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第一章 荷载及其作用

第一章 荷载及其作用
第一章
的作用及其分类
1、“结构上的作用”的定义 2、“结构上的作用”的分类 二、荷载分类
一、结构上的作用及其分类
1、“结构上的作用”的定义 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（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）的原因的总称
施加在结构上的集中或分布荷载 直接作用
引起结构外加变形或约束变形的原因
间接作用
2、“结构上的作用”的分类 按随时间的变异分类 永久作用 在结构使用期间，其值不随时间而变化，或其变化值与平均值相比 可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的作用 【例如】结构自重，土压力、预加力、基础沉降、焊接、水的浮力、 混凝土收缩及徐变作用等 可变作用 在结构使用期间，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不 可以忽略不计的作用 【 例如】 安装荷载、楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、 汽车荷载、汽车离心力、汽车制动力、流水压力、冰压力、温度作 用等
二、荷载分类
按作用时间的长短和性质
永久荷载
在结构使用期间 ，其值不随时间而变化，或虽有变化，但变化不 大，且其变化值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。


恒载
可变荷载
在结构使用期间 ，其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比 不可以忽略不计的荷载。

在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布
【例如】工业与民用建筑楼面上的人员荷载、吊车荷载等
按结构的反应分类 静态作用 不使结构或结构构件产生加速度，或产生的加速度可以忽略不计
【例如】结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载等
动态作用 使结构或结构构件产生不可忽略的加速度

建筑结构上的荷载与作用

建筑结构上的荷载与作用
腐蚀作用
高湿度环境会加速建筑材料的腐蚀，如木材腐朽、金属锈蚀等。
腐蚀环境对结构影响
化学腐蚀
01
建筑物处于腐蚀性环境中，如酸雨、盐碱地等，会导致建筑材
料的化学腐蚀。
电化学腐蚀
02
不同金属间存在电位差，会导致电化学腐蚀的发生，如钢筋在
混凝土中的锈蚀。
生物腐蚀
03
微生物、昆虫等生物活动会对建筑材料造成破坏，如木材被白
智能化技术是当前科技发展的热点之 一，其在建筑结构工程领域的应用前 景广阔。通过引入智能化技术，可以 实现建筑结构的自适应、自修复和智 能化管理，提高结构的安全性和可靠 性。
随着环保意识的不断提高，绿色环保 理念将在建筑结构工程中得到更广泛 的推广和应用。在未来的发展中，应 注重环保材料的选择、节能减排措施 的实施以及建筑废弃物的回收利用等 方面，推动建筑结构工程向更加环保 、可持续的方向发展。
荷载分类
根据荷载的性质和变化规律，可分为 静力荷载和动力荷载；根据荷载的作 用时间和变化特点，可分为永久荷载 、可变荷载和偶然荷载。
作用在建筑结构上的力
风力
风对建筑结构产生的压力或吸 力，是可变荷载的一种。
雪荷载
积雪对建筑结构产生的压力， 是可变荷载的一种。
重力
建筑结构自身重量产生的重力 ，是永久荷载的主要来源。
影响
风荷载会对建筑物的稳定性和安全性 产生影响，特别是在高层建筑、大跨 度桥梁等结构中，风荷载的作用更加 显著。
雪荷载
定义
雪荷载是指降雪在建筑物顶部或屋面上堆积 产生的荷载。
影响
雪荷载会对建筑物的屋顶结构和承重墙等产生压力 ，可能导致结构变形或破坏。
计算方法
雪荷载的计算需要考虑降雪量、雪的密度、 建筑物的形状和坡度等因素，通常采用规范 规定的公式进行计算。

第1章荷载与作用

第1章荷载与作用

第一章 荷载与作用 第一节 工程结构荷载与作用
荷载确定不当或结构抗力不 足就会导致结构倒塌破坏
第一章 荷载与作用 第一节 工程结构荷载与作用
工程结构设计的目的： 确定外界作用对结构产生的效应（应力、位移、应变等） 确定结构本身的抵抗能力（承载能力、刚度、延性等） 结构的抗力
>
外力

