荷载与结构设计方法(白国良)-第一章

与环境协调性
生态环境、社会环境 周围基础设施、建筑环境 52
二、结构上的作用
定义：使结构产生效应（结构或构件的内力、
应力、位移、应变和裂缝等）的原因。
分类：
第一类：直接作用
直接以力的不同集结形式作用于结构。
自重、风荷载、雪荷载、积灰荷载等。
第二类：间接作用
不是以力的形式直接出现，也能使结构
产生内力和变形。
东方明珠塔由三根直径 为九米的擎天立柱、太 空舱、上球体、下球体、 五个小球、塔座和广场 组成。
4
中央电视台新台址
建设规模：总建筑面积约 495900平方米，主楼51层， 234米，44层，194米。14层 悬臂结构
总投资预算：50亿元人民币。 存在问题：
1. 建筑物出现3维结构体不 稳定问题和整体抗震问题 ； 2. 结构基础重力抗倾覆问题； 3. 45M悬挑竖向抗震问题； 4. 抗风力乱流问题 ； 5. 抗击恐怖活动的结构安全 度问题；
Gi= r·V
式中 Gi——构件的自重（KN）； r——构件材料容重（kN/m3）； V——构件的体积，一般按设计尺寸确（cm3）
注：自重变异较大的材料构件自重的选取 有利——抗倾覆、稳定性计算，取下限； 不利——强度计算，取上限。
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三、结构总自重计算
❖ 计算结构总自重时，应根据结构各构件的材料 重度不同把结构划分成多种容易计算的基本构 件，先计算基本构件重量，叠加即得结构的总 自重。
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越南桥断三截至少52人死亡
越南南部位于芹苴与永隆两省之间正在建设的芹苴
大桥2007年9月26日上午发生坍塌事故
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据初步估计，事故发生的原因是一座建筑塔吊突
然倒下，砸落在一天前刚刚浇注了水泥的桥段上，
引起了三段桥面的连锁坍塌
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在越南南部芹苴大桥坍塌现场，扭曲的脚手架斜躺在地上 29
九江大桥坍塌事故
温度变化、不均匀沉降、地震、焊接、
收缩和徐变等
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三、效 应
❖ 定义：作用在结构产生的内力（拉、压、弯、剪 扭）和变形（拉伸、弯曲、压缩、裂缝、 挠 度）等，称为效应。
❖ 分类： ❖ 第一类：
直接作用引起的效应，称为荷载效应。 ❖ 第二类：
间接荷载引起的效应，称为地震作用效应 温度变化效应、地基变形效应等。
存在结构隐患和功能老化问题 35
36
37
38
39
40
41
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43
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钢结构熔化导致世贸大厦倒塌 纽约世贸大厦的建筑情况： 由7幢建筑物组成，其主楼呈 双塔形，大楼采用钢结构， 用钢7.8万吨，楼的外围有密 置的钢柱，墙面由铝板和玻璃 窗组成，有“世界之窗”之称。
“波音757和波音767两架客 机
❖ 而且10吨TNT也不一定炸得了世贸大厦 48
❖ 1993年2月26日，纽约世贸中心姊妹楼地下停车场 发生的恶性大爆炸事件，地下停车库里发生爆炸， 世贸中心地下建筑层有4层被炸穿，大洞达30米宽， 现场一片狼藉，地板有坍塌危险。然而大厦仍屹立 不倒，根基没有受到致命的影响。经过短期的修复 工作后，大厦重新开放。
n
G Gi i 1
65
例：某教室采用现浇钢筋混凝土平板，板厚80mm， 结构布置如图所示。已知水磨石地面及细石混凝土垫 层共30mm厚（r=22kN/m3）板底白灰砂浆12mm厚 （r=17kN/m3），求该构件自重。
2000
2500
2500
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2.1.2：雪荷载
❖ 雪荷载 是房屋屋面的主要荷载之一，属于结构 上的可变荷载；
❖ 也就是说，此次恐怖事件就像是一场巨大的“大炼 钢铁”，7.8万吨钢材被“炼”成了一堆扭曲变形的 废钢。
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❖ 美国当地时间9月11日17：20，纽约世贸大厦 47层高的7号楼倒塌，这是世贸中心倒塌的第三座 建筑。原因还在于它的钢结构。纽约世贸姊妹楼的 高温辐射，本来就已使7号楼升温，再等姊妹楼倒 塌后，高温集中在地基部分；要命的是，世贸中心 的大楼地基也用钢铁相连，长时间的高温传导，以 及大楼内部可能的爆炸，致使7号楼也被熔化了。
15
此建筑物未倒塌 但残留大水平变形 原因：
斜撑抗水平力 能力不够、 梁柱结合处 连接不牢固。
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车间墙体倒塌
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胜利桥
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被震弯的铁路
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26米高水塔倒塌
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医院七层大楼只剩一角
