工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理

1、2024/3/26,工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理,2024/3/26,第1章 荷載類型,§1.1 荷載與作用,§1.2 作用的分類,2024/3/26,§1.1 荷載與作用,荷載—由各種環(huán)境因素產(chǎn)生的直接作用在結(jié)構(gòu)上的各種力，例如重力、土壓力、水壓力、風(fēng)壓力；,效應(yīng)—結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移、變形、應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫、速度、加速度等；,作用—能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)的各種因素總稱為作用；,直接作用—直接作用在結(jié)構(gòu)上的各種

2、荷載；,間接作用—能引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形等效應(yīng)的非直接作用因素，如地震、溫度變化、基礎(chǔ)不均勻沉降等。,2024/3/26,§1.1 荷載與作用,直接作用 狹義荷載 作用 廣義荷載 間接作用,,,,2024/3/26,§1.2 作用的分類,1. 按隨時間的變異分類（1）永久作用：在結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計。例如，結(jié)構(gòu)自重、土壓力、水壓力、預(yù)加應(yīng)力、基礎(chǔ)沉降、焊接等。（2）可變作用：在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值隨時間變化，且其變化與平均值相比不可忽略。例如，車輛重力、人員設(shè)備重力、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度變化等。（3）偶然作用：在結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)而一旦出現(xiàn)其量值很大且持續(xù)時間較短。例如，地震。,2024/3/26,§1.2 作用的分類,2. 按隨空間位置的變異性分

4、類（1）固定作用：在結(jié)構(gòu)空間位置上具有固定的分布。例如，結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)上的固定設(shè)備荷載等。（2）可動作用：在結(jié)構(gòu)空間位置上的一定范圍內(nèi)可以任意分布。例如，房屋中的人員、家具荷載、橋梁上的車輛荷載等。,2024/3/26,§1.2 作用的分類,3. 按結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分類（1）靜態(tài)作用：對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不產(chǎn)生加速度或其加速度可以忽略不計。例如，結(jié)構(gòu)自重、土壓力、溫度變化等。（2）動態(tài)作用：對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不可忽略的加速度。

5、例如，地震、風(fēng)、沖擊和爆炸等。,2024/3/26,第2章 重力,§2.1 結(jié)構(gòu)自重,§2.2 土的自重應(yīng)力,§2.3 雪荷載,§2.4 車輛荷載,§2.5 樓面活荷載,§2.6 人群荷載,2024/3/26,§2.1 結(jié)構(gòu)自重,構(gòu)件的自重（kN）,,式中,構(gòu)件材料的重度（kN/m3）,構(gòu)件的體積，一般按設(shè)計尺寸確定（m3）,,,2024/3/26,§2

6、.1 結(jié)構(gòu)自重,按面積分布自重F,2024/3/26,§2.1 結(jié)構(gòu)自重,按長度分布自重f,2024/3/26,§2.1 結(jié)構(gòu)自重,均質(zhì)土中豎向自重應(yīng)力分布,2024/3/26,§2.1 結(jié)構(gòu)自重,成層土中豎向自重應(yīng)力沿深度的分布,2024/3/26,§2.1 結(jié)構(gòu)自重,成層土深度z處的豎直有效自重應(yīng)力,式中,從天然地面起到深度z處的土層數(shù),第i層土的厚度（m）,第i層土的天然重度，若土層位于地下

7、水位以下，計算土的自重應(yīng)力時應(yīng)取土的有效重度,,,,2024/3/26,§2.1 結(jié)構(gòu)自重,土的有效重度,若土層位于地下水位以下，由于受到水的浮力作用，單位體積中，土顆粒所受的重力扣除浮力后的重度稱為土的有效重度，是土的有效密度與重力加速度的乘積,水的重度，一般取10kN/m3,,2024/3/26,§2.3 雪荷載,2024/3/26,§2.3 雪荷載,一、基本雪壓定義：當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔细鶕?jù)氣象記錄資

8、料經(jīng)統(tǒng)計得到的在結(jié)構(gòu)使用期間可能出現(xiàn)的最大雪壓值。,式中：,,雪壓(N/m2),雪重度(N/m3),雪深(m),,,2024/3/26,§2.3 雪荷載,雪重度隨雪深的變化：,2024/3/26,§2.3 雪荷載,雪密度隨時間的變化：,基本雪壓最好是直接量測，即直接記錄地面雪壓值。,最大雪深與最大雪重度兩者并不一定同時出現(xiàn)。,2024/3/26,§2.3 雪荷載,二、屋面的雪壓 影響屋面雪壓的因素：

