.1风的有关知识§4.4顺风向结构风效应§4.3结构抗风计算的几个重要概念§4.2风压§4.5横风向结构风效应2024/12/1§4.1风的有关知识§4.1风的有关知识4.1.1风的形成4.1.2两类性质的大风4.1.3我国的风气候总况4.1.4风级2024/12/1§4.1风的有关知识4.1.1风的形成风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。2024/12/1§4.1风的有关知识4.1.2两类性质的大风台风弱的热带气旋引入暖湿空气在漩涡内部产生上升和对流运动加强涡旋……台风季风冬季:大陆冷，海洋暖，风:大陆海洋夏季:大陆热，海洋凉，风:海洋大陆2024/12/1§4.1风的有关知识4.1.3我国的风气候总况台湾、海南和南海诸岛东南沿海地区东北、华北、西北地区青藏高原长江、黄河中下游地区云贵高原风力大小2024/12/1§4.1风的有关知识4.1.4风级根据风对地面（或海面）物体影响程度,将风划分为13个等级。2024/12/14.1.4风级2024/12/14.1.4风级从国际空间站拍摄的飓风伊万云图最高风速214km/h(59.4m/s)2024/12/14.1.4风级飓风伊万造成的损失在30亿至100亿美元之间2024/12/14.1.4风级飓风伊万摧毁的房屋2024/12/14.1.4风级美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座大桥被飓风伊万摧毁2024/12/14.1.4风级台风云娜登录时卫星云图2024/12/14.1.4风级台风云娜袭击浙江2024/12/14.1.4风级2019年第9号超强台风“梅花”8月8日18时30分前后登陆朝鲜西海岸北部沿海2024/12/14.1.4风级2024/12/14.1.4风级2024/12/14.1.4风级2024/12/14.1.4风级2024/12/14.1.4风级2024/12/14.1.4风级2024/12/14.1.4风级2024/12/1§4.2风压§4.2风压4.2.1风压与风速的关系4.2.2基本风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算2024/12/1§4.2风压4.2.1风压与风速的关系风压的定义当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时,将对阻塞物产生压力,即风压。风压的产生2024/12/1§4.2风压风压与风速的关系2024/12/1§4.2风压4.2.2基本风压基本风压的定义按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压称为基本风压。基本风压应符合5个规定(1)标准高度的规定:一般取为10m。(2)地貌的规定:空旷平坦。(3)公称风速的时距10min~1h的平均风速基本稳定我国取基本风速的时距为10min2024/12/1§4.2风压(4)最大风速的样本时间风有它的自然周期,每年季节性的重复一次一般取1年为统计最大风速的样本时间。(5)基本风速的重现期基本风速出现一次所需的时间基本风压是根据规定的高度、规定的地貌、规定的时距和规定的样本时间所确定的最大风速的概率分布,按规定的重现期（或年保证率）确定的基本风速,然后依据风速和风压的关系所定义的。2024/12/1§4.2风压4.2.3非标准条件下的风速或风压的换算非标准高度换算实测表明,风速沿高度呈指数函数变化,即

2024/12/1§4.2风压非标准地貌的换算不同粗糙度影响下的风剖面

2024/12/1§4.2风压地面越粗糙,风速变化越慢（α越大）,梯度风高度将越高；反之,地面越平坦,风速变化将越快（α越小）；梯度风高度将越小。

2024/12/1§4.2风压任意地貌的基本风压与标准地貌的基本风压的关系为:

