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土木工程概论土木工程荷载讲义大字体15页word文档

土木工程荷载

第一节荷载的概念

一、作用：

是指能够使结构产生效应的各种原因（因素）的总称。

作用又分为直接作用和间接作用。

二、效应：

结构在外界各种因素作用下所产生的位移、变形、加速度、内力、应力、应变、裂缝等的总称，用S表示。

三、直接作用：

指直接作用在结构上的外力，如承重构件的自重、非常承重构件的重力、人的重量、家具设备的重量、风雪对构成的作用力等。

工程上把直接作用称为荷载或狭义荷载。

四、间接作用：

指能够使结构产生效应的各种非直接作用因素。

如地基不均匀沉降变形、混凝土干燥收缩、焊接变形、温度变化或地震等引起的变形等。

习惯上，把间接作用也成为荷载，如温度荷载、地震荷载等。

我们把直接作用和间接作用统称为广义荷载。

第二节荷载的类型与组合

一、荷载的类型

（一）按荷载随时间的变异性和出现的可能性，分：

1、永久荷载（恒载）：

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，或其变化是单调的并能趋于某一限制，故又称为恒荷载。

如结构自重、非承重构件的重力、土压力、水浮力、预加应力、混凝土收缩、地基沉降、焊接等。

2、可变荷载（活载）：

在结构设计基准期内，其值随时间发生变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载，又称为活荷载。

如楼面活荷载、屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、车辆荷载、风荷载、雪荷载、温度荷载、冰荷载等。

3、偶然荷载：

在结构设计基准期内不一定出现，但一出现其值很大且持续时间较短的荷载。

如爆炸力、冲击力、撞击力、地震荷载、飓风等。

（二）按作用在结构上荷载的分布状况特征，分：

1、体荷载（空间荷载）：

指分布在结构整个体积内连续作用的荷载。

如结构构件的自重、非承重构件及永久设备的重力等。

2、面荷载（分布荷载）：

指分布在结构某一表面连续作用的荷载。

（1）均布面荷载：

指分布均匀、连续，且大小方向处处相同的荷载。

如楼板的面层对结构层的荷载。

（2）均布线荷载：

指某些情况下可以将均布面荷载换算到计算构件的横、纵轴线上，即均布面荷载除以其负荷宽度，则可得到其沿横、纵轴线的均布线荷载。

如单向板沿短跨方向的弯矩。

（3）三角形（梯形）分布荷载：

沿构件长度或高度按斜直线变化的荷载。

如水压力、侧土压力等。

3、集中荷载（局部荷载）：

当作用在结构上的荷载的分布面积远小于结构尺寸时，则可以认为此荷载是作用在结构某一点上的集中荷载。

如吊车荷载、车辆荷载等。

（三）按荷载作用在结构上所产生的效应的不同，分：

1、静力荷载：

指荷载值从零增至最后数值后，其大小、位置、方向不再随时间发生改变的荷载。

其特点是不使建筑产生明显的振动或加速度。

如结构的自重、一般的活荷载等。

2、动力荷载：

指荷载值的大小、位置、方向随时间而迅速变化的荷载。

其特点是使结构产生振动或明显的加速度。

如动力机械产生的振动荷载、地震荷载、高层建筑的风荷载等。

（四）按荷载作用的方向

1、竖直荷载：

沿竖直方向作用的荷载。

如各种重力、一般活荷载。

2、水平荷载：

沿水平方向作用的荷载。

如风荷载、地震横波等。

（五）按荷载作用位置变化情况

1、固定荷载：

作用在结构上的位置可以认为是不变的荷载，如各种恒载。

2、可动荷载：

能够作用于结构上任何位置的荷载，如风荷载、雪荷载等。

3、移动荷载：

一系列互相平行、间距保持不变，但能在结构上移动的荷载，如车辆荷载、吊车荷载等。

二、荷载的组合及代表值、设计值

无论是什么形式的荷载，均存在着变异性；尤其是可变荷载和偶然荷载，其出现的位置、作用的方向、大小都是随机变化的。

因此，荷载是随机变量。

1、荷载代表值是设计中用以验算极限状态（承载能力极限状态和正常使用极限状态）所采用的荷载量值，是为了方便设计给荷载规定以一定的量值。

结构设计时，为了适应不同极限状态下的设计要求，规定不同量值的代表值，包括：

（1）标准值（Gk、Qk）：

是指结构在设计基准期内，在正常情况下可能出现的最大荷载值。

由于荷载本身的随机性，因而导致使用期间的最大荷载也是随机变量，所以荷载标准值统一规定为设计基准期内最大荷载统计概率分布的某一特征值（平均值、中值或某个分位值等）。

（2）（可变荷载）组合值（Qc）：

对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。

当结构上作用两种或两种以上的可变荷载时，考虑到其同时达到最大值的可能性较少，因此，在按承载能力极限状态设计或按正常使用极限状态的短期效应组合设计时，应采用荷载的组合值作为可变荷载的代表值。

