《工程荷载与可靠度设计原理》
-一课后思考题解答
1荷载与作用
1.1什么是施加于工程结构上的作用？荷载与作用有什么区别？
结构上的作用是指能使结构产生效应的各种原因的总称，包括直接作用和间接作用。引起结构产生作用效应的原因有两种，一种是施加于结构上的集中力和分布力，例如结构自重，楼面的人群、家具、设备，作用于桥而的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土压力等，它们都是直接施加于结构，称为直接作用。另一种是施加于结构上的外加变形和约朿变形，例如基础沉降导致结构外加变形引起的力效应，温度变化引起结构约朿变形产生的力效应，由于地震适成地而运动致使结构产生惯性力引起的作用效应等。它们都是间接作用于结构，称为间接作用。
“荷载”仅指施加于结构上的直接作用：而“作用“泛指使结构产生力、变形的所有原因。
1.2结构上的作用如何按时间变异、空间位置变异、结构反应性质分类？
结构上的作用按随时间变化可分永久作用、可变作用和偶然作用；按空间位置变异可分为固左作用和自由作用：按结构反应性质可分为静态作用和动态作用。
1.3什么是荷载的代表值？它们是如何确定的？
荷载代表值是考虑荷载变异特征所賦予的规左疑值，工程建设相关的国家标准给出了荷载四种代表值：标准值，组合值，频遇值和准永久值。荷载可根据不同设计要求规左不同的代表值，苴中荷载标准值是荷载的基本代表值，其它代表值都可在标准值的基础上考虑相应的系数得到。
2重力
2.1成层土的自重应力如何确建？
地而以下深度z处的上体因自身重量产生的应力可取该水平截而上单位而积的上柱体的重力，对于均匀土自重应力与深度成正比，对于成层土可通过各层土的自重应力求和得到。
2.2 土压力有哪几种类别？土压力的大小及分布与哪些因素有关？
根据挡上墙的移动情况和墙后土体所处应力状态，丄压力可分为静I上上压力、主动上压力和被动土压力三种类别。上的侧向压力的大小及分布与墙身位移、填上性质、墙体刚度、地基上质等因素有关。
2.3试述静止土压力、主动土压力和被动土压力产生的条件？比较三者数值的大小？
当挡上墙在土压力作用下，不产生任何位移或转动，墙后上体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力，可用民表示。
当挡土墙在土压力的作用下，向离开丄体方向移动或转动时，作用在墙背上的土压力从静止上压力值逐渐减少，直至墙后土体出现滑动而。滑动面以上的丄体将沿这一滑动面向下向前滑动，在滑动楔体开始滑动的瞬间，墙背上的土压力减少到最小值，上体应力处于主动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力称为主动土压力，可用民表示。
当挡上墙在外力作用下向上体方向移动或转动时，墙体挤压墙后土体，作用在墙背上的上压力从静止上压力值逐渐增大，墙后丄体也会出现滑动面，滑动面以上土体将沿滑动方向向上向后推出，在滑动楔体开始隆起的瞬间，墙背上的土压力增加到最大值，丄体应力处于被动极限平衡状态。此时作用在墙背上的土压力
称为被动土压力，可用坊表示。
在相同的墙高和填土条件下，主动上压力小于静止土压力，而静止上压力又小于被动上压力，即：
Ea < E Q < Ep
2.4当楼面面积较大时，楼面均布活荷载为什么要折减？
民用建筑的楼而均布活荷载标准值是建筑物正常使用期间可能出现的最大值，当楼面而积较大时，作用在楼面上的活荷载不可能同时布满全部楼面，在计算楼而梁等水平构件楼而活荷载效应时，若荷载承载而积超过一定的数值，应对楼而均布活荷载予以折减。同样，楼而荷载最大值满布各层楼面的机会更小，在结构设计时，对于墙、柱等竖向传力构件和基础应按结构层数予以折减。
