结构的荷载与作用

2. 结构的荷载与作用
上次课程内容复习：
结构的概念 结构的作用 结构的组成 结构的基本设计要求
结构的概念——受力、传力的体系，实现建筑空间的重要技术。
结构的功能作用——抵抗自重的功能作用、承担外部重力的功能作用、 承担侧向力的功能作用、承担特殊力的功能作用
结构的构造组成——形成跨度的结构构件：梁、板。 垂直传力的结构构件：柱子、墙。 抵抗侧向力的结构构件：墙、支撑。 承担全部各种荷载结构构件：基础。
2.3.1 地震作用
地震与地震荷载的形成
• 地球上的地震有强有弱。地震强度大小以震级与地震烈度衡量。 • 震级是衡量地震大小的一种度量。每一次地震只有一个震级。 • 地震烈度是指地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度。对同一次地震，
在不同的地区，地震烈度大小是不一样的。
• 基本烈度，某一地区今后一定测算期内，可能遭受的最大地震烈度，是 抗震设计的主要参考指标。
概率分布原理 统计发现，任一种活荷载均符合概率正态分布规律，如图。
出
μ
现
概
率
σσ
规律：较大与较小的荷载出现概率低，常规 荷载出现概率高
荷载平均值为μ，均方差为σ。
荷载值
2.2 荷载取值
2.2.2 荷载特征值的确定
荷载特征值的取值原则 根据荷载统计数据，确定相对较大的指标为该类荷载的成与危害
• 风是由于大气层的温度差、气压差等大气现象导致的空气流动现象。建筑 物会对风形成阻挡，因此风会对于建筑物形成反作用。
• 风是极其复杂的气流现象，是随机性的动荷载，巨大的风力作用会致使建 筑物水平侧移、振动甚至垮塌。
• 在风的作用下，建筑物会发生以下破坏： 1）主体结构变形导致内墙裂缝； 2）长时间的风振效应使结构受到往复应力作用而发生局部疲劳破坏； 3）外装饰，受风力作用而脱落； 4）轻屋面，受风的作用会像上浮起甚至破坏。
2.2 荷载取值
2.2.1 荷载取值的前提范围
功能范围，是指建筑物的设计功能，不同功能的建筑所承担的荷载是不一 样的，同一建筑物不同的功能区域所承担的荷载也是不一样的。
重要程度，同样的建筑物由于特定的功能差异，重要程度也有所不同，因 此安全等级也不一样。
时间范围，是指对于荷载的测算时间长度，测算时间越长，建筑物所面临 的荷载峰值越大。一般来说，建筑物的设计寿命期是该结构的荷载最短测 算期。
是强弩之末，风力较小； • 云贵高原与西南地区，深入腹地，大气波动小，风力极小。
2.3.2 风荷载
风荷载的基本理论
气体的流动速度与压力成反比，迎风面受到压力作用，其他面由于风的流动 而受到吸力。
基本风压
基本风压是指某一地区，风力在迎风表面产生作用的标准值。 平坦空旷的地面，距地面10米高处，年最大风速发生时10分钟内的风速平均 值所形成的，并考虑该风速的历史重现期（30年为标准期限）而确定的迎风面 风力作用。
结构的基本设计要求——结构的安全性要求、结构的实用性要求、结构 的耐久性要求、结构的稳定性要求。
2. 结构的荷载与作用
2.1 荷载及其分类 2.2 荷载取值 2.3 特殊荷载与作用
2.1 荷载、作用的含义与分类
2.1.1 荷载与作用 结构的外部作用，一般分为荷载与作用两大类：
荷载——外界、建筑构造与建筑结构自身对于结构所形成的力； 结构自重、建筑物其他构造自重、建筑物各种附加物的自重、建筑物各 种附加物的运动形成的力、自然界的作用（风、雨、雪等）等；
• 一般按照建筑物的物理质量集中区域，形成地震荷载。多层建筑物每层形成相 应的侧向荷载。
• 考虑建筑物横向刚度相对较小，一般以横向为地震荷载演算方向。
F
=
a
多层建筑物每层形成的侧向荷载作用
2.3.1 地震作用
地震区域分布
• 全球主要地震活动带有三个： • 环太平洋地震带，是地震活动最强烈的地带，发生全球约80%的地震； • 欧亚地震带，占全球地震的15%。 • 海岭地震带：分布在太平洋、大西洋、印度洋中的海岭。
定的特征值在绝大多数状况下是有效的。不存在大于所有可能荷载的特征 荷载值。 荷载取值 以95%为保证率指标，即以所选的荷载特征值衡量所有荷载出现的概率状 况， 95% 的荷载小于该指标。 根据正态分布函数的数学特征，确定特征荷载 Q =μ+1.645σ 该特征值被称为该荷载的标准值，记作Qk。
• 中国位于世界两大地震带—环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动频 度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震灾严重的国家。
• 我国的地震活动主要分布在五个地区： • 台湾省及其附近海域； • 西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部； • 西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓； • 华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、山东中 部和渤海湾； • 东南沿海的广东、福建等地。