保证结构具有足够的承载能力，将结构变形控制 在满足正常使用的范围内。
在地震区的工程结构：承受地震作用。

第一章 荷载与作用 第一节 工程结构荷载与作用
结构设计的第一步就是要确定结构上的作用。 结构上的作用——指能使结构产生效应（内力、应力、位移、 应变、裂缝等）的各种原因的总称。
第一章 荷载与作用 第一节 工程结构荷载与作用
结构上的作用分类 （1）直接作用： 直接以力的不同集结形式（集中力和分 布力）作用于结构，例如：结构自重、 风荷载等； 不是直接以力出现（外加变形和约束变 形），但对结构产生内力，例如：基础 沉降、温度变化等。
第一章 荷载与作用 第二节 作用分类
四、按作用方向分类
竖向作用（例如结构自重、楼面荷载等） 水平作用（例如风荷载、水平地震作用等） 作用按时间的变异分类
最主要的分类 （应用最多）
第一章 荷载与作用 第三节 荷载代表值
在设计时为了便于取值，考虑荷载变异的统计特征赋予 一个规定的量值，称为荷载代表值。
第一章 荷载与作用 第三节 荷载代表值
（3）荷载准永久 值 ——可变荷载在结构使用期间经常达到和超过的值。 可变荷载准永久值通过标准值乘以准永久值系数得到。
（4）荷载频遇值 ——可变荷载在结构上频繁出现且量值较大的值。可变 荷载频遇值可通过标准值乘以频遇值系数得到。

第一章 荷载与作用

第一章 荷载与作用

3、偶然作用（accidental action）
在结构设计基准期内，不一定出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间 较短的作用。
【例如】 地震作用、爆炸、船舶或漂流物的撞击作用、汽车撞击作用等。
§1.2 作用的分类 【注意】
由于可变作用的变异性比永久作用的变异性大， 可变作用的相对取值应比永久作用的相对取值大；
构上的集中力和分布力引起的直接作用有明显的变异性，在 设计时为了便于取值，通常是考虑荷载的统计特征赋予一个 规定的量值，这个量值称为荷载代表值。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；
荷载标准值（standard value） ：荷载在结构使用期间
可能出现的最大值，是荷载的基本代表值。
另外由于偶然作用的出现概率较小，结构抵抗偶然
作用的可靠度要求可比抵抗永久作用和可变作用的
可靠度低。
§1.2 作用的分类
二、按随空间位置的变异分类—固定作用、自由作用
1、固定作用（fixation action）
在结构空间位置上具有固定的分布，其值可能具有随机性。
【例如】工业与民用建筑楼面上的固定设备荷载、结构构件自重等。
} }
结构工程基础知识
结构工程专门知识
§1.1 工程荷载与作用
工程结构（Engineering Structures）:采用建筑材料（混 凝土、钢、木等）建造的能够承受各种作用的结构体系 （房屋、道路、桥梁、隧道、堤坝等工程设施）。
首先应满足自身功能要求; 其次工程结构需要形成一个坚实的骨架，承受使用过程中可能出 现的各种环境作用。
§1.3 荷载代表值
对一些可以放松正常使用功能控制要求的，例
如二级裂缝控制等级的预应力构件，可采用荷 载效应准永久组合；在控制钢筋混凝土受弯构 件挠度时，也要考虑荷载效应准永久组合对刚 度有降低的影响，此时可以通过荷载效应标准 组合和准永久组合弯矩设计值的比值确定刚度 的折减系数；

