工程荷载与可靠度设计原理解析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,目 录,第,1,章 绪论,第,2,章 荷载的分类与计算,第,3,章 荷载效应组合和结构极限状态,第,4,章 结构设计方法,一,.,本门课程的主要学习任务,了解荷载产生的主要背景，理解荷载的各种分类形式，,掌握工程结构设计需考虑的各种主要荷载的取值确定问题,；,理解结构可靠度的概念,;,掌握结构采用极限状态设计法中相关的一些基本理论,荷载效应存在组合的问题，,为以后学习各种土木结构的设计垫定基本理论方法基础。,二,.,本门课程的学习要求,本课程,内容多、课时少，建议课前预习并完成简,答题，做为平时成绩的内容之一。,本课程,为必修课、考试课，一个学分。,考核标准为：平时作业完成情况（包括考勤纪律遵守情况,/,课堂听课和回答表现）占总评成绩的,30%,，期末考试占,70%,。,作业迟交不记分。,第,1,章 绪 论,1.1,结构上的作用及作用效应,建筑结构可靠度设计统一标准,(GB 500682001),中,1.1.1,结构上的作用,结构上的作用是指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。,作用,就其形式而言,，可分为以下两类。,(1),直接作用,:,当,以力的形式,作用于结构上时，称为直接作用，习惯上称为荷载。,(2),间接作用,:,当,以变形的形式,作用于结构上时，称为间接作用。,作用,按时间不同,可分为以下,3,类。,(1),永久作用,:,在结构使用年限内，,其值不随时间变化，,或其变化的量值相对于平均值而言可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用。,(2),可变作用,:,在结构使用年限内，,其值随时间变化，,且其变化的量值与平均值不可忽略不计的作用。,(3),偶然作用,:,在结构使用年限内,不一定出现,，但一旦出现，其,值很大,且持续,时间很短,的作用。,作用,按空间位置不同,可分为以下两类。,(1),固定作用,:,在结构空间位置上具有,固定不变,的分布，但其量值可能具有随机性。,(2),自由作用,:,在结构空间位置上一定范围内可以,任意分布,，出现的位置和量值都可能是随机的。,作用按结构反应不同可分为以下两类。,(1),静态作用,:,不使,结构或结构构件,产生加速,或产生的加速度很小可以忽略不计的作用。,(2),动态作用,:,使,结构或结构构件,产生,不可忽略的,加速度,的作用。,1.1.2,作用效应,S,由于直接作用或间接作用于结构构件上，在结构内产生的,内力,(,如轴力、弯矩、剪力、扭矩等,),和,变形,(,如挠度、转角、裂缝等,),，被称为“作用效应”，用,S,表示。,当作用为直接作用,(,荷载,),时，其效应也被称为“荷载效应”。,荷载,Q,与荷载效应之间，一般近似按线性关系考虑：,常数,C,为荷载效应系数,q(KN/m,),l,ql/2,M,max,=,ql,2,/8,单位,(,KN.m,),简支梁,ql/2,(,弯距图,M),第,2,章 荷载的分类与计算,2.1,荷载的类型,建筑结构荷载规范,(GB 500092001),中,2.1.1,永久荷载,永久荷载,也称之为恒载,，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。,主要包括,:,结构自重、土体自重力等,由重力引起的荷载,，以及,土侧压力、静水压力、水浮力、预加应力、混凝土收缩和徐变影响力、基础变位影响力等,。,2.1.2,可变荷载,可变荷载指在结构使用期间，其值会随时间发生变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载，,也称为活荷载，,包括,楼面活荷载，屋面活荷载，车辆荷载及其冲击力、离心力、人群荷载,流水压力、波浪荷载、冻胀力、雪荷载、冰压力、风荷载、车辆制动力、温度影响力、变形作用、支座摩阻力等,。,2.1.3,偶然荷载,偶然荷载指那些在结构使用期间不一定出现，作用时间较短暂，但一旦出现其值很大且持续时间很短的荷载，主要,包括地震作用、船只或漂流物的撞击力、爆炸力等。,2.2,各种荷载的计算,2.2.1,重力荷载,地球上一定高度范围内的物体均会受到地球引力的作用而产生重力。该重力导致的荷载称为重力荷载。,图,2.1,(1),土的自重,(2),结构自重,根据结构的材料种类、材料体积以及材料容重可得结构自重。,G =,V,(2-1),式中,G,构件的自重,(,kN,),；,构件材料的容重,(,kN,/ m,3,),；可查材料的单位自重表。,(3),雪荷载,雪荷载是房屋,屋面结构的主要荷载之一,。