《重力侧压力》PPT课件.ppt

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1、,第2章 重力、侧压力,第2章 重力、侧压力,教学基本要求了解水压力、流水压力、波浪荷载、冻胀力以及冰压力的计算；熟悉雪载、楼面活载、人群荷载、车辆荷载等确定；掌握结构自重、土的自重应力、土的侧压力的计算。,2.1 重 力,2.1.1 结构自重1、概念：是指组成结构的材料自身重量产生的重力。属于永久荷载（恒载）2、计算（1)单个构件自重的计算 根据构件的设计尺寸和材料的重度进行计算，表达式为：(2-1)式中：G i构件的自重；为材料的重度；V为构件的体积。,（2）结构的自重 根据不同的材料，将结构划分为若干个构件分别计算，然后叠加计算结构的自重。表达式为：G=i*Vi(2-2)式中：G结构总重

2、；i第i个构件的重度 Vi第i个构件的体积。,2.1.2 土的自重应力1.概念：土的自重应力即土自身有效重力在土体中所 引起的应力。2.土的自重应力计算 将土体视为匀质的半无限体，自重荷载的分布面积无限大，土体在自重作用下只有竖向变形，无侧向变形和剪切变形。因此，自重应力与土的重度和深度有关。（1）无地下水时（见图21a、b）单层土时：cz=*Z（23）多层土时：cz=1*h 1+2*h2+.n*hn=i*hi(2-4),(2)当有地下水时（见图21c、d）水位以下的土层，由于水浮力作用，因此，在计算土的自重应力公式24中，其土的重度应采用有效重度，(为土的饱和重度，水的重度）。,【例题21】

3、某场地的地质柱状图和土的有关指标如表21，试计算地面以下2.5m/5m/9m处的自重应力，并绘制自重应力分布图。,2.1.2 雪荷载基本雪压（）（见表22）是指在空旷平坦地面上，根据气象统计资料得 到（重现期为50年）的在结构使用期间可能出 现的最大雪压值。当无雪压记录时按下式计算：So h*g(25）式中：So为基本雪压 KN/h为积雪深度，指积雪表面到地面的垂 直距离,m 积雪密度,它与积雪时间、地理气候 条件有关，t/g重力加速度，9.8m/,2.屋面的雪压（S）屋面雪压由于受风向、屋面形式、屋面散热等因素的影响，在计算时考虑屋面积雪分布系数()，即 S=*So。（1）风对屋面积雪的影响

4、 由于风的飘积作用，风把部分屋面上的雪吹到相邻建筑物或地面上，导致平屋面或小坡度（10度）屋面雪压比地面雪压小。风速越大，飘积作用更加明显。对于高低跨屋面：在低跨屋面就会形成较大的飘积荷载，因此低跨 屋面应考虑积雪分布系数。参考其他国家规范，我国规范规定：堆雪长度42h 8,r2.0,对于多跨坡屋面及曲线屋面：由于雪的飘积作用，会引起屋谷积雪比屋脊大。,多跨屋面上的积雪分布图（雪深）,（2）屋面坡度对积雪的影响 随着屋面坡度的增大（特别是当坡度大于10度时）由于在风的作用下，雪的漂移作用，加上雪的滑移作用，在屋面上可能出现不平衡的雪载。（3）屋面温度对积雪的影响 冬季采暖房屋的积雪比一般非采暖

5、房屋少。总上所述：我国建筑结构荷载规范（GB50009-2001)，根据以往的经验，参考国际标准化组织(ISO4355)以及国外相关资料，对屋面积雪分布系数仅概括了八种典型的屋面积雪分布系数，见表23,【例题】郑州市某单跨拱形屋面仓库，拱高f=5m，跨度 L=18m，重现期为50年。求该建筑屋面雪载标准值=?解：（1）查表22，=0.4KN/m（2）查表23可知 L/(8f)=0.45(3)=*0.45*0.4=0.18KN/m,2.1.4 车辆荷载 在桥梁结构设计时，车辆荷载属于设计活载，它包括列车活载（铁路）、汽车、平板汽车、履带汽车活载（公路）。1.列车活载（见图24）列车由机车和车辆组