2024/12/1§4.2风压不同时距的换算

2024/12/1§4.2风压不同重现期的换算

2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念§4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.1结构的风力与风效应4.3.2顺风向平均风与脉动风4.3.3横风向风振2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.1结构的风力与风效应风力:风速风压风力风效应:由风力产生的结构位移、速度、加速度响应在结构物表面沿表面积分流经任意截面物体所产生的力2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.2顺风向平均风与脉动风风有两种成分构成=平均风+脉动风平均风速和脉动风速2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念平均风—静力风效应脉动风—动力风效应地面粗糙度的影响:地面越粗糙，v越小，vf的幅值越大且频率越高。脉动风的特性①幅值特性为一随机过程幅值服从正态分布2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念②频率特性可用功率谱密度描述功率谱密度的定义:脉动风振动的频率分布2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念Davenport水平脉动风速功率谱密度2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念4.3.3横风向风振雷诺数对于空气:Re=69000vB如果Re<1/1000，以粘性力为主，为高粘性流体；如果Re>1000，则以惯性力为主，为低粘性流体。2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念Strouhal数气流沿上风面AB速度逐渐增大,之后沿下风面BC速度逐渐减小。由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦,气流在BC中间某点S处停滞,生成旋涡,并以一定的周期（或频率fs）脱落。2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念Strouhal数定义横风向共振实验表明:当3.0x102≤Re<3.0x105时(亚临界范围)，St≈0.2;当3.0x105≤Re<3.0x106时(超临界范围)，St较离散;当Re≥3.0x106时(跨临界范围)，St≈0.27~0.3。2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念当St=常值时,fs=常值,则当结构的横向自振频率=fs时,将产生共振。工程设计时,对跨临界范围的横风向共振问题应特别注意。2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念2024/12/1§4.3结构抗风计算的几个重要概念2024/12/1§4.4顺风向结构风效应§4.4顺风向结构风效应4.4.1顺风向平均风效应4.4.2顺风向脉动风效应4.4.3顺风向总风效应4.4.4示例2024/12/1§4.4顺风向结构风效应4.4.1顺风向平均风效应风载体形系数

风载体形系数2024/12/1§4.4顺风向结构风效应气流通过拱形屋顶房屋示意图2024/12/1§4.4顺风向结构风效应双坡屋顶房屋风载体形系数2024/12/1§4.4顺风向结构风效应风压高度变化系数或2024/12/1§4.4顺风向结构风效应平均风下结构的静力风载2024/12/1§4.4顺风向结构风效应4.4.2顺风向脉动风效应假定:在脉动风作用下，结构主要按第一振型振动。脉动风下等效风作用力2024/12/1§4.4顺风向结构风效应4.4.3顺风向总风效应其中,风振系数或2024/12/1§4.5横风向结构风效应§4.5横风向结构风效应4.5.1流经任意截面物体的风力4.5.2结构横风向风力4.5.3结构横风向风效应4.5.4结构总风效应4.5.5结构横风向驰振（galloping）2024/12/1§4.5横风向结构风效应4.5.1流经任意截面物体的风力速度为v的风流经任意截面物体，都将产生三个力:物体单位长度上的顺风向力PD；横风向力PL；扭力矩PM。2024/12/1§4.5横风向结构风效应4.5.2结构横风向风力横风向风力系数亚临界范围（3x102≤Re<3x105）

=0.2~0.6超临界范围（3x105≤Re<3x106）

不确定（随机）跨临界范围（Re≥3x106）

=0.15~0.22024/12/1§4.5横风向结构风效应圆形平面结构与Re的关系结构横风向共振现象及锁住区域2024/12/1§4.5横风向结构风效应4.5.3结构横风向风效应一般可忽略一般情况下，≤0.4，而=1.3大于的3倍以上，故一般情况下，结构横风向效应与顺风向效应相比可以忽略下列情况不可忽略在亚临界范围，特别在跨临界范围，横风向风力为周期性荷载，即:其中，2024/12/1§4.5横风向结构风效应结构横风向风力分布2024/12/1§4.5横风向结构风效应结构横风向共振计算简图及等效共振风力2024/12/1§4.5横风向结构风效应当与结构基本频率接近时，结构将产生共振。共振位移反应为其中，H1~H2为按确定的共振风速高度。此时，横风向共振力为:2024/12/1§4.5横风向结构风效应4.5.4结构总风效应2024/12/1§4.5横风向结构风效应4.5.5结构横风向驰振（galloping）驰振（galloping）在某些情况下,外界激励可能产生负阻尼成分,当负阻尼大于正阻尼时,结构振动将不断加剧,直到达到极限幅值而破坏。这种现象称为驰振。颤振（flutter）当物体截面的旋转中心与空气动力的作用中心不重合时,将产生截面的平移和扭转耦合振动,对于这种振动形式,也会发生不稳定振动现象,称其为颤振。2024/12/1第5章地震作用§5.1地震基本知识§5.2单质点体系地震作用§5.3多质点体系地震作用2024/12/1第5章