,屋面水平投影面上的雪荷载,S,K,(kN/m,2,),应按下式计算,:,基本雪压,S,O,(kN/m,2,),取值原则,:,根据当地气象台,(,站,),观察并收集的每,年最大雪压，经统计得出的,50,年一遇的最大雪压,(,重现期为,50,年的最大雪压,),，即为当地的基本雪压。,屋面积雪分布系数,高低跨屋面,飘积雪,分布图,多跨屋面积雪分布图,建筑结构设计考虑积雪分布的原则：,屋面板和檩条,按积雪,不均匀分布,的,最不利情况采用,；,屋架或拱、壳可分别按,积雪全跨均匀分布,情况、,不均匀分布,情况和,半跨的均匀分布,的情况采用；,框架和柱可按积雪,全跨均匀分布,情况采用。,规律,:,天沟附近区域的积雪比屋脊区大。,建筑结构荷载规范,(GB 500092001),规定对不同类别的屋面，其屋面积雪分布系数,r,按下表,采用。,(4),楼面和屋面活荷载,分为：民用建筑楼面均布活荷载、工业建筑楼面活荷载、屋面均布活荷载、屋面积灰荷载以及施工、检修荷载和栏杆水平荷载。,需考,虑冲击力时,，可将荷载,乘以动力系数,后按静力进行计算。,1,） 民用建筑楼面活荷载：是指建筑物中的,人群、家具、设施等产生的重力,作用，这些荷载的量值随时间发生变化，位置也是可移动的，亦称可变荷载。,民用建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，应按下表规定采用。,设计楼面梁、墙、柱及基础时，上表中的楼面活荷载标准值在下列情况下应乘以规定的折减系数。,注,:,楼面梁的从属面积应按梁两侧各延伸二分之一梁间距的,范围内的实际面积确定。,A.,设计楼面梁时的折减系数,:,a),第,1(1),项,当楼面梁从属面积超过,25m,2,时，应取,0.9 ;,b),第,1(2),7,项当楼面梁从属面积超过,50m,2,时应取,0.9 ;,c),第,8,项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取,0.8 ;,对单向板楼盖的主梁应取,0.6 ;,对双向板楼盖的梁应取,0.8 ;,d),第,9,12,项,应采用,与所属房屋类别相同的折减系数。,下一张,附：国际标准,ISO 2103,中,民用建筑楼面活荷载折减,系数,(1),在计算梁的楼面活荷载效应时，公式为：, 对住宅、办公楼等房屋或其房间，公式为：,(A,18m,2,),对公共建筑或其房间，公式为：,(A,36m,2,),式中，,A,为所计算梁的从属面积。,(2),计算多层房屋的柱、墙或基础的楼面活荷载效应时：, 对住宅、办公楼等房屋，公式为：,对公共建筑，公式为：,式中，,n,为所计算截面以上楼层数。,a),第,1(1),项应按下表规定采用,;,b),第,1(2),7,项应采用与其楼面梁相同的折减系数,;,c),第,8,项对单向板楼盖应取,0.5 ;,对双向板楼盖和无梁楼盖应取,0.8,；,d),第,9,12,项应采用与所属房屋类别相同的折减系数。,B.,设计墙、柱和基础时的折减系数,2),楼面等效均布活荷载的确定原则（,详见规范附录,B,）,（,a),楼面,(,板、次梁及主梁,),的等效均布活荷载，应在其设计控制部位上，根据需要按内力,(,如,弯矩、剪力等,),、变形及裂缝的,等值,要求来确定。在一般情况下，可仅按,内力的等值,来确定。,(b),连续梁,、,板的等效均布活荷载，可按单跨简支计算。但计算内力时，仍应按连续考虑。,(c),由于生产、检修、安装工艺以及结构布置的不同，楼面活荷载差别较大时，应划分区域分别确定等效均布活荷载。,楼面结构上的局部荷载可按规定换算为等效均布活荷载,。,楼面等效均布活荷载的确定原则,(d),单向板上局部荷载,(,包括集中荷载,),的等效均布活荷载,q,e,（,KN/m,2,），,可,按下式计算,:,（,e,）次梁的等效均布活荷载的计算，应按下列公式对弯矩和剪力分别计算，取其中较大者,双向板的等效均布荷载可按与单向板相同的原则，按四边简支板的绝对最大弯矩等值来确定。,式中,l,板的跨度,;,b,板上荷载的有效分布宽度,，,按本附录,B.0.5,确定,;,M,max,一简支单向板的绝对最大弯矩，按设备的最不利布置确定,。,计算,M,max,时，设备荷载应乘以动力系数，并扣去设备在该板跨内所占面积上，由操作荷载引起的弯矩。,式中,s ,次梁间距,;,l ,次梁跨度,;,M,max,与,V,max,简支次梁的绝对最大弯矩,，,与最大剪力,。,按设备的最不利布置确定,。,（,f,）当荷载分布比较均匀时，主梁上的等效均布活荷载可由全部荷载总和除以全部受荷面积求得。,（,g,）柱、基础上的等效均布活荷载，在一般情况下，可取与主梁相同。,3,） 工业建筑楼面活荷载,（,a,）工业建筑楼面在生产使用或安装检修时，由设备、管道、运输工具及可能拆移的隔墙产生的局部荷载，均应按实际情况考虑，可采用前述民用建筑楼面等效均布活荷载的计算方法。