中南大学《工程结构可靠度设计原理》课件第一章-荷载与作用

中南大学《工程结构可靠度设计原理》课件第一章-荷载与作用
持续时间很短
2.按随空间位置的变异分类 固定作用—在结构空间位置上固定分布 可动作用—在结构空间位置上的一定范
围内任意分布 3.按结构的反应分类 静态荷载/作用（static load/action）结构产生的
加速度可忽略 动态荷载/作用（ Dynamic load/action）结构产
教材：
[2] Nowak, A. S., and K. R. Collins (2000). Reliability of Structures. McGraw-Hill, New York, NY. 张川导读，重庆大学出版社，2005年3月
参考书：
生的加速度不可忽略
作用
引起结构内力和变形的一切原因。
直接作用：直接以力的不同集结形式作用于结构， 也称为荷载；
间接作用：不是直接以力出现，但是对结构产生 结构效应。
爆炸作用
地震作 用基础 不均 匀沉 降风荷载温度作 用
[1] 李国强等.工程结构荷载与可靠度设计原理. 中国建筑工业出版社. 2005.12 (第三版)
1.按随时间的变异分类： 永久荷载/作用 （permanent load/action） 设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均
值相比可以忽略不计 可变荷载/作用(variable load/action) 设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值
相比不可忽略 偶然荷载/作用（accidental load/action） 设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且
第一篇 工程结构荷载
第一章 荷载类型
1.1 荷载与作用
各种材料的自重
人群和车辆
设备和家具
风压力、水压力和土压 力
爆炸、冲击、制动、离 心作用等产生的作用在 结构上的其他物体的惯 性力

荷载和作用

荷载和作用

1.2
作
图1-13地面运动时建筑物
用
的相应运动
图1-14 荷载和作用分类
1.2 作 用
谢谢观看！
1.2
作
图1-11 温差作用
用
2.外加变形作用
外加变形作用以地基的沉陷作用最为典型。土木工程的结构 是构筑在土层上的，土层受力后总会产生不均匀沉陷，但过 大的不均匀沉陷会引起结构产生不小的内力，甚至可使结构 开裂或倒塌。
1.2
作
图1-12 沉陷作用
用
3.惯性作用
惯性作用以地震作用最为典型。地震引起的地面运动会使土 木工程结构在水平和竖向产生加速度反应，这种加速度反应 值与土木工程设施本身质量的乘积就形成了地震施加给结构 的力，即地震作用。
荷载和作用
1.永久荷载 永久荷载也称恒载，指在使用期间永久施加在结构上上的荷载
荷
1—风载（压力，+）；2—承重结构自重；3—墙面、屋面、地面
载
（含顶棚）恒载；4—雪载；5—楼面活载；6—风载（吸力，-）
2.可变荷载
1.1 荷 载
图1-10 桥梁上的汽车荷载
T1、T2、T3、T4—汽车轴重；b1、b2、c—不同规范规定的车轴间距离
1.1
荷
载
3.偶然荷载 偶然荷载是指在使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大 且持续时间很短的荷载，如撞击荷载、爆炸荷载等。
1.1 荷 载
1.约束变形作用 约束变形作用以温差作用为典型。土木工程中的结构构件因 昼夜和季节温差，每时每刻都在改变着形状和尺寸。当这种 改变受到约束时会使结构受到内力，这就是温差作用。

高层建筑结构上的荷载与作用 (2)

甲类建筑：地震破坏会导致严重后果，造成经济 上严重损失或特别重要的建筑物；按照高于本地 区抗震设防烈度计算，其值应按批准的地震安全 性评价结果确定 乙类建筑：地震时必须维持正常使用和救灾需要 的建筑物，人员大量集中的公共建筑物或其他重 要的建筑物；应按本地区抗震设防烈度计算 丙类建筑物：除上述以外的一般高层建筑；应按 本地区抗震设防烈度计算
2017/8/5
17
风荷载计算