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地震作用2024/12/1第5章

地震作用2024/12/1第5章

地震作用2024/12/1§5.1地震基本知识§5.1地震基本知识5.1.1地震的类型与成因5.1.2地震分布5.1.3震级与烈度5.1.4地震波与地面运动2024/12/1§5.1地震基本知识5.1.1地震的类型与成因地球的构造2024/12/1§5.1地震基本知识地震类型火山地震、陷落地震、构造地震构造地震的成因地幔热对流、地球自转与公转、月球和太阳引力地幔热对流地壳岩层变形应力累积岩层断裂岩层震动地震2024/12/1§5.1地震基本知识地震术语地震术语示意图2024/12/1§5.1地震基本知识震源:即发震点，是指岩层断裂处；震中:指震源正上方的地面地点；震源深度:指震中至震源的距离；震中距:指地面某处到震中的距离。浅源地震（h≤60km）中源地震（60＜h≤300km）深源地震（h＞300km）2024/12/1§5.1地震基本知识5.1.2地震分布世界地震分布

两大地震带:环太平洋地震带欧亚地震带公元前2000年~公元1979年世界中大地震分布2024/12/1§5.1地震基本知识原因:板块构造理论六大板块欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块、南极洲板块。中国地震分布①台湾地区②喜马拉雅山地区③西北地区④天山地区⑤华北地区⑥东南沿海地区2024/12/1§5.1地震基本知识中国的地震活动区2024/12/1§5.1地震基本知识5.1.3震级与烈度震级定义:衡量一次地震规模大小的数量等级。里氏震级:A:距震中100km处的最大水平地面位移(μm)地震能一个7级地震，约相当于30枚2万吨TNT的原子弹爆炸所释放的能量。2024/12/1§5.1地震基本知识烈度某一特定地区遭受一次地震影响的强烈程度。2024/12/1§5.1地震基本知识2024/12/1§5.1地震基本知识2024/12/1§5.1地震基本知识烈度与震级的关系一次地震只有一个震级，但不同的地点将有不同的烈度。震中烈度与震级关系:烈度衰减关系:Δ:震中距h:震源深度2024/12/1§5.1地震基本知识5.1.4地震波与地面运动地震波体波:纵波（P波）、横波（S波）面波:瑞雷波（R波）、洛夫波（L波）2024/12/1§5.1地震基本知识体波质点的振动方向（P波）（S波）2024/12/1§5.1地震基本知识面波质点的振动方向（R波）（L波）2024/12/1§5.1地震基本知识地震地面运动对于地面上的某一点,当地震体波到达该点或面波经过该点时,就会引起该点往复运动,此即地震地面运动。因波的折射,体波传播到地面时,其行进方向将近似与地面垂直。体波的折射2024/12/1§5.1地震基本知识P波上下运动S波前后、左右运动R波上下、前后运动L波左右运动三向地面运动上下运动:由P波和R波引起前后运动:由S波和R波引起左右运动:由S波和L波引起2024/12/1§5.1地震基本知识地震地面运动加速度记录地面运动三要素强度、频谱、强震时间2024/12/1§5.1地震基本知识一般两个方向水平地面运动的强度相等,而竖向地面运动的强度一般小于水平地面运动的强度。震中附近,体波成分较多,面波成分较少,随着震中距增加,体波成分减少,面波成分增加。地面运动强度与烈度的关系平均关系2024/12/1§5.1地震基本知识影响地面运动频谱的主要因素两个因素:震中距、场地条件周期短的波在有阻尼介质中传播较易衰减场地卓越周期vsm:场地土平均剪切波速dov:场地土覆盖层厚度2024/12/1§5.2单质点体系地震作用§5.2单质点体系地震作用5.2.1单质点体系地震反应5.2.2地震作用与地震反应谱5.2.3设计反应谱5.2.4地震作用的计算2024/12/1§5.2单质点体系地震作用5.2.1单质点体系地震反应单质点体系

当结构的质量相对集中在某一个确定位置时,可将结构处理成单质点体系。单质点体系简图2024/12/1§5.2单质点体系地震作用单质点体系地震反应

质点上三种力:

惯性力阻尼力弹性力2024/12/1§5.2单质点体系地震作用单质点体系地震反应运动方程初始条件2024/12/1§5.2单质点体系地震作用方程的解2024/12/1§5.2单质点体系地震作用ζ值很小时,简化如下其中自振圆频率阻尼比2024/12/1§5.2单质点体系地震作用5.2.2地震作用与地震反应谱地震作用定义:质点的最大惯性力意义2024/12/1§5.2单质点体系地震作用即由运动方程2024/12/1§5.2单质点体系地震作用地震反应谱定义地震加速度反应谱2024/12/1§5.2单质点体系地震作用影响因素①是ζ、ω的函数,一般固定ζ,则或②与有关Sa的大小与的幅值成正比Sa的形状与的主要周期成分有关

2024/12/1§5.2单质点体系地震作用不同场地条件的地震反应谱不同震中距条件的地震反应谱2024/12/1§5.2单质点体系地震作用5.2.3设计反应谱用于设计应:规定的幅值考虑的周期成分考虑的变异性地震加速度反应谱动力系数地震系数2024/12/1§5.2单质点体系地震作用地震系数

地震系数与烈度的关系

I:基本烈度（设防烈度）2024/12/1§5.2单质点体系地震作用动力系数

根据场地条件和震中距将地震地面运动记录分类,计算每一类地震记录的地震反应谱。2024/12/1§5.2单质点体系地震作用相近场地及相近震中距的规则化地震反应谱（不同地震记录）2024/12/1§5.2单质点体系地震作用同类地震记录的平均动力系数谱2024/12/1§5.2单质点体系地震作用5.2.4地震作用的计算地震影响系数2024/12/1§5.3多质点体系地震作用§5.3多质点体系地震作用5.3.1多质点体系地震反应5.3.2振型分解反应谱法5.3.3底部剪力法2024/12/1§5.3多质点体系地震作用5.3.1多质点体系地震反应多质点体系多质点体系简图2024/12/1§5.3多质点体系地震作用多质点体系地震反应运动方程自由振动特性频率:振型:2024/12/1§5.3多质点体系地震作用振型的正交性2024/12/1§5.3多质点体系地震作用地震反应的振型分解2024/12/1§5.3多质点体系地震作用5.3.2振型分解反应谱法质点i的j振型地震作用2024/12/1§5.3多质点体系地震作用振型组合振型地震作用振型最大反应振型最大反应不在同一时刻发生平方和开方法结构的低阶振型反应比高阶振型反应大。一般情况下,振型反应随振型阶数的增大而减小。2024/12/1§5.3多质点体系地震作用5.3.3底部剪力法计算假定（1）结构地震反应以第一振型为主,忽略其他振型反应。（2）结构第一振型为线性倒三角分布。则任一质点的振型坐标与该质点离地面的高度成正比,即其中,c为常数2024/12/1§5.3多质点体系地震作用底部剪力GE:结构总重力荷载n＝1时，χ=1；n＞1时，χ=0.75~0.90，可近似取χ=0.85。2024/12/1§5.3多质点体系地震作用地震作用分布高阶振型影响底部剪力法地震作用分布2024/12/1第6章其他作用§6.1温度作用§6.2变形作用§6.6离心力§6.3爆炸作用§6.4浮力作用§6.7预加力§6.5制动力、牵引力与冲击力2024/12/1§6.1温度作用§6.1温度作用基本概念及温度作用原理固体的温度发生变化时,会产生热变形。如果热变形受到约束,固体内部将产生应力,这个应力称为温度应力或热应力。因此温度变化是一种作用。温度变化季节变化室内外温差变化混凝土水化热（大坝、大体积基础）火灾2024/12/1§6.1温度作用温度的变化对结构物内部产生一定的影响,其影响的计算应根据不同结构类型区别对待。静定结构在温度变化时不对温度变形产生约束,故不产生内力,但由于材料具有热胀冷缩的性质,可使静定结构自由地产生符合其约束条件的位移,这种位移可由变形体系的虚功原理计算。对超静定结构,由于存在多余约束,当温度改变时引起的温度变形会受到约束,从而在结构内产生内力,这也是超静定结构不同于静定结构的特征之一。超静定结构的温度作用效应,一般可根据变形协调条件,按结构力学方法计算。2024/12/1§6.1温度作用超静定结构温度作用效应的计算方法方法Ⅰ:将多余约束释放掉，利用温度变形等于约束力变形条件。方法Ⅱ:将温度变化当做等效力作用于结构。2024/12/1§6.2变形作用§6.2变形作用对于超静定结构,如果结构的约束处或非约束处被迫发生变形,这一变形将使结构产生内力。常见的变形作用支座移动基础不均匀沉降混凝土结构的徐变与收缩2024/12/1§6.2变形作用变形作用的计算将多余约束释放掉,利用被迫变形等于约束力变形条件。2024/12/1§6.3爆炸作用§6.3爆炸作用爆炸作用的概念在足够小的容积内以极短的时间突然释放出的能量，以致产生一个从爆源向有限空间传播开去的一定幅度的压力波（冲击波）。爆炸作用的种类冲击波对结构的作用有两种:冲击波超压和冲击波动压总压=超压+动压2024/12/1§6.3爆炸作用冲击波对地面结构物的作用最大的反射超压ΔPf(kPa)--入射波波阵面上的最大超压(kPa)--反射系数,取值2~82024/12/1§6.3爆炸作用冲击波对地下结构物的作用深度h处压缩波峰值压力Ph(kPa)