,（,b,）,工业建筑楼面,(,包括工作平台,),上无设备区域的操作荷载，包括操作人员、一般工具、零星原料和成品的自重，可按均布活荷载考虑，采用,2.0kN/m,2,。生产车间的楼梯活荷载，可按实际情况采用，但不宜小于,3.5kN/m,2,。,对于一般金工车间、仪器仪表生产车间、半道体器件车间、棉纺织车间、轮胎厂准备车间和粮食加工车间，当缺乏资料时，可按规范附录,C,表采用。,4,） 屋面均布活荷载,工业及民用房屋的屋面，其水平投影面上屋面均布活荷载标准值、组合值系数、频遇值系数及准永久值系数按下表采用。,注意：屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。,5,） 屋面积灰荷载,（,a,）设计生产中有大量排灰的厂房及其邻近建筑时，对于具有一定除尘设施和保证清灰制度的机械、冶金、水泥等的厂房屋面，其水平投影面上的屋面积灰荷载应分别按表采用。,（,b,） 对于屋面上易形成灰堆处，当设计屋面板、檩条时，积灰荷载标准值可乘以下列规定的增大系数,:,在高低跨处,两倍于屋面高差但不大于,6.0m,的分布宽度内取,2.0;,在天沟处,不大于,3.0m,的分布宽度内取,1.40,。,（,c,）积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。,6,） 施工、检修荷载和栏杆水平荷载,（,a,）设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨篷和预制小梁时，施工或检修集中荷载,(,人和小工具的自重,),应取,1.0kN,，并应在最不利位置处进行验算,。,注：（,i,）对于轻型构件或较宽构件，当施工荷载超过上述荷载时，应按实际情况验算，或采用加垫板、支撑等临时设施承受。,（,ii,）当计算挑檐、雨篷承载力时，应沿板宽每隔,1. 0m,取一个集中荷载,;,在验算挑檐、雨篷倾覆时，应沿板宽每隔,2. 5,3. 0m,取一个集中荷载。,6,） 施工、检修荷载和栏杆水平荷载,（,b,）楼梯、看台、阳台和上人屋面等的栏杆顶部水平荷载，应按下列规定采用,:,住宅、宿舍、办公楼、旅馆、医院、托儿所、幼儿园，应取,0.5kN/m ;,学校、食堂、剧场、电影院、车站、礼堂、展览馆或体育场，应取,1.0kN/m.,（,c,）当采用荷载准永久组合时，可不考虑施工和检修荷载及栏杆水平荷载。,1),吊车工作制等级与工作级别,按吊车在使用期内要求的总工作循环次数分成,10,个利用等级，又按吊车荷载达到其额定值的频繁程度分成,4,个载荷状态,(,轻、中、重、特重,),8,个级别作为吊车设计的依据。,建筑结构荷载规范,(GB 500092001),在吊车荷载的规定中也相应采用按工作级别划分，现在采用的工作级别与以往采用的工作制等级存在对应关系，如表,2-5,所示。,表,2-5,吊车的工作制等级与工作级别的对应关系,(5),吊车荷载,工作制等级,轻,级,中,级,重,级,超,重 级,工作级别,A1,A3,A4,，,A5,A6,，,A7,A8,2,）,吊车竖向荷载和水平荷载,A.,吊车竖向荷载标准值,吊车的技术资料,(,包括吊车的最大,P,max,或最小轮压,P,min,),都应由工艺提供。,大,纵向,横向,(b),吊车竖向荷载的,动力系数,当计算吊车梁及其连续的强度时，吊车竖向荷载应乘以动力系数。动力系数可按表,2-6,取用。,悬挂吊车、电动葫芦、工作级别为,A1,A5,的吊车,工作级别为,A6,A8,的软钩吊车、硬钩吊车、其他特种吊车,1.05,1.10,表,2-6,吊车竖向荷载的动力系数,B.,吊车水平荷载标准值,吊车水平荷载有纵向和横向两种,。,a),吊车纵向水平荷载标准值,吊车纵向水平荷载标准值应按作用在吊车一端轨道上,所有刹车轮,的最大轮压之和的,10%,采用。该项荷载的作用点位于刹车轮与轨道的接触点，其方向与轨道方向一致。,b),吊车横向水平荷载标准值,按下式计算：,式中，,H ,吊车横向水平荷载标准值；,Q ,吊车的额定起重质量；,G1,横行小车质量。,系数，对软钩吊车：当额定起重量不大于,10t,时，应取,0.12,；当额定起重量为,16,50t,时，应取,0.10,；当额定起重量不小于,75t,时，应取,0.08,；对硬钩吊车应取,0.20,吊车横向水平荷载应等分于吊车桥架的两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨道，,其方向与轨道垂直,，并考虑正反方向刹车情况。,3),多台吊车的组合,按照各台吊车同时处于最不利位置，且同时满载的极端情况出现的概率是极小的。可将多台吊车共同作用时的吊车荷载效应组合予以折减。