9、 ①風(fēng)；②屋面形式；③屋面散熱。,風(fēng)對屋面積雪的影響—漂積作用 在下雪過程中，風(fēng)會把部分本將飄落在屋面上的雪吹積到附近的地面上或其他較低的物體上，這種影響稱為風(fēng)的漂積作用。,2024/3/26,§2.3 雪荷載,漂積作用的影響：使敞風(fēng)較好的平屋面或小坡度屋面上的雪壓小于鄰近地面上的雪壓；在高低跨屋面的情況下，在低屋面形成局部較大的漂積荷載；,高低屋面上漂積雪的分布,2024/3/26,§2.3 雪荷載,

10、對多跨屋面及曲線型屋面，屋谷附近區(qū)域的積雪比屋脊區(qū)大。,多跨屋面上的積雪分布,2024/3/26,§2.3 雪荷載,屋面坡度對積雪的影響 當(dāng)屋面坡度大到某一角度時，積雪就會在屋面上產(chǎn)生滑移或滑落，坡度越大滑落的雪越多，使屋面雪載越小。,屋面坡度對屋面積雪分布系數(shù)的影響,2024/3/26,§2.3 雪荷載,單跨雙坡屋面雪載分布,2024/3/26,§2.3 雪荷載,屋面散熱的影響,屋面散發(fā)的熱量使部分

11、積雪融化，同時也使雪滑移更易發(fā)生，故采暖房屋的積雪一般比非采暖房屋小。,2024/3/26,§2.4 車輛荷載,定義對于公路橋，車輛荷載是指汽車、掛車、履帶車等；對于鐵路橋，車輛荷載是指列車。,車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)車列荷載車道荷載,2024/3/26,§2.4 車輛荷載,公路車輛荷載汽車荷載分為兩個等級：公路Ⅰ級和公路Ⅱ級；對于橋梁結(jié)構(gòu)的整體計算，汽車荷載采用車道荷載；對于橋梁的局部加載；對于涵洞、橋臺和擋土墻

12、壓力等的計算，汽車荷載采用車輛荷載。對于多車道橋涵，可根據(jù)多個車道上同時出現(xiàn)最大汽車荷載的概率大小，對荷載效應(yīng)進(jìn)行折減。車道數(shù)越多，折減率越大。,2024/3/26,§2.4 車輛荷載,車輛荷載布置圖,單位（m）,2024/3/26,§2.4 車輛荷載,列車荷載列車荷載應(yīng)采用中華人民共和國鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載，及“中-活載”。,我國城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的城-A級車道荷載,2024/3/26,§2.5 樓面活

13、荷載,定義 樓面活荷載指房屋中生活或工作的人群、家具、用品、設(shè)施等產(chǎn)生的重力荷載。,工程處理 考慮到樓面活荷載在樓面位置上的任意性，工程設(shè)計應(yīng)用時，一般將其處理為樓面均布荷載。,折減 計算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件樓面活荷載效應(yīng)時，如引起效應(yīng)的樓面活荷載面積超過一定的數(shù)值，則應(yīng)對樓面均布活荷載折減。,2024/3/26,§2.5 樓面活荷載,一些國家樓面均布活荷載取值（kN/m2）,2024/3/26,§2.6 人

14、群荷載,公路橋梁設(shè)計中人群荷載一般取值為3kN/m2，市郊行人密集區(qū)域取值為3.5kN/m2。在有人行道的橋梁上，人群荷載與汽車荷載同時考慮。,城市橋梁設(shè)計中需考慮人群荷載對結(jié)構(gòu)的作用，①人行道板的人群荷載取5kN/m2的均布荷載或1.5kN的集中豎向力作用在構(gòu)件上進(jìn)行計算，取其不利值；②梁、桁架、拱及其他大跨結(jié)構(gòu)的人群荷載可按書中公式計算，但不得小于2.4kN/m2 。,人行天橋的人群荷載與城市橋梁的人群荷載取值方法差不多。,2024

15、/3/26,第3章 側(cè)壓力,§3.1 土的側(cè)向壓力,§3.2 水壓力及流水壓力,§3.3 波浪荷載,§3.4 凍脹力,§3.5 冰壓力,§3.6 撞擊力,2024/3/26,§3.1 土的側(cè)向壓力,一、基本概念定義 土的側(cè)向壓力是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的土壓力。土壓力是擋土墻的主要外荷載，設(shè)計擋土墻時首先要確定土壓力的性質(zhì)、大小、方

16、向和作用點。土壓力的大小及分布規(guī)律受到墻體可能的移動方向、墻后填土的性質(zhì)、填土面的形式、墻的截面剛度和地基的變形等一系列因素的影響。,2024/3/26,§3.1 土的側(cè)向壓力,分類 根據(jù)擋土墻的位移情況和墻后土體所處的應(yīng)力狀態(tài)，土壓力可分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。,2024/3/26,§3.1 土的側(cè)向壓力,二、基本原理 一般土的側(cè)向壓力計算采用朗肯土壓力理論或庫倫土壓力理論，前者應(yīng)用