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招待所
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震后的大桥
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幸存的客房
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北京白塔寺， 塔顶和塔基部分 砖被震落。
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为纪念唐山 大地震， 建立的遇难 者纪念碑
❖ 人群、家具荷载、吊车荷载、车辆荷载
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三、按结构的反映特点分类
❖ 静态作用
❖ 对结构或构件不产生动力效应，或其产生的动力效 应与静态效应相比可以忽略不计的作用。 自重、雪荷载、土压力、楼面活荷、温度变化等
❖ 动态作用
❖ 对结构或构件产生不可忽略的动力效应 设备振动、爆炸和冲击荷载
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❖ 荷载：永久荷载、风荷载、雪荷载 ❖ 作用：地震作用、温度作用、变形作用等
荷载与结构设计 方法
1
日本明石海峡大桥
1998年4月建成 世界上跨度最大 的悬索桥。 大桥全长3910m 中央支距1990m
2
中国江阴长江大桥
主跨1385米 3
东方明珠电视塔
468米，亚洲第一高塔。
于1991年3月开始建造， 1994年11 月完工，总重量 达12万吨，总投资8.3亿 元人民币。
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3、基本雪压的确定
❖ 当有资料时，查表确定。表2-2。
省市名 黑龙江
城市名
哈尔滨 齐齐哈尔 佳木斯
雪压/（kN/m2）
n=10 n=50 n=100
0.3
0.45
0.50
0.25
0.40
0.45
0.45
0.65
0.70
70
基本雪压的确定
❖ 无雪压数据时，可间接采用积雪深度计算：
S hg
❖ 式中 S——雪压，kN/㎡； h——积雪深度，只从积雪表面到地面的 垂直深度，m；
共110层， 总高443m， 建筑面积约40m2。
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纽约世界贸易中心双塔楼
110层412米，用钢量186Kg/m2， 1973年建成， 2001年9月11日被撞倒塌。
14
钢结构公寓的整体歪倒
地面以下是 钢筋混凝土结构， 地面以上是 四层钢结构公寓， 一层、二层倒塌， 三层、四层倾倒， 主要原因， H型钢柱 由于侧向支撑破坏 出平面失稳
❖ 设计基准期： 为确定可变荷载代表值而选用的时间 参数（一般为50年）
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1.2 作用的分类
❖ 一、按随时间的变异分类 ❖ 永久作用
在设计基准期内作用值不随时间变化，或其 变化与平均值相比可忽略不计的作用。 结构自重、土压力、预应力、混凝土收缩徐变等。 ❖ 可变作用 在设计基准期内作用随时间变化，且其变化 与平均值相比不可忽略的作用。 风、雪、温度变化、水位变化等
5
6
鸟巢
国家体育场的“鸟巢”是由一系列辐射式门式钢桁架 围绕碗状坐席区旋转而成，结构科学简洁， 设计新颖独特，为国际上极富特色的巨型建筑。
7
鸟巢
8
上海八万人体育场
9
国家大剧院
National Grand Theater, Beijing
10
上海环球金融中心
101层 492.5米
世界最高建筑462m 总投资逾750亿日元
ρ——积雪密度，t/m3；
g——重力加速度， 取9.8m/s2。
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❖ 雪深度受随积雪深度、积雪时间和当地地理 气候条件影响。按地区平均雪密度计算；
❖ 东北及新疆北部地区平均密度取0.15t/m3； ❖ 华北及西北地区的平均密度取0.13t/m3； ❖ 江西、浙江的平均密度取0.20t/m3； ❖ 淮河、秦岭以南地区平均密度取0.15t/m3；
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二、屋面雪压
❖ 基本雪压是针对地面上的积雪荷载定义的， 屋面雪荷载由于风向、屋面形式及屋面散 热等因素影响，与地面雪荷载在不同。因 此，
❖ 计算屋面雪荷载时应对地面基本雪压乘以 屋面积雪分布系数。
❖ 影响因素：风、屋面坡度、屋面温度。
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1.风对屋面积雪的影响
❖ 漂积作用：下雪时，风会把本分本将飘落在屋面 上的雪吹积到附近的地面上或其他较低的物体上， 称为风的漂积作用。
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❖ 偶然作用 在设计基准期内不一定出现，而一旦 出现其量值很大且持续时间很短的作用。 地震、爆炸、撞击、火灾、龙卷风等
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二、按随空间位置的变异分类
❖ 固定作用
❖ 在结构空间位置上具有固定的分布，但其量值可能 具有随机性
❖ 自重、固定设备荷载
❖ 自由作用
❖ 在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布，出 现的位置及量值可能具有随机性的作用。
