《作用与荷载设计》课件

作用与荷载设计作用与荷载设计是结构设计的重要组成部分。它直接影响结构的安全性、可靠性和经济性。课程大纲第一章作用与荷载的基本概念包括荷载的分类、荷载的标准、荷载的组合等。第二章构件受力分析包括平面桁架分析、平板及壳体分析、简支梁分析等。第三章极限状态设计理论包括承载能力极限状态、服役极限状态、稳定性极限状态等。第四章材料性能与安全系数包括不同材料的性能、设计安全系数的选取等。1.基本概念荷载结构物在使用过程中受到各种外力的作用，这些外力称为荷载。荷载会对结构物产生压力和拉力，因此工程师必须根据荷载的类型和大小来设计结构物。作用结构物在受到荷载作用时，会产生各种作用，例如弯曲、扭转和剪切等。这些作用是结构物抵抗荷载的关键因素。设计作用与荷载设计是结构设计中一个重要的部分，其目标是确保结构物在荷载作用下能够安全可靠地运行。荷载的分类11.自重荷载结构本身的重量，包括建筑材料、构件等。22.永久荷载作用时间较长，基本保持不变，例如固定设备、管道等。33.可变荷载作用时间较短，随时间变化，例如人员、家具、雪等。44.偶然荷载极少发生的荷载，例如地震、爆炸等。常用荷载标准建筑荷载包含各种结构自重、设备荷载、屋面荷载、人流荷载等屋面荷载主要考虑屋面本身的重量、雪荷载、风荷载等起重机荷载主要考虑起重机本身重量、吊运货物重量和行驶荷载等风荷载主要考虑风对建筑物的冲击力，与建筑物高度、形状、风速有关荷载组合基本荷载组合基本荷载组合用于计算结构在正常使用状态下的承载能力，例如，自重荷载加上活荷载的组合。偶然荷载组合偶然荷载组合用于计算结构在意外情况下所承受的荷载，例如，地震荷载、风荷载等。特殊荷载组合特殊荷载组合用于计算结构在特殊情况下所承受的荷载，例如，爆炸荷载、撞击荷载等。荷载组合原则荷载组合应考虑各种荷载的组合方式，并确保结构在各种荷载组合作用下能够安全可靠。2.构件受力分析梁梁是承受横向载荷的构件，其主要受力形式为弯矩和剪力。柱柱是承受轴向压力和弯矩的构件，其主要受力形式为轴力。桁架桁架是由杆件通过节点连接而成的结构体系，主要承受轴向力。板板是承受面内载荷的构件，其主要受力形式为弯矩和剪力。平面桁架分析基本假设假设杆件为理想刚性杆，节点为理想铰接，仅承受轴向力。力平衡方程基于静力学原理，建立节点力平衡方程，求解杆件内力。结构分析方法可采用节点法、截面法或矩阵方法等进行分析，计算杆件内力。绘制内力图根据计算结果绘制内力图，直观显示桁架受力情况。平板及壳体分析1平板结构平板结构是指由薄板材料构成，并通过边界约束形成的结构形式。平板结构具有轻质、高强度、易加工等优点，在建筑、航空航天等领域得到广泛应用。2壳体结构壳体结构是指由曲面薄板构成，并通过边界约束形成的结构形式。壳体结构具有高承载能力、良好的刚度和稳定性，在建筑、桥梁、船舶等领域得到了广泛应用。3分析方法平板及壳体结构的分析方法主要包括有限元法、解析法等。有限元法是一种数值方法，可以用来模拟复杂结构的力学行为。解析法是一种数学方法，可以用来求解简单结构的精确解。简支梁分析1荷载类型集中荷载、均布荷载、梯形荷载2支座条件简支梁、悬臂梁、连续梁3截面形状矩形截面、圆形截面、T形截面4材料性能钢材、混凝土、木材5计算方法力矩法、位移法、矩阵法简支梁分析是结构力学中的重要内容，通过分析梁的受力情况，可以计算出梁的内力分布以及变形情况。3.极限状态设计承载能力极限状态结构抵抗力小于作用荷载，导致结构破坏或丧失使用功能。例如：建筑物倒塌、桥梁断裂。服役极限状态结构变形过大或振动过强，影响使用功能或舒适性。例如：楼板过大挠度、墙体裂缝过大。承载能力极限状态结构抵抗破坏结构抵抗外荷载导致破坏的能力。极限状态设计保证结构在使用寿命内不发生失效，例如断裂、屈服或失稳。安全系数考虑材料强度、施工误差等因素，提高结构安全裕度。服役极限状态11.使用功能服役极限状态主要考虑结构在使用过程中是否满足功能要求，例如房屋的整体稳定性、隔声、隔热等。22.外观结构的变形、裂缝等是否符合美观要求，例如桥梁的整体外观，建筑的立面等。33.耐用性结构是否能够在使用寿命期内正常使用，例如混凝土的耐久性、钢材的防腐蚀性等。44.舒适性结构的振动、噪音等是否符合舒适性要求，例如高层建筑的防风性能、高铁的舒适性等。稳定性极限状态稳定性结构抵抗倒塌、失稳和整体破坏的能力。抗倾覆抵抗外部荷载引起的倾覆和旋转的能力。抗侧移抵抗横向荷载引起的侧移和失稳的能力。抗屈曲抵抗轴向荷载引起的屈曲和失稳的能力。4.材料性能与安全系数不同材料性能材料性能直接影响结构的承载能力和耐久性。不同材料具有不同的强度、弹性模量、抗拉强度和抗剪强度等。