17、較為普遍。,朗肯土壓力理論的基本假設(shè)：（1）對象為彈性半空間土體；（2）不考慮擋土墻及回填土的施工因素；（3）擋土墻墻背豎直、光滑、填土面水平，無超載。 根據(jù)這些假設(shè)，墻背與填土之間無摩擦力，因而無剪應(yīng)力，即墻背為主應(yīng)力面。,2024/3/26,§3.1 土的側(cè)向壓力,彈性靜止?fàn)顟B(tài),豎向應(yīng)力：,水平應(yīng)力：,塑性主動狀態(tài),豎向應(yīng)力：,水平應(yīng)力：,2024/3/26,§3.1 土的側(cè)向壓力,塑性被動狀態(tài),

18、豎向應(yīng)力：,水平應(yīng)力：,2024/3/26,§3.1 土的側(cè)向壓力,三、土壓力的計算,靜止土壓力,2024/3/26,§3.1 土的側(cè)向壓力,主動土壓力,2024/3/26,§3.1 土的側(cè)向壓力,被動土壓力,2024/3/26,§3.2 水壓力及流水壓力,一、靜水壓力定義 靜止的液體對其接觸面產(chǎn)生的壓力。規(guī)律 靜水壓力的水平分力是水深的直線函數(shù)關(guān)系。特點 靜水壓力總

19、是作用在結(jié)構(gòu)物表面的法線方向。計算,2024/3/26,§3.2 水壓力及流水壓力,水壓力的分布圖,水壓力的豎向分布,其他幾種水壓力在結(jié)構(gòu)物上的分布模式,2024/3/26,§3.2 水壓力及流水壓力,二、動水壓力當(dāng)水流過結(jié)構(gòu)物表面時，會對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生切應(yīng)力和正應(yīng)力。切應(yīng)力只有在水高速流動時，才表現(xiàn)出來。正應(yīng)力=靜水壓力+動水壓力。 即：,2024/3/26,§3.3 波浪荷載,波浪的性質(zhì)成

20、波原因：風(fēng)、潮汐波浪特性：波長λ、周期τ、波幅h—波浪參數(shù),2024/3/26,§3.3 波浪荷載,影響波浪特性的主要因素： 風(fēng)速v，風(fēng)的持續(xù)時間t，水深H和吹程D,波浪荷載的計算,構(gòu)筑物的分類,2024/3/26,§3.3 波浪荷載,直墻上的波浪荷載—按三種波浪設(shè)計（1）立波；（2）近區(qū)破碎波，即構(gòu)筑物附近半個波長范圍內(nèi)發(fā)生破碎的波；（3）遠(yuǎn)區(qū)破碎波，及距直墻半個波長以外發(fā)生破碎的波。立波的壓力

21、 波峰壓強(qiáng)、波谷壓強(qiáng) 簡化的Sainflow壓強(qiáng)分布,2024/3/26,§3.3 波浪荷載,遠(yuǎn)區(qū)破碎波的壓力,遠(yuǎn)區(qū)破碎波在直墻上的壓強(qiáng)分布,2024/3/26,§3.3 波浪荷載,近區(qū)破碎波的壓力,近區(qū)破碎波在直墻上的壓強(qiáng)分布,2024/3/26,§3.3 波浪荷載,圓柱體上的波浪荷載（1）小圓柱體的波浪荷載計算（2）大圓柱體的波浪荷載計算,2024/3/26,§

22、;3.4 凍脹力,凍土的概念、性質(zhì)及與結(jié)構(gòu)物的關(guān)系凍土的概念 具有負(fù)溫度或零溫度，其中含有冰，且膠結(jié)著松散固體顆粒的土。凍土的基本成分 固態(tài)的土顆粒、冰、液態(tài)水、氣體和水汽。凍土的性質(zhì) 凍土是一種復(fù)雜的多相天然復(fù)合體，結(jié)構(gòu)構(gòu)造上也是一種非均質(zhì)、各相異性的多孔介質(zhì)。其中，冰與土顆粒之間的膠結(jié)程度及其性質(zhì)是評價凍土性質(zhì)的重要因素。,2024/3/26,§3.4 凍脹力,凍土的分類（根據(jù)凍土存在的時間）

23、（1）多年凍土（或稱永凍土） —凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)三年以上的土層；（2）季節(jié)凍土—每年冬季凍結(jié)，夏季全部融化的土層；（3）瞬時凍土—冬季凍結(jié)狀態(tài)僅持續(xù)幾個小時至數(shù)日的土層。 每年冬季凍結(jié)，夏季融化的地表（淺層土體），在多年凍土地區(qū)稱之為季節(jié)融化層；在季節(jié)凍土地區(qū)稱之為季節(jié)凍結(jié)層（即季節(jié)凍土層）。,2024/3/26,§3.4 凍脹力,凍土與結(jié)構(gòu)物的關(guān)系凍土抵抗外力的強(qiáng)度提高；季節(jié)凍土與結(jié)構(gòu)物的關(guān)系非常密切