在实测调查和统计分析的基础上，可得到多台吊车的荷载折减系数,(,表,2-7),。,表,2-7,多台吊车荷载折减系数,参与组合的吊车台数,吊车工作级别,A1,A5,A6,A8,2,0.90,0.95,3,0.85,0.90,4,0.80,0.85,（,6,）公路桥涵上的汽车和人群荷载,交通部颁标准,公路桥涵设计通用规范,JTG D60- 2004,中有以下类型：,汽车荷载,汽车冲击力,汽车离心力,汽车引起的土侧压力,人群荷载,汽车制动力,1,）汽车荷载,A.,汽车荷载分为公路一,级和公路一,级两个等级。,B.,各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合表,4.3.1-1,的规定。,C.,汽车荷载由,车辆荷载,和,车道荷载,组成,。,桥梁结构的整体计算采用车道荷载,;,桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。,表,4.3.1-1,各级公路桥涵的汽车荷载等级,车辆荷载：,公路一,级和公路一,级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。,表,4.3.1-2,车辆荷载的主要技术指标,车道荷载：由均布荷载和集中荷载组成。,a,）公路一,级车道荷载的均布荷载标准值为,q,K,=10.5kN/m;,集中荷载标准值按以下规定选取,:,桥梁计算跨径小于或等于,5m,时，,P,K,=180kN;,桥梁计算跨径等于或大于,50m,时，,P,K,= 360kN;,桥梁计算跨径在,5m,一,50m,之间时，,P,K,值采用直线内插求得。计算剪力效应时，上述集中荷载标准值,P,K,应乘以,l.2,的系数。,b),公路一,级车道荷载的均布荷载标准值,q,K,和集中荷载标准值,P,K,按公路一,级车道荷载的,0.75,倍采用。,c),车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上,;,集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。,桥涵设计车道数，应符合,表,4.3.1,一,3,的规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。,当桥涵设计车道数等于或大于,2,时，由汽车荷载产生的效应应按表,4.3.1-4,规定的多车道折减系数进行折减。但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。,大跨径桥梁上的汽车荷载应考虑纵向折减，折减系数见表,4.3.1-5,。,2,）汽车冲击力,冲击系数,u,可按下式计算：,汽车冲击力标准值,=,汽车荷载标准值,冲击系数,3,）汽车离心力,汽车离心力标准值,=,车辆荷载标准值,离心力系数,C,。,离心力系数,C,为：,式中,V-,设计速度,(km/h),，应按桥梁所在路线设计速度采用,; R,曲线半径,(m),4,）汽车制动力,一个设计车道上由汽车荷载产生的制动力标准值按车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的,10%,计算。,公路一,I,级汽车荷载的制动力标准值不得小于,165kN;,公路一,II,级汽车荷载的制动力标准值不得小于,90kN,。,同向行驶双车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的两倍,;,同向行驶三车道为一个设计车道的,2.34,倍,;,同向行驶四车道为一个设计车道的,2.68,倍。,5,）人群荷载 其标准值应按下列规定采用：,A.,当桥梁计算跨径小于或等于,50m,时，人群荷载标准值为,3 .0kN/m,2,;,当桥梁计算跨径等于或大于,150m,时，人群荷载标准值为,2.5kN/m,2,时,;,当桥梁计算跨径在,50m,一,150m,之间时，可由线性内插得到人群荷载标准值。城镇郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述规定值的,1.15,倍。 专用人行桥梁，人群荷载标准值为,3.5kN/m,2,。,B.,人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。,C.,人行道板,(,局部构件,),可以一块板为单元，按标准值,4.0kN/M,的均布荷载计算。