《作用與荷載設(shè)計》課件

作用與荷載設(shè)計作用與荷載設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分。它直接影響結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。課程大綱第一章作用與荷載的基本概念包括荷載的分類、荷載的標(biāo)準(zhǔn)、荷載的組合等。第二章構(gòu)件受力分析包括平面桁架分析、平板及殼體分析、簡支梁分析等。第三章極限狀態(tài)設(shè)計理論包括承載能力極限狀態(tài)、服役極限狀態(tài)、穩(wěn)定性極限狀態(tài)等。第四章材料性能與安全系數(shù)包括不同材料的性能、設(shè)計安全系數(shù)的選取等。1.基本概念荷載結(jié)構(gòu)物在使用過程中受到各種外力的作用，這些外力稱為荷載。荷載會對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生壓力和拉力，因此工程師必須根據(jù)荷載的類型和大小來設(shè)計結(jié)構(gòu)物。作用結(jié)構(gòu)物在受到荷載作用時，會產(chǎn)生各種作用，例如彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等。這些作用是結(jié)構(gòu)物抵抗荷載的關(guān)鍵因素。設(shè)計作用與荷載設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個重要的部分，其目標(biāo)是確保結(jié)構(gòu)物在荷載作用下能夠安全可靠地運(yùn)行。荷載的分類11.自重荷載結(jié)構(gòu)本身的重量，包括建筑材料、構(gòu)件等。22.永久荷載作用時間較長，基本保持不變，例如固定設(shè)備、管道等。33.可變荷載作用時間較短，隨時間變化，例如人員、家具、雪等。44.偶然荷載極少發(fā)生的荷載，例如地震、爆炸等。常用荷載標(biāo)準(zhǔn)建筑荷載包含各種結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備荷載、屋面荷載、人流荷載等屋面荷載主要考慮屋面本身的重量、雪荷載、風(fēng)荷載等起重機(jī)荷載主要考慮起重機(jī)本身重量、吊運(yùn)貨物重量和行駛荷載等風(fēng)荷載主要考慮風(fēng)對建筑物的沖擊力，與建筑物高度、形狀、風(fēng)速有關(guān)荷載組合基本荷載組合基本荷載組合用于計算結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的承載能力，例如，自重荷載加上活荷載的組合。偶然荷載組合偶然荷載組合用于計算結(jié)構(gòu)在意外情況下所承受的荷載，例如，地震荷載、風(fēng)荷載等。特殊荷載組合特殊荷載組合用于計算結(jié)構(gòu)在特殊情況下所承受的荷載，例如，爆炸荷載、撞擊荷載等。荷載組合原則荷載組合應(yīng)考慮各種荷載的組合方式，并確保結(jié)構(gòu)在各種荷載組合作用下能夠安全可靠。2.構(gòu)件受力分析梁梁是承受橫向載荷的構(gòu)件，其主要受力形式為彎矩和剪力。柱柱是承受軸向壓力和彎矩的構(gòu)件，其主要受力形式為軸力。桁架桁架是由桿件通過節(jié)點(diǎn)連接而成的結(jié)構(gòu)體系，主要承受軸向力。板板是承受面內(nèi)載荷的構(gòu)件，其主要受力形式為彎矩和剪力。平面桁架分析基本假設(shè)假設(shè)桿件為理想剛性桿，節(jié)點(diǎn)為理想鉸接，僅承受軸向力。力平衡方程基于靜力學(xué)原理，建立節(jié)點(diǎn)力平衡方程，求解桿件內(nèi)力。結(jié)構(gòu)分析方法可采用節(jié)點(diǎn)法、截面法或矩陣方法等進(jìn)行分析，計算桿件內(nèi)力。繪制內(nèi)力圖根據(jù)計算結(jié)果繪制內(nèi)力圖，直觀顯示桁架受力情況。平板及殼體分析1平板結(jié)構(gòu)平板結(jié)構(gòu)是指由薄板材料構(gòu)成，并通過邊界約束形成的結(jié)構(gòu)形式。平板結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、易加工等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2殼體結(jié)構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)是指由曲面薄板構(gòu)成，并通過邊界約束形成的結(jié)構(gòu)形式。殼體結(jié)構(gòu)具有高承載能力、良好的剛度和穩(wěn)定性，在建筑、橋梁、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。3分析方法平板及殼體結(jié)構(gòu)的分析方法主要包括有限元法、解析法等。有限元法是一種數(shù)值方法，可以用來模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。解析法是一種數(shù)學(xué)方法，可以用來求解簡單結(jié)構(gòu)的精確解。簡支梁分析1荷載類型集中荷載、均布荷載、梯形荷載2支座條件簡支梁、懸臂梁、連續(xù)梁3截面形狀矩形截面、圓形截面、T形截面4材料性能鋼材、混凝土、木材5計算方法力矩法、位移法、矩陣法簡支梁分析是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的重要內(nèi)容，通過分析梁的受力情況，可以計算出梁的內(nèi)力分布以及變形情況。3.