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1、作用与结构设计方法主讲：王 俊王 俊：博士，副教授，郑州大学博士后流动站结构工程专业博士后；国家注册监理工程师；许昌学院优秀青年骨干教师；许昌学院土木工程专业学术带头人主讲人简介引 言 1、土木工程专业的课程设置如何实现与工程应用的链接？知识链一：I-S-O 知识体系 知识链二：RS 公式与土木工程的各门课程的关系？2、“作用与结构设计方法”课程的性质、地位和作用。第一章第一章 作用及其作用效应作用及其作用效应内容提要内容提要一、结构上的作用及其分类一、结构上的作用及其分类 1 1、“结构上的作用结构上的作用”的定义的定义 2 2、“结构上的作用结构上的作用”的分类的分类 3 3、荷载的分类、
2、荷载的分类 二、作用的代表值二、作用的代表值三、作用效应三、作用效应一、结构上的作用及其分类一、结构上的作用及其分类 1 1、“结构上的作用结构上的作用”的定义的定义 施施加加在在结结构构上上的的集集中中或或分分布布荷荷载载，以以及及引引起起结结构构外外加加变变形形或或约约束束变变形形（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）的原因的原因的的总称总称 施加在结构上的集中或分布荷载施加在结构上的集中或分布荷载 直接作用直接作用 引起结构外加变形或约束变形的原因引起结构外加变形或约束变形的原因 间接作用间接作用2 2、“结构上的作用结构上的作用”的分类的分类 按随时间
3、的变异分类按随时间的变异分类 永久作用永久作用 在在结结构构使使用用期期间间，其其值值不不随随时时间间而而变变化化，或或其其变变化化值值与与平平均均值值相相比比可以忽略不计可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值或其变化是单调的并能趋于限值的作用的作用【例例如如】结结构构自自重重，土土压压力力、预预加加力力、基基础础沉沉降降、焊焊接接、水水的的浮浮力力、混凝土收缩及徐变作用等混凝土收缩及徐变作用等 可变作用可变作用 在在结结构构使使用用期期间间，其其值值随随时时间间而而变变化化，且且其其变变化化值值与与平平均均值值相相比比不不可以忽略不计可以忽略不计的作用的作用【例例如如】安安装装荷荷载载、
4、楼楼面面活活荷荷载载、吊吊车车荷荷载载、风风荷荷载载、雪雪荷荷载载、汽汽车车荷荷载载、汽汽车车离离心心力力、汽汽车车制制动动力力、流流水水压压力力、冰冰压压力力、温温度度作作用等用等 偶然作用偶然作用在在结结构构使使用用期期间间，不不一一定定出出现现，但但一一旦旦出出现现，其其量量值值很很大大且且持持续续时时间较短的作用间较短的作用【例例如如】地地震震作作用用（地地震震力力和和地地震震加加速速度度等等）、爆爆炸炸、船船舶舶或或漂漂流流物的撞击作用、汽车撞击作用等物的撞击作用、汽车撞击作用等 【思考题】【思考题】水压力属于何种作用？水压力属于何种作用？按随空间位置的变异分类按随空间位置的变异分类
5、 固定作用固定作用 在结构空间位置上具有固定的分布在结构空间位置上具有固定的分布 【例如】【例如】工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等 自由作用（自由作用（可动作用）可动作用）在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布【例如】【例如】工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等 按结构的反应分类按结构的反应分类 静态作用静态作用 不使结构或结构构件产生加速度，或产生的加速度可以忽略不计不使结构或结构构件产生加速度，或产生的加速度可以忽略不计 【例如】【例
6、如】结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载等结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载等 动态作用动态作用 使结构或结构构件产生不可忽略的加速度使结构或结构构件产生不可忽略的加速度 【例如】【例如】地震、吊车荷载、设备振动、作用于高耸结构上的风荷载等地震、吊车荷载、设备振动、作用于高耸结构上的风荷载等3、荷载分类、荷载分类 按作用时间的长短和性质按作用时间的长短和性质 永久荷载永久荷载 在在结结构构使使用用期期间间 ，其其值值不不随随时时间间而而变变化化，或或虽虽有有变变化化，但但变变化化不不大大，且且其其变变化化值值与与平平均均值值相相比比可可以以忽忽略略不不计计，或或其其变变化化是是单单调调的的并并能