,D.,计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取,0.75kN/m;,作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取,1.0KN/m.,2.2.3,静,水压力及,动水压力,(1),静水压强,p,与静水总压力,P,在重力作用下静水压强,p,为：,h,水的深度,;,水的重度；,p,0,自由表面压强，一般为大气压强，由于大气压强是始终存在的，故在工程上采用相对压强，取,p,0,=0,，故可用下式计算静水压强,h,静水压强的分布,静水压强的特点：,（,i,）水中,任意一点压强的大小与水深成正比，与作用面垂直。,（,ii,）水中,任意一点压强各向等值，与作用面的方位无关。,h,铅垂面静水压强的分布,斜面静水压强的分布,静水总压力,P,1),平面壁上的静水总压力,数值大小,式中,作用点在分布三角形的形心处，,垂直指向平面壁。,当,L=h,时，平面壁为铅垂面,P,h,h,当平面壁宽度,b=1m,时，即单位宽,度平面壁上的静水总压力为,A,B,C,D,2),曲面壁上的静水总压力,作用在曲面壁上,指向曲面,中心。数值为,式中 ：,P,与水平面夹角,V,压力体体积，其周界为三部分,:,曲面、水体自由,表面及由曲面周界引至与水体自由表面相交的铅垂面。,例,2.5,有一弧形闸门，如图所示，半径,r=4m,，门宽,b=6 m,，,H=2m,，水面与门轴同高，求该闸门所受静水总压力。,解：,压力体的体积,v=,断面,ABC,的体积,V,=,（,AOB,扇形面积,- BOC,三角形面积）,门宽,b,(2),流水压力,根据流体运动时的连续性方程、能量方程和动量方程，可得伯诺里积分方程：,式中,:,z,每单位重力水体所具有的位能，简称单位位能,;,v,流速，,表示每单位重力水体所具有的动能,简称单位动能,;,p,某深度处的压强,表示每单位重力水体以压强形式保持的一种能量，,简称单位压能,水流作用在结构上，速度,v,由,v,1,变为,v,2,=0,，压强由,p,1,变为,p,2,，,结构面上的流水压强为：,流体的位能,Z,不变时，,若,v,1,v,2,则,p,1,p,2,桥墩流水压力的计算,桥墩迎水面水流单元体的压强,p,为：,v,水流未受桥墩影响时的流速，,为水的重度。,若桥墩迎水面受阻面积为,A,，再引入考虑墩台平面形状的系数,K,，桥墩上的流水压力按下式计算：,式中，,P,作用在桥墩上的流水压力,(,kN,),；,v,设计流速,(,m/s,),；,A,桥墩阻力面积，一般算至冲刷线处；,g,重力加速度，,K,由试验测得的桥墩形状系数，按表,5-2,取用。,桥墩形状,方形桥墩,矩形桥墩,(,长边与水流平行,),圆形桥墩,尖端形桥墩,圆端形桥墩,K,1.5,1.3,0.8,0.7,0.6,表,5-2,桥墩形状系数,K,【,计算题,1】,某存放一般资料的两层档案馆，其承重结构为现浇钢筋混凝土无梁楼盖板柱体系。柱网尺寸为,7.8m7.8m,，楼层净高为,3.0m,，楼板厚度为,0.26m,，楼面层建筑作法为,0.04m,。各层楼面上设置可灵活布置的,C,型轻钢龙骨，不保温两层,12mm,纸面石膏板隔墙，求柱在基础顶部截面处由楼面活荷载标准值产生的轴向力。,解：,(1),隔墙产生的附加楼面活荷载标准值。,由于隔墙位置可灵活布置，其自重作为楼面活荷载的附加值应计入，可求得：,查,建筑结构荷载规范,(GB 500092001),附录,A,第,11,项得隔墙自重为,0.27kN/m2,，隔墙高度等于楼层净高,3.0m,，按规定可取每延米长墙重的,1/3,作为隔墙产生的附加楼面活荷载标准值。,Q,ak,= 1/3 3.00.27=0.27kN/m,2,但其值小于,1kN/m,2,，取等于,1kN/m,2,。,(2),楼面均布活荷载标准值。,对存放一般资料的档案室楼面均布活荷载标准值按,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),规定为,2.5kN/m,2,(,见表,2-9,中的第,2,项,),。,因此档案馆每层楼面活荷载标准值,q=2.5+1=3.5kN/m,2,(3),楼面活荷载产生的轴向力标准值。,设计基础时，楼面活荷载标准值的折减系数,建筑结构荷载规范,(GB 50009-2001),规定其值为,0.9,，因此由楼面活荷载产生的轴向力标准值,(,忽略楼板不平衡力矩产生的轴向力影响,),为,: N=3.5x2x0.9x7.8x7.8=383.3kN,2.2.4,风荷载,风荷载是一种重要的设计荷载，对于高层房屋、高耸结构,(,如高塔、烟囱,),桥梁、起重机和屋盖等结构，常常起着主要的作用。,(1),风荷载的基础知识,1),风的形成,风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球各处辐射程度和大气升温的不均衡性，在地球上的不同地区产生大气压力差，空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风。