24、，在季節(jié)凍土地區(qū)修建的結(jié)構(gòu)物由于土的凍脹作用而造成各種不同程度的凍脹破壞。主要表現(xiàn)在冬季低溫時結(jié)構(gòu)物開裂、斷裂，嚴(yán)重者造成結(jié)構(gòu)物傾覆等；春融期間地基沉降，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變作用的附加荷載。,2024/3/26,§3.4 凍脹力,土的凍脹原理土凍脹三要素：水分、土質(zhì)、負(fù)溫度。水分由下部土體向凍結(jié)鋒面遷移，使在凍結(jié)面上形成了冰夾層和冰透鏡體，導(dǎo)致凍層膨脹，地層隆起。含水量越大，地下水位越高，凍脹程度越大。土體凍結(jié)時，土顆粒之間

25、相互隔離，產(chǎn)生位移，使土體體積產(chǎn)生不均勻膨脹。在封閉體系中，由于土體初始含水量凍結(jié)，體積膨脹產(chǎn)生向四面擴(kuò)張的內(nèi)應(yīng)力，這個力稱為凍脹力，凍脹力隨著土體溫度的變化而變化。,2024/3/26,§3.4 凍脹力,在開放體系中，分凝冰的劈裂作用，使地下水源源不斷的補(bǔ)給孔隙水而侵入到土顆粒中間，使土顆粒被迫移動而產(chǎn)生凍脹力。當(dāng)凍脹力使土顆粒擴(kuò)展受到束縛時，這種反束縛的凍脹力就表現(xiàn)出來，束縛力越大，凍脹力也就越大。當(dāng)凍脹力達(dá)到一定界限時

26、，就不產(chǎn)生凍脹，這時的凍脹力就是最大凍脹力。建筑在凍脹土上的結(jié)構(gòu)物，使地基上的凍脹變形受到約束，使得地基土的凍結(jié)條件發(fā)生改變，進(jìn)而改變著基礎(chǔ)周圍土體溫度，并且將外部荷載傳遞到地基土中改變地基土凍結(jié)時的束縛力。地基土凍結(jié)時產(chǎn)生的凍脹力將反映在對結(jié)構(gòu)物的作用上，引起結(jié)構(gòu)物的位移、變形。,2024/3/26,§3.4 凍脹力,凍脹力的分類及其計算土體凍結(jié)時，體積膨脹產(chǎn)生向四周擴(kuò)張的內(nèi)應(yīng)力，這個力稱為凍脹力。凍脹力的分類（

27、1）切向凍脹力；（2）法向凍脹力；（3）水平凍脹力。,2024/3/26,§3.4 凍脹力,作用在結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)上的凍脹力分類示意圖,2024/3/26,§3.4 凍脹力,凍脹力的計算（1）切向凍脹力計算,2024/3/26,§3.4 凍脹力,（2）法向凍脹力計算,2024/3/26,§3.4 凍脹力,（3）水平凍脹力計算,2024/3/26,§3.5 冰壓力,冰壓力概念及分類冰壓力

28、概念 位于冰凌河流和水庫中的結(jié)構(gòu)物，如橋梁墩臺，由于冰層的作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的壓力，稱此壓力為冰壓力。冰壓力分類（1）河流流冰產(chǎn)生的沖擊動壓力；（2）冰堆整體推移的靜壓力；（3）風(fēng)和水流作用于大面積冰層而產(chǎn)生的靜壓力；（4）冰覆蓋層受溫度影響膨脹時產(chǎn)生的靜壓力；（5）冰層因水位升降產(chǎn)生的豎向作用力。,2024/3/26,§3.5 冰壓力,冰壓力的計算 冰的破壞力取決于結(jié)構(gòu)物的形狀、氣溫及冰的抗壓極限

29、強(qiáng)度等因素，可按下式計算：,2024/3/26,§3.6 撞擊力,船只或水中漂流物對橋梁墩臺的撞擊力：,船只或水中漂流物的重量（kN）；,水流速度（m/s）；,撞擊時間（s），若無船只實測資料，一般取1s。,重力加速度（m/s2） ；,,,,,2024/3/26,§3.6 撞擊力,,2024/3/26,第4章 風(fēng)荷載,§4.1 風(fēng)的有關(guān)知識,§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),§4.3 結(jié)構(gòu)

30、抗風(fēng)計算的幾個重要概念,§4.2 風(fēng)壓,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),2024/3/26,§4.1 風(fēng)的有關(guān)知識,§4.1 風(fēng)的有關(guān)知識,4.1.1 風(fēng)的形成4.1.2 兩類性質(zhì)的大風(fēng)4.1.3 我國的風(fēng)氣候總況4.1.4 風(fēng)級,2024/3/26,§4.1 風(fēng)的有關(guān)知識,4.1.1 風(fēng)的形成,風(fēng)是空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動而形成的。,2024/3/26,§4.1