極限狀態(tài)設(shè)計承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)抵抗力小于作用荷載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或喪失使用功能。例如：建筑物倒塌、橋梁斷裂。服役極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)變形過大或振動過強(qiáng)，影響使用功能或舒適性。例如：樓板過大撓度、墻體裂縫過大。承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)抵抗破壞結(jié)構(gòu)抵抗外荷載導(dǎo)致破壞的能力。極限狀態(tài)設(shè)計保證結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)不發(fā)生失效，例如斷裂、屈服或失穩(wěn)。安全系數(shù)考慮材料強(qiáng)度、施工誤差等因素，提高結(jié)構(gòu)安全裕度。服役極限狀態(tài)11.使用功能服役極限狀態(tài)主要考慮結(jié)構(gòu)在使用過程中是否滿足功能要求，例如房屋的整體穩(wěn)定性、隔聲、隔熱等。22.外觀結(jié)構(gòu)的變形、裂縫等是否符合美觀要求，例如橋梁的整體外觀，建筑的立面等。33.耐用性結(jié)構(gòu)是否能夠在使用壽命期內(nèi)正常使用，例如混凝土的耐久性、鋼材的防腐蝕性等。44.舒適性結(jié)構(gòu)的振動、噪音等是否符合舒適性要求，例如高層建筑的防風(fēng)性能、高鐵的舒適性等。穩(wěn)定性極限狀態(tài)穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)抵抗倒塌、失穩(wěn)和整體破壞的能力。抗傾覆抵抗外部荷載引起的傾覆和旋轉(zhuǎn)的能力?？箓?cè)移抵抗橫向荷載引起的側(cè)移和失穩(wěn)的能力?？骨挚馆S向荷載引起的屈曲和失穩(wěn)的能力。4.材料性能與安全系數(shù)不同材料性能材料性能直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。不同材料具有不同的強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。例如，混凝土的抗壓強(qiáng)度較高，但抗拉強(qiáng)度較低；鋼材的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較高，但抗壓強(qiáng)度較低。設(shè)計安全系數(shù)選取設(shè)計安全系數(shù)是為了考慮材料性能的離散性和施工質(zhì)量的不確定性。安全系數(shù)的選擇應(yīng)考慮材料性能、結(jié)構(gòu)類型、荷載性質(zhì)和使用環(huán)境等因素。通常，安全系數(shù)取值越高，結(jié)構(gòu)越安全。不同材料性能混凝土混凝土具有高抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度較低，耐腐蝕性強(qiáng)。鋼鋼材具有高強(qiáng)度和韌性，可用于各種結(jié)構(gòu)中。木材木材易于加工，重量輕，但強(qiáng)度較低。磚磚具有良好的耐火性和隔熱性，但強(qiáng)度和耐久性有限。設(shè)計安全系數(shù)選取結(jié)構(gòu)類型不同結(jié)構(gòu)類型，例如鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)，需要采用不同的安全系數(shù)。這取決于材料的強(qiáng)度、延性、脆性等因素。荷載類型對于不同的荷載，如永久荷載、可變荷載、地震荷載等，也需要選擇不同的安全系數(shù)。重要程度對結(jié)構(gòu)物的安全等級也需考慮。對于重要的公共建筑，安全系數(shù)應(yīng)高于一般建筑。規(guī)范要求最終，安全系數(shù)的選取應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。5.設(shè)計舉例11.混凝土結(jié)構(gòu)梁柱設(shè)計混凝土梁柱設(shè)計需要考慮荷載、材料強(qiáng)度、尺寸等因素，以確保結(jié)構(gòu)安全和耐久性。22.鋼結(jié)構(gòu)柱件設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)柱件設(shè)計涉及截面形狀、材料強(qiáng)度、連接方式等，并需進(jìn)行穩(wěn)定性分析。33.木結(jié)構(gòu)屋架設(shè)計木結(jié)構(gòu)屋架設(shè)計需考慮木材特性、連接方式、荷載分布，確保結(jié)構(gòu)的承載能力和抗風(fēng)性?；炷两Y(jié)構(gòu)梁柱設(shè)計1荷載計算考慮各種作用確定設(shè)計荷載2截面選擇滿足強(qiáng)度要求控制變形3配筋設(shè)計滿足承載力控制裂縫寬度4節(jié)點(diǎn)構(gòu)造確保連接可靠考慮施工方便性鋼結(jié)構(gòu)柱件設(shè)計1荷載計算確定柱子承受的荷載大小2截面選擇根據(jù)荷載和材料選擇合適的截面尺寸3穩(wěn)定性驗(yàn)算確保柱子在荷載作用下不會發(fā)生失穩(wěn)4強(qiáng)度驗(yàn)算確保柱子的強(qiáng)度足夠承受荷載5連接設(shè)計設(shè)計柱子與其他構(gòu)件的連接方式鋼結(jié)構(gòu)柱件設(shè)計需要綜合考慮荷載、材料、截面尺寸、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等因素。