讲授：张玉林讲授：张玉林荷载及结构设计原理荷载及结构设计原理建筑工程技术教研室建筑工程技术教研室目录目录绪论（建筑结构设计与可靠性理论的发展）绪论（建筑结构设计与可靠性理论的发展）荷载类型荷载类型重力重力侧压力侧压力风荷载风荷载地震作用地震作用其他作用其他作用荷载的统计分析荷载的统计分析结构抗力的统计分析结构抗力的统计分析结构可靠度分析结构可靠度分析结构概率可靠度设计法结构概率可靠度设计法第六章 其他荷载与作用本章内容本章内容第一节第一节 温度作用温度作用第二节第二节 变形作用变形作用第三节第三节 爆炸作用爆炸作用 第四节第四节 浮力作用浮力作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用第六节第六节 预加力预加力第六章 其他荷载与作用第一节第一节 温度作用温度作用一、温度作用基本概念及原理温度作用因温度变化引起的结构变形和附加力。u具体表现：当结构或构件的温度发生变化时，体内任一点（单元体）热变形（膨胀或收缩）由于受到周围相邻单元体的约束（内约束）或边界受到其他结构或构件的约束（外约束），使体内该点产生温度应力。u温度作用大小影响因素：环境温度变化约束条件第六章 其他荷载与作用第一节第一节 温度作用温度作用工程约束条件：（1）结构物的变形受到其他物体的阻碍或支承条件的制约，不能自由变形。框架结构基础梁的伸缩变形受到柱基约束，没有任何变形余地。第六章 其他荷载与作用第一节第一节 温度作用温度作用简支屋面梁温差引起的应力分布 大体积混凝土梁水化热引起的应力分布 （2）构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。简支屋面梁，在日照作用下屋面温度高于室内温度，简支梁沿梁高受到不均匀温差作用，产生翘曲变形，在梁中引起应力。大体积混凝土梁结硬时，水化热使得中心温度较高，两侧温度偏低，内外温差不均衡在截面引起应力。第六章 其他荷载与作用第一节第一节 温度作用温度作用二、温度应力计算根据不同的结构形式和约束条件考虑温度变化对结构内力和变形的影响。由于温度变化引起的材料膨胀和收缩变形是自由的，故在结构上不引起内力，其变形可由虚功原理计算。存在多余约束，其温度作用效应的计算，一般根据变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。u静定结构：u超静定结构：第六章 其他荷载与作用第一节第一节 温度作用温度作用三、温度变化的考虑温度变化：由气温变化和结构温差引起气温变化：一年中大气气温年温差，通常取最高月和最低月平均气温的差值。我国长江中下游一带大气气温年温差约为30。结构温差：由于日照、骤冷等天气原因或高温车间、低温冷库等使用情况造成的结构内外温度差异，应考虑房屋散热和保暖条件，按实际调查情况确定温差取值。第六章 其他荷载与作用第一节第一节 温度作用温度作用钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距（m）结构类别室内或土中露天排架结构装配式10070框架结构装配式7550现浇式5535剪力墙结构装配式6540现浇式4530挡土墙、地下室墙壁等类结构装配式4030现浇式3020u建筑结构：通常不计算温度应力，采取构造措施混凝土结构设计规范、砌体结构设计规范、钢结构设计规范 均有不同的要求 第六章 其他荷载与作用第二节第二节 变形作用变形作用u变形作用由于外界因素的影响（如结构或构件的支座移动或地基发生不均匀沉降），或自身原因构件发生伸缩变形（如混凝土构件发生徐变），使得结构物被迫发生变形和内力。静定结构：允许产生符合其约束条件的位移，结构内不会产生应力和应变超静定结构：多余约束限制结构自由变形，从而产生应力和应变第六章 其他荷载与作用第二节第二节 变形作用变形作用中部沉降过大引起的正八字裂缝 厂房大面积堆载基础下沉 一、地基变形的影响u砌体结构房屋，地基不均匀沉降在砌体中引起附加拉力或剪力，当附加内力超过砌体本身强度便产生裂缝。u单层厂房，因地面大面积堆载造成基础下沉，使柱身在附加弯矩作用下开裂。第六章 其他荷载与作用第二节第二节 变形作用变形作用刚架桥右侧支柱下沉引起裂缝 连续梁桥两端桥台沉陷引起裂缝 u刚架桥，当右端支柱基础下沉，刚架梁柱相应产生附加弯矩。