6、成，机车和车辆的类型很多，根据中华人们共和国铁路标准活载图式（简称中活载），将列车活载分为普通活载、特殊活载作为设计依据。（1）普通活载：前面5个集中荷载和后30m长92KN/m的分布荷载代表“双机联挂”；后面80KN/m的分布荷载为车辆荷载。（2）特殊活载：考虑重车对小跨度桥梁的影响。,设计时根据桥梁的长度，应分别考虑两种活载，取其大者进行设计。另外;铁路桥涵设计基本规范（GB10002.1-99)规定：对于双线桥跨结构重的主要杆件、桥墩的列车竖向活载设计值取两线活载之和的90。在验算桥梁的横向稳定时，以空车时的最大横向风力为最不利，列车竖向活载标准值采用10KN/m。,汽车、平板挂车、履带

7、车荷载 我国在大量的观测和统计的基础上，在设计桥梁时，把经常出现的汽车荷载作为设计荷载，把偶然、不经常出现的平板挂车、履带车作为验算荷载。（1）设计荷载（汽车荷载见图25）汽车车队分级：汽车10级、15级、20级、超20级共四个级别。荷载级别表示一辆主车的重量，以计。,各级汽车车队的排列：(见图25)图中所示的荷载值均为单个车轴重（KN），在各级车队的排列中，根据桥梁的长度，除了主车的数量不限外，各级排列中规定有一辆重车。,各级汽车的尺寸：见图26,在设计三车道和四车道的桥涵时，考虑三行、四行车队单向并行通过的概率较小，计算荷载分别折减20和30。但是减后不得小于两行车队计算的结果。（2）验算

8、荷载（平板挂车、履带车荷载）（见图27）车辆分级：挂车分级：挂车80、100、120,单位t。履 带 车：履带50，单位t。在验算时，对于平板挂车全桥以通过一辆计算，对于履带车顺桥纵向可考虑多辆车行驶，但两车净距不得小于50m。,2.1.5 楼、屋面活荷载1.楼面活荷载（1）概念：是指在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。持久性活载：是指楼面上在某个时段内基本保持不变的活荷载。如家具、机械设备等。临时性活荷载：是指楼面上偶然出现短期活荷载。如人群荷载、机械设备检修时的工具材料自重荷载等。,（2）荷载的取值 在工程上为方便设计，将楼面活荷载按照均布荷载考虑，其值的大小与建筑

9、物的用途、功能有关，民用建筑、公共建筑和工业建筑他们的荷载是不同的。现行建筑结构荷载规范（GB-500092001），在调查和统计的基础上，参考国外荷载规范，考虑楼面活载的变化趋势难以预测，规定：楼面活荷载的最小值取为2.0KN/。民用建筑常用的楼面活荷载标准值见表25。,其他一些国家常见建筑的楼面均布活荷载取值见下表,（3）楼面活荷载的折减系数 在进行结构设计时，各层楼面活荷载的最大值 不可能同时布满在楼面上，既要考虑安全又要考虑经济。因此，我国现行建筑结构荷载规范（GB-500092001）在进行结构设计时，考虑折减系数对楼面活荷载进行折减。设计楼面梁时活荷载的折减系数对住宅、办公等房屋或

10、其房间：对公共建筑房间:,设计墙、柱、基础时的荷载折减系数 对住宅、办公楼等房屋：见表26 对于公共建筑，直接按楼面梁的折减系数，而不考虑按楼层的折减。,2.屋面活荷载 屋面荷载有屋面均布活荷载、屋面积灰荷载和屋面雪荷载。（1）屋面均布活荷载 根据屋面的性质有上人屋面、不上人屋面，近年来屋面有出现屋顶花园、直升机停机坪等，我国设计规范按屋面的水平投影面积考虑，其值大小见表27,(2)屋面积灰荷载 这是冶金、铸造、水泥等行业的建筑所特有的问题。我国现行规范根据抽样和统计确定积灰的计算重度（见表28）和积灰厚度，根据屋面情况考虑积灰分布系数（参考屋面积雪系数）的规定来确定屋面积灰荷载。（3）屋面雪

11、荷载（在节）：在结构设计时，屋面均布活荷载不与雪载同时考虑。,2.1.6 行人荷载1.公路桥梁人群荷载 设计有人行道的公路桥梁时，除了考虑汽车荷载，结构自重等荷载外，应考虑人群荷载。人群荷载一般规定为3.0KN/，城市、郊区人群密集地区为3.5KN/。在设计钢筋混凝土走道板时，人群荷载按1.2KN的集中力作用在一块板上；设计栏杆立柱时，立柱上的水平推力为0.75KN/m;设计栏杆扶手时，扶手上的竖向力为1KN/m。,2.铁路桥上人行道荷载 考虑巡道和维修人员通行，维修时堆放的钢轨、枕木、道渣等荷载。铁路桥涵设计规范(TB-10002.1-99)规定:在离梁中心线2.45m范围内按10KPa计算