設(shè)計過程中需要進(jìn)行一系列的計算和驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。木結(jié)構(gòu)屋架設(shè)計1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)木結(jié)構(gòu)屋架輕巧美觀，具有良好的隔熱保溫性能，適合用于多種建筑類型。2設(shè)計步驟首先確定屋架的尺寸和形狀，然后計算荷載，并選擇合適的木材材料，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。3施工要點(diǎn)注意木結(jié)構(gòu)屋架的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計，保證屋架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并進(jìn)行防腐防蟲處理。6.設(shè)計注意事項工況分析設(shè)計過程應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力情況，包括靜載荷、動載荷、溫度變化等因素。荷載組合選取根據(jù)不同工況，選擇合適的荷載組合，并進(jìn)行荷載效應(yīng)的疊加分析，確保結(jié)構(gòu)安全。變形控制控制結(jié)構(gòu)在使用過程中的變形，避免過大的沉降和撓度，確保結(jié)構(gòu)的功能性和美觀性。工況分析正常使用狀態(tài)正常使用狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)承受各種日常荷載，例如人員、家具、設(shè)備等的重量，同時還應(yīng)考慮風(fēng)荷載、雪荷載等自然因素的影響。特殊工況特殊工況是指在正常使用狀態(tài)以外，結(jié)構(gòu)可能承受的特殊荷載，例如地震荷載、火災(zāi)荷載、施工荷載等，這些荷載強(qiáng)度通常比正常使用狀態(tài)下的荷載高。荷載組合選取11.常規(guī)荷載組合常規(guī)荷載組合適用于大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括永久荷載和可變荷載。22.特殊荷載組合針對特殊情況，如地震、風(fēng)荷載或爆炸荷載，需要考慮特殊荷載組合。33.荷載系數(shù)荷載系數(shù)用于考慮荷載的不確定性，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠性。44.設(shè)計規(guī)范選擇荷載組合需遵循相關(guān)規(guī)范要求，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。變形控制限制變形結(jié)構(gòu)的變形會影響建筑物的外觀和使用功能，必須限制在允許范圍內(nèi)。荷載效應(yīng)不同荷載會產(chǎn)生不同的變形，需要根據(jù)荷載類型和大小進(jìn)行控制。材料特性不同材料的彈性模量不同，會影響結(jié)構(gòu)的變形，需要考慮材料特性。結(jié)構(gòu)形式不同的結(jié)構(gòu)形式會影響結(jié)構(gòu)的剛度和變形，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行控制。7.設(shè)計過程示范1問題提出結(jié)構(gòu)設(shè)計需求2方案選擇材料和結(jié)構(gòu)形式3計算與驗(yàn)算荷載分析和強(qiáng)度驗(yàn)證4總結(jié)與展望設(shè)計結(jié)果和未來改進(jìn)設(shè)計過程示范展示了結(jié)構(gòu)設(shè)計從問題提出到最終結(jié)果的完整流程。從明確設(shè)計需求開始，經(jīng)過方案選擇、計算與驗(yàn)算，最終得到設(shè)計結(jié)果，并展望未來改進(jìn)方向。問題提出項目背景首先，需要了解項目背景和具體需求，包括建筑類型、規(guī)模、使用功能等。設(shè)計要求其次，明確設(shè)計要求，包括荷載標(biāo)準(zhǔn)、安全等級、材料選擇、施工工藝等。問題分析根據(jù)項目背景和設(shè)計要求，分析可能遇到的荷載問題，例如集中荷載、分布荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等。目標(biāo)明確最終，明確設(shè)計目標(biāo)，例如保證結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)性、美觀度、耐久性等。方案選擇結(jié)構(gòu)類型選擇合適的結(jié)構(gòu)類型，例如框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等，以滿足建筑物的功能要求和荷載要求。材料選擇根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、荷載大小、環(huán)境條件等因素選擇合適的材料，例如混凝土、鋼材、木材等。構(gòu)件尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、材料性能、荷載大小等因素確定構(gòu)件的尺寸，確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。施工方法選擇合適的施工方法，確保結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全性。計算與驗(yàn)算1確定荷載計算作用在結(jié)構(gòu)上的荷載。