《作用及荷載設(shè)計(jì)》課件

作用及荷載設(shè)計(jì)作用及荷載設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。作用指的是作用于結(jié)構(gòu)上的力，荷載指的是作用于結(jié)構(gòu)上的外力。課程介紹本課程主要介紹作用及荷載在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。課程內(nèi)容包括：荷載概述、常見荷載類型、荷載組合、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)、荷載系數(shù)、抗震設(shè)防等級、地震反應(yīng)譜法、地震動力分析法、地震作用分析等。本課程將通過理論講解、案例分析、軟件操作等方式，幫助學(xué)生掌握作用及荷載設(shè)計(jì)的基本理論和方法，為學(xué)生從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)與作用結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)指建筑物或構(gòu)筑物的骨架，提供承載能力和穩(wěn)定性。作用作用指作用在結(jié)構(gòu)上的外力，包括荷載和環(huán)境因素。荷載荷載指作用在結(jié)構(gòu)上的重量，包括自重、活荷載、風(fēng)荷載等。環(huán)境因素環(huán)境因素指溫度、濕度、地震等影響結(jié)構(gòu)性能的因素。荷載概述荷載是作用在結(jié)構(gòu)物上的外力，包括自重、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度作用、地震作用等。荷載設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)物的安全性、耐久性和使用功能。準(zhǔn)確確定荷載的大小、方向和作用位置，是進(jìn)行荷載設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。荷載設(shè)計(jì)要考慮各種因素，例如結(jié)構(gòu)物的用途、使用環(huán)境、地理位置等。自重荷載自重荷載是指建筑物或構(gòu)筑物本身的重量，包括各種材料的重量、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重量以及安裝設(shè)備的重量等。1材料鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、木材、磚石等材料的重量。2構(gòu)件梁、柱、板、墻、樓板、屋頂、基礎(chǔ)等構(gòu)件的重量。3設(shè)備電梯、管道、空調(diào)、照明等設(shè)備的重量。4裝飾墻面、地面、天花板的裝飾材料重量?；詈奢d活荷載是指在建筑物或構(gòu)筑物使用過程中，由于人員、設(shè)備、家具等活動而產(chǎn)生的荷載?；詈奢d的大小和位置都是不確定的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)不同的使用功能和環(huán)境條件進(jìn)行確定?；詈奢d的設(shè)計(jì)值通常根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用功能和環(huán)境條件確定，例如住宅的活荷載設(shè)計(jì)值通常為2.0kN/㎡，而車庫的活荷載設(shè)計(jì)值則為4.0kN/㎡。風(fēng)荷載風(fēng)荷載風(fēng)力對建筑物產(chǎn)生的荷載風(fēng)壓風(fēng)對建筑物表面產(chǎn)生的壓力風(fēng)力系數(shù)風(fēng)荷載大小的比例系數(shù)風(fēng)荷載是建筑物重要的荷載之一，需要根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、建筑物形狀等因素進(jìn)行計(jì)算。雪荷載雪荷載作用類型特點(diǎn)靜荷載垂直荷載均勻分布，集中在屋頂可變荷載隨時(shí)間變化雪量、雪深、雪密度影響雪荷載主要影響屋頂結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件和建筑物類型進(jìn)行計(jì)算，并考慮積雪的分布和厚度。溫度作用溫度變化對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在熱脹冷縮。溫度變化引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。10溫度變化溫度變化主要指季節(jié)變化或晝夜變化引起的溫度差。50膨脹系數(shù)不同材料的膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不同部位的膨脹量不同，產(chǎn)生應(yīng)力。100溫度梯度結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同部位的溫度梯度也會產(chǎn)生應(yīng)力。20應(yīng)力溫度應(yīng)力會降低結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至引起結(jié)構(gòu)破壞。溫度作用的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)規(guī)范需要根據(jù)具體工程情況和規(guī)范要求進(jìn)行。地震作用地震作用是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的考慮因素之一。地震的發(fā)生會對建筑物造成巨大的破壞，因此必須進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以確保建筑物的抗震能力。地震作用的大小取決于地震烈度、地震震級、地質(zhì)條件和建筑物自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素。組合作用基本組合基本組合是指由各種荷載作用共同作用于結(jié)構(gòu)的一種組合，用于確定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。偶然組合偶然組合是指由各種荷載作用共同作用于結(jié)構(gòu)的一種組合，用于確定結(jié)構(gòu)的耐久性。特殊組合特殊組合是指在某些特殊情況下，例如地震或爆炸，需要考慮的荷載組合。