Leabharlann Baidu
前后撞上世贸大厦姊妹楼，由
于这两架客机起飞不久，客机
油箱分别携带着30吨和45吨
左右的燃油，
45
❖ 客机与大厦相撞处，大火把钢柱烧得通红，铝板弯 曲，玻璃爆裂，电脑、桌椅等办公设备在大火中噼 噼啪啪作响；而后，燃油疯狂地从空隙处向下流蹿， 高温如闪电般击向了整装大厦的钢柱
❖ 32分钟之后，即当地时间9月11日9：40 间11日21：40 ，南楼倒塌；北楼经1个小时38分钟 之后，即当地时间9月11日10：28 北京时间22： 28 左右，北楼突然爆炸并倒塌。
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1.2 作用的分类
❖ 一、按随时间的变异分类 ❖ 永久作用
在设计基准期内作用值不随时间变化，或其 变化与平均值相比可忽略不计的作用。 结构自重、土压力、预应力、混凝土收缩徐变等。 ❖ 可变作用 在设计基准其内作用随时间变化，且其变化 与平均值相比不可忽略的作用。 风、雪、温度变化、水位变化等
55
❖ 当时，美国联邦调查局和纽约市警察局经调查认为， 爆炸是由炸弹引起的，而且不止一枚炸弹；有人估 计，炸药约有450至1350公斤。
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第一章：绪论
❖ 1.1 荷载与作用 ❖ 1.2 作用的分类
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1.1 荷载与作用
❖ 一、工程结构基本功能
建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001规定： ❖ 在正常施工和使用时，能承受可能出现的各种
❖ 就像是巧克力被溶化，纽约世贸大厦这三幢大 楼就这么灰飞烟灭了。
47
10吨TNT也不一定炸得了世贸大厦 ❖ 姊妹楼高达411米，如果要爆破，必须进行分
段爆破。假如每隔5层左右安放炸药，每段安 放4层左右，这样算来，约每10层为一段。世 贸大厦有110层，如果要爆破，可能也要分11 段，需半年时间。 ❖ 一幢楼需要炸药最起码要超出5吨，两幢就要 超出10吨。一般爆破一幢普通的大楼，炸药 用量是50公斤左右；10吨的炸药，就相当于 爆破200幢普通的大楼。
❖ 楼面活荷载； ❖ 屋面活荷载。
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一、雪荷载标准值及基本雪压
❖ 1.屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下 式计算：
Sk rS0
式中 Sk ——雪荷载标准值； r ——屋面积雪分布系数； S0 ——基本雪压。
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2.基本雪压
基本雪压：基本雪压的修订是根据全国672个 地点的气象台（气象站），从建站起到1995 年的最大雪压和雪深资料，经统计得出50年 一遇的最大雪压，即重现期为50年的最大雪 压，以此规定当地的基本雪压。
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第二章：重力
2.1 结构重力 ❖ 永久荷载 ❖ 雪荷载 ❖ 楼、屋面活荷载 2.2 波浪荷载
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2.1.1 永久荷载
❖ 一般指结构自重
一、定义
❖ 在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与 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。
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二、自重的计算
❖ 按结构设计规定的尺寸和材料或结构构件单位体积的 自重（或单位体积的自重）计算：
作用； ❖ 在正常使用时具有良好的工作性能； ❖ 在正常维护下具有足够的耐久性能； ❖ 在设计规定的偶然事件发生时即发生后，仍能
保持必须的整体稳定性
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安全性
承载力极限状态 正常使用极限状态
建
防 火安 全
筑
平面、空间布置
物
适用性
通风采光、隔音隔热
功
能
耐久性
要
使用者要求 使用寿命
求
经济性
成本低、维修费用低
2007年6月15日上午5时许,广东325国道九江大桥被一艘运
输船撞击桥墩,造成200多米桥面坍塌,
30
31
湖南凤凰桥坍塌
2007年8月 13日发生坍 塌的凤凰堤 溪沱江大桥 从开工到坍 塌，期间经 过近4年时 间，尚未正 式命名，也 没有投入使 用。
32
坍塌的桥梁
33
2007年8月1日，美国明尼苏达州密西西比河上一座桥梁 傍晚交通高峰时段垮塌，约50辆汽车坠入河中，4人死亡， 34 20人失踪。
1997年8月27日
上海环球金融中心正 式奠基。
大楼在90楼（约395米）设置了两台风阻尼器，各重150公吨， 使用感应器测出建筑物遇风时的摇晃程度及方向，自控式移动
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减少大楼摇晃
佩重纳斯大厦
俗称“国营石油双塔” 马来西亚吉隆坡 建成于1998年
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西尔斯塔楼
美国芝加哥 建于1971 - 1974年 成束筒结构体系，