荷載與結構設計方法(緒論)

荷載與結構設計方法（36學時）荷載與結構設計方法本課程主要內容：介紹了工程結構各類荷載及作用的概念、原理、計算方法，以及結構可靠度分析原理和滿足可靠度要求的結構設計方法。

若干建筑工程及荷載示例3.2極限狀態(tài)風荷載：塔科馬大橋風毀錄像3.2極限狀態(tài)海浪作用：印尼海嘯錄像3.2極限狀態(tài)地震作用：汶川地震地震科普3.2極限狀態(tài)撞擊作用：911恐怖襲擊3.2極限狀態(tài)土側壓力：上海蓮花河畔景苑建筑事故3.2極限狀態(tài)上海蓮花河畔景苑建筑事故（2009年6月27日）此工程位于上海閔行區(qū)蓮花南路羅陽路口西側，共有13層，建筑面積：70000平方米，占地面積：41176平方米。原因

土質軟

PHC管樁水平承受力小開挖地下車庫

堆土過高天氣結論建議土質軟

上海市一個沖積平原，土質較軟，從地質條件上來講上海有三種類型土。①平均每平方米最大承載力為12噸，如蘇州河一帶②平均每平方米最大承載力8噸，如浦東區(qū)一帶③平均每平方米最大承載力為5噸，就是事故發(fā)生的閔行區(qū)一帶。

PHC管樁水平承受力小PHC管樁水平承受力的極限為7噸

開挖地下車庫《建筑樁基礎技術規(guī)范》中明確規(guī)定，軟土場地已成樁條件下，開挖基坑高度不應超過1m。蓮花河畔景苑的建設方在7號樓建好后，要求在它的南側離樓不到4.5m的地方，開挖了一個深達4.6m，長80m，寬40m的基坑。堆土過高蓮花河畔景苑的土最大承載力為5噸，在沒有任何防護措施的情況下，堆土高度高度不應超過3m，而在既沒有打圍樁又沒有打樁基的情況下，在7號樓的北側堆了高達10m長80m寬10m的大概7000方的土，推算下來每平方米的土承受壓力11噸，遠遠大于這類土的最大承載力，從而引起了地面下3~12m的土很大程度上的形變，形變的土擠向四周，對樁就產生了一個非常大的推力。

天氣事故發(fā)生在雨季，上海的降水量大，北面土堆的重量大大增加，土層所受的壓力增加，土對樁的推力就增大。同時，土層里含水量增加，使顆粒與顆粒的摩擦力減小，土的流動性增加，進一步加大了土對樁的推動力，也使樁南面的支撐力也減小。開挖地下車庫堆土土形變對樁的推力樁斷裂下雨土含水量土的流動性土堆的重量支撐力建議建議一：考慮到堆土的話，不應選用的PHC樁，其水平承載能力較差。改用灌注樁（施工時用翻插法）建議二：嚴格按照施工程序，先下后上。并且做好安全措施防護。建議三：建設管理單位應盡快填補體制空白，明確自己職責范圍，盡到監(jiān)督責任。建議四：專業(yè)工作人員，應定期進行培訓，補充相關專業(yè)知識。本課程具體章節(jié)3.2極限狀態(tài)第一章緒論第二章重力荷載第三章風荷載第四章地震作用第五章側壓力第六章其他荷載與作用第七章荷載的統(tǒng)計分析第八章結構構件抗力的統(tǒng)計分析第九章結構可靠度分析與計算第十章概率極限狀態(tài)設計法附錄第一章術語符號及緒論（2學時）1.0術語符號（參照建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2012）1.1荷載與作用

1.工程結構的三項基本功能：一是提供能良好地為人類生活和生產服務，滿足人類使用要求、審美要求的結構空間和實體。另一個是承受和抵御結構服役過程中可能出現(xiàn)的各種環(huán)境作用。第三是結構的耐久性要求。（時間）2.結構上的作用：能使結構產生效應（結構或構件的內力、應力、位移、應變、裂縫等）的各種原因的總稱。3.作用效應（S）：作用在結構上產生的內力（彎矩、扭矩、剪力、壓力、拉力等）和變形（撓度、扭轉、彎曲、拉伸、壓縮、裂縫等）。作用效應分類：荷載（直接）效應；間接作用效應。荷載效應：恒荷載效應、活荷載效應、風荷載效應等。荷載Q與荷載效應S之間，一般近似按線性關系考慮：