--深度(m)

--地面空气冲击波超压(kPa)2024/12/1§6.3爆炸作用地下结构顶盖动载峰值P1(kPa)--综合反射系数,取1.8地下结构侧墙动载峰值P2(kPa)--压缩波作用下的侧压系数2024/12/1§6.3爆炸作用2024/12/1§6.3爆炸作用地下结构底板动载峰值P3(kPa)--底压系数,对非饱和土中结构=0.5~0.75对饱和土=0.8~1.02024/12/1§6.4浮力作用§6.4浮力作用地下水或地表水能否通过土的孔隙,连通或溶入到结构基底,决定了能否达到完全浮力状态。当不能确定地基是否透水时,应将透水和不透水两种情况与其他荷载组合,取其最不利者。2024/12/1§6.5制动力、牵引力与冲击力§6.5制动力、牵引力与冲击力制动力汽车制动力:一列汽车总重量的10%。吊车制动力:纵向—一侧轮压的10%横向—αH(小车+吊重)2024/12/1§6.5制动力、牵引力与冲击力汽车冲击力竖向冲击力横向撞击力2024/12/1§6.6离心力§6.6离心力--计算车速（km/h）--弯道半径（m）--车辆重力（kN）2024/12/1§6.7预加力§6.7预加力目的通过预加力产生与构件所承受的外荷载效应相反的应力状态。应用常用于混凝土结构。因混凝土抗拉强度低,预先使混凝土受压,可提高混凝土的抗拉承载力。2024/12/1§6.7预加力预加力方式外部预加力和内部预加力先张法预加力和后张法预加力预弯梁预加力2024/12/1§6.7预加力先张法:先张拉钢筋，后浇筑混凝土后张法:先浇筑混凝土（留孔道），后张拉钢筋有粘结和无粘结预应力施加有粘结:靠钢筋与混凝土的粘结施加预应力无粘结:靠锚具施加预应力有粘结和无粘结方法选择有粘结:先张、后张无粘结:后张2024/12/1§6.7预加力预弯钢梁预弯梁的预加力施加过程2024/12/1第7章荷载的统计分析§7.1荷载的概率模型§7.2荷载的各种代表值§7.3荷载效应及荷载效应组合2024/12/1§7.1荷载的概率模型§7.1荷载的概率模型荷载类型永久荷载（如自重）持久荷载（如建筑楼面活荷载）2024/12/1§7.1荷载的概率模型短时荷载（如风载）2024/12/1§7.1荷载的概率模型荷载的随机过程模型任意时点荷载相同条件下的同类结构上作用的以上各类荷载在任一确定时刻的量值,为随机变量。随机过程不同时刻任意时点荷载将不同,因此荷载实际上是一个随时间变化的随机变量,在数学上可用随机过程模型来描述。2024/12/1§7.1荷载的概率模型平稳二项随机过程荷载模型假定（1）根据荷载每变动一次作用在结构上的时间长短,将设计基准期T等分为r个相等的时段τ,或认为设计基准期T内荷载均匀变动r=T/τ；（2）在每个时段τ内,荷载Q出现（即Q＞0）的概率为p,不出现（即Q＜0）的概率为q=1-p；2024/12/1§7.1荷载的概率模型（3）在每一时段τ内，荷载出现时，其幅值是非负的随机变量，在不同的时段上的概率分布是相同的，记时段τ内的荷载概率分布（也称为任意时点荷载分布）为:（4）不同时段τ上的荷载幅值随机变量相互独立，且与在时段τ上是否出现荷载无关。2024/12/1§7.1荷载的概率模型随机过程荷载模型2024/12/1§7.1荷载的概率模型各类荷载模型系数永久荷载:p=1,τ=T=50年持久荷载:按实际情况确定如楼面活载τ=10年，r=5，p=1短时荷载:一般取τ=1年，r=50，p=1荷载在设计基准期T内的最大值的概率分布FT(x)2024/12/1§7.1荷载的概率模型FT(x)与Fi(x)统计参数关系Fi(x)为正态分布情况2024/12/1§7.1荷载的概率模型Fi(x)为极值Ⅰ型分布情况2024/12/1§7.2荷载的各种代表值§7.2荷载的各种代表值各种荷载的最大值QT一般为随机变量，为实际设计方便，采用具体数值代表QT，称为代表值。可变荷载代表值:标准值、准永久值、频遇值、组合值永久荷载代表值:标准值2024/12/1§7.2荷载的各种代表值荷载标准值Qk—基本代表值定义我国现行各种荷载标准值的pk2024/12/1§7.2荷载的各种代表值重现期Tk