31、 風(fēng)的有關(guān)知識,4.1.2 兩類性質(zhì)的大風(fēng),臺風(fēng) 弱的熱帶氣旋 引入暖濕空氣 在漩渦內(nèi)部產(chǎn)生上升和對流運動 加強(qiáng)渦旋 …… 臺風(fēng)季風(fēng) 冬季：大陸冷，海洋暖，風(fēng)：大陸 海洋 夏季：大陸熱，海洋涼，風(fēng)：海洋 大陸,,,,,,,,2024/3/26,§4.1 風(fēng)的有關(guān)知識,4.1.3 我國的風(fēng)氣候總況,臺灣、海南和南海諸島東南

32、沿海地區(qū)東北、華北、西北地區(qū)青藏高原長江、黃河中下游地區(qū)云貴高原,風(fēng)力,大,小,2024/3/26,§4.1 風(fēng)的有關(guān)知識,4.1.4 風(fēng)級,根據(jù)風(fēng)對地面（或海面）物體影響程度，將風(fēng)劃分為13個等級。,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,從國際空間站拍攝的颶風(fēng)伊萬云圖最高風(fēng)速214km/h(59.4m/s),2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,颶風(fēng)伊萬造成的損失在30億至1

33、00億美元之間,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,颶風(fēng)伊萬摧毀的房屋,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,美國佛羅里達(dá)州彭薩科拉市附近的一座大橋被颶風(fēng)伊萬摧毀,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,臺風(fēng)云娜登錄時衛(wèi)星云圖,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,臺風(fēng)云娜襲擊浙江,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,2011年第9號超強(qiáng)臺風(fēng)“梅花”8月8日18時30分前后登陸朝鮮西海岸北部沿海,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,

34、2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,2024/3/26,4.1.4 風(fēng)級,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,§4.2 風(fēng)壓,4.2.1 風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系4.2.2 基本風(fēng)壓4.2.3 非標(biāo)準(zhǔn)條件下的風(fēng)速或風(fēng)壓的換算,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓

35、,4.2.1 風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系,風(fēng)壓的定義 當(dāng)風(fēng)以一定的速度向前運動遇到阻塞時，將對阻塞物產(chǎn)生壓力，即風(fēng)壓。,風(fēng)壓的產(chǎn)生,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,4.2.2 基本風(fēng)壓基本風(fēng)壓的定義 按規(guī)定的地貌、高度、時距等量測的風(fēng)速所確定的風(fēng)壓稱為基本風(fēng)壓。基本風(fēng)壓應(yīng)符合5個規(guī)定 (1)標(biāo)準(zhǔn)高度的規(guī)定：一般取為10m。 (2)地貌的規(guī)定：空曠平

36、坦。 (3)公稱風(fēng)速的時距10min~1h的平均風(fēng)速基本穩(wěn)定我國取基本風(fēng)速的時距為10min,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,(4)最大風(fēng)速的樣本時間風(fēng)有它的自然周期，每年季節(jié)性的重復(fù)一次一般取1年為統(tǒng)計最大風(fēng)速的樣本時間。 (5)基本風(fēng)速的重現(xiàn)期基本風(fēng)速出現(xiàn)一次所需的時間 基本風(fēng)壓是根據(jù)規(guī)定的高度、規(guī)定的地貌、規(guī)定的時距和規(guī)定的樣本時間所確定的最大風(fēng)速的概率分布，按規(guī)定的重現(xiàn)期（或年保證率）確

37、定的基本風(fēng)速，然后依據(jù)風(fēng)速和風(fēng)壓的關(guān)系所定義的。,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,4.2.3 非標(biāo)準(zhǔn)條件下的風(fēng)速或風(fēng)壓的換算非標(biāo)準(zhǔn)高度換算 實測表明，風(fēng)速沿高度呈指數(shù)函數(shù)變化，即,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,非標(biāo)準(zhǔn)地貌的換算不同粗糙度影響下的風(fēng)剖面,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,地面越粗糙，風(fēng)速變化越慢（α越大），梯度風(fēng)高度將越高；反之，地面越平坦，風(fēng)速變化將越快（α越?。?；梯度風(fēng)

38、高度將越小。,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,任意地貌的基本風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)地貌的基本風(fēng)壓的關(guān)系為：,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,不同時距的換算,2024/3/26,§4.2 風(fēng)壓,不同重現(xiàn)期的換算,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,4.3.1 結(jié)構(gòu)的風(fēng)力與風(fēng)效應(yīng)4.3.2 順風(fēng)向平均風(fēng)與脈動風(fēng)4.3.3 橫風(fēng)向風(fēng)振