,2),风的强度,根据风对地面,(,或海面,),物体的影响程度划分等级。,表,3-1,蒲福风力等级表,风力,等级,名称,海面状况浪高,/m,海岸渔船征象,陆地地面物征象,距地,10m,高处相当风速,一,般,最,高,km/h,mile/h,m/s,0,静风,-,-,静,静、烟直上,1,0.3,时，取,tg,=0.3 ;,k,系数，对山峰取,3.2,，对山坡取,1.4;,H,山顶或山坡全高,(m) ;,Z,建筑物计算位置离建筑物地面的高度，,m;,当,z2. 5H,时，取,z=2. 5H,。,如图所示，取,A,、,C,处的修正系数,=,1,，山坡和山峰的其他部位，,AB,间和,BC,间的修正系数按,的线性插值确定。,图,3.3,山坡和山峰示意图,b,) 山间盆地、谷地等闭塞地形,=0.750.85；对于与风向一致的谷口、山口，,=1.201.50。,对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数可按A类粗糙度类别，还应考虑,下,表中给出的修正系数。,距海岸距离,/,km,40,40,60,60,100,修正系数,1.0,1.0,1.1,1.1,1.2,2),风载体型系数,s,结构物体型不同、其表面风压的实际大小和分布也就不相同。,系数为,正值,，为,压力,作用，,方向指向建筑物表面,；,系数为,负值,，为,吸力,作用，,方向离开建筑物表面,。,风荷载体型系数表,当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，使得房屋某些部位的局部风压显著增大。设计时可将单体建筑物的体型系数 乘以相互干扰增大系数，该系数参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出。,3),风振系数,Z,建筑结构在,Z,高度处的风振系数,Z,按下式计算：,式中，,风压高度变化系数；,脉动增大系数；,脉动影响系数；,振型系数 。,基本自振周期,不大于,0.25s,的高耸结构和高度不大于,30m,或高宽比不大于,1.5,的房屋,可以不考虑风振系数,即取,Z,=1,。,结构基本周期,T,1,经验公式,1.,高耸结构,一般情况下的钢结构和钢筋混凝土结构为：,T,1,=(0.007,0.013)H,式中，,H,为结构物总高,(m),。,一般情况下，钢结构刚度小，结构自振周期长，可取高值；钢筋混凝土结构刚度相对较大，结构自振周期短，可取低值。,2.,高层建筑,一般情况下的钢结构和钢筋混凝土结构：,钢结构,T,1,=(0.10,0.15)n,钢筋混凝土结构,T,1,=(0.05,0.10)n,式中，,n,为建筑层数。,对于钢筋混凝土框架和框剪结构,可按下述公式确定：,对于钢筋混凝土剪力墙结构,可按下述公式确定：,式中，,H,房屋总高度,(m),；,B,房屋宽度,(m),。,考虑当地地面粗糙度后的基本风压；,T,1,结构的基本自振周期。,查表前计算 时，对地面粗糙度,B,类地区可直接代入基本风压。对,A,类、,C,类和,D,类地区应按当地的基本风压分别乘以,1.38,、,0.62,和,0.32,后代入。,（,i,） 脉动增大系数 ，可查下表：,（,ii,） 脉动影响系数,a,）,结构迎风面较小的情况,对于结构迎风面宽度远小于其高度的情况,(,如高耸结构等,),，若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可按下表采用。,当高耸结构迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线规律变化，而质量沿高度按连续规律变化时,，,表中的脉动影响系数应再乘以修正系数,B,和,V,。,B,应为构筑物迎风面在,z,高度处的宽度,B,z,与底部宽度,B,0,的比值，,v,可按表确定。,b,）,结构迎风面宽度较大的情况,对于结构迎风面宽度较大的情况,(,如高层建筑等,),，若外形、质量沿高度比较均匀，脉动影响系数可根据结构总高度,H,及其与迎风面宽度,B,的比值，按下表采用。,（,iii,）振型系数,振型系数的确定，也可参考荷载规范附录,F,表中数值。,结构振型系数应根据结构动力学方法确定，,顺风向计算时可仅考虑第一振型,。近似公式计算结构振型系数时，对于高耸构筑物可按弯曲型考虑，结构第,1,振型系数按下述近似公式计算：,对于高层建筑结构，当以剪力墙的工作为主时，可按弯剪型考虑，结构第,1,振型系数按下述近似公式计算：,迎风面宽度远小于其高度的高耸结构的振型系数表,荷载规范附录,F,表,1-1,（,iii,）振型系数,剪力墙和框架均起主要作用，迎风面宽度较大的高层建筑的振型系数表,荷载规范附录,F,表,1.2,截面沿高度规律变化的高耸结构第,1,振型系数表,B,H,结构迎风面顶部宽度；,B,0,结构迎风面底部宽度,高度,Z,处的阵风系数。