例如，混凝土的抗压强度较高，但抗拉强度较低；钢材的抗拉强度和抗剪强度较高，但抗压强度较低。设计安全系数选取设计安全系数是为了考虑材料性能的离散性和施工质量的不确定性。安全系数的选择应考虑材料性能、结构类型、荷载性质和使用环境等因素。通常，安全系数取值越高，结构越安全。不同材料性能混凝土混凝土具有高抗压强度，但抗拉强度较低，耐腐蚀性强。钢钢材具有高强度和韧性，可用于各种结构中。木材木材易于加工，重量轻，但强度较低。砖砖具有良好的耐火性和隔热性，但强度和耐久性有限。设计安全系数选取结构类型不同结构类型，例如钢结构、混凝土结构、木结构，需要采用不同的安全系数。这取决于材料的强度、延性、脆性等因素。荷载类型对于不同的荷载，如永久荷载、可变荷载、地震荷载等，也需要选择不同的安全系数。重要程度对结构物的安全等级也需考虑。对于重要的公共建筑，安全系数应高于一般建筑。规范要求最终，安全系数的选取应符合相关规范的要求，确保结构的安全可靠。5.设计举例11.混凝土结构梁柱设计混凝土梁柱设计需要考虑荷载、材料强度、尺寸等因素，以确保结构安全和耐久性。22.钢结构柱件设计钢结构柱件设计涉及截面形状、材料强度、连接方式等，并需进行稳定性分析。33.木结构屋架设计木结构屋架设计需考虑木材特性、连接方式、荷载分布，确保结构的承载能力和抗风性。混凝土结构梁柱设计1荷载计算考虑各种作用确定设计荷载2截面选择满足强度要求控制变形3配筋设计满足承载力控制裂缝宽度4节点构造确保连接可靠考虑施工方便性钢结构柱件设计1荷载计算确定柱子承受的荷载大小2截面选择根据荷载和材料选择合适的截面尺寸3稳定性验算确保柱子在荷载作用下不会发生失稳4强度验算确保柱子的强度足够承受荷载5连接设计设计柱子与其他构件的连接方式钢结构柱件设计需要综合考虑荷载、材料、截面尺寸、稳定性、强度等因素。设计过程中需要进行一系列的计算和验算，确保结构的安全性和可靠性。木结构屋架设计1结构特点木结构屋架轻巧美观，具有良好的隔热保温性能，适合用于多种建筑类型。2设计步骤首先确定屋架的尺寸和形状，然后计算荷载，并选择合适的木材材料，最后进行结构设计。3施工要点注意木结构屋架的连接节点设计，保证屋架的强度和稳定性，并进行防腐防虫处理。6.设计注意事项工况分析设计过程应充分考虑结构在不同工况下的受力情况，包括静载荷、动载荷、温度变化等因素。荷载组合选取根据不同工况，选择合适的荷载组合，并进行荷载效应的叠加分析，确保结构安全。变形控制控制结构在使用过程中的变形，避免过大的沉降和挠度，确保结构的功能性和美观性。工况分析正常使用状态正常使用状态下，结构承受各种日常荷载，例如人员、家具、设备等的重量，同时还应考虑风荷载、雪荷载等自然因素的影响。特殊工况特殊工况是指在正常使用状态以外，结构可能承受的特殊荷载，例如地震荷载、火灾荷载、施工荷载等，这些荷载强度通常比正常使用状态下的荷载高。荷载组合选取11.常规荷载组合常规荷载组合适用于大多数结构设计，包括永久荷载和可变荷载。22.特殊荷载组合针对特殊情况，如地震、风荷载或爆炸荷载，需要考虑特殊荷载组合。33.荷载系数荷载系数用于考虑荷载的不确定性，保证结构的安全可靠性。44.设计规范选择荷载组合需遵循相关规范要求，以确保结构的安全性。变形控制限制变形结构的变形会影响建筑物的外观和使用功能，必须限制在允许范围内。荷载效应不同荷载会产生不同的变形，需要根据荷载类型和大小进行控制。材料特性不同材料的弹性模量不同，会影响结构的变形，需要考虑材料特性。结构形式不同的结构形式会影响结构的刚度和变形，需要根据结构形式进行控制。7.设计过程示范1问题提出结构设计需求2方案选择材料和结构形式3计算与验算荷载分析和强度验证4总结与展望设计结果和未来改进设计过程示范展示了结构设计从问题提出到最终结果的完整流程。从明确设计需求开始，经过方案选择、计算与验算，最终得到设计结果，并展望未来改进方向。问题提出项目背景首先，需要了解项目背景和具体需求，包括建筑类型、规模、使用功能等。设计要求其次，明确设计要求，包括荷载标准、安全等级、材料选择、施工工艺等。问题分析根据项目背景和设计要求，分析可能遇到的荷载问题，例如集中荷载、分布荷载、风荷载、地震荷载等。目标明确最终，明确设计目标，例如保证结构安全、经济性、美观度、耐久性等。方案选择结构类型选择合适的结构类型，例如框架结构、剪力墙结构、组合结构等，以满足建筑物的功能要求和荷载要求。材料选择根据结构类型、荷载大小、环境条件等因素选择合适的材料，例如混凝土、钢材、木材等。构件尺寸根据结构类型、材料性能、荷载大小等因素确定构件的尺寸，确保结构的强度、刚度和稳定性。施工方法选择合适的施工方法，确保结构的质量和安全性。计算与验算1确定荷载计算作用在结构上的荷载。