可变荷载的组合值，为可变荷载乘以荷载组合值系数ψc，即Qc=ψc×Qk。

组合值系数见《荷载规范》表4．1．1。

（3）（可变荷载）频遇值（Qf）：

对可变荷载，在设计基准期内，其超越概率的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。

可变荷载频遇值应取可变荷载标准值乘以荷载频遇值系数ψf，即Qf=ψf×Qk。

荷载频遇值系数见《荷载规范》表4．1．1。

（4）（可变荷载）准永久值（Qq）：

对可变荷载，在设计基准期内，其超越概率的总时间约为设计基准期一半的荷载值。

可变荷载的准永久值，为可变荷载标准值乘以荷载准永久值系数ψq，即Qq=ψq×Qk。

也就是说，准永久值系数ψq，为荷载准永久值与荷载标准值的比值，其值恒小于1．0。

荷载准永久值系数见《荷载规范》表4．1．1。

2、荷载的设计值：

荷载代表值与荷载分项系数的乘积。

荷载分项系数是在设计计算中，反映了荷载的不确定性并与结构可靠度概念相关联的一个数值。

对永久荷载和可变荷载，规定了不同的分项系数。

（1）永久荷载分项系数γG：

当永久荷载对结构产生的效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合取γG=1．2；对由永久荷载效应控制的组合，取γG=1．35。

当产生的效应对结构有利时，—般情况下取γG=1．0；当验算倾覆、滑移或漂浮时，取γG=0．9；对其余某些特殊情况，应按有关规范采用。

（2）可变荷载分项系数γQ：

—般情况下取γQ=1．4；但对工业房屋的楼面结构，当其活荷载标准值>4kN／㎡时，考虑到活荷载数值已较大，则取γQ=1．3。

3、荷载的组合（荷载效应组合）：

按极限状态（承载能力极限状态和正常使用极限状态）设计时，为保证结构的安全可靠性而对同时出现的各种荷载设计值的规定。

①基本组合：

承载能力极限状态计算时，永久荷载和可变荷载的组合。

②偶然组合：

承载能力极限状态计算时，永久荷载、可变荷载及一个偶然荷载的组合。

③标准组合：

正常使用极限状态计算时，采用标准值或组合值为荷载代表值的组合。

④频遇组合：

正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用频遇值或准永久值为荷载代表值的组合。

⑤准永久组合：

正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合。

五、土木工程中常见荷载

1、材料、构件的自重：

2、楼面与屋面活荷载

（1）民用建筑楼面均布荷载：

（2）工业建筑楼面活荷载：

（3）屋面活荷载：

（4）屋面积灰荷载：

3、吊车荷载：

4、雪荷载：

5、风荷载：

8、地震荷载：

第三节结构的功能、极限状态与极限状态方程

一、结构的功能要求

结构设计的基本要求（或目的）是：

在现有技术基础上，用最经济的手段使结构在正常施工和使用的条件下，在预定的设计期（使用期）内满足下列预定功能的要求。

安全性：

指结构能承受正常施工和使用时可能出现的各种荷载和变形等作用，且在偶然事件（如地震、强风、爆炸、撞击）发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部损坏而不致发生倒塌。

适用性：

指结构在正常使用过程中，应具有良好的工作性能。

如应具有足够的刚度，以避免变形过大而影响正常使用。

耐久性：

指结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，能够正常使用到预定的设计使用期限。

如在设计规定的使用期间内，钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而发生锈蚀等。

结构的功能要求，即安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性，结构能够满足功能要求，称为结构可靠或有效；反之，则称为不可靠或失效。

建筑结构的设计使用年限：

指按规定设计的建筑结构或构件，在正常施工、正常使用和维护下，不需进行大修即可达到其预定功能要求的使用年限。

一般建筑结构的设计使用年限为50年。

二、结构功能的极限状态

整个结构或结构的一部分超过某一特定状态时，不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。

是结构“可靠”与“失效”的分界状态。

极限状态可分为以下两类：

1.承载能力极限状态

结构或构件达到最大承载能力，出现疲劳破坏或不适于继续承载的过大变形时的状态，称为承载能力极限状态。

当结构或构件出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限状态。

1）结构或构件之间的连接因材料超过其强度而破坏（包括疲劳破坏）；

2）结构丧失承载能力转变为几何可变体系；

3）结构或构件丧失稳定；

4）结构或构件发生滑移或倾覆，从而丧失平衡位置。

承载能力极限状态主要控制结构的安全性，结构一旦超过了这种极限状态，结构整体破坏，会造成人身伤亡和重大经济损失，因此，结构设计时应严格控制出现此种状态，即应把出现这种情况的概率控制得非常小。