横梁节点处产生裂缝。u连续梁桥，墩台沉降不均匀引起梁内附加力，如两端桥台下沉较大，则中间桥墩上梁身所受负弯矩增大，顶部会产生自上而下的裂缝。第六章 其他荷载与作用第二节第二节 变形作用变形作用二、混凝土收缩和徐变u混凝土收缩：混凝土在硬化时，由于水泥胶体的凝缩和干燥失水以及碳化作用引起的体积减小的现象。如果受到外部支承条件或内部钢筋的约束，会在混凝土中产生拉应力，加速裂缝的产生和发展，影响构件的耐久性和疲劳强度等性能。工程设计中如何考虑？第六章 其他荷载与作用第二节第二节 变形作用变形作用应考虑混凝土收缩变形计算结构附加内力，但常常通过构造措施降低和避免收缩影响，而不去计算收缩应力。（1）限制结构物伸缩缝距离，控制结构不要过长；（2）设置后浇带减少混凝土早期收缩影响；（3）收缩应力较大部位加强配筋；（4）采用补偿收缩混凝土，设置膨胀加强带，抵销收缩变形和约束应力等。例如：第六章 其他荷载与作用第二节第二节 变形作用变形作用设置后浇带后浇沉降带、后浇收缩带、后浇温度带 第六章 其他荷载与作用第二节第二节 变形作用变形作用u混凝土徐变：荷载的长期作用下，混凝土的变形随时间而增长的现象。（1）对钢筋混凝土受压构件，徐变将荷载卸载给钢筋，使构件中钢筋的应力或应变增加，混凝土应力减小，有利于防止和减小结构物裂缝的形成。（2）徐变对结构也有不利影响，如受弯构件受压区混凝土的徐变可使挠度增加，预应力混凝土结构的徐变将引起预应力的损失。有利和不利影响：第六章 其他荷载与作用第三节第三节 爆炸作用爆炸作用一、爆炸的概念就是物质系统迅速释放能量的物理或化学过程，它在极短的时间内迸发大量能量，并以波的形式对周围介质施加高压。爆炸按照爆炸发生机理和作用性质分：物理爆炸、化学爆炸、燃气爆炸和核爆炸等多种类型。第六章 其他荷载与作用第三节第三节 爆炸作用爆炸作用二、爆炸力学性质1. 压力时间曲线核爆升压时间很快；化爆升压时间相对较慢，峰值压力亦较核爆为低；燃爆升压最慢，峰值压力也更低。2. 冲击波和压力波爆炸会在瞬间压缩周围空气而产生超压，爆炸压力超过正常大气压，核爆、化爆和燃爆都产生不同幅度的超压，其作用效应相当于静压。 从压力时间曲线看：超压第六章 其他荷载与作用第三节第三节 爆炸作用爆炸作用在极短的时间内压力达到峰值，气体急速地被挤压和推进而产生冲击波。冲击波所到之处，除产生超压外，还带动波阵面后空气质点高速运动引起动压，动压与物体形状和受力面方位有关，类似于风压。以超压为主，动压很小，可以忽略，其爆炸波属压力波。核爆、化爆燃气爆炸第六章 其他荷载与作用第三节第三节 爆炸作用爆炸作用三、爆炸对结构的影响及计算1. 爆炸对结构的影响 爆炸对结构产生的破坏程度与爆炸的性质和爆炸物质的数量有关。爆炸发生的环境或位置不同，其破坏作用也不同，在封闭的房间、密闭的管道内发生的爆炸其破坏作用比在结构外部发生的爆炸要严重的多。 燃气爆炸是建筑结构易于遭遇到的爆炸，民用燃气爆炸升压时间与结构基本周期相比，作用时间足够缓慢，可以忽略惯性力，把燃气爆炸对结构的作用当作静力作用，不必考虑其动力效应。第六章 其他荷载与作用第三节第三节 爆炸作用爆炸作用2. 泄瀑保护 燃气爆炸大都发生在生产车间、居民厨房等室内环境，一旦爆炸发生，常常是窗玻璃被压碎，屋盖被气浪掀起，导致室内压力下降，起到泄压保护作用。第六章 其他荷载与作用第三节第三节 爆炸作用爆炸作用3. 压力峰值计算第六章 其他荷载与作用第三节第三节 爆炸作用爆炸作用第六章 其他荷载与作用第四节浮力作用第四节浮力作用第六章 其他荷载与作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用一、汽车冲击力冲击作用由于车辆荷载动力作用而使桥梁发生振动而造成内力和变形增大的现象。冲击影响与结构刚度有关，结构越柔对动力荷载的缓冲作用越好。u公路桥规给出了以基频（基本周期）表示的桥梁冲击力计算的具体规定：（1）钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、拱桥等上部结构和钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车的冲击作用。