2.5车道荷载为什么要沿横向和纵向折减？
桥梁设计时各个车道上的汽车荷载都是按最不利位置布苣的，多车道桥梁上的汽车荷载同时处于最不利位宜可能性随着桥梁车道数的增加而减小。在计算桥梁构件截面产生的最大效应（力、位移）时，应考虑多车逍折减。当桥涵设讣车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应进行折减。大跨径桥梁随着桥梁跨度的增加桥梁上实际通行的车辆达到较髙密度和满载的槪率减小，应考虑il?算跨径进行折减。
2.6什么叫基本雪压？它是如何确定的？
雪压是指单位水平而积上的雪重，雪压值的大小与积雪深度和积雪密度有关。基本雪压是在空旷平坦的地而上，积雪分布均匀的情况下，经统汁得到的50年一遇的最大雪压。屋面的雪荷载由于受到屋面形式、积雪漂移等因素的影响，往往与地而雪荷载不同，需要考虑一换算系数将地面基本雪压换算为屋而雪荷载。
2.7试述风对屋而积雪的漂移作用及其对屋而雪荷载取值的影响？
风对雪的漂积作用是指下雪过程中，风会把部分将要飘落或者已经漂积在屋而上的雪吹移到附近地面或邻近较低的屋而上，对于平屋面和小坡度屋而，风对雪的漂移作用会使屋而上的雪压一般比邻近地面上的雪压要小：对于双坡屋面、髙低跨屋而，迎风而吹来的雪往往在背风一侧屋面上漂积，引起屋而不平衡雪荷载。风对积雪的漂移影响可通过屋面积雪分布系数加以考虑。
3侧压力
3.1静水压强具有哪些特征？如何确定静水压强？
静水压力是指静止液体对其接触而产生的压力，具有两个特性：一是静水压强垂直于作用面，并指向作用而部；二是静止液体中任一点处各方向的静水压强均相等，与作用的方位无关。
确泄静水压强时常以大气压强为基准点，静水压强与水深呈线性关系，随水深按比例增加：水压力作用在结构物表面法线方向，水压力分布与受压而形状有关。如果受压而为垂直平而，已知底部深度d 则可按p=r h 求得底部压强，再作顶部和底部压强连线便可得到挡水结构侧向压强分布规律。
3.2实际工程中为什么常将桥墩、闸墩设计成流线型？
在实际工程中，为减小绕流阻力，常将桥墩、闸墩设计成流线型，以缩小边界层分离区，达到降低阻力的目的。
3.3试述波浪传播特征及推进过程？
波浪是液体自由表而在外力作用下产生的周期性起伏波动，其中风成波影响最大。在海洋深水区，波浪运动不受海底摩阻力影响，称为深水推进波：波浪推进到浅水地带，海底对波浪运动产生摩阻力，波长和波速缩减，波髙和波陡增加，称浅水推进波：当浅水波向海岸推进，达到临界水深，波峰发生破碎，破
碎后的波重新组成新的水流向前推移，而底层出现回流，这种波浪称为击岸波：击岸波冲击岸滩, 对海边水工建筑施加冲击作用，即为波浪荷载。
3.4如何对直立式防波堤进行立波波压力、远破波波压力和近破波波压力的汁算？
波浪作用力不仅与波浪本身特征有关，还与结构物形式和海底坡度有关。对于作用于直墙式构筑物上的波浪分为立波、远堤破碎波和近堤破碎波三种波态。在工程设计时，应根据基床类型、水底坡度、浪高及水深判别波态，分别采用不同公式计算波浪作用力。我国《港工规》分別给岀了立波波压力、远破波波压力和近破波波压力汁算方法，先求得直墙各转折点压强，将苴用直线连接，得到直墙压强分布, 即可求出波浪压力，计算时尚应考虑墙底波浪浮托力。
3.5冰压力有哪些类型？
冰压力按苴作用性质不同，可分为静冰压力和动冰压力。静冰压力包括冰堆整体推移的静压力，风和水流作用于大面积冰层引起的静压力以及冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力：另外冰层因水位上升还会产生竖向作用力。动冰压力主要指河流流冰产生的冲击作用。
