《工程荷载与可靠度设计原理》课后思考题及复习详解Word下载.docx

《工程荷载与可靠度设计原理》课后思考题及复习详解Word下载.docx

《《工程荷载与可靠度设计原理》课后思考题及复习详解Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《工程荷载与可靠度设计原理》课后思考题及复习详解Word下载.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

2.3试述静止土压力、主动土压力和被动土压力产生的条件？

比较三者数值的大小？

当挡土墙在土压力作用下，不产生任何位移或转动，墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力，可用E0表示。

当挡土墙在土压力的作用下，向离开土体方向移动或转动时，作用在墙背上的土压力从静止土压力值逐渐减少，直至墙后土体出现滑动面。

滑动面以上的土体将沿这一滑动面向下向前滑动，在滑动楔体开始滑动的瞬间，墙背上的土压力减少到最小值，土体内应力处于主动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力称为主动土压力，可用Ea表示。

当挡土墙在外力作用下向土体方向移动或转动时，墙体挤压墙后土体，作用在墙背上的土压力从静止土压力值逐渐增大，墙后土体也会出现滑动面，滑动面以上土体将沿滑动方向向上向后推出，在滑动楔体开始隆起的瞬间，墙背上的土压力增加到最大值，土体内应力处于被动极限平衡状态。

此时作用在墙背上的土压力称为被动土压力，可用Ep表示。

在相同的墙高和填土条件下，主动土压力小于静止土压力，而静止土压力又小于被动土压力，即：

2.4当楼面面积较大时，楼面均布活荷载为什么要折减？

民用建筑的楼面均布活荷载标准值是建筑物正常使用期间可能出现的最大值，当楼面面积较大时，作用在楼面上的活荷载不可能同时布满全部楼面，在计算楼面梁等水平构件楼面活荷载效应时，若荷载承载面积超过一定的数值，应对楼面均布活荷载予以折减。

同样，楼面荷载最大值满布各层楼面的机会更小，在结构设计时，对于墙、柱等竖向传力构件和基础应按结构层数予以折减。

2.5车道荷载为什么要沿横向和纵向折减？

桥梁设计时各个车道上的汽车荷载都是按最不利位置布置的，多车道桥梁上的汽车荷载同时处于最不利位置可能性随着桥梁车道数的增加而减小。

在计算桥梁构件截面产生的最大效应（内力、位移）时，应考虑多车道折减。

当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应进行折减。

大跨径桥梁随着桥梁跨度的增加桥梁上实际通行的车辆达到较高密度和满载的概率减小，应考虑计算跨径进行折减。

2.6什么叫基本雪压？

它是如何确定的？

雪压是指单位水平面积上的雪重，雪压值的大小与积雪深度和积雪密度有关。

基本雪压是在空旷平坦的地面上，积雪分布均匀的情况下，经统计得到的50年一遇的最大雪压。

屋面的雪荷载由于受到屋面形式、积雪漂移等因素的影响，往往与地面雪荷载不同，需要考虑一换算系数将地面基本雪压换算为屋面雪荷载。

2.7试述风对屋面积雪的漂移作用及其对屋面雪荷载取值的影响？

风对雪的漂积作用是指下雪过程中，风会把部分将要飘落或者已经漂积在屋面上的雪吹移到附近地面或邻近较低的屋面上，对于平屋面和小坡度屋面，风对雪的漂移作用会使屋面上的雪压一般比邻近地面上的雪压要小；

