荷载与结构设计方法(白国良)-第一章.ppt
荷载与结构设计方法,日本明石海峡大桥,1998年4月建成世界上跨度最大的悬索桥。大桥全长3910m中央支距1990m,中国江阴长江大桥,主跨1385米,东方明珠电视塔,468米，亚洲第一高塔。于1991年3月开始建造，1994年11 月完工，总重量达12万吨，总投资8.3亿元人民币。东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。,中央电视台新台址,建设规模：总建筑面积约495900平方米，主楼51层，234米，44层，194米。14层悬臂结构总投资预算：50亿元人民币。存在问题：1.建筑物出现3维结构体不稳定问题和整体抗震问题；2.结构基础重力抗倾覆问题；3.45M悬挑竖向抗震问题；4.抗风力乱流问题；5.抗击恐怖活动的结构安全度问题；,鸟巢,国家体育场的“鸟巢”是由一系列辐射式门式钢桁架围绕碗状坐席区旋转而成，结构科学简洁，设计新颖独特，为国际上极富特色的巨型建筑。,鸟巢,上海八万人体育场,国家大剧院National Grand Theater,Beijing,世界最高建筑462m总投资逾750亿日元1997年8月27日上海环球金融中心正式奠基。,上海环球金融中心,101层492.5米,大楼在90楼（约395米）设置了两台风阻尼器，各重150公吨，使用感应器测出建筑物遇风时的摇晃程度及方向，自控式移动减少大楼摇晃,佩重纳斯大厦俗称“国营石油双塔”马来西亚吉隆坡建成于1998年,西尔斯塔楼美国芝加哥建于1971-1974年成束筒结构体系，共110层，总高443m，建筑面积约40m2。,纽约世界贸易中心双塔楼110层412米，用钢量186Kg/m2，1973年建成，2001年9月11日被撞倒塌。,钢结构公寓的整体歪倒,地面以下是钢筋混凝土结构，地面以上是四层钢结构公寓，一层、二层倒塌，三层、四层倾倒，主要原因，H型钢柱由于侧向支撑破坏出平面失稳,此建筑物未倒塌但残留大水平变形原因：斜撑抗水平力 能力不够、梁柱结合处 连接不牢固。,车间墙体倒塌,胜利桥,被震弯的铁路,26米高水塔倒塌,医院七层大楼只剩一角,招待所,震后的大桥,幸存的客房,北京白塔寺，塔顶和塔基部分砖被震落。,为纪念唐山大地震，建立的遇难者纪念碑,越南南部位于芹苴与永隆两省之间正在建设的芹苴大桥2007年9月26日上午发生坍塌事故,越南桥断三截至少52人死亡,据初步估计，事故发生的原因是一座建筑塔吊突然倒下，砸落在一天前刚刚浇注了水泥的桥段上，引起了三段桥面的连锁坍塌,在越南南部芹苴大桥坍塌现场，扭曲的脚手架斜躺在地上,2007年6月15日上午5时许,广东325国道九江大桥被一艘运输船撞击桥墩,造成200多米桥面坍塌,九江大桥坍塌事故,湖南凤凰桥坍塌,2007年8月13日发生坍塌的凤凰堤溪沱江大桥从开工到坍塌，期间经过近4年时间，尚未正式命名，也没有投入使用。,坍塌的桥梁,2007年8月1日，美国明尼苏达州密西西比河上一座桥梁傍晚交通高峰时段垮塌，约50辆汽车坠入河中，4人死亡，20人失踪。,存在结构隐患和功能老化问题,钢结构熔化导致世贸大厦倒塌 纽约世贸大厦的建筑情况：由7幢建筑物组成，其主楼呈双塔形，大楼采用钢结构，用钢7.8万吨，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，有“世界之窗”之称。“波音757和波音767两架客机前后撞上世贸大厦姊妹楼，由于这两架客机起飞不久，客机油箱分别携带着30吨和45吨左右的燃油，,客机与大厦相撞处，大火把钢柱烧得通红，铝板弯曲，玻璃爆裂，电脑、桌椅等办公设备在大火中噼噼啪啪作响；而后，燃油疯狂地从空隙处向下流蹿，高温如闪电般击向了整装大厦的钢柱 32分钟之后，即当地时间9月11日9：40许北京时间11日21：40，南楼倒塌；北楼经1个小时38分钟之后，即当地时间9月11日10：28北京时间22：28左右，北楼突然爆炸并倒塌。也就是说，此次恐怖事件就像是一场巨大的“大炼钢铁”，7.8万吨钢材被“炼”成了一堆扭曲变形的废钢。,美国当地时间9月11日17：20，纽约世贸大厦47层高的7号楼倒塌，这是世贸中心倒塌的第三座建筑。原因还在于它的钢结构。