第六章 其他荷载与作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用（2）汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数m。（3）冲击系数m可按下式计算：当 f 14Hz 时， m = 0.45（4）汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用1.3。第六章 其他荷载与作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用（5）对于铁路钢筋混凝土、混凝土、石砌的桥跨结构及涵洞、刚架桥，当其顶上填土厚度h1m(从轨底算起)时不计冲击力，当h1m时 L-桥跨长度或（局部）构件的影响线加载长度（6）对于拱桥、涵洞以及重力式墩台，当填料厚度（包括路面厚度）等于或大小0.5m时，可不计冲击力。第六章 其他荷载与作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用二、离心力当弯道桥的曲线半径等于或小于250m时 ，应计算汽车荷载产生的离心力。u离心力的取值可通过车辆重力P(不计冲击力) 乘以离心力系数C得到：式中 v行车速度（m/s）；R弯道曲线半径（m）； 第六章 其他荷载与作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用三、制动力（一）汽车制动力u公路桥梁（1）汽车制动力按同向行驶的汽车荷载（不计冲击力）计算，并考虑汽车荷载效应纵向折减的规定，以使桥梁墩台产生最不利纵向力的加载长度上进行纵向折减。第六章 其他荷载与作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用一个设计车道上汽车制动力标准值按规定的车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10计算，但公路级汽车制动力标准值不得小于165kN；公路级汽车制动力标准值不得小于90kN。同向行驶双车道的汽车制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的2倍；同向行驶三车道为一个设计车道的2.34倍；同向行驶四车道为一个设计车道的2.68倍。第六章 其他荷载与作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用（2）制动力的着力点在桥面以上1.2m处，计算墩台时，可移至支座铰中心或支座底座面上。计算刚构桥、拱桥时，制动力的着力点可移至桥面上，但不计因此而产生的竖向力和力矩。第六章 其他荷载与作用第五节第五节 行车动态作用行车动态作用u城市桥梁（1）按一个设计车道，当采用城A级汽车荷载设计时，制动力应采用160kN或10%车道荷载；当采用城B级汽车荷载设计时，制动力应采用90kN或10%车道荷载，以上均不包括冲击力，并取两者中的较大值。（2）当计算的加载车道为2条或2条以上时，应以2条车道为准，其制动力不折减。第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力一、基本概念以某种人为方式在结构构件上预先施加与构件所承受的外荷载产生相反效应的力预加力建立了预应力的构件称为预应力构件第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力对受拉区混凝土预先施加一定的压应力，让受拉区的混凝土处于受压状态，使其能够部分或全部抵消由荷载产生的拉应力，从而延缓构件开裂，甚至不出现裂缝。u预加力的原理与作用第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力u预应力构件的优点充分发挥了高强材料的作用（混凝土的抗压、高强钢筋的抗拉）；提高了构件的抗裂度，使构件不开裂或开裂甚微；提高了构件的刚度，跨越能力增加，截面尺寸和挠度却减小。第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力u预应力构件的应用范围大跨度结构如大跨度桥梁、体育馆和车间以及机库等大跨度建筑的屋盖、高层建筑结构的转换层；对抗裂有特殊要求的结构如压力容器、压力管道、水工或海洋建筑，还有冶金、化工厂的车间等；某些高耸建筑结构如水塔、烟囱、电视塔等；某些大量制造的预制构件如预应力空心板、预应力预制桩。