对于双坡屋面、高低跨屋面，迎风面吹来的雪往往在背风一侧屋面上漂积，引起屋面不平衡雪荷载。

风对积雪的漂移影响可通过屋面积雪分布系数加以考虑。

3侧压力

3.1静水压强具有哪些特征？

如何确定静水压强？

静水压力是指静止液体对其接触面产生的压力，具有两个特性：

一是静水压强垂直于作用面，并指向作用面内部；

二是静止液体中任一点处各方向的静水压强均相等，与作用的方位无关。

确定静水压强时常以大气压强为基准点，静水压强与水深呈线性关系，随水深按比例增加；

水压力作用在结构物表面法线方向，水压力分布与受压面形状有关。

如果受压面为垂直平面，已知底部深度h，则可按

求得底部压强，再作顶部和底部压强连线便可得到挡水结构侧向压强分布规律。

3.2实际工程中为什么常将桥墩、闸墩设计成流线型？

在实际工程中，为减小绕流阻力，常将桥墩、闸墩设计成流线型，以缩小边界层分离区，达到降低阻力的目的。

3.3试述波浪传播特征及推进过程？

波浪是液体自由表面在外力作用下产生的周期性起伏波动，其中风成波影响最大。

在海洋深水区，波浪运动不受海底摩阻力影响，称为深水推进波；

波浪推进到浅水地带，海底对波浪运动产生摩阻力，波长和波速缩减，波高和波陡增加，称浅水推进波；

当浅水波向海岸推进，达到临界水深，波峰发生破碎，破碎后的波重新组成新的水流向前推移，而底层出现回流，这种波浪称为击岸波；

击岸波冲击岸滩，对海边水工建筑施加冲击作用，即为波浪荷载。

3.4如何对直立式防波堤进行立波波压力、远破波波压力和近破波波压力的计算？

波浪作用力不仅与波浪本身特征有关，还与结构物形式和海底坡度有关。

对于作用于直墙式构筑物上的波浪分为立波、远堤破碎波和近堤破碎波三种波态。

在工程设计时，应根据基床类型、水底坡度、浪高及水深判别波态，分别采用不同公式计算波浪作用力。

我国《港工规范》分别给出了立波波压力、远破波波压力和近破波波压力计算方法，先求得直墙各转折点压强，将其用直线连接，得到直墙压强分布，即可求出波浪压力，计算时尚应考虑墙底波浪浮托力。

3.5冰压力有哪些类型？

冰压力按其作用性质不同，可分为静冰压力和动冰压力。

静冰压力包括冰堆整体推移的静压力，风和水流作用于大面积冰层引起的静压力以及冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力；

另外冰层因水位上升还会产生竖向作用力。

动冰压力主要指河流流冰产生的冲击作用。

3.6冰堆整体推移静压力计算公式是如何导出的？

由于水流和风的作用，推动大面积浮冰移动对结构物产生静压力，可根据水流方向和风向，考虑冰层面积来计算：

（3.31）

式中：

P——作用于结构物的正压力（N）；

Ω——浮冰冰层面积（m2）,一般采用历史上最大值；

P1——水流对冰层下表面的摩阻力（Pa），可取为0.5

，

为冰层下的流速（m/s）;

