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1、1,第二章 结构的荷载与作用,本章主要内容 2.1 荷载与作用 2.2 作用分类 2.3 荷载标准值与设计值 2.4 建筑结构常见的荷载与作用,2,2.1 荷载与作用,1、“结构上的作用”的定义 施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因的总称。,（1）直接作用：,直接以力的不同集结形式（集中力和分布力）作用于结构，例如：结构自重、楼面活荷载等。,（2）间接作用：,不是直接以力出现（外加变形和约束变形），但对结构产生内力，例如：基础沉降、温度变化等。,3,2、“荷载”的定义作用在结构上的外加力，即直接作用。3、作用与荷载的关系“作用”泛指结构产生内力、变形的所有原因，包
2、括直接作用和间接作用，而“荷载”仅指结构上的直接作用。,4,2.2 作用分类,（1）永久作用,在结构设计基准期内，其值不随时间变化，或者变化的量值相对平均值而言可以忽略不计。例如：结构自重、土的侧压力、静水压力、预加应力、混凝土收缩和徐变、基础不均匀沉降等（后两者随时间单调变化而趋于限值）。,1、按随时间的变异分类,其中的直接作用为永久荷载（恒载）,5,1、按随时间的变异分类,（2）可变作用,其中的直接作用为可变荷载（活载）,在结构设计基准期内，其值随时间发生变化，变化的量值相对平均值而言不可忽略不计。例如：楼面活荷载、车辆荷载、风荷载、雪荷载、流水压力、温度变化等。,6,1、按随时间的变异分
3、类,（3）偶然作用,在结构设计基准期内不一定出现，一旦出现其持续时间较短，量值可能很大。例如：地震作用、爆炸力、船只或漂流物撞击力等。,【思考】施工荷载、设备及家具自重属于何种作用？,7,2、按随空间位置的变异分类,（1）固定作用,在结构上出现的空间位置固定不变，但其量值可能具有随机性。例如：结构自重、固定设备自重、屋顶水箱重量等。,（2）自由作用,在结构上的一定空间任意分布，出现的位置和量值都可能是随机的。例如：车辆荷载、吊车荷载等，需要考虑其位置变化引起的最不利效应。,8,3、按结构的动力反应分类,（1）静态作用,（2）动态作用,动态作用应当考虑其动力效应，一般采用乘以动力系数，将动态作用
4、等效为静态作用的简化设计方法。,逐渐地、缓慢地施加在结构上，作用过程中不产生加速度或加速度甚微可以忽略不计。例如：楼面上人员荷载、雪荷载、土压力等。,使结构产生显著的加速度。例如：地震作用、设备振动、阵风脉动、打桩冲击等。,9,4、按作用方向分类,（1）竖向作用,（2）水平作用,例如：结构自重、楼面荷载等。,例如：水平地震作用及风荷载等。,作用按时间的变异分类,最主要的分类（应用最多）,10,2.3 荷载标准值与设计值,1、荷载标准值,（1）荷载的统计特性,我国对建筑结构的各种恒载、民用房屋楼面活荷载、风荷载和雪荷载进行了大量的调查和实测工作。对所取得的资料应用概率统计方法处理后，得到了这些荷
5、载的概率分布统计参数。,永久荷载 正态分布,如结构自重，该类荷载表现为近似恒定,11,可变荷载,可变荷载随时间的变异可统一用随机过程来描述。对可变荷载随机过程的样本函数处理后可得到可变荷载在任意时点的概率分布和在设计基准期内的最大值的概率分布。,极值型分布,如楼面活荷载，表现为一定时间段内量值恒定、各时间段量值可能不等、或某时间段不出现。,12,（2）荷载标准值,荷载标准值是指结构在使用期间，在正常情况下，可能出现的具有一定保证率的出现的偏大荷载，可由概率分布图某一分位数确定。若为正态分布，则如图中的。,荷载标准值的概率含义,永久荷载标准值一般相当于永久荷载概率分布的平均值。,在结构设计中，各
6、类可变荷载标准值及各种材料容重可由荷载规范查取。,可变荷载标准值,楼面活荷载标准值,风荷载标准值,雪荷载标准值,保证率均大于95%,13,荷载分项系数 根据统计，考虑必要安全储备后标准值和荷载分项系数的乘积。永久荷载分项系数：当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合取1.2，对由永久荷载效应控制的组合取1.35。当永久荷载效应对结构有利时取1.0；当验算倾覆和滑移时,对抗倾覆,滑移有利时取0.9。可变荷载分项系数：一般情况取1.4；对工业建筑的楼面结构，当活荷载标准值4KN/m2时,取1.3。,2、荷载设计值,设计值 标准值 分项系数,14,结构构件自重和建筑构造层重力荷载 面荷
7、载 材料容重 构件厚度 线荷载 材料容重 构件截面积 集中荷载材料容重 构件体积,2.4 建筑结构常见的荷载与作用,1、恒载,水磨石地面 0.65 kN/m2 板自重 250.08=2.00 kN/m2 板底抹灰 170.015=0.26 kN/m2 恒载 2.91 kN/m2,钢筋混凝土现浇整体楼盖，楼面面层为水磨石地面（自重重力荷载标准值0.65kN/m2），楼板厚80mm（容重25kN/m3），楼板底面石灰砂浆抹灰15mm（容重17kN/m3），计算楼面恒载标准值。,15,2、楼面和屋面活荷载,楼面、屋面均布活荷载，屋面积灰荷载，施工和检修荷载及栏杆水平荷载等。,楼面活载,人群,家具,可
8、移动设备,16,民用建筑楼面均布活荷载标准值,17,18,屋面水平投影面上的雪荷载标准值Sk（kN/m2）Skr So,3、雪荷载,基本雪压,屋面积雪分布系数,由积雪引起的荷载。雪荷载因地区不同而有差异。另外雪荷载还受到以下因素影响：风对屋面对积雪的影响 屋面坡度对积雪的影响 屋面温度对积雪的影响,19,20,由于风的运动而施加在墙面或结构上的压力称为风荷载。风荷载与建筑所在地区、高度和地面条件等因素有关。,4、风荷载,21,4、风荷载,k=zsz0 k:风荷载标准值 z：高度Z处的风振系数 s：建筑物对于风荷载的形体系数 z：风压高度变化系数 0：建筑物所在地区的基本风压,22,5、地震作用
