荷载与结构设计方法的期末考试试卷二

2016-2017年第一学期《荷载与结构设计方法》科目考查卷（二）一、填空题（20分）1． 作用按时间的变异分为: 永久作用,可变作用,偶然作用. 2． 土的侧压力分为_静止土压力,主动土压力,被动土压力_.3． 冻土的四种基本成分是__固态的土颗粒,冰,液态水,气体和水汽_. 4． 预应力构件按预应力施加先后分为__先张法,后张法5． 目前国际上采用的抗震设计原则是_小震不坏,中震可修,大震不倒 6． 结构极限状态分为_承载能力极限状态,正常使用极限状态_. 7． 由风力产生的_结构位移,速度,加速度响应__称为结构风效应.二.名词解释(3+3+4=.10分)1. 作用：能使结构产生效应(内力,应力,位移,应变等)的各种因素总称为作用2. 震级：衡量一次地震规模大小的数量等级,国际上常用里氏震级3. 震中距：地面某处到震中的距离称为震中距 三.简答题.(5x4=20分)1. 结构可靠度是怎么定义的2. 什么叫基本风压怎样定义.3. .写出单质点体系在单向水平地面运动作用下的运动方程.4. 简述直接作用和间接作用的区别. 四 计算题（50分）1. 设有一单质点体系，质点重为100KN ，体系自振周期为秒，位于基本烈 度8度区，体系所在地设计反应谱特征周期Tg ＝，设计反应谱下降段指数 为b=，动力系数最大值25.2m ax =β，体系结构设计基准期为50年，求体系 所受小震烈度的水平地震作用。

（10分）解：求地震系数。

因小地震烈度比基本地震烈度小度，则计算地震烈度为：I=＝ 1′ 地震系数公式 k=×2I-7=×= 3′根据我国建筑抗震设计规范，地震系数取平均值的85％075.0088.085.0=⨯='k 1′计算动力系数。

因T>Tg ，则()18.10.14.025.27.0=⎪⎭⎫⎝⎛⨯=T β2′地震作用为()KN T k G F 85.818.1075.0100=⨯⨯='=β 3′2.已知一矩形平面钢筋多层建筑，位于城市中心，建筑高度45m ，平面沿高度保持不变，迎风面宽B ＝20m 地面粗糙度指数2.0=a α，基本风压按地面粗糙度指数的地貌16.0=sα，离地面10m 高风速确定的基本风压为20/55.0m kN =ω，风振系数沿高度不变为0.1=z β，求建筑物底部弯矩。

（标准地貌的梯度风高为350m ；该城市梯度风高为400m ，建筑物沿高度划分为三段计算）（20分）解：()()()0w z z z w z s g k μμβ= 2′ 矩形结构，风载体形系数3.1=s μ； 1′20/55.0m kN =ω 1′0.1=z β 1′风压高度变化系数z μ4.02.022.0216.0222222210713.0101040010350101010⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⨯⨯-⨯z z z H H z z Z H ZH z Ta TS s Ta STSz aaSaaSμμαααααα 2′838.01=μ106.12=μ301.13=μ 3′kpa 592.055.0828.00.13.11=⨯⨯⨯=ϖ 2′ kpa 79.055.0106.10.13.12=⨯⨯⨯=ϖ 2′ kpa 93.055.0301.10.13.13=⨯⨯⨯=ϖ 2′m kN H H H M ⋅=⨯+⨯+⨯=++=43.744593.03079.015592.0332211ωωω 4′15m 15m 15m20m《荷载与结构设计方法》考试试题参考答案一 概念理解题（共计70分）：1在结构荷载计算中，一般主要考虑的有哪些荷载（5分）答：一般考虑的荷载为恒载和活载两类，对于偶然荷载（特殊荷载考虑较少）。

