荷载与结构设计方法

图2.4筒拱两边的拱券
3索菲亚教堂荷载的分析
3.1
按时间变异分类是对作用的基本分类，应用也是最广泛的，可分为：
永久作用。在结构设计基准期内，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。如：结构自重、
因为索菲亚教堂属于砌体结构，刚度较大，为了方便分析，也可以按照结构的动力反应分类。
静态作用。对结构不产生加速度，或者产生的加速度可以忽略不计的作用。如结构自重，雪荷载，温度变化。
所以计算风荷载可以用公式
因为索菲亚教堂外形结构属于封闭式拱形截面所以查找附表得以下数据
如果想算出实际的风荷载需要进一步调查教堂顶部的尺寸，由于索菲亚教堂由一个“洋葱头”和多个“帐篷”屋顶组成，可以近似简化成封闭式不等高不等跨三跨双坡屋面，体型及体形系数μs如下：
3.5
雪荷载是房屋屋面的主要荷载之一，属于可变荷载。由于哈尔滨冬天经常降雪，所以索菲亚教堂建设的时候一定要考虑雪荷载。
2索菲亚教堂的建筑结构和荷载传递
2.1
（1）墩柱，即土木工程中用于承载上部结构物的下部承重物，索菲亚教堂采用的是方形墩柱。
图2.1教堂墩柱图2.2教堂墩柱全景
（2）帆拱，在四个柱墩上沿方形平面的四条边长做券，在四个垂向券拱之间砌筑一个过四个切点的相切穹顶，水平切口和4个发券之间所余下的4个角上的球面三角形部分，既称为“帆：
年月日
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关键词教堂，砖木结构，拜占庭建筑艺术，有机结合
摘要
1索菲亚教堂基本信息
1.1
1.1.1
索菲亚教堂位于中国黑龙江省哈尔滨市道里区透笼街88号，是一座典型的拜占庭式东正教教堂，设计者为俄国建筑设计师科亚西科夫，整座教为庭式建筑，通高53.35米，占地面积721平方米，教堂平面设计为东西向拉丁十字，墙体全部采用清水红砖，上冠巨大饱满的洋葱头穹顶，四个方位还有大小不同的帐篷顶，形成主从式布局，正门பைடு நூலகம்部为钟楼，7座响铜铸成的乐钟恰好可以奏出七个音符，有训练有素的敲钟人手脚并用敲打出美妙动听的钟声。
S=hρg
式中：S——雪压，kN/㎡
h——积雪深度，指从积雪表面到地面的垂直高度，m
ρ——雪密度，t/m³
g——重力加速度，取9.8m/s²
索菲亚教堂可以简化成拱形屋面，积雪分布系数μ如下：
图3.1教堂帐篷顶图3.2教堂的雪荷载
3.6
由于索菲亚教堂为砌体结构，所以抗拉、抗剪强度都很低，所以抗震较差。
1.2
索菲亚教堂属于砌体结构，整体为以砖为材料，在中国北方的哈尔滨，由于冬季十分寒冷，砌体结构可以使用冻结法，不需要特殊的保温措施，但是砌体结构也有自己的缺点，自重大，材料用量多，因为多为手工砌筑，所以施工量大。
图1.2索菲亚教堂建筑材料
砌体结构因为砌块之间的粘结力较弱，所以抗拉、抗剪、抗弯强度都很低，但是由于自身砌体材料的性质它也有耐久性，大气稳定性，化学化学稳定性好等特点。
Gi=γV
式中：Gi——构件自重，kN；
γ——结构材料重度，γ=ρg，ρ为构件材料的密度，g为重力加速度；
V——构件的体积。
为了方便荷载的传递分析，我们可以分析一下建造顺序，首先砌筑墙体四角，然后做内部支撑结构，建四个拱券，在四边的拱券顶部中心做水平切口，并砌鼓座，鼓座下切口处的倒三角拱壳就是帆拱。为了支撑穹顶向四面巨大的侧推力，除了在四面砌筑支撑筒拱以外还要在筒拱两面再发拱券。这些拱券里面的支柱脚就落在支撑穹顶的四根支柱上，顶部再做四分之一的穹顶或拱顶覆盖。这是就在上方建筑大穹顶。所以传递荷载的路径是穹顶传递到鼓座，由鼓座传递到帆拱然后传递到拱券最后传到墩柱,然后传递给地基。
关于索菲亚教堂有很多外观介绍资料，在此我就不做过多的描述了，最后附上我和索菲亚教堂的合影和夜景下美丽的索菲亚教堂的实拍图。
参考文献
1.普通书籍
[1]郭楠，荷载与结构设计方法.中国建筑工业出版社，2014