39、,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,4.3.1 結(jié)構(gòu)的風(fēng)力與風(fēng)效應(yīng)風(fēng)力：風(fēng)速 風(fēng)壓 風(fēng)力風(fēng)效應(yīng)：由風(fēng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度響應(yīng),,,在結(jié)構(gòu)物表面,沿表面積分,流經(jīng)任意截面物體所產(chǎn)生的力,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,4.3.2 順風(fēng)向平均風(fēng)與脈動風(fēng)風(fēng)有兩種成分構(gòu)成=平均風(fēng)+脈動風(fēng)平均風(fēng)速

40、和脈動風(fēng)速,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,平均風(fēng)—靜力風(fēng)效應(yīng)脈動風(fēng)—動力風(fēng)效應(yīng)地面粗糙度的影響：地面越粗糙，v越小，vf的幅值越大且頻率越高。脈動風(fēng)的特性①幅值特性為一隨機(jī)過程幅值服從正態(tài)分布,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,②頻率特性可用功率譜密度描述功率譜密度的定義：脈動風(fēng)振動的頻率分布,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾

41、個重要概念,Davenport水平脈動風(fēng)速功率譜密度,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,4.3.3 橫風(fēng)向風(fēng)振雷諾數(shù)對于空氣：Re=69000vB如果Re1000，則以慣性力為主，為低粘性流體。,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,Strouhal數(shù)氣流沿上風(fēng)面AB速度逐漸增大，之后沿下風(fēng)面BC速度逐漸減小。由于在邊界層內(nèi)氣流對柱體表面的摩擦，

42、氣流在BC中間某點S處停滯，生成旋渦，并以一定的周期（或頻率fs）脫落。,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,Strouhal數(shù)定義橫風(fēng)向共振實驗表明：當(dāng)3.0x102≤Re< 3.0x105時(亞臨界范圍)，St≈0.2;當(dāng)3.0x105≤Re< 3.0x106時(超臨界范圍)，St較離散;當(dāng)Re≥3.0x106時(跨臨界范圍)，St≈0.27~0.3。,2024/3/26,

43、§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,當(dāng)St=常值時， fs=常值，則當(dāng)結(jié)構(gòu)的橫向自振頻率= fs 時，將產(chǎn)生共振。工程設(shè)計時，對跨臨界范圍的橫風(fēng)向共振問題應(yīng)特別注意。,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,2024/3/26,§4.3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計算的幾個重要概念,2024/3/26,§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效

44、應(yīng),§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.4.1 順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)4.4.2 順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng)4.4.3 順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng)4.4.4 示例,2024/3/26,§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.4.1 順風(fēng)向平均風(fēng)效應(yīng)風(fēng)載體形系數(shù) 風(fēng)載體形系數(shù),,2024/3/26,§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),氣流通過拱形屋頂房屋示意圖,2024/3/26,§4.

45、4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),雙坡屋頂房屋風(fēng)載體形系數(shù),2024/3/26,§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),風(fēng)壓高度變化系數(shù) 或,2024/3/26,§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),平均風(fēng)下結(jié)構(gòu)的靜力風(fēng)載,2024/3/26,§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.4.2 順風(fēng)向脈動風(fēng)效應(yīng)假定：在脈動風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)主要按第一振型振動。脈動風(fēng)下等效風(fēng)作用力,2024/3/26,§4.4 順風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)

46、,4.4.3 順風(fēng)向總風(fēng)效應(yīng)其中，風(fēng)振系數(shù)或,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.5.1 流經(jīng)任意截面物體的風(fēng)力4.5.2 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)力4.5.3 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)4.5.4 結(jié)構(gòu)總風(fēng)效應(yīng)4.5.5 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向馳振（galloping）,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.5.1 流經(jīng)任意截面物體的風(fēng)力速度為v的風(fēng)流經(jīng)任

47、意截面物體，都將產(chǎn)生三個力：物體單位長度上的順風(fēng)向力PD；橫風(fēng)向力PL；扭力矩PM。,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.5.2 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)力 橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)亞臨界范圍（3x102≤Re< 3x105） =0.2~0.6超臨界范圍（3x105≤Re< 3x106） 不確定（隨機(jī)）跨臨界范圍（Re≥ 3x106）

48、 =0.15~0.2,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),圓形平面結(jié)構(gòu) 與Re的關(guān)系,結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向共振現(xiàn)象及鎖住區(qū)域,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.5.3 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)效應(yīng)一般可忽略 一般情況下， ≤0.4，而 =1.3大于 的3倍以上，故一般情況下，結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向效應(yīng)與順風(fēng)向效應(yīng)相比可以忽略下列情況不可忽略 在亞臨界范圍，特別

49、在跨臨界范圍，橫風(fēng)向風(fēng)力為周期性荷載，即： 其中，,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)力分布,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向共振計算簡圖及等效共振風(fēng)力,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),當(dāng) 與結(jié)構(gòu)基本頻率 接近時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生共振。共振位移反應(yīng)為其中，H1~H2為按 確定的