12、，在2.45m以外按4KPa计算。设计主梁时人行道活载不与列车活载同时考虑。,2.2 侧压力,侧压力包括土的侧压力、水的侧压力、流水压力、波浪荷载、冰压力等。2.2.1 土的侧压力1.土侧压力的概念及分类（1）概念：是指挡土墙墙后填土的自重荷载或填土表面上的荷载对墙体产生的侧压力。,侧向压力的影响因素：侧向压力的性质和大小与墙身的位移、墙体材料、高度、及结构形式、墙后填土的性质、填土表面的形状，以及墙和地基之间的摩擦特性等因素有关。（2）分类：根据墙体的位移情况和墙后土体所处的应力状态，土的侧压力可分为：静止土压力、主动土压力和被动土压力。,静止土压力（Eo）如果挡土墙在土的压力作用下，不产生

13、任何方向的位移或转动而保持原有位置，则墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力成为静止土压力，如地下室的外墙。主动土压力（Ea）如果挡土墙在土压力作用下，背离墙背方向移动或转动，墙后土压力逐渐减小，当达到一定位移量时，墙后土体开始下滑，作用在墙上的土压力达到最小值，滑动楔体内应力处于主动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力成为主动土压力。如基坑开挖中的支护结构。,被动土压力（Ep）如果挡土墙在土压力作用下，向墙背方向移动或转动，墙后土压力逐渐增大，当达到一定位移量时，墙后土体开始上隆，作用在墙上的土压力达到最大值，滑动楔体内应力处于被动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力成为被动土压

14、力。如基坑开挖中的支护结构。：三者关系：Ea Eo Ep,2.静止土压力的计算 静止土压力与水平向自重应力计算方法是相同的。,在距填土表面任意深度Z处取一小单元体，其自重应力*Z，则该处的静止土压力强度为:式中：为墙后填土的重度，若有地下水 时，地下水位以下用土的有效重度。ko静止土压力系数，近似按下式计 算。Ko1Sin（为土的有 效内摩擦角）,若墙后为匀质填土，静止土压力沿墙高为三角形分布见上图。取单位长度墙长计算，得到作用在挡土墙背上的静止土压力为:式中：H为挡土墙的高度；Eo为挡土墙的静止土压力 目前计算主动土压力Ea和被动土压力Ep时，以土体极限平衡理论为基础，采用兰金土压力理论或库

15、伦土压力理论计算。,3.兰金土压力理论 用兰金土压力理论计算土的主动土压力和被动土压力时，考虑最简单的情况，墙背垂直、光滑、填土面水平。土体达到主动极限平衡状态时，根据强度理论，土中任意一点的最大主应力 最小主应力 之间的关系满足下式：,（1）主动土压力（Ea）当墙体远离土体移动时，墙后侧向应力逐渐减小，竖向应力是自重应力不会改变，侧向应力减小到一定值时，土体处于主动极限平衡状态，侧向应力即主动土压应力 等于最小主应力。因此，根据公式212可得 公式为：式中：Ka主动土压力系数，Ka(45-/2)。墙后填土的重度；C填土的粘聚力，对于无粘性土c0；填土的内摩擦角。,土的主动压应力的分布见下图：

16、图C中a点距填土表面的深度 称为临界深度。,无粘性土的总主动土压力有粘性土的主动土压力 包括自重应力引起的土压力.z.Ka，和粘土的粘聚力C引起的负侧压力（拉力）的叠加，可得有粘性土的总主动土压力公式为,（2）被动土压力 当墙体向土体移动时，墙后侧向应力逐渐增大，竖向应力是自重应力不会改变，侧向应力增大到一定值时，土体处于被动极限平衡状态，侧向应力即主动土压应力 等于最大主应力，根据公式211可得 的公式为：其中：Kp 被动土压力系数，Kp(45/2),由上式可知：无粘性土的被动土压力呈三角形分布，粘性土的被动土压力呈梯形分布。因此，取单位墙长，总的被动土压力为：,（3）填土面有均布荷载时的土