7、能趋趋于限值的荷载。于限值的荷载。恒载恒载 可变荷载可变荷载 在在结结构构使使用用期期间间 ，其其值值随随时时间间而而变变化化，且且其其变变化化值值与与平平均均值值相相比比不不可以忽略不计的荷载。可以忽略不计的荷载。活载活载 偶然荷载偶然荷载 在在结结构构使使用用期期间间不不一一定定出出现现，但但一一旦旦出出现现，其其值值很很大大，作作用用时时间间则则较短的荷载。较短的荷载。永久荷载（恒载）永久荷载（恒载）【例如例如】结构自重，土压力、预应力等结构自重，土压力、预应力等 可变荷载（活载可变荷载（活载）【例如例如】楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等楼面活荷载、屋面活荷载
8、和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等 偶然荷载偶然荷载 【例如例如】爆炸力、撞击力等爆炸力、撞击力等1.2 1.2 荷载（作用）的各种代表值荷载（作用）的各种代表值 荷荷载载代代表表值值设设计计中中用用以以验验证证极极限限状状态态所所采采用用的的荷荷载载值值，包包括括标标准准值值、组合值、频遇值和准永久值组合值、频遇值和准永久值一、标准值一、标准值(characteristic valuecharacteristic value)按设计基准期（按设计基准期（T T=50=50年）内最大荷载概率分布的某一分位值确定年）内最大荷载概率分布的某一分位值确定1 1、恒载标准值、恒载标准值G Gk k
9、 正态分布正态分布N N(G、G)相相当当于于永永久久荷荷载载概概率率分分布布（即即设设计计基基准准期期内内最最大大荷荷载载概概率率分分布布）的的0.50.5分分位值，即正态分布的平均值位值，即正态分布的平均值 G Gk=结构设计规定的尺寸结构设计规定的尺寸和和材料或结构构件单位体积的自重材料或结构构件单位体积的自重平均值确定平均值确定 对易于超重的钢筋混凝土板类（屋面板、楼板等）的标准值对易于超重的钢筋混凝土板类（屋面板、楼板等）的标准值 Gk=0.95 G 即即 G G=1.06 =1.06 G Gk k（由于存在超重现象，实际的平均值为（由于存在超重现象，实际的平均值为G Gk k的的1
10、.061.06倍）倍）对截面较大的梁、柱等承重构件的标准值对截面较大的梁、柱等承重构件的标准值 Gk=1.0 G 对自重变异性较大的材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找对自重变异性较大的材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找平层以及钢筋混凝土薄板等），为在设计表达式中采用统一的永久平层以及钢筋混凝土薄板等），为在设计表达式中采用统一的永久荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标，荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标，其标准值应其标准值应根据对结构的有利或不利状态，分别取其自重的下限值或上限值根据对结构的有利或不利状态，分别取其自重的下限值或上限值2 2、民用建筑楼面活载标
11、准值、民用建筑楼面活载标准值 极值极值型型 Lk=LT+LT 办公楼办公楼 Lk=LT+1.5 LT Lk=1.5kN/m2 分位值分位值 p=92.1%住住 宅宅 Lk=LT+0.7 LT Lk=1.5kN/m2 分位值分位值 p=79.1%住宅的活荷载标准值偏低较多住宅的活荷载标准值偏低较多 考虑到建设工程量比较大的住宅和办公楼的荷载标准值与国外相比考虑到建设工程量比较大的住宅和办公楼的荷载标准值与国外相比显然偏低显然偏低 鉴于国内民用建筑楼面活荷载今后的变化趋势难以预测鉴于国内民用建筑楼面活荷载今后的变化趋势难以预测 住宅、办公楼的楼面活荷载标准值规定住宅、办公楼的楼面活荷载标准值规定L
12、 Lk k=2.0kN/m=2.0kN/m2 2 办公楼办公楼 Lk=LT+3.16 LT 住住 宅宅 Lk=LT+2.38 LT3 3、风荷载标准值、风荷载标准值 wk 极值极值型型 不按风向时不按风向时 /wT=1.109wk wk =0.9 /wT 按风向时按风向时 wT=0.999wk wk =1.0 wT 即规范即规范(GB50009)(GB50009)规定的风荷载标准值规定的风荷载标准值w wk k接近于设计基准期最大风荷接近于设计基准期最大风荷载的平均值载的平均值 wTwT。4 4、雪荷载标准值、雪荷载标准值sok 设计基准期最大雪荷载设计基准期最大雪荷载ST 极值极值型型 平均