荷載系數(shù)11.安全系數(shù)考慮材料強(qiáng)度、施工質(zhì)量等因素，確保結(jié)構(gòu)安全。22.可變系數(shù)反映荷載的變異性，確保結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下安全。33.組合系數(shù)考慮不同荷載類型之間的相互影響，確保結(jié)構(gòu)在組合荷載作用下安全。極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)失效結(jié)構(gòu)失去承載能力，無法正常使用，例如倒塌、斷裂、嚴(yán)重變形等。使用功能失效結(jié)構(gòu)雖然沒有倒塌，但無法滿足使用功能要求，例如過大的振動、沉降、裂縫等。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下可能出現(xiàn)的極限狀態(tài)，并確保結(jié)構(gòu)能夠安全可靠地使用。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則安全性結(jié)構(gòu)能夠安全地承受各種荷載并保持穩(wěn)定性，防止倒塌或局部破壞。適用性結(jié)構(gòu)在使用過程中滿足功能需求，確保使用性能和耐久性，滿足用戶體驗(yàn)和舒適度。經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)方案應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理，盡可能降低成本，滿足工程造價(jià)要求。極限承載能力極限承載能力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載作用下所能承受的最大荷載，超出此荷載，結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞或喪失使用功能。極限承載能力是結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須予以充分考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是保證結(jié)構(gòu)在正常使用情況下具有足夠的承載能力，并能夠抵抗各種意外荷載，如地震、風(fēng)、雪等。極限承載能力的計(jì)算方法主要有兩種：理論計(jì)算法和試驗(yàn)法。理論計(jì)算法基于材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，通過計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的承載能力；試驗(yàn)法通過對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，直接測量其承載能力。極限使用狀態(tài)定義結(jié)構(gòu)在正常使用情況下，可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)失效或功能喪失特征結(jié)構(gòu)的變形、振動或其他性能超過規(guī)定的限值后果影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能，但不威脅結(jié)構(gòu)安全永久和臨時(shí)荷載永久荷載永久荷載是指作用在結(jié)構(gòu)上長期不變的荷載。例如，房屋的自重、墻體、樓板、屋頂、固定設(shè)備等。臨時(shí)荷載臨時(shí)荷載是指作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)間不固定、大小和位置可能變化的荷載。例如，人和家具的重量、風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載等。荷載區(qū)分區(qū)分永久荷載和臨時(shí)荷載的目的是為了確定結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命。永久荷載是結(jié)構(gòu)安全的重要保證，而臨時(shí)荷載則需要考慮其變化規(guī)律，確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。荷載組合1基本組合基本組合用于計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用極限狀態(tài)，考慮永久荷載、可變荷載和其他荷載的影響。2偶然組合偶然組合用于計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)，考慮永久荷載、可變荷載和其他荷載的影響。3地震組合地震組合用于計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)，考慮永久荷載、地震荷載和其他荷載的影響。分部驗(yàn)算基礎(chǔ)基礎(chǔ)驗(yàn)算主要考慮地基承載力，并根據(jù)基礎(chǔ)形式進(jìn)行驗(yàn)算。主要包括基礎(chǔ)抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算，抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算，以及基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。主體結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算主要包括梁、柱、板、墻等構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮不同荷載工況下的內(nèi)力、變形和屈服條件。屋面和樓面屋面和樓面驗(yàn)算主要包括板、梁、柱等構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。需要考慮屋面荷載、樓面活荷載、以及屋面和樓面自身的重量。建筑物全體驗(yàn)算綜合考量考慮所有可能的作用和荷載組合，包括自重、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度作用和地震作用等。安全系數(shù)根據(jù)建筑物的類別、重要性和使用功能，確定相應(yīng)的安全系數(shù)，確保建筑物的安全性和可靠性。