定义：空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面 产生的压力或吸力即建筑物的风荷载。 计算公式：

k z s z0
k 为风荷载标准值； z 为 z 高度处的风振系数； 式中： s 为风荷载体型系数； z 为风压高度变化系数； 0 为基本风压。
2017/8/5
3
荷载和设计要求 步骤七：内力组合、确定最不利内力
梁柱轴线端内力调整至构件边缘端 竖向荷载梁端出现塑铰产生的塑性内力重分布
步骤八：截面尺寸验算 步骤九：延性设计调整 步骤十：构件截面设计 （抗弯、剪、扭、压等承载力计算） 步骤十一：构造要求 步骤十二：施工图绘制
2017/8/5 4
Gi H i
G H
j 1 j
n
( FEK Fn )
j
2017/8/5
45
地震作用计算
Fi
Gi H i
G H
j 1 j
n
( FEK Fn )
j
四、自振周期的修正： 计算中未考虑砌体填充墙的刚度影响，计算周期 较实际周期 长，地震作用偏于不安全，故应乘以周期折减系 数ΨT 框架结构：ΨT＝0.6～0.7 框架－剪力墙：ΨT＝0.7～0.8 剪力墙结构：ΨT＝0.9～1.0

建筑结构结构上荷载

自由气流的风速产生的单位面积上的风压力为：
w0——单位面积上的风压力(kN/m2)； ρ——空气密度(kg/m3)； v0——风速(m/s)。 γ——空气单位体积重力(kN/m3)； g——重力加速度(m/s2)；
（二）可变荷载（活载）
2. 风荷载 ❖ 风速与风压的关系 在标准大气压情况下，γ=0.012018kN/m3，g =9.80m/s2：
❖ 在不同的地理位置，大气条件是不同的，γ和 g值也不相同。 ❖ 重力加速度 g随高度变化，也与纬度有关； ❖ 空气重度 γ是气压、气温和湿度的函数，因此，各地的γ/ g的值均不相同。 ❖ 为了比较不同地区风压的大小，必须对地貌、测量高度进行统一规定。
2. 风荷载
❖ 基本风压reference wind pressure ❖ 风荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上10m高度处10min平
例如：结构构件自重，工业与民用建筑楼面上的固定设 备荷载等。
❖ 可动荷载——在结构空间位置上的一定范围内可以任意分 布的荷载。 例如：工业与民用建筑楼面上的人群荷载、吊车荷载等。
二、荷载的分类
3. 按结构的反应分类 ❖ 静态荷载——对结构或构件不产生加速度，或其加速度可以
忽略不计的荷载。也称为静态作用，估算时无需考虑动态系 数。
（二）可变荷载（活载）
2. 风荷载 ❖ 风流动模式的改变所产生的荷载与建筑物的表面明显成直
角。 （物体的形状）
2. 风荷载
❖ 风荷载体型系数μs ——风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）
与来流风压的比值，它描述的是建筑物表面在稳定风压作用 下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关， 也与周围环境和地面粗糙度有关。
部分和它的结构可能会承受土压力。
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Lk=LT + LT 办公楼 Lk=LT + 1.5LT Lk=1.5kN/m2 分位值 p =92.1% 住 宅 Lk=LT + 0.7LT Lk=1.5kN/m2 分位值 p=79.1%
住宅的活荷载标准值偏低较多 考虑到建设工程量比较大的住宅和办公楼的荷载标准值与国外相比
1、永久荷载 - 随机过程{G(模型（一条与时间轴平行的直线）
荷载一次出现的持续时间 =T 设计基准期内的时段数 T/ =1 在每一时段内出现的概率 p=1
2、民用楼面活荷载 持久性活荷载 Li ~ 楼面上在某个时段内基本保持不变的荷载,如住宅内的家具、物品、 工业房屋内的机器、设备和堆料等。
概率密度函数 f x
特性
f
x