P2——水流对浮冰边缘的作用力（Pa），可取为

，h为冰厚（m），l为冰层沿水流方向的平均长度（m），在河中不得大于两倍河宽；

P3——由于水面坡降对冰层产生的作用力（Pa），等于920hi，i为水面坡降；

P4——风对冰层上表面的摩阻力（Pa），P4=（0.001~0.002）VF，VF为风速,采用历史上有冰时期和水流

方向基本一致的最大风速（m/s）；

——结构物迎冰面与冰流方向间的水平夹角；

——结构物迎冰面与风向间的水平夹角。

3.7冰盖层受到温度影响产生的静压力与哪些因素有关？

冰盖层温度上升时产生膨胀，若冰的自由膨胀变形受到坝体、桥墩等结构物的约束，则在冰盖层引起膨胀作用力。

冰场膨胀压力随结构物与冰覆盖层支承体之间的距离大小而变化，当冰场膨胀受到桥墩等结构物的约束时，则在桥墩周围出现最大冰压力，并随着离桥墩的距离加大而逐渐减弱。

冰的膨胀压力与冰面温度、升温速率和冰盖厚度有关，冰压力沿冰厚方向基本上呈上大下小的倒三角形分布，可认为冰压力的合力作用点在冰面以下1/3冰厚处。

3.10试述浮托力产生的原因及考虑的方法？

水浮力为作用于建筑物基底面的由下向上的水压力，当基础或结构物的底面置于地下水位以下，在其底面产生浮托力，浮托力等于建筑物排开同体积的水重力。

地表水或地下水通过土体孔隙的自由水沟通并传递水压力。

浮托力的大小取决于土的物理特性，当地下水能够通过土的孔隙溶入到结构基底，且固体颗粒与结构基底之间接触面很小时，可以认为土中结构物处于完全浮力状态。

浮托力作用可根据地基的透水程度，按照结构物丧失的重量等于它所排除的水重这一原则考虑：

（1）对于透水性土，应计算水浮力；

对于非透水性土，可不考虑水浮力。

若结构物位于透水性饱和的地基上，可认为结构物处于完全浮力状态，按100%计算浮托力。

（2）若结构物位于透水性较差地基上，如置于节理裂隙不发育的岩石地基上，地下水渗入通道不畅，可按50%计算浮托力。

（3）若结构物位于粘性土地基上，土的透水性质难以预测，对于难以确定是否具有透水性质的土，计算基底应力时，不计浮力，计算稳定时，计入浮力。

对于计算水浮力的水位，计算基底应力用低水位，计算稳定用设计水位。

（4）地下水也对地下水位以下岩石、土体产生浮托力，基础底面以下土的天然重度或是基础底面以上土的加权平均重度应取有效重度。

（5）地下水位在基底标高上下范围内涨落时，浮托力的变化有可能引起基础产生不均匀沉降，应考虑地下水位季节性涨落的影响。

4风荷载

4.1.基本风压是如何定义的？

影响风压的主要因素有哪些？

基本风压是在规定的标准条件下得到的，基本风压值是在空旷平坦的地面上，离地面10m高，重现期为50年的10min平均最大风速。

影响风压的主要因素有：

（1）风速随高度而变化，离地表越近，摩擦力越大，因而风速越小。

（2）与地貌粗糙程度有关，地面粗糙程度高，风能消耗多、风速则低。

（3）与风速时距风有关，常取某一规定时间内的平均风速作为计算标准。

（4）与最大风速重现期有关，风有着它的自然周期，一般取年最大风速记录值为统计样本，对于一般结构，重现期为50年；

对于高层建筑、高耸结构及对风荷载比较敏感的结构，重现期应适当提高。

当实测风速高度、时距、重现期不符合标准条件时可进行基本风压换算。

4.2.试述风速和风压之间的关系？

风速和风压之间的关系可由流体力学中的伯努利方程得到，自由气流的风速产生的单位面积上的风压力为：

式中

——单位面积上的风压力（kN/m2）

——空气密度（t/m3）

——空气单位体积重力（kN/m3）

g——重力加速度（m/s2）

v——风速（m/s）

在标准大气压情况下，

=0.012018kN/m3，g=9.80m/s2，可得：

在不同的地理位置，大气条件是不同的，

和g值也不相同。

通常取为：

4.5.什么叫梯度风？

什么叫梯度风高度？

在离地表300~500m大气边界层以上的高度，风的流动不受地面粗糙层的影响，风沿着等压线以层流方式自由流动，称为梯度风。

梯度风流动的起点高度称为梯度风高度。

4.6.影响大气边界层以下气流流动的因素有哪些？

地球表面通过地面的摩擦对空气水平运动产生阻力，从而使靠近地面的气流速度减慢，该阻力对气流的作用随高度增加而减弱，只有在离地表300~500m以上的高度，风才不受地表粗糙层的影响能够以梯度风速度流动。