3.6冰堆整体推移静压力计算公式是如何导岀的？
由于水流和风的作用，推动大而积浮冰移动对结构物产生静压力，可根据水流方向和风向，考虑冰层而积来计算：
P = G[(P] + 只 + Pjsina + P4 sin 0] (3.31)
式中：P——作用于结构物的正压力(N)：
Q——浮冰冰层而积(m2),—般采用历史上最大值；
Pi一一水流对冰层下表而的摩阻力(Pa),可取为0.5 v；,匕为冰层下的流速(m/s);
Pi——水流对浮冰边缘的作用力(Pa),可取为50yV；, h为冰厚(m), I为冰层沿水流方向的平均长度(m),在河中不得大于两倍河宽：
Ps——由于水面坡降对冰层产生的作用力(Pa),等于920加，i为水面坡降；
P A一一风对冰层上表而的摩阻力(Pa), P4=(0.001-0.002)V P, %为风速，采用历史上有冰时期和水流方向基本一致的最大风速(m/s)：
a——结构物迎冰而与冰流方向间的水平夹角：
P——结构物迎冰而与风向间的水平夹角。
3.7冰盖层受到温度影响产生的静压力与哪些因素有关？
冰盖层温度上升时产生膨胀，若冰的自由膨胀变形受到坝体、桥墩等结构物的约朿，则在冰盖层引起膨胀作用力。冰场膨胀压力随结构物与冰覆盖层支承体之间的距离大小而变化，当冰场膨胀受到桥墩等结构物的约束时，则在桥墩周围出现最大冰压力，并随着离桥墩的距离加大而逐渐减弱。
冰的膨胀压力与冰而温度、升温速率和冰盖厚度有关，冰压力沿冰厚方向基本上呈上大下小的倒三角形分布，可认为冰压力的合力作用点在冰而以下1/3冰厚处。
3.10试述浮托力产生的原因及考虑的方法？
水浮力为作用于建筑物基底而的由下向上的水压力，当基础或结构物的底面置于地下水位以下，在其底而产生浮托力，浮托力等于建筑物排开同体积的水重力。地表水或地下水通过土体孔隙的自由水沟通并传递水压力。浮托力的大小取决于上的物理特性，当地下水能够通过上的孔隙溶入到结构基底，且固体颗粒与结
构基底之间接触面很小时，可以认为上中结构物处于完全浮力状态。
浮托力作用可根据地基的透水程度，按照结构物丧失的重呈:等于它所排除的水重这一原则考虑：
（1） 对于透水性上，应计算水浮力；对于非透水性上，可不考虑水浮力。若结构物位于透水性饱 和
的地基上，可认为结构物处于完全浮力状态，按100%讼算浮托力。
（2） 若结构物位于透水性较差地基上，如巻于节理裂隙不发弃的岩石地基上，地下水渗入通道不
畅，可按50%计算浮托力。
（3） 若结构物位于粘性土地基上，上的透水性质难以预测，对于难以确立是否具有透水性质的上,
计算基底应力时，不计浮力，计算稳左时，计入浮力。对于计算水浮力的水位，计算基底应力用低水位, 计算稳定用设计水位。
（4） 地下水也对地下水位以下岩石、上体产生浮托力，基础底而以下上的天然重度或是基础底而 以
上土的加权平均重度应取有效重度。
（5） 地下水位在基底标髙上下围涨落时，浮托力的变化有可能引起基础产生不均匀沉降，应考虑 地
下水位季节性涨落的影响。
4风荷载
4.1. 基本风压是如何建义的？影响风压的主要因素有哪些？
基本风压是在规左的标准条件下得到的，基本风压值是在空旷平坦的地而上，离地面10m 髙，重现 期为50年的lOmin 平均最大风速。
影响风压的主要因素有：
（1） 风速随高度而变化，离地表越近，摩擦力越大，因而风速越小。
（2） 与地貌粗糙程度有关，地面粗糙程度高，风能消耗多、风速则低。
（3） 与风速时距风有关，常取某一规定时间的平均风速作为计算标准。
（4） 与最大风速重现期有关，风有着它的自然周期，一般取年最大风速记录值为统计样本，对于 一般
结构，重现期为50年：对于髙层建筑、高耸结构及对风荷载比较敏感的结构，重现期应适当提髙。