2 基于可靠度的结构设计（概率极限状态设计）与传统的安全系数设计有何区别对于功能函数（以两个变量为例），当变量为正态分布时，可靠度指标有何含义，试作图表示；（10分）答：可靠度设计是考虑荷载和抗力是一种随机变量，而传统的安全系数设计方法则将这些参数看作固定值，前者更为合理。

对于0),(=-==S R S R g Z ，在SOR 坐标系，首先将变量进行标准化变换，对基本变量作标准化变换SSS S σμ-=，RRR R σμ-=，此时将变量转化成了)1,0(N 分布，形成新的坐标系R O S'，原坐标与新坐标的关系为：SSS S μσ+=，RRR R μσ+=，得出新坐标系的极限状态方程：0=-+-SRSRS R μμσσ，令22cos SRRRσσσθ+-=，22cos SRSSσσσθ+=，22SRS R σσμμβ+-=于是有：0cos cos =-+βθθSRS R，如图所示R O S'坐标系，于是可得：RRP O Rθβθcos cos *'*==，SSP O Sθβθcos cos *'*==进行变换到原坐标系，于是RRRRRR R μσθβμσ+=+=cos **，SSSSSS S μσθβμσ+=+=cos **，已知坐标系SOR 中，极限状态方程：0=-S R ，显然此时其上一点：0**=-S R ，由此可求出可靠指标b ，验算点*R ，*S 。

3 为何对于不同的荷载在进行荷载效应组合时，取一定的分项系数（5分）答：主要是考虑到不同荷载的概率分布形式不一致，而为了计算的简便，将各种荷载的概率分布的不同通过的荷载分项系数以使按极限状态设计表达式设计的各种结构可靠指标b 与规定的设计可靠指标b 0之间在总体上误差最小。

4 计算风荷载时需要考虑几个方面的因素；（5分）答：风荷载的计算主要与三种独立的因素有关：基本风压、风压高度变化系数、房屋体型系数有关。

5 设计基准期和设计使用寿命的概念，两者有何区别；（5分）答：设计基准期是统计各种荷载（作用）和抗力随机变量的年限，一般取50年，而设计使用寿命则是结构物使用年限，一般为20、50、100年，当超过设计基准期之后，结构物的可靠度会降低。

6 荷载代表值的类型及含义；（10分）答：荷载代表值包括荷载的标准值、组合值、频遇值和准永久值，前两者是在承载能力极限状态中使用，而后两种则在主要在正常使用极限状态中使用。

代表值：为设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值，我国一般取分位数。

组合值：以荷载代表值为基础，考虑当出现两种或两种以上的可变荷载时，荷载不可能同时以其最大值出现，此时荷载代表值可采用组合值或荷载组合系数出现。

荷载频遇值主要是为了对结构正常使用极限状态的短期性能进行校核，一般取系数~（具体参见《建筑结构荷载设计规范》，荷载的准永久值系指经常作用在结构上的荷载，同样乘以一个系数即可。

总的说来，后三者均是对可变荷载来说的。

7 如何确定结构的目标可靠指标；（5分）答：确定结构的目标可靠指标是在原有的定值设计基础上，采用的主要方法有：类比法；校准法，后者是《建筑结构可靠度设计统一标准》所采用的方法，并根据安全等级和结构的破坏类型来确定可靠指标b。

8 材料强度的取值是可靠性设计的一个重要方面，材料强度的标准值可以取其平均值吗为什么如何取值（5分）答：为结构设计的安全起见，材料强度的标准值不取平均值，而是取概率分布的分位值，即在平均值的基础上减去。

f9 作用与荷载的区别与联系，在本书中是如何对其分析的（5分）答：荷载是指直接作用在结构上的力，而作用是泛指在结构上产生效应（应力、变形等）的一切外界因素，通常将两种概念同等对待。

