《工程荷载与可靠度设计原理》课后思考题及复习详解

《工程荷载与可靠度设计原理》---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，作用于桥面的车辆、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束变形，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束变形产生的力效应，由于地震造成地面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定作用和自由作用；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赋予的规定量值，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定不同的代表值，其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定？地面以下深度z处的土体因自身重量产生的应力可取该水平截面上单位面积的土柱体的重力，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？根据挡土墙的移动情况和墙后土体所处应力状态，土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力三种类别。

土的侧向压力的大小及分布与墙身位移、填土性质、墙体刚度、地基土质等因素有关。

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？当挡土墙在土压力作用下，不产生任何位移或转动，墙后土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E0表示。

当挡土墙在土压力的作用下，向离开土体方向移动或转动时，作用在墙背上的土压力从静止土压力值逐渐减少，直至墙后土体出现滑动面。

滑动面以上的土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，土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E a表示。

当挡土墙在外力作用下向土体方向移动或转动时，墙体挤压墙后土体，作用在墙背上的土压力从静止土压力值逐渐增大，墙后土体也会出现滑动面，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，土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E p表示。

在相同的墙高和填土条件下，主动土压力小于静止土压力，而静止土压力又小于被动土压力，即：p 0a E E E <<2.4 当楼面面积较大时，楼面均布活荷载为什么要折减？民用建筑的楼面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，当楼面面积较大时，作用在楼面上的活荷载不可能同时布满全部楼面，在计算楼面梁等水平构件楼面活荷载效应时，若荷载承载面积超过一定的数值，应对楼面均布活荷载予以折减。

同样，楼面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置的，多车道桥梁上的汽车荷载同时处于最不利位置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，应考虑多车道折减。

当桥涵设计车道数等于或大于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高密度和满载的概率减小，应考虑计算跨径进行折减。

2.6 什么叫基本雪压？它是如何确定的？雪压是指单位水平面积上的雪重，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面上，积雪分布均匀的情况下，经统计得到的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，往往与地面雪荷载不同，需要考虑一换算系数将地面基本雪压换算为屋面雪荷载。

2.7 试述风对屋面积雪的漂移作用及其对屋面雪荷载取值的影响？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面上的雪吹移到附近地面或邻近较低的屋面上，对于平屋面和小坡度屋面，风对雪的漂移作用会使屋面上的雪压一般比邻近地面上的雪压要小；对于双坡屋面、高低跨屋面，迎风面吹来的雪往往在背风一侧屋面上漂积，引起屋面不平衡雪荷载。

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面产生的压力，具有两个特性：一是静水压强垂直于作用面，并指向作用面部；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。

确定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，水压力分布与受压面形状有关。

如果受压面为垂直平面，已知底部深度h ，则可按h p γ=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？波浪是液体自由表面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，波高和波陡增加，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计算？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》分别给出了立波波压力、远破波波压力和近破波波压力计算方法，先求得直墙各转折点压强，将其用直线连接，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？冰压力按其作用性质不同，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出的？由于水流和风的作用，推动大面积浮冰移动对结构物产生静压力，可根据水流方向和风向，考虑冰层面积来计算：]sin sin )[(4321βαP P P P P +++Ω= (3.31) 式中：P ——作用于结构物的正压力（N ）；Ω——浮冰冰层面积(m 2),一般采用历史上最大值；P 1——水流对冰层下表面的摩阻力（Pa ），可取为0.52s v ，s v 为冰层下的流速(m/s);P 2——水流对浮冰边缘的作用力(Pa)，可取为250s v lh ，h 为冰厚(m)，l 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；P 3——由于水面坡降对冰层产生的作用力(Pa)，等于920hi ，i 为水面坡降；P 4——风对冰层上表面的摩阻力(Pa)，P 4=(0.001~0.002)V F ，V F 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)；α——结构物迎冰面与冰流方向间的水平夹角；β——结构物迎冰面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、桥墩等结构物的约束，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。

冰的膨胀压力与冰面温度、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面以下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面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，在其底面产生浮托力，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土的物理特性，当地下水能够通过土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，可以认为土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量等于它所排除的水重这一原则考虑：（1）对于透水性土，应计算水浮力；对于非透水性土，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%计算浮托力。

（2）若结构物位于透水性较差地基上，如置于节理裂隙不发育的岩石地基上，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，土的透水性质难以预测，对于难以确定是否具有透水性质的土，计算基底应力时，不计浮力，计算稳定时，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、土体产生浮托力，基础底面以下土的天然重度或是基础底面以上土的加权平均重度应取有效重度。

（5）地下水位在基底标高上下围涨落时，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. 基本风压是如何定义的？影响风压的主要因素有哪些？基本风压是在规定的标准条件下得到的，基本风压值是在空旷平坦的地面上，离地面10m 高，重现期为50年的10min 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。