不同地表粗糙度有不同的梯度风高度，地面粗糙度小，风速变化快，其梯度风高度比地面粗糙度大的地区为低；

反之，地面粗糙度越大，梯度风高度将越高。

4.7.《荷载规范》是如何划分和度量地面粗糙度的？

《荷载规范》将地面粗糙度分为A、B、C、D四类，分类情况及相应的地面粗糙度指数

和梯度风高度HT如下：

A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取

=0.12，HTA=300m；

B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，取

=0.16，HTB=HT0=350m；

C类指有密集建筑群的城市市区，取

=0.22，HTC=400m；

D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区，取

=0.30，HT0=450m。

4.8什么是风载体型系数？

建筑物处于风流场中，风力在建筑物表面上的分布是不均匀的，风作用在建筑物表面的不同部位将引起不同的风压值，此值与来流风压之比称为风载体型系数。

风载体型系数表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型和尺寸有关。

目前要完全从理论上确定受风力作用的任意形状物体的压力分布尚做不到，一般均通过风洞试验确定风载体型系数。

4.9.高层建筑为什么要考虑群体间风压相互干扰？

如何考虑？

高层建筑群房屋相互间距较近时，由于尾流作用，引起风压相互干扰，对建筑物产生动力增大效应，使得房屋局部风压显著增大，设计时可将单体建筑物的体型系数

乘以相互干扰增大系数加以考虑。

4.10.计算顺风向风效应时，为什么要区分平均风和脉动风？

结构顺向的风作用可分解为平均风和脉动风，平均风的作用可通过基本风压反映，基本风压是根据10min平均风速确定的，虽然它已从统计的角度体现了平均重现期为50年的最大风压值，但它没有反映风速中的脉动成分。

脉动风是一种随机动力荷载，风压脉动在高频段的峰值周期约为1~2min，一般低层和多层结构的自振周期都小于它，因此脉动影响很小，不考虑风振影响也不致于影响到结构的抗风安全性。

而对于高耸构筑物和高层建筑等柔性结构，风压脉动引起的动力反应较为明显，结构的风振影响必须加以考虑。

4.11.工程设计中如何考虑脉动风对结构的影响？

对于高耸构筑物和高层建筑等柔性结构，风压脉动引起的动力反应较为显著，必须考虑结构风振影响。

《荷载规范》要求，对于结构基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构；

以及对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋，应考虑风压脉动对结构产生的顺风向风振。

结构风振影响可通过风振系数计算：

，式中脉动增大系数

可由随机振动理论导出，此时脉动风输入达文波特（Davenport）建议的风谱密度经验公式，也可查表确定。

结构振型系数

可根据结构动力学方法计算，也可采用近似公式或查表确定。

脉动影响系数v主要反应风压脉动相关性对结构的影响，可通过随机振动理论分析得到，为方便设计人员进行工程设计，已制成表格，供直接查用。

4.12.结构横向风振产生的原因是什么？

建筑物或构筑物受到风力作用时，横风向也能发生风振。

横风向风振是由不稳定的空气动力作用造成的，它与结构截面形状和雷诺数有关。

对于圆形截面，当雷诺数在某一范围内时，流体从圆柱体后分离的旋涡将交替脱落，形成卡门涡列，若旋涡脱落频率接近结构横向自振频率时会引起结构涡激共振。

4.13.什么叫锁定现象？

在结构产生横向共振反应时，若风速增大，旋涡脱落频率仍维持不变，与结构自振频率保持一致，这一现象称为锁定。

在锁定区内，旋涡脱落频率是不变的。

只有当风速大于结构共振风速约1.3倍时，旋涡脱落才重新按新的频率激振。

4.14.什么情况下要考虑结构横风向风振效应？

如何进行横风向风振验算？

应根据雷诺数Re的不同情况进行横风向风振验算。

当雷诺数增加到Re≥3.5×

106，风速进入跨临界范围时，出现规则的周期性旋涡脱落，一旦旋涡脱落频率与结构横向自振频率接近，结构将发生强烈涡激共振，有可能导致结构损坏，危及结构的安全性，必须进行横向风振验算。