概率 组距(分区间长度)
⑴ f x 0 ，即 f x 为非负函数
⑵ f xdx 1 ⑶ Pa x b ab f xdx
f x
f x
abx
x
x
概率密度分布函数Fx
F x x f xdx PX x
作用下或偶然事件发生时或发生后，结构应保持必要的稳定性，不致倒塌。 ❖ 适用性Serviceability：正常使用时具有良好的工作性能，能满足预定的使用要
求。 ❖ 耐久性Durability：在正常使用、维护下条件下具有足够的耐久性。 ❖ 整体稳定性Integral stability：当结构发生局部破坏时，不至于导致整个结构的
3、风荷载 wy(年最大风压)、雪荷载sy(年最大雪压)
wy sy
0 T
t
设计基准期内的时段数 r=50
在每一时段内出现的概率 p=1 N=p r=50
6.2.2 荷载的各种代表值（补充）
荷载代表值—设计中用以验证极限状态所采用的荷载值，包括标准值、 组合值、频遇值和准永久值 一、标准值(characteristic value)
二、结构的极限状态
极限状态：
整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，如不能 满足设计规定的某一功能要求，此特定状态即该功能 的极限状态，它的实质是结构可靠（有效）与不可靠 （失效）的界限，亦称界限状态。
❖1）承载能力极限状态（强度、稳定）
❖定义：该类极限状态对应于整个结构或结构的一部 分达到最大承载力、疲劳破坏或不适继续承载的变形
显然偏低 鉴于国内民用建筑楼面活荷载今后的变化趋势难以预测
住宅、办公楼的楼面活荷载标准值规定Lk=2.0kN/m2 办公楼 Lk=LT + 3.16LT 住 宅 Lk=LT + 2.38LT
随机变量 X~极值Ⅰ型分布
X 的分布函数 FI x exp exp x u
6.2.1 荷载的概率模型
荷载 直接作用 施加于结构上的各种荷载 永久荷载、可变荷载 随时间变化的随机变量 可用随机过程概率模型来描述 一、随机过程的几个概念
1、样本函数q(t)
~ 荷载随时间连续变化的函数
2、 随机过程Q(t)—Q(t),t0,T表示 ~ 一组样本函数q1(t)、q2(t) 、…… qn(t)的总称 3、任意时点荷载Q(ti) ~ 随机过程Q(t)在t=ti处可能出现的值组成的一个随机变量分布。
倒塌或破坏。 ❖ ** 以上功能统称为结构的可靠性，即结构的可靠性包括安全性、适用性、耐久
性、整体稳定性等内容。 ❖ 结构的可靠性定义为结构在规定的时间内（设计基准期内），在规定的条件下
（结构正常设计、正常施工、正常使用与维护），完成预定功能（如强度、刚 度、抗裂性、稳定性、耐久性等）的能力。 ❖ 结构的可靠度定义为结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的 概率。
随机变量 X~正态分布 N（ 、 ）
X 的概率密度函数
f x
1

e
1 2

x

2
2
X 的概率分布函数
Fx P X
x
x
f
xdx

1
=
x
e

1 2

x


2
dx
2
f x

x
概率密度函数
FT x e pr1Fi x Fi xpr Fi xN
令N=pr — 荷载在T内出现的平均次数
FT x Fi xN
设计基准期内最大荷载QT的概率分布函数FT(x)等于任意时点荷载概率 分布函数Fi(x)的N次方
四、几种主要荷载的统计分析结果
❖
3）偶然状况。在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的
状况，如火灾、爆炸、撞击等。
❖
对于不同的设计状况，可采用相应的结构体系、可靠度水准和基本
变量等。
❖
（2）建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计：
❖
1）对三种设计状况，均应进行承载能力极限状态设计。
❖
2）对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计。
概率分布函数FQ(x)相同 不同时段上荷载幅值随机变量是相互独立的，且与在时段 上是否出现
荷载无关
随机过程Q(t),t0,T的样本函数模型化为等时段的矩形波函数
Q(t)
T t
三、荷载统计分析 荷载统计要素
—荷载一次持续的时间 p—在时段 ti 上荷载出现的概率 FQ(x)—任意时段上随机变量的概率分布
Li
0
T
t
荷载一次出现的持续时间 =T/5
设计基准期内的时段数 T/ =5
在每一时段内出现的概率 p=1
临时性活荷载 Lr(t)-楼面上偶然出现短期荷载，如聚汇的人群、维修时
工具和材料的堆积、室内扫除时家具的集聚等。
Lr(t)
0 T t
样本函数模型
设计基准期内的时段数 r=T/ =10 在每一时段内出现的概率 p=1 N=p r=10
❖
3）对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。
6.2 荷载的统计分析
内容提要 6.2.1 荷载的概率模型
一、随机过程的几个概念 二、平稳二项随机过程 三、荷载统计分析 四、几种主要荷载的统计分析结果 6.2.2 荷载的各种代表值（补充） 一、标准值 二、荷载准永久值 三、荷载组合值 四、荷载频遇值 6.2.3 荷载效应和荷载组合（补充） 一、荷载效应 二、荷载效应组合
标准正态分布 N（0、1）
X 的概率密度函数
f x
1