S=CQ（C為荷載效應系數(shù)）間接作用效應：地震作用效應、溫度作用效應、變形作用效應等。4.結構上作用的分類結構上的作用及其分類3.2極限狀態(tài)結構上的作用及其分類3.2極限狀態(tài)結構上的作用及其分類3.2極限狀態(tài)結構上的作用及其分類3.2極限狀態(tài)結構上的作用及其分類3.2極限狀態(tài)荷載分類3.2極限狀態(tài)荷載分類3.2極限狀態(tài)荷載代表值3.2極限狀態(tài)荷載代表值3.2極限狀態(tài)荷載代表值3.2極限狀態(tài)荷載代表值3.2極限狀態(tài)工程結構設計理論演變簡況3.2極限狀態(tài)容許應力設計法容許應力設計法是建立在彈性理論基礎上的設計方法。其表達式為：式中，－構件在使用階段(使用荷載作用下)截面上的最大應力； －材料的容許應力。 容許應力設計法計算簡單，但其有許多問題：①沒有考慮材料塑性性質。②沒有對作用階段給出明確的定義，也就是使用期間荷載的取值原則規(guī)定得不明確。③把影響結構可靠的各種因素(荷載的變異、施工的缺陷、計算公式的誤差等)統(tǒng)統(tǒng)歸結在反映材料性質的容許應力上，顯然不夠合理。④[]的取值無科學根據，純屬經驗的，歷史上曾多次提高過材料的容許應力值。⑤按容許應力法設計的構件是否安全可靠，無法用實驗來驗證。

工程結構設計理論演變簡況3.2極限狀態(tài)

破損階段設計法針對容許應力設計法存在的缺陷，之后出現(xiàn)了假定材料均已達到塑性狀態(tài)，依據截面所能抵抗的破損內力建立的計算公式。其設計表達式為：

式中，——構件最終破壞時的承載能力；

——安全系數(shù)，用來考慮影響結構安全的所有因素。優(yōu)點為：①它可以反映材料的塑性性質，結束了長期以來假定混凝土為彈性體的局面。②采用一個安全系數(shù)，使構件有了總的安全度的概念。③它以承載能力值(如)為依據，其計算值是否正確可由實驗檢驗。工程結構設計理論演變簡況3.2極限狀態(tài)蘇聯(lián)曾把該理論用下式來表達：

式中，M——正常使用時，由各種荷載所產生的截面內力；

a——反映截面尺寸等的尺寸函數(shù)；k——安全系數(shù)，——材料強度的平均值。破損階段理論仍存在一些重大缺點：①破損階段計算，構件的承載力是得以保證，但卻無法了解構件在正常使用時能否滿足正常使用要求。②安全系數(shù)K的取值仍須經驗確定，并無嚴格的科學依據。③采用籠統(tǒng)的單一安全系數(shù)，無法就不同荷載、不同材料結構件安全的影響加以區(qū)別對待，不能正確地度量結構的安全度。④荷載的取值仍然也是經驗值；⑤表達式中采用的材料強度是平均值，它不能正確反映材料強度的變異程度，顯然也是不夠合理的。工程結構設計理論演變簡況3.2極限狀態(tài)多系數(shù)極限狀態(tài)設計法由于破損階段理論仍有許多缺點，進一步發(fā)展的極限狀態(tài)理論應運而生。極限狀態(tài)的主要概念是明確結構或構件進入某種狀態(tài)后就喪失其原有功能，這種狀態(tài)唄成為極限狀態(tài)。當時曾提出3種極限狀態(tài)：承載力極限狀態(tài)，撓度極限狀態(tài)，裂縫開展寬度極限狀態(tài)、其表達式為：優(yōu)點：客服了破損理論無法了解構件在正常使用時能否滿足正常使用要求的缺陷承載力極限狀態(tài)撓度極限狀態(tài)裂縫開展寬度極限狀態(tài)工程結構設計理論演變簡況3.2極限狀態(tài)概率極限狀態(tài)設計法概率極限狀態(tài)設計法是以概率理論為基礎，將作用效應和影響結構抗力的主要因素作為隨機變量，根據統(tǒng)計分析確定可靠概率來度量結構可靠性的結構設計方法。其特點是有明確的、用概率尺度表達的結構可靠度的定義，通過預先規(guī)定的可靠指標值，使結構各構件間，以及不同材料組成的結構之間有較為一致的可靠度水平。工程結構設計理論演變簡況3.2極限狀態(tài)概率極限狀態(tài)設計法國際上把處理可靠度的精確程度分為3個水準。(1)水準I——半概率方法。對荷載效應和結構抗力的基本變量部分地進行數(shù)理統(tǒng)計分析，并與工程經驗結合引入某些經驗系數(shù)，所以尚不能定量地估計結構的可靠性。(2)水準II——近似概率法。該法對結構可靠性賦予概率定義，以結構的失效概率或可靠指標來度量結構可靠性，并建立了結構可靠度與結構極限狀態(tài)方程之間的數(shù)學關系，在計算可靠指標時考慮了基本變量的概率分布類型，并采用了線性化的近似手段，在設計截面時一般采用分項系數(shù)的實用設計表達式。目前我國的《工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB50153—1992)、《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB50068—2001)都采用了這種近似概率法，在此基礎上頒布了各種結構設計的規(guī)范。