跨临界强风共振引起在z高处振型j的等效风荷载可由下列公式确定：

式中

——计算系数；

——在z高处结构的j振型系数；

——第j振型的阻尼比。

横风向风振主要考虑的是共振影响，因而可与结构不同振型发生共振效应。

对跨临界的强风共振，设计时必须按不同振型对结构予以验算。

一般认为低振型的影响占主导作用。

只需考虑前4个振型即可满足要求。

4.15.公路《桥规》中是如何考虑桥梁横向风力作用的？

公路《桥规》按静力方法计算横向风力作用，即考虑基本风速、设计风速重现期换算系数、风载阻力系数、风速高度变化修正系数、地形和地理条件系数以及阵风风速系数后，按横向风压乘以迎风面积获得横向风力。

4.16什么是桥梁静力风荷载的三分力系数？

桥梁的静力风荷载一般采用三分力来描述，即气流流经桥梁时，由于截面表面的风压分布存在差别，上下表面压强差的面积分就是桥梁所受的升力荷载，而迎风前后表面压强差的面积分则是桥梁所受的风阻力荷载，即通常所说的横风向力；

此外，当升力与阻力的合力作用点与桥梁截面的形心不一致时，还会产生对形心的扭矩。

三分力系数即是上述静气动力系数，反映桥梁截面在均匀流中承受的静风荷载大小。

该系数通常是在风轴坐标系下，由节段模型风洞试验测定获得。

4.17桥梁风振有哪些振动形式？

对结构会产生怎样的影响?

桥梁结构风致振动大致可分为两类，一类是自激发散振动，例如颤振和驰振，振动结构可以不断从气流中获取能量，抵消阻尼对振动的衰减作用，从而使振幅不断加大，导致结构风毁，这实际上是一种空气动力失稳现象，对桥梁危害最大。

另一类是限幅振动，例如涡激振动和抖振，涡激振动是由结构尾流中产生的周期性交替脱落的旋涡引起，当一个结构物处于另一个结构物的涡列之中，还会激发出不规则的强迫振动，即抖振。

涡振和抖振均可在低风速下发生，虽不具破坏性，但会对杆件接头等连接部位造成疲劳破坏，设计时可通过构造措施解决。

5地震作用

5.1试述构造地震成因的局部机制和宏观背景？

构造地震成因的局部机制可以用地壳构造运动来说明，在漫长的地质年代中，地球内部处于不断运动之中，原始水平状的岩层在地应力作用下发生形变；

当地应力使岩层产生弯曲变形积累的应力超过本身强度极限时，岩层就发生突然断裂和猛烈错动，岩层中原先积累的应变能全部释放，并以弹性波的形式传到地面，地面随之振动，形成地震。