10 试说明梁、柱从属面积的含义。

（5分）答：对于结构计算来说，要分析构件受力情况，要对荷载作用进行分析，求其作用在梁或柱上的荷载，即将作用在楼面上的活荷载以及楼面本身的恒载进行分析。

11 作用在跨河桥梁上的荷载有哪些（5分）答：恒载：桥梁自身重力；活载：风荷载、地震荷载、流水压力、船只（漂浮物）的撞击力、车辆荷载（汽车制动力、汽车离心力、汽车撞击力、汽车冲击力）。

12 谈谈你对可靠性设计中中心点法和验算点法的理解。

（5分）答：中心点法没有考虑基本变量的分布形式，其前提是假定基本变量服从正态分布，因此不是严格意义上的概率分析法，当功能函数为非线性时，只能在中心点附近取线性近似，所得的b也是近似的，且中心点离真正的极限状态有相当距离；数学形式的变换也会导致b的变化。

验算点法考虑了基本变量的分布形式，且能够无限接近验算点的位置，从而可以保证计算结果的精确性。

二计算分析（共计30分）：1 某结构在抗震设计时可简化成单质点体系，如图所示。

已知该结构位于设防烈度为7度的III类场地上，设计地震分组为第一组。

集中质量ζ，自振周期为，求多遇地震时水平地震作=，结构阻尼比05.0=0.8⨯m4Kg10用标准值F。

（本题6分）EX解：根据已知条件，查书中表4-4、4-5得，水平地震影响系数最大值08.0max=α，特征周期s T g45.0=，根据结构阻尼比可知：g ＝，h 1＝，h 2＝，因g g T T T 5<<，故025.008.00.164.145.09.0m ax 2=⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=αηαγTT g于是水平地震作用kN G FEK6.198.9100.8025.04=⨯⨯⨯==α2 某单跨工业厂房排架，有桥式吊车，A 柱柱底在几种荷载作用下的弯矩标准值为：恒载mKN M G k •=35；风荷载mKN M k •=101；吊车竖向荷载m KN M k •=53；吊车水平荷载m KN M k •=154；屋面活荷载m KN M k •=32，求A柱柱底弯矩设计值（只考虑承载能力极限状态）。

（本题10分）解：根据题意，这里只考虑标准组合。

1）永久荷载效应控制的组合根据《规范》规定，当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的荷载仅限于竖向荷载，于是有A 柱柱底弯矩设计值为m KN M •=+⨯⨯+⨯=09.55)53(7.04.13535.12）由可变荷载效应控制的组合 （1）风荷载为第一可变荷载m KN M •=++⨯⨯+⨯+⨯=54.78)3155(7.04.1104.1352.1（2）吊车水平荷载为第一可变荷载m KN M •=⨯⨯++⨯⨯+⨯+⨯=24.79106.04.1)35(7.04.1154.1352.1（2）吊车竖向荷载为第一可变荷载m KN M •=⨯⨯++⨯⨯+⨯+⨯=04.75106.04.1)315(7.04.154.1352.1可以看出，应采用吊车水平荷载控制的组合作为弯矩设计值。

3 假定钢梁承受确定性的弯矩m KN M •=140，钢梁截面的塑性抵抗矩W 和屈服强度f 都是随机变量，已知其分布类型和统计参数： 抵抗矩W ：正态分布，36100.850m W-⨯=μ，05.0=W δ屈服强度f ：正态分布，MPa f270=μ，10.0=f δ用中心点法和验算点法计算钢梁的可靠指标b （本题14分）解：功能函数为：抗力列式140000-=-=fW M fW Z ，或应力列式Wf W M f Z 140000-=-= 1）中心点法 （1）取用抗力列式m N WfZ•=-≈8950014000μμμ，m N fWWf fW W fZ •=+=+=9.25658222222δδμμσμσμσ可知可靠指标48.3=β （2）应力列式MPa MWf Z 3.105=-≈μμμ，MPa M MWWffWWfZ0.272222222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈δμδμσμσσ 可知可靠指标9.3=β可见中心点法采用不同的功能函数形式计算结果不同。