2.正常使用极限状态

结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限值的状态，称为正常使用极限状态。

当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态。

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，包括裂缝宽度达到了规定限值；

3）影响正常使用的振动；

4）影响正常使用的其他特定状态。

正常使用极限状态控制结构的适用性和耐久性，当结构超过这种极限状态，其危险性比出现承载能力极限状态的危险性要小，一般不会造成人身伤亡或重大经济损失。

结构设计时对控制正常使用极限状态的出现概率要略高于承载能力极限状态。

包括变形验算、抗裂度验算。

结构设计时，为保证结构的安全可靠，对一切结构和构件均应进行承载能力极限状态的计算，而正常使用极限状态的验算应根据具体使用要求进行。

建筑物中各类结构构件使用阶段的安全等级、宜与整个结构的安全等级相同。

但容许对其中部分构件，根据其重要程度和综合经济效益进行适当调整。

三、结构极限状态方程和极限状态使用设计表达式

1、结构抗力：

是指结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等，用R表示。

结构抗力是结构内部固有的，其大小主要取决于材料性能、构件几何参数及计算模式的精确性等。

2、极限状态方程（结构的功能函数）：

当Z>0时，即R>S，可靠状态

当Z<0时，即R

当Z=0时，即R=S，极限状态

3、极限状态实用设计表达式

1）承载能力极限状态实用设计表达式

（1）设计表达式

γOS≤R

γO——结构重要性系数

（2）荷载效应基本组合设计值S

对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值确定。

①由可变荷载效应控制的组合

γO：

结构构件的重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为5年及以下的结构构件，不应小于0.9；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。

γG：

永久荷载分项系数，按下表采用；

SGk：

永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；

γQi：

第i个可变荷载的分项系数；按下表采用；

SQik：

按可变荷载标准值Qi计算的荷载效应值;

ψci：

可变荷载Qi的组合值系数，民用建筑楼面均布活荷载、屋面均布活荷载的组合值系数；

②由永久荷载效应控制的组合

③一般排架、框架结构的简化表达式

对一般排架、框架结构，可不区分第一可变荷载和第i个可变荷载，并采用相同的组合值系数，其荷载效应组合设计值取由可变荷载效应控制和由永久荷载效应控制的组合值中的最不利值。

由可变荷载效应控制的组合按下式计算：

由永久荷载效应控制的组合仍按上式采用

2）按正常使用极限状态设计的实用表达式

（1）实用表达式

对于正常使用极限状态，应根据不同的设计要求，采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合，按下列设计表达式进行设计：

S≤C

式中S—变形、裂缝等荷载效应的设计值；

C—结构构件达到正常使用要求所规定的限值，如变形、裂缝宽度等

（2）荷载效应组合设计值

①对于标准组合，其荷载效应组合的表达式为：

ψci：

可变荷载Qi的组合值系数

②对于频遇组合，其荷载效应组合的表达式为：

ψfi：

可变荷载Qi的准永久值系数

ψqi：

可变荷载Qi的准永久值系数

③对于准永久组合，荷载效应组合的表达式为：

ψqi：

可变荷载Qi的准永久值系数

四、建筑结构的安全等级

根据结构破坏产生的后果，危及人的生命、造成经济的损失和产生社会影响等严重程度，采用不同的安全等级，共划分三个安全等级。

建筑结构的安全等级

安全等级

破坏后果

建筑物类型

一级

很严重

重要的房屋

二级

严重

一般的房屋

三级

不严重

次要的房屋

注：

对有特殊要求的建筑物，其安全等级应根据具体情况另行规定。

第四节常见荷载的效应（以杆件为例）

1、内力与应力

1）内力：

外力作用引起构件内部的附加相互作用力。

（1）求内力的方法—截面法：

①假想沿m-m横截面将杆切开；

②留下左半段或右半段；

③将弃去部分对留下部分的作用用内力代替；

④对留下部分写平衡方程，求出内力的值。

（2）常见的内力形式

①轴向力：

简称轴力，是指杆件横截面上所作用的截面法向力的合力，可以简化至截面的轴线上，作用点即为该截面的杆件轴线通过点，方向为该点的轴线切线的方向。

②弯矩：

弯矩是促使相临截面一侧相互接近，另一侧相互分离的作用。

因此弯矩在截面上产生拉力与压力，拉力与压力共同构成截面力偶。

③剪切力：

简称剪力，是距离无限接近的相临截面上相互平行错动的作用，是指杆件横截面上所作用的截面切向力的合力，可以简化至截面的轴线上，作用点即为该截面的杆件轴线通过点，方向为该点的轴线法向的方向。

④扭矩：

扭矩是距离无限接近的相临截面上相互旋转错动的作用，因此扭矩在截面上产生的力也属于剪力。

2）应力：

为了表示内力在一点处的强度，引入内力集度,即应力的概念。

应力是矢量，通常分解为

2、变形与应变

1）位移：

2）变形：

物体内任意两点的相对位置发生变化。

取一微正六面体，两种基本变形：

（1）线变形——线段长度的变化

（2）角变形——线段间夹角的变化

（3）常见变形形式

①轴向变形：

②弯曲变形：

③剪切变形：

④扭转变形：

3）应变

（1）正应变（线应变）：

单位长度的线变形量。

x方向的平均应变：

M点处沿x方向的应变：

类似地，可以定义

（2）切应变（角应变）：

单位角度的角变形量

M点在xy平面内的切应变为：

3、裂缝：

希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：

1、理想的路总是为有信心的人预备着。

2、最可怕的敌人，就是没有坚强的信念。

——罗曼·罗兰

3、人生就像爬坡，要一步一步来。

——丁玲