纽约世贸姊妹楼的高温辐射，本来就已使7号楼升温，再等姊妹楼倒塌后，高温集中在地基部分；要命的是，世贸中心的大楼地基也用钢铁相连，长时间的高温传导，以及大楼内部可能的爆炸，致使7号楼也被熔化了。就像是巧克力被溶化，纽约世贸大厦这三幢大楼就这么灰飞烟灭了。,10吨TNT也不一定炸得了世贸大厦,姊妹楼高达411米，如果要爆破，必须进行分段爆破。假如每隔5层左右安放炸药，每段安放4层左右，这样算来，约每10层为一段。世贸大厦有110层，如果要爆破，可能也要分11段，需半年时间。一幢楼需要炸药最起码要超出5吨，两幢就要超出10吨。一般爆破一幢普通的大楼，炸药用量是50公斤左右；10吨的炸药，就相当于爆破200幢普通的大楼。而且10吨TNT也不一定炸得了世贸大厦,1993年2月26日，纽约世贸中心姊妹楼地下停车场发生的恶性大爆炸事件，地下停车库里发生爆炸，世贸中心地下建筑层有4层被炸穿，大洞达30米宽，现场一片狼藉，地板有坍塌危险。然而大厦仍屹立不倒，根基没有受到致命的影响。经过短期的修复工作后，大厦重新开放。当时，美国联邦调查局和纽约市警察局经调查认为，爆炸是由炸弹引起的，而且不止一枚炸弹；有人估计，炸药约有450至1350公斤。,第一章：绪论,1.1 荷载与作用1.2 作用的分类,1.1 荷载与作用,一、工程结构基本功能建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001规定：在正常施工和使用时，能承受可能出现的各种作用；在正常使用时具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性能；在设计规定的偶然事件发生时即发生后，仍能保持必须的整体稳定性,建筑物功能要求,安全性,适用性,耐久性,经济性,与环境协调性,承载力极限状态,正常使用极限状态,防 火 安 全,平面、空间布置,通风采光、隔音隔热,使 用 者 要 求,使 用 寿 命,成本低、维修费用低,生态环境、社会环境,周围基础设施、建筑环境,定义：使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变和裂缝等）的原因。分类：第一类：直接作用 直接以力的不同集结形式作用于结构。自重、风荷载、雪荷载、积灰荷载等。第二类：间接作用 不是以力的形式直接出现，也能使结构 产生内力和变形。温度变化、不均匀沉降、地震、焊接、收缩和徐变等,二、结构上的作用,定义：作用在结构产生的内力（拉、压、弯、剪 扭）和变形（拉伸、弯曲、压缩、裂缝、挠 度）等，称为效应。分类：第一类：直接作用引起的效应，称为荷载效应。第二类：间接荷载引起的效应，称为地震作用效应 温度变化效应、地基变形效应等。,三、效 应,1.2 作用的分类,一、按随时间的变异分类永久作用 在设计基准期内作用值不随时间变化，或其 变化与平均值相比可忽略不计的作用。结构自重、土压力、预应力、混凝土收缩徐变等。可变作用 在设计基准其内作用随时间变化，且其变化 与平均值相比不可忽略的作用。风、雪、温度变化、水位变化等,设计基准期：为确定可变荷载代表值而选用的时间 参数（一般为50年）,1.2 作用的分类,一、按随时间的变异分类永久作用 在设计基准期内作用值不随时间变化，或其 变化与平均值相比可忽略不计的作用。结构自重、土压力、预应力、混凝土收缩徐变等。可变作用 在设计基准期内作用随时间变化，且其变化 与平均值相比不可忽略的作用。风、雪、温度变化、水位变化等,偶然作用 在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很短的作用。地震、爆炸、撞击、火灾、龙卷风等,二、按随空间位置的变异分类,固定作用在结构空间位置上具有固定的分布，但其量值可能具有随机性自重、固定设备荷载自由作用在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布，出现的位置及量值可能具有随机性的作用。人群、家具荷载、吊车荷载、车辆荷载,三、按结构的反映特点分类,静态作用对结构或构件不产生动力效应，或其产生的动力效应与静态效应相比可以忽略不计的作用。