第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力二、按设计方法和施工特点的分类（一）外部预加力和内部预加力u外部预加力结构或构件所加的预加力来自结构之外；u内部预加力若混凝土构件中的预加力是通过张拉结构中的高强钢筋，使构件产生预压应力。应用甚少运用广泛第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力(a) 张拉并锚定钢筋 (b) 浇筑混凝土并养护 (c) 放松钢筋混凝土受预压 （二）先张法预加力和后张法预加力l先张法：先张拉钢筋用锚具临时固定(a)，然后浇筑混凝土(b) 。待混凝土达到一定强度后，放松预应力钢筋。当预应力钢筋回缩时，将压缩混凝土(c) ，使混凝土获得预加力。u预应力的建立主要依靠钢筋与混凝土之间的粘结力第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力张拉台座先张法第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力(a) 浇筑混凝土并预留孔道 (b) 穿预应筋并张拉预应力 (c) 锚固后压力灌浆 l后张法：先浇筑混凝土构件，并预留孔道(a)，待混凝土达到一定强度后，往孔道中穿入钢筋，用千斤顶张拉钢筋，并同时压缩混凝土(b) 。张拉完毕后用锚具将钢筋固定在构件两端，然后往孔道内压力灌浆(c) 。u预应力的建立主要依靠构件两端的锚固装置第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力某T型梁施工后张法第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力某T型梁施工后张法第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力某预应力无梁楼盖施工后张法第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力某预应力楼盖施工后张法第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力两种方法优缺点：先张法：生产工艺简单，工序少，效率高，质量容易保证，省去了永久锚具，生产成本低，但需要专门张拉台座，为便于运输，先张法只用于预制中小型预应力混凝土构件，如楼板、屋面板、桥面板及中小型吊车梁等。后张法：不需要专门张拉台座，预应力筋可根据弯矩或剪力变化布置成曲线形，但施工工艺比较复杂，锚具花费较大，导致成本较高，一般适用于现场施工的大跨屋架、薄腹梁以及大跨度桥梁等。第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力（三）有粘结和无粘结预应力混凝土及体外预应力混凝土构件（1）有粘结预应力混凝土依靠预应力钢筋与混凝土的有效粘结建立预应力，如先张法预应力混凝土及后张灌浆预应力混凝土。（2）无粘结预应力混凝土预应力钢筋与混凝土没有任何粘结强度，荷载作用下各自变形。一般采用专用油脂将预应筋与混凝土隔开，钢材与混凝土之间是无粘结的，仅靠两端锚具建立预应力。第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力（3）体外预应力混凝土结构预应力钢筋布置在混凝土构件之外，预应力钢筋通过专门装置与混凝土构件相接触并传递应力。广泛用于桥梁结构和房屋结构加固中。（4）全预应力和部分预应力混凝土结构根据预应力混凝土构件受拉区混凝土在预应力和荷载共同作用下的应力状态进行分类。第六章 其他荷载与作用第六节第六节 预加力预加力全预应力混凝土结构： 在全部荷载及预加力共同作用下受拉区不出现拉应力。这类结构抗裂性好、刚度大，但预应力筋的用量往往较大，放松钢筋时构件反拱大，截面预拉区常会开裂。部分预应力混凝土结构： 在全部使用荷载作用下受拉区出现拉应力或裂缝。虽然抗裂性和刚度略有降低，但仍能满足使用要求，已成为预应力混凝土结构设计和应用的发展方向。