e
1 2

x

2
2
X 的概率分布函数
Fx P X x
x
f
xdx

1
=
x
e

1 2

x

2
dx
2
f x
0
x
概率密度函数
2、民用建筑楼面活载标准值 ~ 极值Ⅰ型
第6章 结构设计方法
目录
6.1 结构设计的基本概念 6.2 作用的统计分析 6.3 结构抗力的统计分析 6.4 结构概率可靠度设计方法 6.5 现行规范结构极限状态设计表达式 6.6 工民建结构的作用效应组合 6.7 桥涵结构的作用效应组合
6.1 结构设计的基本概念
一、结构的功能要求 ❖ 安全性Safety：能承受在正常施工、正常使用时可能出现的各种作用，在偶然
记为Q(ti) = q1(ti) 、 q2(ti) 、 q3(ti) …… 即 随机过程 Q(t) ,t 0,T 在t=ti时点的荷载
样本函数q(t) 随机过程Q(t)—Q(t),t 0,T 任意时点荷载Q(ti) = q1(ti)、q2(ti)、q3(ti)……
Q(t)
~ 按设计基准期（T=50年）内最大荷载概率分布的某一分位值确定 1、恒载标准值Gk ~正态分布N( G 、G )
~ 相当于永久荷载概率分布（即设计基准期内最大荷载概率分布）的0.5分
位值，即正态分布的平均值G ~ Gk=结构设计规定的尺寸和材料或结构构件单位体积的自重平均值确定
对易于超重的钢筋混凝土板类（屋面板、楼板等）的标准值
Gk = 0.95 G 即 G =1.06 Gk（由于存在超重现象，实际的平均值为Gk的1.06倍）
对截面较大的梁、柱等承重构件的标准值
Gk = 1.0 G
对自重变异性较大的材料和构件（如屋面保温材料、防水材料、找 平层以及钢筋混凝土薄板等），为在设计表达式中采用统一的永久 荷载分项系数而又能使结构构件具有规定的可靠指标，其标准值应 根据对结构的有利或不利状态，分别取其自重的下限值或上限值
❖ 主要标志：影响正常使用或有碍观瞻的外观 变形；
❖ 影响正常使用或或耐久性的局部破坏（裂 缝）；
❖ 影响正常使用的振动；
❖ 影响正常使用的其他特定状态；
三、结构的安全等级
我国《建筑结构设计统一标准》根据结构破坏 时可能产生后果的严重性，对不同的建筑结构 采用了不同的安全等级（3级）
❖建筑结构及公路桥涵的安全等级
❖主要标志：失去平衡、材料破坏或者过度塑性变形、 形成可变机构、失稳、疲劳破坏
❖允许出现概率很低：因为危及人力、财产的重大损 失
❖ 2）正常使用极限状态（变形、裂缝宽度、振动参 数超过设计规定的限值）
❖ 定义：该类极限状态对应于整个结构或结构的一部 分达到正常使用或耐久性的某项规定值。
❖ 主要标志：影响正常使用或有碍观瞻的外观变形；
q1(ti)
q2(ti) q3(ti)
q1(t) q2(t) q3(t)
0
t=ti
Tt
二、平稳二项随机过程 假定：
建筑结构设计基准期T=50年 ❖ 荷载一次持续施加于结构上的时段长度=T/r，即将T分为r个相等的时段 在每一时段上荷载出现的概率p，不出现的概率q（q=1-p） 在每一时段上，荷载出现时，其幅值是非负随机变量，且在不同时段上其