50、共振風(fēng)速高度。此時，橫風(fēng)向共振力為：,2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.5.4 結(jié)構(gòu)總風(fēng)效應(yīng),2024/3/26,§4.5 橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng),4.5.5 結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向馳振（galloping）馳振（galloping） 在某些情況下，外界激勵可能產(chǎn)生負(fù)阻尼成分，當(dāng)負(fù)阻尼大于正阻尼時，結(jié)構(gòu)振動將不斷加劇，直到達(dá)到極限幅值而破壞。這種現(xiàn)象稱為馳振。顫振（flutter） 當(dāng)物體截面的旋轉(zhuǎn)

51、中心與空氣動力的作用中心不重合時，將產(chǎn)生截面的平移和扭轉(zhuǎn)耦合振動，對于這種振動形式，也會發(fā)生不穩(wěn)定振動現(xiàn)象，稱其為顫振。,2024/3/26,第5章 地震作用,§5.1 地震基本知識,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,§5.3 多質(zhì)點體系地震作用,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,發(fā)生日期：1995年17日震源深度：14km震級：7.2,破壞的主要原因是抵抗水平地震

52、力的剪切抗力不足 地震導(dǎo)致傾覆的城市高架道路（1969年建成）,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,由于液化引起地面的下沉,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,橋梁鋼筋混凝土墩的剪切破壞,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,日本Nishinomiya港口橋震落的橋跨,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震

53、對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,由于柱的剪切破壞引起的鐵路框架橋的坍塌,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,鐵路鋼筋混凝土框架高架橋的剪切破壞,槽形鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中間層（第二層）的破壞,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,在日本Higashikobe輪渡破壞的碼頭墻,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,剪壓破壞的槽形鋼骨鋼筋

54、混凝土柱,破壞的柱基礎(chǔ),2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,普通木結(jié)構(gòu)房屋的典型破壞,地震縱向力引起具有樁基礎(chǔ)的鋼筋混凝土建筑的傾斜,2024/3/26,第5章 地震作用,日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞,地震破壞的公路,2024/3/26,第5章 地震作用,2011年3月11日下午2時46分左右（日本時間），日本東北部的太平洋發(fā)生了一場里氏 8.9/9.0 級的巨大地震，并引發(fā)了停電、火災(zāi)和

55、海嘯等災(zāi)難。,2024/3/26,第5章 地震作用,2024/3/26,第5章 地震作用,2024/3/26,第5章 地震作用,2024/3/26,第5章 地震作用,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,§5.1 地震基本知識,5.1.1 地震的類型與成因5.1.2 地震分布5.1.3 震級與烈度5.1.4 地震波與地面運動,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,5.1.1 地震的類型與成

56、因地球的構(gòu)造,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,地震類型 火山地震、陷落地震、構(gòu)造地震構(gòu)造地震的成因 地幔熱對流、地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、月球和太陽引力 地幔熱對流 地殼巖層變形 應(yīng)力累積 巖層斷裂 巖層震動 地震,,,,,,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,地震術(shù)語地震術(shù)語示意圖,2024/3/26,§5

57、.1 地震基本知識,震源：即發(fā)震點，是指巖層斷裂處；震中：指震源正上方的地面地點；震源深度：指震中至震源的距離；震中距：指地面某處到震中的距離。淺源地震（h≤60km）中源地震（60＜h≤300km）深源地震（h＞300km）,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,5.1.2 地震分布世界地震分布 兩大地震帶： 環(huán)太平洋地震帶 歐亞地震帶

58、 公元前2000年~公元1979年世界中大地震分布,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,原因：板塊構(gòu)造理論六大板塊 歐亞板塊、太平洋板塊、美洲板塊、非洲板塊、印澳板塊、南極洲板塊。中國地震分布 ①臺灣地區(qū) ②喜馬拉雅山地區(qū) ③西北地區(qū) ④天山地區(qū) ⑤華北地區(qū) ⑥東南沿海地區(qū),2024/3/26,§5.1

59、 地震基本知識,中國的地震活動區(qū),2024/3/26,§5.1 地震基本知識,5.1.3 震級與烈度震級定義：衡量一次地震規(guī)模大小的數(shù)量等級。里氏震級： A：距震中100km處的最大水平地面位移(μm)地震能 一個7級地震，約相當(dāng)于30枚2萬噸TNT的原子彈爆炸所釋放的能量。,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,烈度 某一特定地區(qū)遭受一次地震影響的強(qiáng)烈程度。,2024/

60、3/26,§5.1 地震基本知識,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,烈度與震級的關(guān)系一次地震只有一個震級，但不同的地點將有不同的烈度。震中烈度與震級關(guān)系：烈度衰減關(guān)系： Δ：震中距 h：震源深度,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,5.1.4 地震波