13、重现期为平均重现期为R R的最大雪压的最大雪压xR xR=u-lnln(R/R-1)/GB50009GB50009给出了重现期为给出了重现期为1010年、年、5050年和年和100100年的雪压值，其他重现期年的雪压值，其他重现期R R的相应值按下式确定的相应值按下式确定 xR=x10+(x100-x10)(lnR/ln10-1)设计基准期内荷载设计基准期内荷载达到和超过达到和超过该值的总持续时间该值的总持续时间T Tq q=t ti i与整个设计与整个设计基准期基准期T T之比等于之比等于0.50.5确定。即确定。即T Tq q/T T=0.5=0.5可变荷载准永久值可变荷载准永久值 Qx=
14、q Qk q q荷载的准永久值系数，且荷载的准永久值系数，且 q q=荷载准永久值荷载准永久值/荷载标准值荷载标准值 1.0 1.0 见见GB50009GB50009表、表表、表tQ Tt i 准永久值准永久值 Qx二、准永久值二、准永久值(quasi-permanent valuequasi-permanent value)三、组合值三、组合值（当承受（当承受 2 2个可变荷载时）个可变荷载时）(com(combibination value)nation value)考虑施加在结构上的各种可变荷载不可能同时达到各自的最大值考虑施加在结构上的各种可变荷载不可能同时达到各自的最大值 确确定定原
15、原则则：要要求求结结构构在在单单一一可可变变荷荷载载作作用用下下的的可可靠靠度度与与在在两两个个及及其其以以上可变荷载作用下的可靠度保持一致上可变荷载作用下的可靠度保持一致 c Qk 可变荷载组合值可变荷载组合值四、荷载频遇值四、荷载频遇值(frequent valuefrequent value)设计基准期内荷载设计基准期内荷载达到和超过达到和超过该值的总持续时间该值的总持续时间T Tq q=t ti i与整个设计基与整个设计基准期准期T T之比小于之比小于0.10.1确定。即确定。即T Tq q/T T0.10.1 f Qk 可变荷载可变荷载频遇值频遇值 c 荷载组合值系数荷载组合值系数(
16、见见GB50009GB50009表、表表、表4.3.1)4.3.1)f 荷载荷载频遇值频遇值系数系数(见见GB50009GB50009表、表表、表4.3.1)4.3.1)准永久值系数准永久值系数 q 组合值系数组合值系数 c 频遇值频遇值系数系数 f风荷载风荷载 0 0.6 0.4雪荷载雪荷载 0.5(I)0.2(II)0(III)0.7 0.6楼面活荷载楼面活荷载 见规范见规范 0.7 见规范见规范 荷载代表值荷载代表值(representative value of a load)(representative value of a load)荷载标准值荷载标准值 Gk、Qk 荷载组合值荷
17、载组合值 c Qk 荷载准永久值荷载准永久值 q Qk 荷载荷载频遇值频遇值 f Qk 荷载的基本代表值荷载的基本代表值 荷载标准值荷载标准值第三节第三节 荷载效应和荷载组合荷载效应和荷载组合 一、荷载效应（一、荷载效应（S S）(effect of a loadeffect of a load)-由荷载引起结构或结构构件的反应由荷载引起结构或结构构件的反应,如内力、变形和裂缝等如内力、变形和裂缝等最大弯矩最大弯矩:Mmax=q l 2/8=l 2/8 q最大剪力最大剪力:Vmax=q l/2=l/2 q最大挠度最大挠度:fmax=5ql 4/384EI=5l 4/384EI q S(t)=荷
18、载效应系数荷载效应系数C C 荷载荷载Q Q(t)(t)反映荷载作用方式、结构计算简图、几何特征等反映荷载作用方式、结构计算简图、几何特征等荷载效应与荷载呈线性关系荷载效应与荷载呈线性关系lq二、荷载效应组合二、荷载效应组合（当结构上同时作用有多种可变荷载时）（当结构上同时作用有多种可变荷载时）与与计计算算结结构构可可靠靠度度方方法法（一一次次二二阶阶矩矩概概率率理理论论）相相适适应应，GB50068-GB50068-20012001采采用用JCSSJCSS（结结构构安安全全度度联联合合委委员员会会）建建议议的的一一种种近近似似的的荷荷载载组组合合概率模型概率模型1 1、基本假定、基本假定 假
19、定荷载假定荷载Q Q(t)(t)是是等时段的平稳随机过程等时段的平稳随机过程 荷载荷载Q Q(t)(t)与荷载效应与荷载效应S S(t)(t)满足线性关系满足线性关系，即即S S(t)=C(t)=C Q Q(t)(t)设计基准期设计基准期T=50T=50年年 相相互互排排斥斥的的随随机机荷荷载载不不考考虑虑他他们们的的组组合合，仅仅考考虑虑在在00，T T 内内可可能能相相遇的各种可变荷载的组合遇的各种可变荷载的组合 当当一一种种荷荷载载取取设设计计基基准准期期内内最最大大荷荷载载或或时时段段最最大大荷荷载载时时，其其它它参参与与组组合合的的荷荷载载仅仅在在该该最最大大荷荷载载持持续续时时间间内内取取相相对对最最大大值值，或或取取任任意意时时点点荷荷载载