工程结构荷载与可靠度设计原理-完整版课件.ppt
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1、工程结构荷载与可靠度设计原理工程结构荷载与可靠度设计原理2022-12-21第1章 荷载类型1.1 荷载与作用1.2 作用的分类2022-12-21 1.1 1.1 荷荷载与载与作用作用 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。2022-12-21 1.1 1.1 荷荷载与载与作用作用 直接作用 狭义荷载 作用 广义荷载 间接
2、作用2022-12-21 1.2 1.2 作用的分作用的分类类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。2022-12-21 1.2 1.2 作用的分作用的分类类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,
3、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。2022-12-21 1.2 1.2 作用的分作用的分类类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。2022-12-21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2022-12-21 2.1 2.1 结构结构自重自重构件的
4、自重(kN)bGVbGV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)2022-12-21 2.1 2.1 结构结构自重自重按面积分布自重F2022-12-21 2.1 2.1 结构结构自重自重按长度分布自重f2022-12-21 2.1 2.1 结构结构自重自重均质土中竖向自重应力分布2022-12-21 2.1 2.1 结构结构自重自重成层土中竖向自重应力沿深度的分布2022-12-21 2.1 2.1 结构结构自重自重成层土深度z处的竖直有效自重应力1 1221ncznniiihhhh式中ihin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
5、,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i2022-12-21 2.1 2.1 结构结构自重自重土的有效重度iiwi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w水的重度,一般取10kN/m32022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载载2022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载载一、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。SdSd式中:雪压(N/m2)雪重度(N/m3)雪深(m)2022-12-21 2.3 2.
6、3 雪荷雪荷载载雪重度随雪深的变化:2022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载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。2022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载载二、屋面的雪压 影响屋面雪压的因素:风;屋面形式;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。2022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载载漂积作用的影响: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
7、局部较大的漂积荷载;高低屋面上漂积雪的分布2022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载载 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2022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载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 2022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载载单跨双坡屋面雪载分布2022-12-21 2.3 2.3 雪荷雪荷载载屋面散热的影响 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。20
8、22-12-21 2.4 2.4 车辆车辆荷荷载载定义 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2022-12-21 2.4 2.4 车辆车辆荷荷载载公路车辆荷载 汽车荷载分为两个等级:公路级和公路级;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。2022-12-21 2.4 2.4 车辆车辆荷荷载载车辆荷载布置图单位(m)2022-12-21
9、 2.4 2.4 车辆车辆荷荷载载列车荷载 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2022-12-21 2.5 2.5 楼楼面活荷面活荷载载定义 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。2022-12-21 2.5 2.5 楼楼面活荷面活荷载载一些国家楼面均布活荷载取值(kN/m2)2022-12-21
10、2.6 2.6 人群荷人群荷载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,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;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。2022-12-21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2022-12-21
11、 3.1 3.1 土的土的侧侧向向压压力力一、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。2022-12-21 3.1 3.1 土的土的侧侧向向压压力力 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。2022-12-21 3.1 3.1 土的土的侧侧向向压压力力二、基本原理 一般土的侧向压力计算采用朗
12、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。2022-12-21 3.1 3.1 土的土的侧侧向向压压力力 弹性静止状态竖向应力:水平应力:1zz30 xKz 塑性主动状态竖向应力:水平应力:1z常数3xa2022-12-21 3.1 3.1 土的土的侧侧向向压压力力 塑性被动状态竖向应力:水平应力:3z常数1xp2022-12-21 3.1 3.1 土的土的侧侧向向压压力力三、土压
13、力的计算 静止土压力00Kz01 sinK 2022-12-21 3.1 3.1 土的土的侧侧向向压压力力主动土压力2022-12-21 3.1 3.1 土的土的侧侧向向压压力力被动土压力2022-12-21 3.2 3.2 水水压压力及流水力及流水压压力力一、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0AApph2022-12-21 3.2 3.2 水水压压力及流水力及流水压压力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2022-12-21 3.2 3.2 水水压压力
14、及流水力及流水压压力力二、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:ppp静动pppp动静p动时段平均动压力(Pa);p脉动压力(Pa);2022-12-21 3.3 3.3 波浪荷波浪荷载载 波浪的性质成波原因:风、潮汐波浪特性:波长、周期、波幅h波浪参数2022-12-21 3.3 3.3 波浪荷波浪荷载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2022-12-21 3.3 3.3 波浪荷波浪荷载载直墙上的波浪荷载按三种波浪设计(1)立波;(2)近区破
15、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2022-12-21 3.3 3.3 波浪荷波浪荷载载 远区破碎波的压力 远区破碎波在直墙上的压强分布2022-12-21 3.3 3.3 波浪荷波浪荷载载 近区破碎波的压力 近区破碎波在直墙上的压强分布2022-12-21 3.3 3.3 波浪荷波浪荷载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2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力 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
16、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。2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力冻土的分类(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(
17、即季节冻土层)。2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力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。2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力 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
18、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。2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力在开放体系中,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
19、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。2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力 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。2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力作用在结构物基础上的冻胀力分类示意图2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力冻胀力的计算(1)切向冻胀力计算2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力(2)法向冻胀力计算2022-12-21 3.4 3.4 冻胀冻胀力力(3)水平冻胀力计
20、算2022-12-21 3.5 3.5 冰冰压压力力 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。2022-12-21 3.5 3.5 冰冰压压力力 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:yPm A Rb h 2022-12-21 3.6 3.6 撞撞击击力力船只或水中漂
21、流物对桥梁墩台的撞击力:/PWVgTWVTg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);2022-12-21 3.6 3.6 撞撞击击力力2022-12-21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2022-12-21 4.1 4.1 风风的有的有关关知知识识 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2022-12-21 4.1 4.1 风风的有的有关关知知识识
22、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。2022-12-21 4.1 4.1 风风的有的有关关知知识识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 大陆2022-12-21 4.1 4.1 风风的有的有关关知知识识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2022-12-21 4.1 4.1 风风的有的有关关知知识识4.1.4 风级根据风对地面(或海面
23、)物体影响程度,将风划分为13个等级。2022-12-214.1.4 4.1.4 风级风级2022-12-214.1.4 4.1.4 风级风级 从国际空间站拍摄的飓风伊万云图 最高风速214km/h(59.4m/s)2022-12-214.1.4 4.1.4 风级风级 飓风伊万造成的损失在30亿至100亿美元之间2022-12-214.1.4 4.1.4 风级风级 飓风伊万摧毁的房屋2022-12-214.1.4 4.1.4 风级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2022-12-214.1.4 4.1.4 风级风级 台风云娜登录时卫星云图2022-12-214.1.4 4
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