空间范围，是指建筑物所在的特定荷载发生区，对于自然界来讲，不同的 区域与自然环境，荷载发生的状况不同。
2.2 荷载取值
2.2.2 荷载特征值的确定
恒荷载特征值的确定比较简单，可以直接通过形体与密度确定相关构件或 永久性设备的重量、位置等因素。
活荷载是随时间变化的荷载，其量值有着随机分布的特征，因此采用概率 测算的方式确定某种荷载的特征值。
• 乙类：重要建筑物，如重点抗震城市的生命线工程与抗震救灾需 要的建筑；按基本烈度提高一度进行设防与相关构造。
• 丙类：甲、乙、丁类以外的一般建筑物；按基本烈度设防与进行 相关构造。
• 丁类：次要建筑物，地震破坏后果不会造成重大伤亡与较大经济 损失。按基本烈度降低一度进行设防与相关构造。
• 六度区内百万以上人口城市的高层建筑，按七度设防。
2.3.2 风荷载
风荷载计算公式：
ωk=βzμsμzω0
ωk :风荷载标准值 βz ：高度Z处的风振系数 μs ：建筑物对于风荷载的形体系数 μz ：风荷载的高度变化系数 ω0 ：建筑物所在地区的基本风压
• 地震是地球内发生的错动，发生地震的地方是震源。 • 震源上方正对着的地面称为震中。 • 地震时，在地球内部出现的弹性波叫作地震波，包含纵波和横波。 • 纵波引起地面上下颠簸振动；横波能引起地面的水平晃动。横波是地震造成建
筑物破坏的主要原因——地震横波造成地表的往复运动，由于惯性作用，建筑 物与地表之间存在运动差（相对运动），因而形成建筑物的惯性力。
风的振动效应
阵风会产生强烈的风阵效应，并且具有 极大的不稳定性。 阵风会产生顺风的振动效应与侧风的振 动效应。
北
西
东
南
2.3.2 风荷载
城市中心区高层建筑的综合效应
常规理解，地面粗糙度大，风速减缓。这个概念仅在城市多为多层建筑或高层 建筑不多、分布不密集时是正确的。 随着城市中心区高层建筑大量增加、高度加大（多数在百米以上）、密度也随 之加大，在局部会由于过风面积狭小，形成风力急剧增加，而且这种风力增加 是不确定的。 西方国家已经开始对于城市中心商务高层建筑区域进行特征风的研究，并采用 航空技术，以风洞试验的方式对于区域模拟规划进行调整。
出
μ
现
概
率
σ σ 标准荷载值
μ +1.645σ 荷载值
常规荷载范围，保证率95%
意外荷载范围，失效率5%
2.3 特殊荷载与作用
• 风与地震是两种典型的、随机的侧向动荷载，是建筑设计中必然 要考虑的两种荷载因素，都属于特殊荷载与作用。
2.3.1 地震作用 2.3.2 风荷载
2.3.1 地震作用 地震与地震荷载的形成
效果，多数动荷载由重力与运动速度共同产生。
2.1 荷载及其分类 2.1.3 力学计算中荷载的简化 集中荷载 集中荷载是指荷载作用的范围相对于结构的尺度来讲很小，可以忽略为一个 点作用的荷载，集中荷载对于结构产生不连续的作用。集中荷载可以直接进 行力学计算。
分布荷载 分布荷载是指荷载作用的范围相对于结构的尺度是线或面作用的荷载，分布 荷载对于结构产生相对连续的作用。分布荷载不能直接进行力学计算，需要 以积分的办法求得分布荷载对于结构或构件的整体作用效果。
作用——外界、建筑构造与建筑结构自身对于结构所形成的变形和位移 的不协调导致的结构受力。 温度变化形成的不协调变形、地基的不均匀沉陷导致的不协调变形、地 震导致地表与结构的相对位移等。 由于各种作用对于结构的效果最终也表现为力——等效力，因此将荷载 与作用统称为荷载。
2.1 荷载及其分类 • 温度变化的变形作用
2.3.1 地震作用
建筑物的抗地震设计
建筑物的抗震设防标准 我国的抗震规范规定了建筑物的三个基本设防标准： 1. 小震不坏： • 在较基本烈度低1.5度的第一水准烈度的地震作用下，结构处于正常使用
阶段，材料受力处于弹性阶段。 2. 中震可修： • 在遭受基本烈度（第二水准烈度）的地震作用下，结构可能出现一定的
引入结构承载力抗震调整系数进行截面设计；其次，以同一抗震参数计 算结构弹性层间侧移角，使其不超限值，并采取相应的构造措施，满足 第二水准烈度要求。 2. 采用第三水准烈度为参数计算结构的弹塑性层间侧移角，使之小于规定 的限值，并采取相应的构造措施，满足第三水准烈度要求。 • 通常来讲，地震烈度低于六度时，不会对于永久性建筑物形成较大破坏。 • 因此，我国规范规定，以六度为建筑设计基本设防标准。
损坏，但加以修缮后可继续使用，材料受力处于塑性阶段，但被控制在 一定限度内，残余变形不大。 3. 大震不倒： • 在较基本烈度高 1 度的第三水准烈度作用下，结构出现严重破坏，但材 料的变形仍在控制范围内，不至于迅速倒塌，赢得撤离时间。
2.3.1 地震作用
建筑物的抗地震设计
• 两阶段设计原则 1. 首先，以第一水准烈度为参数计算地震效应，与风、重力进行组合，并
风玫瑰图
如图所表示的某一地区的冬季、夏季主导风向的图形。
2.3.2 风荷载