Qk也可用Tk年一遇来定义标准值定义的统一取相同的pk或Tk值2024/12/1§7.2荷载的各种代表值准永久值荷载的准永久值Qx指在结构上经常作用的可变荷载值,它在设计基准期内具有较长的持续时间Tx,其对结构的影响相似于永久荷载。2024/12/1§7.2荷载的各种代表值荷载准永久值系数2024/12/1§7.2荷载的各种代表值荷载组合值当作用在结构上有两种或两种以上的可变荷载时,由于同时以最大值出现的概率很小,可采用其组合值。2024/12/1§7.3荷载效应及荷载效应组合§7.3荷载效应及荷载效应组合荷载效应结构上的荷载所产生的内力、变形、应变等,为荷载效应。荷载效应系数S=CQ2024/12/1§7.3荷载效应及荷载效应组合荷载与荷载效应统计参数关系2024/12/1§7.3荷载效应及荷载效应组合荷载效应组合当结构承受两种以上可变荷载时,应考虑荷载效应组合规则。Turkstra组合规则2024/12/1§7.3荷载效应及荷载效应组合三种不同荷载的组合2024/12/1§7.3荷载效应及荷载效应组合JCSS组合规则2024/12/1§7.3荷载效应及荷载效应组合不同组合规则的优缺点Turkstra组合规则易理解,便于应用,但可能遗漏更不利组合。JCSS组合规则可考虑所有不利组合,但组合数较多。2024/12/1第8章结构抗力的统计分析§8.1影响结构抗力的不定性§8.2结构构件材料性能的不定性§8.3结构构件几何参数的不定性§8.4结构构件计算模式的不定性§8.5结构构件抗力的统计特征2024/12/1§8.1影响结构抗力的不定性§8.1影响结构抗力的不定性关于结构抗力的一些概念结构抗力的定义抗力:抵抗结构荷载效应的能力两种抗力承载力—抵抗荷载作用内力刚度—抵抗荷载作用变形2024/12/1§8.1影响结构抗力的不定性结构抗力的层次整体结构抗力结构构件抗力构件截面抗力截面各点抗力目前设计变形抗力要求主要针对整体结构和结构构件,而承载力抗力要求主要针对结构构件或构件截面（将两者统称为构件抗力）。由于承载力抗力更重要,主要讨论承载力抗力的统计分析。2024/12/1§8.1影响结构抗力的不定性影响抗力的主要因素材料性能的不定性Xm几何参数的不定性Xa计算模式的不定性Xp2024/12/1§8.2结构构件材料性能的不定性§8.2结构构件材料性能的不定性产生原因:材料品质、制作工艺、环境条件等的差异。定义:Xm=fc/(k0fk)fc:材料性能实际值；fk:规范规定值（标准值）；k0:反应实际值与实验值差异的系数。2024/12/1§8.3结构构件几何参数的不定性§8.3结构构件几何参数的不定性产生原因:结构构件制作的不完全精确。定义:XA=a/(ak)a:几何参数的实际值（实测值）；ak:几何参数的标准值（一般取设计值）。2024/12/1§8.4结构构件计算模式的不定性§8.4结构构件计算模式的不定性产生原因:计算假定、计算模型、计算简化等与实际不完全一致。定义:Xp=R0/(RC)R0:结构的实际抗力（可取实验实测值或精确计算值）；RC:按规范公式的抗力计算值。2024/12/1§8.5结构构件抗力的统计特征§8.5