規(guī)范要求遵循相關(guān)的建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，例如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012等?？拐鹪O(shè)防等級11.地震烈度地震烈度表示地震對地面和建筑物的影響程度，采用中國地震烈度表。22.結(jié)構(gòu)重要性結(jié)構(gòu)的重要性指建筑物在發(fā)生地震時(shí)對社會、經(jīng)濟(jì)的影響程度。33.結(jié)構(gòu)場地條件場地條件指建筑物所在地的地質(zhì)、土壤條件，會影響地震波的傳播和放大程度。44.結(jié)構(gòu)抗震措施抗震措施包括結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)、施工、材料、抗震驗(yàn)收等。地震作用分析1地震動輸入地震動是地震作用的基本參數(shù)。2結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析分析結(jié)構(gòu)在地震動作用下的動力響應(yīng)。3地震力計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算地震作用力。地震作用分析是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，確定結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時(shí)如何響應(yīng)，計(jì)算結(jié)構(gòu)需要承受的地震力。地震彈性反應(yīng)譜地震彈性反應(yīng)譜是描述地震動特性的一種重要工具。反應(yīng)譜是以地震動頻率為橫坐標(biāo)，結(jié)構(gòu)在不同頻率下產(chǎn)生的最大地震加速度為縱坐標(biāo)繪制的曲線。1頻率結(jié)構(gòu)的固有頻率2加速度結(jié)構(gòu)在該頻率下的最大加速度3地震動特定地震事件的地震動記錄地震彈性反應(yīng)譜可以用于確定地震荷載對結(jié)構(gòu)的影響。地震反應(yīng)譜法1確定地震動參數(shù)周期、阻尼比、峰值加速度2繪制反應(yīng)譜根據(jù)地震動參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)反應(yīng)3確定結(jié)構(gòu)自振周期通過振型分析獲得4確定結(jié)構(gòu)最大地震力利用反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)構(gòu)承受地震力地震反應(yīng)譜法是一種簡便有效的方法，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中。地震動力分析法結(jié)構(gòu)動力模型構(gòu)建結(jié)構(gòu)的動力模型，包括質(zhì)量、剛度和阻尼等參數(shù)。地震激勵(lì)將地震動輸入結(jié)構(gòu)模型，模擬地震發(fā)生時(shí)的地面運(yùn)動。計(jì)算分析運(yùn)用數(shù)值方法求解結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)作用下的動力響應(yīng)，包括位移、速度和加速度。結(jié)果評估分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，評估結(jié)構(gòu)的抗震性能和可能發(fā)生的破壞模式。整體抗震性能控制結(jié)構(gòu)安全確保建筑結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時(shí)不發(fā)生倒塌，保證生命安全。損傷控制控制地震造成的結(jié)構(gòu)損傷，減少維修成本，提高抗震耐久性。功能恢復(fù)地震后，建筑結(jié)構(gòu)能夠盡快恢復(fù)功能，滿足基本使用要求。構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)柱抗震設(shè)計(jì)保證柱的抗震強(qiáng)度和延性，控制破壞模式。梁抗震設(shè)計(jì)確保梁的抗震強(qiáng)度，避免剪切破壞，增強(qiáng)抗彎能力。墻抗震設(shè)計(jì)提高墻體的抗震強(qiáng)度，增加延性，控制墻體裂縫寬度。節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)保證節(jié)點(diǎn)的抗震強(qiáng)度，防止節(jié)點(diǎn)提前破壞，保證結(jié)構(gòu)整體性。基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)1基礎(chǔ)類型基礎(chǔ)類型應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和建筑物類型選擇，如條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)等。2抗震措施應(yīng)采取措施增強(qiáng)基礎(chǔ)的抗震性能，例如增加基礎(chǔ)剛度、設(shè)置抗震縫等。3基礎(chǔ)計(jì)算基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行抗震計(jì)算，確保其能承受地震荷載，并滿足相關(guān)規(guī)范要求。4施工質(zhì)量基礎(chǔ)施工質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格控制，確保其符合設(shè)計(jì)要求，以保證建筑物的安全。材料與構(gòu)造要求材料選擇使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)材料。構(gòu)造設(shè)計(jì)確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，并符合相關(guān)規(guī)范。施工工藝嚴(yán)格遵守施工規(guī)范，保證施工質(zhì)量。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行驗(yàn)收。質(zhì)量控制材料質(zhì)量控制材料質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)安全，因此要嚴(yán)格