,计算直接承受风压的幕墙构件,(,包括门窗,),风荷载时的,阵风系数应按下表确定。,对其他屋面、墙面构件阵风系数取,1.0,。,4,）当计算围护结构时，风荷载中标准值,w,k,按下式计算：,验算围护构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数,sl,：,i,）外表面,a,）,正压区 按,s,表采用；,b,）,负压区,对墙面，取,-1.0,；对墙角边，取,-1.8,；,对屋面局部部位,(,周边和屋面坡度大于,10,o,的屋脊部位,),取,-2.2,；,对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件，取,-2.0,。,注：对墙角边和屋面局部部位的作用宽度为房屋宽度的,0.1,或房屋平均高度的,0.4,，取其小者，但不小于,1.5m,。,ii,）内表面对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取,-0.2,或,0.2,。,sl,局部风压体型系数,4,） 横风向风振,对圆形截面的结构，应按下列规定对不同雷诺数,R,e,的,情况进行横风向风振,(,旋涡脱落,),的校核：,）,当,R,e,310,5,且结构顶部风速,H,大于临界风速,cr,时，,可发生亚临界的,微风共振,。此时，可在构造上采取防振,措施，或控制结构的临界风速不小于,15m,s,。,）当,R,e,3.510,6,且结构顶部风速的,1.2,倍大于临界风速,时，可发生跨临界的,强风共振,，此时应考虑横风向风,荷载引起的共振效应。,）当雷诺数为,310,5,R,e,3.510,6,时，则发生超临界,范围的风振，,可不作处理,。,）雷诺数,R,e,临界风速,cr,和结构顶部风速,H,可按以下公,式确定。,雷诺数,Re,可按下列公式确定：,R,e,69000,v,D,式中,v,计算所用风速，可取,v,cr,值；,D,结构截面的直径,(m),。,临界风速,v,cr,和结构顶部风速,v,H,可按下列公式确定：,当结构沿高度截面缩小时,(,倾斜度不大于,0.02),，可近似,取,2,3,结构高度处的直径。,式中,T,i,结构振型,i,的自振周期，验算亚临界微风共振时取,T,1,;,St,斯脱罗哈数，对圆截面结构取,0.2 ;,H,结构顶部风压高度变化系数,;,0,基本风压,(kN/m2) ;,空气密度,(kg/m3),）跨临界强风共振引起在,z,高处振型,j,的等效风荷载可由下列公式确定,式中,j,计算系数，按下表确定,;,zj,在,z,高处结构的,j,振型系数，由计算确定或查前表，,j,第,j,振型的阻尼比,;,对第,1,振型，钢结构取,0.01,，房屋钢结构取,0.02,混凝土结构取,0.05;,对高振型的阻尼比，若无实测资料，可近似按第,1,振型的值取用。,校核横风向风振时，风的荷载总效应可将横风向风荷载,效应,S,c,与顺风向风荷载效应,S,A,按下式组合后确定：,对非圆形截面的结构，横风向风振的等效风荷载宜,通过空气弹性模型的风洞试验确定；也可参考有关资料,确定。,张相庭,:,工程抗风设计计算手册,，中国建筑工业出版社,上表中的,H,1,为临界风速起始点高度，可按下式确定,:,式中,地面粗糙度指数，对,A, B, C,和,D,四类分别取,0.12, 0.16, 0.22,和,0.30;,v,H,结构顶部风速,(,m/s,),。,注,:,校核横风向风振时所考虑的高振型序号不大于,4,，对一般悬臂型结构，可只取第,1,或第,2,个振型。,W,0,对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑， 其基本风压应按,100,年重现期的风压值采用。,(4 ),高层建筑抗风设计,振型系数，可由结构动力计算确定，计算时可仅考虑受力方向基本振型的影响,;,对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，也可近似采用振型计算点距室外地面高,Z,i,与房屋高度,H,的比值,即可用以下简化公式,:,式中,高层建筑混凝土结构技术规程,JGJ 3-2002,定义高层建筑为,10,层及,10,层以上的房屋或高度超过,28m,的房屋，其风荷载的计算特点：,s,计算主体结构的风荷载效应时，风荷载体型系数可,按下列规定采用：,圆形平面建筑取,0.8,；,正多边形及截角三角形平面建筑，由下式计算：,式中,n,多边形的边数。