17、压力计算通常将填土面均布荷载换算为当量厚度的土层的土重进行计算,当量土层厚度 h/。这时以AB为墙背，按填土面无荷载的情况进行计算，见下图：,例如：以无粘性土为例：在填土表面A 和A处土的压力强度分别为：,这样就可以求得填土总的主动压应力,h,H,（4）墙后填土为成层土时的土压力（图211）以无粘性土为例：计算第二层土时，只需将第一层土按重度换算成与第二层土重度相同的当量土层厚度（h1h1)来计算。,或,2（1+2),（5）填土中有地下水时的土压力（图212）以粘性土为例（一层土）：在计算地下水位以下时，土的重度采用有效重度（），同时要考虑地下水对墙背产生的静水压力。,库仑土压力理论 基本假定

18、：挡土墙时刚性的、填土是无粘性的、滑动楔体沿着墙背和通过墙踵的平面发生滑动滑动楔体是刚性的。库伦理论在滑动楔形体处于极限平衡状态时，根据力的平衡条件，求解主动或被动土压力。（1）主动土压力（见图213）由滑动楔体ABC处于主动进行平衡状态可求得,主动土压力见公式223。沿墙高Z的主动土压力强度见公式224。,（2）被动土压力（见图214）由滑动楔体处于被动进行平衡状态可得：,被动土压力公式见225被动土压力强度见式226,:特别注意：库仑压力理论与兰金压力理论的公式的表达形式一样，当 和 的表达式由所不同。当填土为粘性土时，库仑理论采用（多个滑动面）滑动楔体试算法分别计算E，取最大的值做为 或

19、。,【例题22】已知：如图（图216），挡土墙高6m，填土的物理力学性质指标如下：34度，C0，19KN/m,墙背直立、光滑，填土水平面并有均布荷载10KN/m。求：挡土墙的主动土压力，并绘出土压力分布图。,解：用兰金理论（1）将均布荷载换算层当量土层的厚度 h0.526m(2)填土面处的土压力强度 12.83KN/m(3)墙底处的土压力强度 235.1KN/m(4)总的土压力 Ea113.8KN/m。,【例题23】已知：如图（图217），填土为砂土（C0），18KN/,饱和重度20KN/，内摩擦角30度（地下水位以下不变）求（1）墙后填土无地下水=?（2）地下水位在距墙底面2m处时的？解：（

20、1）无地下水时:108KN/m（2）有地下水时：参看图212即下图：距填土表面4m处土的压应力强度.z.ka1840.33324kN/,:墙底的压应力强度a6.h1.ka+.h2.ka+w.h2 1840.333（2010)20.333102246.72050.7KN/m:总的主动土压力EaEa0.54240.5(24+50.7)2122.7KN/m,.h1.ka,.h2.ka,w.h2,2.2.2 水压力 当水流经建筑物或构筑物时，水对建筑物或构筑物表面压力，他包括静压力和动压力。静水压力（1）概念：指静止的液体对其接触面产生的压力。他可以分解为水平和垂直的分力。它可以导致结构 的滑动和倾覆

21、。,(2)垂直分力：它等于结构物承压面和经过承压面底部的母线到自由水面所做的垂直面之间的“压力体”体积的水重。即图218a中（Vabc+Vabc)*w，用数学表达式表示单位厚度上的水压力的计算公式为：Ww*dx*dy.(2-28)(3)水平分力（法向静水压力）计算：它与水深呈直线关系，在液面下作用在结构物表面上任意一点A的压强 为：,法向静水压力的分布:当结构物受压面为平面时，水压分布图的外包线为直线（见图218b);当结构物受压面为折面时为折线如（图218c）；当结构物受压面为曲面时水压分布图的外包线为曲线，（如图218d)。流水压力水流经过结构物表面时，会对结构物产生切应力和正应力。它可以

22、引起结构物产生自激振或共振。（1）切应力 切应力与水流的方向一致，只有在水高速流动时，才会表现出来，因此，在荷载计算时一般不考虑切应力。,（2）正应力 是由于水的重量和流速发生改变时产生，在一般的荷载计算中，考虑较多的是正应力。因此，瞬时动水压力为时段平均动压力和脉动压力之和。,3.结构物表面上某一点总的水压力它等于静水压力和动水压力之和。即PPsPd。2.2.3 波浪荷载 在有波浪时，水对结构物产生的附加应力，称为波浪压力又称波浪荷载。波浪的参数（见图219）:波高；波长；波浪中心线高出静水面的高度o。,影响波浪形状的因素：有风速、风的持续时间、水深和吹程（吹程等于岸边到结构物的直线距离）波