构造地震成因的宏观背景可以借助板块构造学说来解释。

板块构造学说认为，地壳和地幔顶部厚约70~100km的岩石组成了全球岩石圈，岩石圈由大大小小的板块组成，板块下面是塑性物质构成的软流层。

软流层中的地幔物质以岩浆活动的形式涌出海岭，推动软流层上的大洋板块在水平方向移动，并在海沟附近向大陆板块之下俯冲，返回软流层。

各板块边缘由于地幔对流而互相挤压、碰撞，在板块的交界地区就会产生连绵不断的地震。

5.2什么地震波？

地震波包含了哪几种波？

它们的传播特点是什么？

对地面运动影响如何？

地震引起的振动以波的形式向震源向各个方面传播并释放能量，这就是地震波。

地震波是一种弹性波，它包括在地球内部传播的体波和在地面附近传播的面波。

体波可分为两种形式的波，即纵波（P波）和横波（S波）。

纵波在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向一致。

纵波又称压缩波，其特点是周期较短，振幅较小。

横波在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向垂直。

横波又称剪切波，其特点是周期较长，振幅较大。

面波是体波经地层界面多次反射形成的次生波，它包括两种形式的波，即瑞雷波（R波）和乐甫波（L波）。

瑞雷波传播时，质点在波的前进方向与地表面法向组成的平面内作逆向椭圆运动；

乐甫波传播时，质点在与波的前进方向垂直的水平方向作蛇形运动。

纵波使建筑物产生上下颠簸，横波使建筑物产生水平摇晃，而面波使建筑物既产生上下颠动又产生水平晃动，当横波和面波都到达时振动最为强烈。

一般情况下，横波产生的水平振动是导致建筑物破坏的主要因素。

5.4什么是地震烈度？

震级与烈度两者有何关联？

地震烈度是指某地区地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度，它是按地震造成的后果分类的。

我国采用12等级划分的地震烈度表。

地震震级与地震烈度是两个不同的概念，震级表示一次地震释放能量的大小，烈度表示某地区遭受地震影响的强弱程度。

震级和烈度只在特定条件下存在大致对应关系。

对于浅源地震（震源深度在10~30km）震中烈度I0与震级M之间有如下经验公式：

。

5.5什么是地震作用？

怎样可以确定地震作用？

地震释放的能量以地震波的形式传到地面，引起结构振动。

结构由地震引起的振动称为结构的地震反应，振动过程中作用在结构上的惯性力就是“地震荷载”，它使结构产生内力，发生变形。

抗震设计时，结构所承受的“地震荷载”实际上是地震动输入结构后产生的动态作用。

按照现行国家标准规定，荷载仅指直接作用，地震对结构施加的影响属间接作用，应把结构承受的“地震荷载”称为地震作用。

5.6地震系数和动力系数的物理意义是什么？

地震系数

是地面运动最大加速度与重力加速度的比值，即

动力系数

是单自由度体系在地震作用下最大反应加速度与地面运动加速度的比值，也就是质点最大加速度比地面最大加速度的放大倍数，即

5.7影响地震反应谱的因素有哪些？

设计用反应谱是如何反映这些因素的影响的？

影响反应谱形状的因素主要有场地条件、震级大小和震中距远近，其中场地条件影响最大。

场地土质松软，长周期结构反应较大，谱曲线峰值右移；

场地土质坚硬，短周期结构反应较大，谱曲线峰值左移。

另外震级和震中距对谱曲线也有影响，在烈度相同的情况下，震中距较远时，加速度反应谱的峰点偏向较长周期，曲线峰值右移；

震中距较近时，峰点偏向较短周期，曲线峰值左移。

设计用反应谱为反映这种影响，根据场地类别和设计地震分组的不同分别给出反应谱参数。

5.8简述确定结构地震作用的底部剪力法和振型分解反应谱法的基本原理和步骤？

（1）振型分解反应谱法的基本原理和步骤

对于多质点弹性体系建立动力平衡方程，利用振型的正交性，采用以振型为基底的广义坐标，可将联立的运动方程解耦，转化为n个独立方程，再比照单质点体系的求解方法，即可得到多质点体系在地震作用下任一质点的位移反应，该位移反应等于n个相应的单自由度体系相对位移反应与相应振型的线性组合。

利用振型分解反应谱法可确定多质点体系在地震作用下相应于

振型

质点的水平地震最大作用：

再按“平方之和再开方”的组合公式确定水平地震作用效应，即：

（2）底部剪力法和振型分解反应谱法的基本原理和步骤

对于高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法计算水平地震作用。

底部剪力法仅考虑基本振型先算出作用于结构底部的总剪力，然后将此总剪力按某一规律分配到各个质点。

结构底部总剪力按下式计算：

各质点水平地震作用：

5.9什么叫鞭端效应？

设计时如何考虑这种效应？

地震作用下突出建筑物屋面的附属小建筑物，如电梯间、女儿墙、附墙烟囱等由于重量和刚度突然变小，高振型影响较大，会产生鞭端效应。

结构按底部剪力法计算时，只考虑了第一振型的影响，突出屋出的小建筑物在地震中相当于受到从屋面传来的放大了的地面加速度，采用基底剪力法计算这类小建筑的地震作用效应时应乘以放大系数3。

放大系数是针对突出屋面的小建筑物强度验算采用的，局部放大作用不往下传。

5.10什么叫结构的刚心和质心？

结构的扭转地震效应是如何产生的？

结构的刚心是结