,高宽比,H/B,不大于,4,的矩形、方形、十字形平面建筑取,1.3,；,下列建筑取,1.4,：,1,）,V,形、,Y,形、弧形、双十字形、井字形平面建筑；,2,）,L,形、槽形和高宽比,H/B,大于,4,的十字形平面建筑；,3,）高宽比,H/B,大于,4,，长宽比,L/B,不大于,1.5,的矩形、鼓形,平面建筑。,在需要更细致进行风荷载计算的场合，风荷载体型系数,可按规程附录,A,采用，或由风洞试验确定。,（,5,）桥涵规范中桥梁风荷载计算,假定水平地垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上，其,横桥向,标准值可按下式计算,:,W,d,设计基准风压,(kN/m,2,);,A,wh,横向迎风面积,(m,2,),，按桥跨结构各部分的实际尺寸计算,;,V,d,高度,Z,处的设计基准风速,(,m/s,),V,10,桥梁所在地区的设计基本风速，系按平坦空旷地面，离地面,l0m,高，重现期为,100,年,10min,平均最大风速计算确定,.,空气重度,(kN/m,3,);Z,距地面或水面的高度,(m);,k,0,设计风速重现期换算系数，,k,1,风载阻力系数，,k,2,考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数，,k,3,地形、地理条件系数，,k,5,阵风风速系数。,K,o,设计风速重现期换算系数，对于单孔跨径指标为 特大桥和大桥的桥梁，,k,o,=1.0,，对其他桥梁，,k,o,= 0.90;,对施工架设期桥梁，,k,o,=0.75;,当桥梁位于台风多发地区时，可根据实际情况适度提高,k,o,值,;,K,1,普通实腹桥梁上部结构的风载阻力系数可按式计算,:,式中,B,桥梁宽度,(m); H,梁高,(m),。,桁架桥上部结构的风载阻力系数,K,1,:,规定见表,4.3.7-4,。,上部结构为两片或两片以上桁架时，所有迎风桁架的风载阻力系数均取,K,1,，,为遮挡系数，按表,4.3.7-5,采用,;,桥面系构造的风载阻力系数取,K,1,=1.30,桥墩或桥塔的风载阻力系数,K,1,;,可依据桥墩或桥塔的断面形状、尺寸比及高宽比值的不同由表,4.3.7-6,查得。表中没有包括的断面，其,K,1,值宜由风洞试验确定,。,K,2,考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数，可按表,4.3.7-3,取用,;,位于山间盆地、谷地或峡谷、山口等特殊场合的桥梁上、下部结构的风速高度变化修正系数,k,2,按,B,类地表类别取值,;,K,3,地形、地理条件系数，按表,4.3.7-1,取用,;,k,5,阵风风速系数，对,A,B,类地表,k,5,=1.38,，对,C,D,类地表,k,5,=1. 70,。,桥梁顺桥向可不计桥面系及上承式梁所受的风荷载，下,承式桁架顺桥向风荷载标准值按其横桥向风压的,40%,乘以桁架迎风面积计算。,桥墩上的顺桥向风荷载标准值可按横桥向风压的,70%,乘,以桥墩迎风面积计算。,悬索桥、斜拉桥桥塔上的顺桥向风荷载标准值可按横桥,向风压乘以迎风面积计算。,桥台可不计算纵、横向风荷载。,对风敏感且可能以风荷载控制设计的桥梁，应考虑桥梁在风荷载作用下的静力和动力失稳，必要时应通过风洞试验验证，同时可采取适当的风致振动控制措施。,P (,单位,KN),q (,单位,KN/m),(,弯距图,M),M,max,=ql,2,/8,M,max,=,Pl/4,(,弯距图,M),(,剪力图,V),P/2,P/2,(,剪力图,V),V,max,=,ql,/2,下一张,q(KN/m,),l,ql/2,V,max,=,ql,/2,(,剪力图,V),(,弯距图,M),M,max,=,ql,2,/8,单位,(KN),单位,(,KN.m,),q(KN/m,),(,轴力,N),(,弯距图,M),(,剪力,V),(,扭矩,T),(,弯距,M),内,力,简支梁,连续梁,V,max,=,ql,/2,ql/2,q,=,8,M,max,/l,2,q,=,2V,max,/,l,下一张,l,b,总荷载（,KN,）相等,blq,e,=,ql,面荷载,q,e,线荷载,q,l,单位,(KN/m,2,),单位,(KN/m),故有,q,e,=,q/b,下一张,P (,单位,KN),(,剪力图,V),P/2,P/2,P,(,剪力图,V),P,l,下一张,(,剪力图,V),P,(,弯距图,M),P,l,P,P,P,l,P,P,下一张,下一张,下一张,B,B,0,B,z,B,H,下一张,x,Y,A,B,线性插入法,已知,X,A,X,B,及,Y,A,Y,B,欲求,X,C,对应的,Y,c,X,A,X,B,Y,A,Y,B,X,C,Y,c,下一张,v,迎风面,u,s,=+0.8,背风面,u,s,=-0.5,下一张,