61、與地面運動地震波體波：縱波（P波）、橫波（S波）面波：瑞雷波（R波）、洛夫波（L波）,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,體波質(zhì)點的振動方向 （P波） （S波）,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,面波質(zhì)點的振動方向 （R波） （L波）,2024/3/26,§

62、5.1 地震基本知識,地震地面運動對于地面上的某一點，當(dāng)?shù)卣痼w波到達(dá)該點或面波經(jīng)過該點時，就會引起該點往復(fù)運動，此即地震地面運動。因波的折射，體波傳播到地面時，其行進(jìn)方向?qū)⒔婆c地面垂直。體波的折射,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,P波 上下運動 S波 前后、左右運動 R波 上下、前后運動 L波 左右運動三向地面運動 上下運動：由P波和R

63、波引起 前后運動：由S波和R波引起 左右運動：由S波和L波引起,,,,,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,地震地面運動加速度記錄地面運動三要素 強(qiáng)度、頻譜、強(qiáng)震時間,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,一般兩個方向水平地面運動的強(qiáng)度相等，而豎向地面運動的強(qiáng)度一般小于水平地面運動的強(qiáng)度。震中附近，體波成分較多，面波成分較少，隨著震中距增加，體波成分減少，面波成分增加。

64、地面運動強(qiáng)度與烈度的關(guān)系 平均關(guān)系,2024/3/26,§5.1 地震基本知識,影響地面運動頻譜的主要因素兩個因素：震中距、場地條件周期短的波在有阻尼介質(zhì)中傳播較易衰減場地卓越周期 vsm：場地土平均剪切波速 dov：場地土覆蓋層厚度,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,5.2.1 單質(zhì)點體系地震反應(yīng)5.2.2 地震作用與地震

65、反應(yīng)譜5.2.3 設(shè)計反應(yīng)譜5.2.4 地震作用的計算,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,5.2.1 單質(zhì)點體系地震反應(yīng)單質(zhì)點體系 當(dāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量相對集中 在某一個確定位置時， 可將結(jié)構(gòu)處理成單質(zhì)點 體系。,單質(zhì)點體系簡圖,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,單質(zhì)點體系地震反應(yīng)

66、 質(zhì)點上三種力： 慣性力 阻尼力 彈性力,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,單質(zhì)點體系地震反應(yīng)運動方程初始條件,,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)

67、點體系地震作用,方程的解,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,ζ值很小時,簡化如下 其中 自振圓頻率 阻尼比,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,5.2.2 地震作用與地震反應(yīng)譜地震作用定義：質(zhì)點的最大慣性力意義,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地

68、震作用,即 由運動方程,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,地震反應(yīng)譜定義地震加速度反應(yīng)譜,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,影響因素 ①是ζ、ω的函數(shù)，一般固定ζ，則 或 ②與 有關(guān) Sa的大小與 的幅值成正比 Sa的形狀與 的主要

69、周期成分有關(guān),2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,不同場地條件的地震反應(yīng)譜 不同震中距條件的地震反應(yīng)譜,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,5.2.3 設(shè)計反應(yīng)譜用于設(shè)計應(yīng)：規(guī)定 的幅值考慮 的周期成分考慮 的變異性 地震加速度反應(yīng)譜 動力系數(shù)

70、 地震系數(shù),2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,地震系數(shù) 地震系數(shù)與烈度的關(guān)系 I：基本烈度（設(shè)防烈度）,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,動力系數(shù) 根據(jù)場地條件和震中距將地震地面運動記錄分類，計算每一類地震記錄的地震反應(yīng)譜。,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,相近場地及相近震中距的規(guī)則化地震反應(yīng)譜（不同地震

71、記錄）,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,同類地震記錄的平均動力系數(shù)譜,2024/3/26,§5.2 單質(zhì)點體系地震作用,5.2.4 地震作用的計算地震影響系數(shù),,2024/3/26,§5.3 多質(zhì)點體系地震作用,§5.3 多質(zhì)點體系地震作用,5.3.1 多質(zhì)點體系地震反應(yīng)5.3.2 振型分解反應(yīng)譜法5.3.3 底部剪力法,2024/3/26,§5.3

72、多質(zhì)點體系地震作用,5.3.1 多質(zhì)點體系地震反應(yīng)多質(zhì)點體系,多質(zhì)點體系簡圖,2024/3/26,§5.3 多質(zhì)點體系地震作用,多質(zhì)點體系地震反應(yīng)運動方程自由振動特性 頻率： 振型：,2024/3/26,§5.3 多質(zhì)點體系地震作用,振型的正交性,2024/3/26,§5.3 多質(zhì)點體系地震作用,地震反應(yīng)的振型分解,2024/3/26,§5.3 多質(zhì)點體系