自重、雪荷载、土压力、楼面活荷、温度变化等动态作用对结构或构件产生不可忽略的动力效应 设备振动、爆炸和冲击荷载,荷载：永久荷载、风荷载、雪荷载作用：地震作用、温度作用、变形作用等,第二章：重力,2.1 结构重力,2.2 波浪荷载,永久荷载,雪荷载,楼、屋面活荷载,2.1.1 永久荷载,一般指结构自重一、定义在结构使用期间，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限值的荷载。,二、自重的计算,按结构设计规定的尺寸和材料或结构构件单位体积的自重（或单位体积的自重）计算：Gi=rV式中 Gi构件的自重（KN）；r构件材料容重（kN/m3）；V构件的体积，一般按设计尺寸确（cm3）注：自重变异较大的材料构件自重的选取 有利抗倾覆、稳定性计算，取下限；不利强度计算，取上限。,三、结构总自重计算,计算结构总自重时，应根据结构各构件的材料重度不同把结构划分成多种容易计算的基本构件，先计算基本构件重量，叠加即得结构的总自重。,例：某教室采用现浇钢筋混凝土平板，板厚80mm，结构布置如图所示。已知水磨石地面及细石混凝土垫层共30mm厚（r=22kN/m3）板底白灰砂浆12mm厚（r=17kN/m3），求该构件自重。,：雪荷载,雪荷载 是房屋屋面的主要荷载之一，属于结构 上的可变荷载；楼面活荷载；屋面活荷载。,一、雪荷载标准值及基本雪压,1.屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：,式中,雪荷载标准值；,屋面积雪分布系数；,基本雪压。,2.基本雪压,基本雪压：基本雪压的修订是根据全国672个地点的气象台（气象站），从建站起到1995年的最大雪压和雪深资料，经统计得出50年一遇的最大雪压，即重现期为50年的最大雪压，以此规定当地的基本雪压。,3、基本雪压的确定,当有资料时，查表确定。表2-2。,基本雪压的确定,无雪压数据时，可间接采用积雪深度计算：,式中 S雪压，kN/；,h积雪深度，只从积雪表面到地面的 垂直深度，m；,积雪密度，t/m3；,g重力加速度，取9.8m/s2。,雪深度受随积雪深度、积雪时间和当地地理气候条件影响。按地区平均雪密度计算；东北及新疆北部地区平均密度取0.15t/m3；华北及西北地区的平均密度取0.13t/m3；江西、浙江的平均密度取0.20t/m3；淮河、秦岭以南地区平均密度取0.15t/m3；,二、屋面雪压,基本雪压是针对地面上的积雪荷载定义的，屋面雪荷载由于风向、屋面形式及屋面散热等因素影响，与地面雪荷载在不同。因此，计算屋面雪荷载时应对地面基本雪压乘以屋面积雪分布系数。影响因素：风、屋面坡度、屋面温度。,1.风对屋面积雪的影响,漂积作用：下雪时，风会把本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，称为风的漂积作用。,高低跨屋面：苏联屋面积雪分布系数,式中 h屋面高低差，m；,S0基本雪压，kN/m2。,2.屋面坡度对积雪的影响,屋面雪荷载由于风的作用和雪滑移作用，随屋面坡度的增加而减小；屋面表面的光滑程度影响雪滑移；双坡屋面可能形成一坡有雪另一坡完全滑落的不平衡状态；雪滑移导致较低屋面处雪堆积，可能出现局部荷载。,3.屋面温度对积雪的影响,采暖房屋因屋面散发的热量使部分积雪融化，同时使雪滑移容易发生；不连续加热的房屋，易结冰，产生附加荷载；重新冻结的冰雪还可能降低雪滑移能力；采暖房屋檐口处结冰，堵塞屋面排水，对结构产生不利的荷载相应。,我国建筑结构荷载规范（GB50009-2001）根据设计经验及相关资料，对屋面积雪分布概括成8种类型，见表2-3。,楼、屋面活荷载,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；分类：持久性：家具 临时性：聚会的人群设计时，一般将楼面活荷载处理为楼面均布 荷载，面荷载。查表2-5。,一、楼面活荷载,二、屋面活荷载,1、屋面均布活荷载建筑屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载，见表2-7。,2、屋面积灰荷载,屋面积灰荷载是冶金、铸造、水泥等行业特有的问题；积灰荷载应与雪荷载或不上人屋面均布荷载两者中较大值同时考虑,