当实测风速髙度、时距、重现期不符合标准条件时可进行基本风压换算。
4.2. 试述风速和风压之间的关系？
风速和风压之间的关系可由流体力学中的伯努利方程得到，自由气流的风速产生的单位而积上的风 压力为：
——V
2g
式中M ，——单位而积上的风压力（kN/m?）
p ——空气密度（t/nF ）
/一一空气单位体积重力（kN/nP ）
g ——重力加速度（m/s?）
v ----- 风速（m/s ）
在标准大气压情况下，/=O.O12O18kN/m\ g =9.80nVs 2,可得:
y ，0.012018， w =——V = ---------------------------- v~ 2g 2x9.80 在不同的地理位置，大气条件是不同的，了和g 值也不相同。通常取为:
9 1630
(kN/m 2)
4.5. 什么叫梯度风？什么叫梯度风髙度？ 在离地表300-500m 大气边界层以上的高度，风的流动不受地而粗糙层的影响，风沿着等压线以层 流方式自由流动，称为梯度风。梯度风流动的起点高度称为梯度风髙度。
4.6. 影响大气边界层以下气流流动的因素有哪些？
地球表而通过地而的摩擦对空气水平运动产生阻力，从而使靠近地面的气流速度减慢，该阻力对气 流的作用随高度增加而减弱，只有在离地表3OO~5OOm 以上的高度，风才不受地表粗糙层的影响能够以 梯度风速度流动。不同地表粗糙度有不同的梯度风高度，地而粗糙度小，风速变化快，其梯度风髙度比 地而粗糙度大的地区为低：反之，地面粗糙度越大，梯度风髙度将越髙。
4.7. 《荷载规》是如何划分和度疑地面粗糙度的？
《荷载规》将地而粗糙度分为A 、B 、C 、D 四类，分类情况及相应的地而粗糙度指数Q 和梯度风 高
度H T 如下：
A 类指近海海而和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，取?A =0.12, //TA =300m ；
B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区，取a B =0.16, HTB=Hro=350m ：
C 类指有密集建筑群的城市市区，取a c =0.22, H T c=400m ；
D 类指有密集建筑群且房屋较髙的城市市区，取=0.30, H ro =450nu
4.8什么是风载体型系数？它是如何确定的？
建筑物处于风流场中，风力任建筑物表面上的分布是不均匀的，风作用在建筑物表而的不同部位将 引起不同的风压值，此值与来流风压之比称为风载体型系数。
风载体型系数表示建筑物表而在稳左风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型和尺寸 有关。目前要完全从理论上确立受风力作用的任意形状物体的压力分布尚做不到，一般均通过风洞试验 确定风载体型系数。
4.9. 高层建筑为什么要考虑群体间风压相互干扰？如何考虑？
高层建筑群房屋相互间距较近时，由于尾流作用，引起风压相互干扰，对建筑物产生动力增大效应, 使得房屋局部风压显著增大，设计时可将单体建筑物的体型系数“S 乘以相互干扰增大系数加以考虑。
4.10. 计算顺风向风效应时，为什么要区分平均风和脉动风？
结构顺向的风作用可分解为平均风和脉动风，平均风的作用可通过基本风压反映，基本风压是根据 lOmin 平均风速确定的，虽然它已从统讣的角度体现了平均重现期为50年的最大风压值，但它没有反映 风速中的脉动成分。
脉动风是一种随机动力荷载，风圧脉动在髙频段的峰值周期约为l~2min, —般低层和多层结构的 自振周期都小于它，因此脉动影响很小，不考虑风振影响也不致于影响到结构的抗风安全性。而对于高 耸构筑物和高层建筑等柔性结构，风压脉动引起的动力反应较为明显，结构的风振影响必须加以考虑。