9、,地震（Earthquake）是一种自然现象，每年大约500万次，只有1%为有感地震。中国是一个地震多发的国家。国语周语记载：“幽王二年，西周三川皆震。是岁也，三川竭，岐山崩。”嘉靖实录记载：“压死官吏军民奏报有名者82万奇”中国历史上的大地震：,23,地震震害,24,地震造成的破碎带，引起地表沉陷、隆起、裂缝、液化等地表破坏,25,局部地形改观引起铁轨变形,26,山体破坏：山崩、滑坡,萨尔瓦多地震引发巨大的泥石流,汶川地震,27,砂土液化使建筑物倾斜甚至翻倒,日本新泻大地震,1964M7.3,28,液化（Liquefaction）如果砂粒之间了孔隙中充满了水，由于地震时砂粒力求趋于紧状态，但
10、是，砂粒之间的水是不可压缩的。因此，水的压力就增大了，地基有效垂直压应力减少了，克服了砂土的剪切强度，地基土就液化了。,砂粒的振动,砂土液化试验,29,承载力不足,变形过大,30,座落在活断层上的一座二层小学教学楼被完全摧毁,31,楼房底层空旷，结构不合理，房屋整体倾斜，二楼成了一楼,32,地震时河床变形，导致跨河公路桥梁跨塌,33,地震造成的次生灾害有水灾、火灾、毒气污染、滑坡、泥石流和海啸等，由此引起的灾害也相当严重。,海啸,34,1923年日本关东地震，东京市内227处起火，33处未能扑灭造成火灾蔓，旧市区烧毁约50%；横滨市烧毁80%，死亡10万。,35,常用术语,地球内部发生地震的地
11、方叫震源；震源深度,震源在地面上的投影点称为震中；震中距,震中及其附近的地方称为震中区，也称极震区,92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部。,36,地震波 地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。地震波的分类,地震波,37,杂波,P波开始,S波开始,面波开始,地震时，震中及其附近的人们先感觉到上下颠簸，然后感到前后或左右摇晃。人们在感觉到“颠”的时候，要立刻就地避震，因为大的破坏力马上就要到了。,38,地震强度,震级（Earthquake magnitude),震级M是表示一次地震本身强弱程度在大小的尺度。国际上通用的是里氏震级。其原始定义是在1935年提
12、出。,39,震级（Earthquake magnitude),M5,M6,M7,震级相差一级,能量就要相差32倍之多,一次6级地震所放出的能量,相当于一个2万吨级的原子弹.,震级与能量之间的关系,震级与破坏程度的关系,40,地震烈度(Earthquake Intensity),地震烈度I0是指地震时某一地区和各类建筑物受到一次地震影响的强弱程度。一次地震只有一个震级，但对于不同的地区，可以有不同的烈度。震级与烈度的关系：一般而言，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影响烈度的因素，除了震级、震中距外，还与震源深度、地质构造和地基条件等因素有关。,中国地震烈度表（G
13、B/T 17742-1999）是根据1957年谢毓寿教授编制的新的中国地震烈度表制定的，共分为12个烈度。而最早的地震烈度表为M-C-S（MCS intensity scale）为莫加利-坎卡尼-西伯格地震烈度表，在1924年由德国人A.Sieberg制定的。,41,个别：10%以下少数：10%50%多数：50%70%大多数：70%90%普遍：90%以上,42,结构的抗震设防,一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值。,基本烈度,建筑所在地区在设计基准期（50年）内出现的频度最高的烈度。也称为众值烈度、小震烈度。其超越概率为63.2%，重现期为50年。,建筑所
14、在地区在设计基准期（50年）内具有超越概率2%-3%的地震烈度，也称为大震烈度，重现期约为2000年。,多遇烈度,罕遇烈度,三个地震烈度水准,设防烈度,按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况，取基本烈度。,43,抗震性能设计的性能目标（设防目标）,44,地震作用的形成,地震作用的影响因素(1)建筑物总等效重力荷载(2)建筑物所在地区的基本烈度(3)建筑物动力特性（基本自振周期T1）(4)建筑物所在地区场地土类别,建筑物的惯性力与地表运动加速度成相应的关系：根据牛顿第二定律，F=ma，F：建筑物的惯性力，m：建筑物的物理质量，a：地表运动加速度。在建筑设计中，以等效力原
15、理为基础，假设地表不运动，以等效惯性力作用于建筑物上，形成地震作用。,45,地震作用的计算,用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱；再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载；然后按静力方法进行结构设计计算。是一种拟静力方法。,反应谱法,在地基土上作用地震波后，通过动力计算方法求得上部结构反应的方法。是一种直接动力法。,时程分析法,SATWE、TAT、GSCAD,ETABS、SAP2000、ANSYS、MIDAS、ABAQUS,46,6、温差作用,7、沉降作用,理论计算困难设计通过结构选型、材料选择和构造措施减少附加应力,地基情况复杂设计通过基础选型和构造措施减少附加应力,