结构构件抗力的统计特征结构构件抗力的统计参数结构构件抗力的分布类型2024/12/1第9章结构可靠度分析§9.1结构可靠度基本概念§9.2结构可靠度分析的实用方法§9.3随机变量间的相关性对结构可靠度的影响§9.4结构体系的可靠度2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念§9.1结构可靠度基本概念结构的功能要求—四项基本功能（1）能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；（2）在正常使用时具有良好的工作性能；（3）在正常维护下具有足够的耐久性能；（4）在偶然事件发生时（如地震、火灾等）及发生后,仍能保持必需的整体稳定性。2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念(1)、(4)为结构的安全性(2)为结构的适用性统称为结构的可靠性(3)为结构的耐久性结构的功能函数令Z=R-SR:结构抗力；S:结构荷载效应。2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念有三种情况:(1)Z>0结构可靠(2)Z<0结构失效(3)Z=0结构处于极限状态称Z=R-S为结构的功能函数Z=R-S=0为结构极限状态方程由于影响荷载效应S和结构抗力R都有很多基本的随机变量，则结构功能函数的一般形式为2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念结构极限状态定义:如果整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态。两类极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念承载能力极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏）,或因过度的塑性变形而不适于继续承载；（3）结构转变为机动体系；（4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）。2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念正常使用极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。（1）影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其他特定状态。2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念结构可靠度定义:结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。是结构可靠性的概率量度。规定的时间—一般指结构设计基准期。在同样的条件下，规定时间越长，结构的可靠度越低。规定的条件—指正常设计、正常施工、正常使用条件，排除人为错误或过失因素。2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念基本计算公式

可靠度失效概率或如果S与R相互独立,则2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念此时2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念结构可靠指标如果S和R为两个相互独立的正态随机变量,则其中2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念令

标准正态随机变量则Φ(·):标准正态分布函数2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念β与Pf的关系β越大,Pf越小,Ps越大2024/12/1§9.1结构可靠度基本概念β与Pf的数值关系2024/12/1§9.2结构可靠度分析的实用方法§9.2结构可靠度分析的实用方法中心点法特点:仅利用基本随机变量的统计参数（均值和方差）计算结构的可靠度，因此实用方便。假定:根据概率中心极限定理，Z的分布随功能函数中自变量数n的增加而渐进于正态分布。2024/12/1§9.2结构可靠度分析的实用方法情况Ⅰ:结构功能函数为线性函数情况则2024/12/1§9.2结构可靠度分析的实用方法情况Ⅱ:结构功能函数为非线性函数情况在各个变量的中心点（均值点）展开成泰勒级数，仅取线性项则2024/12/1§9.2结构可靠度分析的实用方法可靠指标β的几何意义2024/12/1§9.2结构可靠度分析的实用方法2024/12/1§9.2结构可靠度分析的实用方法结论中心点法的优缺点优点缺点2024/12/1§9.2结构可靠度分析的实用方法验算点法验算点法对中心点法的改进验算点法计算步骤2024/12/1§9.3随机变量间的相关