23、浪的分类第一种按海洋表面的波浪频率（周期）排列分；第二种根据干扰力分类，如风波、潮汐波、船行波；第三种是把波分为自由波和强迫波；第四种根据波浪前进时是否有流量产生分为输移波和振动波(推进波和立波)；第五种根据水深分为深水波、中水波、浅水波。,2.波浪荷载的计算 波浪荷载不仅与波浪的特征有关，而且和构筑物的形式和受力特征有关。根据经验，一般在波高超过0.5m时，应考虑波浪荷载，根据不同形式的构筑物采用不同的计算方法。构筑物的分类见表29,（1）直墙上的波浪荷载 按照三种波计算：立波、近区破碎波、远区破碎波。立波的压力：适用范围为相对水深H/之间，波陡h/0.035。计算波峰和波谷的压强分别见公式

24、见公式236、237、238。远区破碎波的压力：若波浪发生破碎的位置距离直墙在半个波长以外，最大压强公式见241，墙底处波的压强见公式242。近区破碎波的压力：若波浪发生破碎的位置距离直墙在半个波长以内时，总压力见公式247。,（2）圆柱体上波浪荷载 在计算时按圆柱的几何尺寸把圆柱分为小圆柱（圆柱直径D/波长C0,2）来计算。小圆柱的公式见251。2.2.4 冻胀力1.冻土的概念、性质与结构物的关系（1）概念;把具有负温度或零温度且含有冰的土（岩石），称为冻土。（2）冻土的分类 根据冻土存在的时间分为三类,多年冻土（冻土）：冻结状态持续2年；季节性冻土：地表层每年冬季冻结，夏季全部融化；瞬时冻

25、土：冬季冻结状态只持续几个小时或数日。对工程影响小一般不考虑。：对于多年冻土和季节冻土，根据冻胀率的大小可分为：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀。（3）冻土的性质 成分有四种：固态土颗粒和冰、液态水、气体、水汽。是一种复杂的多相的复合体，结构构造是一种非匀质、各相异性的多孔介质。,（4）与结构物的关系 由于冻融现象的存在，在冬季引起结构物开裂、断裂、严重者倾覆；在春季由于地基的不均匀沉降，引起附加荷载。2.土的冻胀原理（1）冻胀：系指土在冻结过程中，土中水分冻结成冰并形成（冰层、冰透镜体、多晶体冰晶的）冰侵入体，引起土体颗粒之间的相对位移，使土体积产生不同程度的扩胀现象。（2）冻胀原理：

26、首先是土中水形成结晶中心，然后是冰晶体增长与冰透镜体的形成，当孔隙水结冰或冻结峰面上形成冰透镜体和冰夹层时，土体的冻胀就发生。冻胀三要素:水、冻胀敏感的土、负温度。,3.冻胀力的分类 冻胀力：在封闭体系中，由于土体含水冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个应力称为冻胀力。它可分为切向冻胀力、法向冻胀力、水平冻胀力，见图225。,水平 冻胀力,切向 冻胀力,法向冻胀力,（1）切向冻胀力（d）：平行于结构物基础侧表面的冻胀力称为切向冻胀力。它使基础随着土体的冻胀变形产生向上的拔力。（2）法向冻胀力（fh）：垂直作用于基础底面的冻胀力称为法向冻胀力。它可以把基础向上抬起。（3）水平冻胀力（ho）

27、：垂直作用于基础或结构物侧表面的冻胀力称为水平冻胀力。它会使基础产生水平位移。,4.冻胀力的计算（1）切向冻胀力计算（d）影响因素有：水分、土压、负温和基础侧表面粗糙程度。公式见252。设计时一般不考虑。式中：T总的切向冻胀力，KN;di第i层土中单位切向冻胀力，KPa,应 按实测资料取用，如缺少实测资料时 按表210的规定。Ai与第i层土冻结在一起的基侧表面积，;n设计冻土深度内的土层数。,（2）法向冻胀力计算（fh）影响因素比较复杂，如土的特性、冻土下未冻土的压缩性、作用的外力等。因此，它是随诸多因素变化而变化，不是固定不变的值。根据冻土地区建筑地基基础设计规范（JBJ11898）的规定：应以冻结面处单位面积上产生的冻胀力实测值为准，当缺少资料时按图226查取。计算方法参看规范。,（3）水平冻胀力计算（ho）它的大小与填土的冻胀性有关、土的含水量有关、墙体对冻土的约束程度。目前没有计算公式，其大小应根据现场试验确定。根据冻土地区建筑地基基础设计规范（JBJ11898）的规定：在物条件试验时，其分布图式按图227选定，水平冻胀力最大值按表211规定选用。,2.2.5 冰压力（自学）,结束,