土木工程概论-土木工程荷载讲义

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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。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特征值、设计值一、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、非常承重构件的重力、土压力、水压力、预应力、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。如人员设备重力、车辆重力、风荷载、雪荷载、温度荷载等。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、地震荷载二、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。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。 （3）三角形分布荷载：沿构件长度或高度按斜直线变化的荷载。如水压力、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、荷载的组合及代表值、设计值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。根据不同的设计要求，规定不同量值的代表值，包括：（1）标准值：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，因而导致试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：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。组合值系数见《荷载规范》表4．1．1。（3）（可变荷载）频遇值：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。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：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φq也就是说，准永久值系数φq，为荷载准永久值与荷载标准值的比值，其值恒小于1．0。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γ G：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：第三节荷载的效应1、内力与变形轴向力：弯矩：剪切力：扭矩： 轴向变形：弯曲变形：剪切变形：扭转变形：2、应力与应变拉伸压缩应力：弯曲应力：剪切应力：扭转应力：线应变：角应变（切应变）：3、裂缝：