4.11. 工程设计中如何考虑脉动风对结构的影响？
对于高耸构筑物和高层建筑等柔性结构，风压脉动引起的动力反应较为显著，必须考虑结构风振影 响。《荷载规》要求，对于结构基本自振周期八大于0.25s 的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构: 以及对于0 1600
(kN/m 2)
高度大于30m且髙宽比大于1.5的髙柔房屋，应考虑风压脉动对结构产生的顺风向风振。
结构风振影响可通过风振系数计算：0=1+血，式中脉动增大系数e可由随机振动理论导出，
z角
此时脉动风输入达文波特（Davcnpori）建议的风谱密度经验公式，也可查表确定。结构振型系数?可根据结构动力学方法计算，也可采用近似公式或查表确定。脉动影响系数V主要反应风圧脉动相关性对结构的影响，可通过随机振动理论分析得到，为方便设计人员进行工程设讣，已制成表格，供直接查用。
4.12.结构横向风振产生的原因是什么？
建筑物或构筑物受到风力作用时，横风向也能发生风振。横风向风振是由不稳立的空气动力作用造成的，它与结构截而形状和雷诺数有关。对于圆形截而，当雷诺数在某一用时，流体从圆柱体后分离的旋涡将交替脱落，形成卡门涡列，若旋涡脱落频率接近结构横向自振频率时会引起结构涡激共振。
4.13.什么叫锁定现象？
在结构产生横向共振反应时，若风速增大，旋涡脱落频率仍维持不变，与结构自振频率保持一致，这
一现象称为锁泄。在锁泄区，旋涡脱落频率是不变的。只有当风速大于结构共振风速约1.3倍时，旋涡脱落才重新按新的频率激振。
4.14.什么情况下要考虑结构横风向风振效应？如何进行横风向风振验算？
应根据雷诺数％的不同情况进行横风向风振验算。当雷诺数增加到Re23.5X10&,风速进入跨临界国时，出现规则的周期性旋涡脱落，一旦旋涡脱落频率与结构横向自振频率接近，结构将发生强烈涡激共振，有可能导致结构损坏，危及结构的安全性，必须进行横向风振验算。
跨临界强风共振引起在z髙处振型./的等效风荷载可由下列公式确泄：
|巧代禺/1280（勺（kN/亦）
式中2.——计算系数；％——在z高处结构的j振型系数：,一一第j振型的阻尼比。
横风向风振主要考虑的是共振影响，因而可与结构不同振型发生共振效应。对跨临界的强风共振，设
计时必须按不同振型对结构予以验算。一般认为低振型的影响占主导作用。只需考虑前4个振型即可满足
要求。
4.1
5.公路《桥规》中是如何考虑桥梁横向风力作用的？
公路《桥规》按静力方法计算横向风力作用，即考虑基本风速、设讣风速重现期换算系数、风载阻力系数、风速髙度变化修正系数、地形和地理条件系数以及阵风风速系数后，按横向风压乘以迎风而积获得横向风力。
4.16什么是桥梁静力风荷载的三分力系数？
桥梁的静力风荷载一般采用三分力来描述，即气流流经桥梁时，由于截而表而的风压分布存在差别, 上下表面压强差的面积分就是桥梁所受的升力荷载，而迎风前后表而圧强差的而积分则是桥梁所受的风阻力荷载，即通常所说的横风向力；此外，当升力与阻力的合力作用点与桥梁截而的形心不一致时，还会产生对形心的扭矩。三分力系数即是上述静气动力系数，反映桥梁截而在均匀流中承受的静风荷载大小。该系数通常是在风轴坐标系下，由节段模型风洞试验测定获得。
4.17桥梁风振有哪些振动形式？对结构会产生怎样的影响？
桥梁结构风致振动大致可分为两类，一类是自激发散振动，例如濒振和驰振，振动结构可以不断从气流中获取能呈:，抵消阻尼对振动的衰减作用，从而使振幅不断加大，导致结构风毁，这实际上是一种空气动力