[2]袁树基，袁静，建筑结构快速通.中国建筑工业出版社，2013
2.期刊中析出的文献
[3]张婧醅，李晶源，黑龙江科技信息
图1索菲亚教堂地理位置
1.1.2
索菲亚教堂始建于清光绪三十三年（1907年）三月，最初为沙俄东西伯利亚第四步兵师修建中东铁路时修建的一座随军教堂。同年，俄国茶商伊·费·赤斯嘉科夫出资，以随军教堂为基础，重新修建了一座全木结构教堂。1911年，木墙外部砌了一层砖墙，形成了砖木结构式教堂。1923年9月27日，圣·索菲亚教堂第二次重建，历时9年，于1932年11月25日落成，成为远东地区最大的东正教堂。1986年，哈尔滨市人民政府建筑。1996年11月，被列为第四批全国重点文物保护单位。1997年6月2日至9月2日，哈尔滨市人民政府对教堂按原设计进行了全面整修，扩建索菲亚广场7000平方米，辟为哈尔滨市建筑艺术馆，以宣传、弘扬哈尔滨独特的建筑文化。2000年，哈尔滨市人民政府组织扩建了哈尔滨市建筑艺术广场、中心休闲广场及城市建设规划展示馆建设工程。并于当年10月1日竣工使用。扩建后的建筑艺术广场面积由6000平方米增至10000平方米，中心广场面积36154平方米。
V——构件的体积。
通过上式可以算出结构的自重。
3.4
东北地区的北部为我国大陆上的风次压大区，这一地区的大风主要由冬季强冷空气入侵造成的，在冷锋过境之处都有大风出现，强大的冷空气向南或东南方向吹去，风速逐渐减弱，风压也逐渐减少。
建筑物处于风流动场中，风力在建筑物表面上的分布是不均匀的，在风的作用下，迎风面由于气流受阻产生风压力，侧风面和背风面由于漩涡作用引起风吸力。
（3）鼓座，在索菲亚教堂结构中处在帆拱和穹顶之间的构件，上面有连续的顶窗。
（4）穹顶，悬垂的半球体空间构件，索菲亚教堂有着漂亮的穹顶，上面悬挂吊灯。
图2.3建筑结构布置图
2.2
砌体结构的一个特点就是自重大，所以结构自重是必须要考虑的，进行结构设计时，只需要知道设计规定的尺寸和材料或者单位体积的自重就可以算出构件重量
通过本次开放性考核让我明白了理论和实践相结合的重要性，而且对荷载课程的理解也进一步加深。通过完成考核的过程，也让我了解了很多建筑风格，如拜占庭式建筑，此类建筑注重抽象的表达，建筑表面绘画绝对不会出现写实。还有建筑构件，如墩柱，鼓座，穹顶，拱券等。完成考核的同时我对房屋建筑学、钢筋混凝土结构设计原理、结构力学等相关课程相互的结合有了更深层次的理解，对各种办公软件掌握的熟练程度也有了很大的提高，整体来说此次考核给我带来的收获颇丰。
动态作用。对结构产生的加速度不可忽略的作用。如地震荷载。
3.2
（R=100）
基本风压取0.70 kN/㎡；
基本雪压为0.50 kN/㎡；
地震作用按设防烈度为7度
温度作用取最高温度高于最低温的温差为70摄氏度
3.3
Gi=γV
式中：Gi——构件自重，kN；
γ——结构材料重度，γ=ρg，ρ为构件材料的密度，g为重力加速度；
一年中，哈尔滨最高温度和最低温度相差70摄氏度，所以温度对地基和墙体穹顶会有一定影响可能会造成地基沉降，墙体裂缝等现象。
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结
本文通过实地考察，资料查阅完成，先介绍了索菲亚教堂的基本信息，进一步对结构内部和在传递进行了分析，通过自己对荷载课程的理解和老师的帮助，完成了荷载的分析，简单的进行了对索菲亚教堂的简化。
荷载与结构设计方法
阶段性考核论文
索菲亚教堂结构荷载简析
学生姓名：
赵建明
专业班级：
土木工程六班
指导教师：
郭楠
学院：
土木工程
2014年12月
摘要
哈尔滨索菲亚大教堂是哈尔滨市十七座教堂中规模较大和较早建成的一座，是远东地区最大的东正教堂。它位于东北城市黑龙江哈尔滨市道里区，通高53.35米，占地面积721平方米，它始建于1907年，原为木结构随军教堂。1923年为了适应哈尔滨东正教徒的急剧增加重新兴建，历时9年，于1932年竣工。成为远东地区最大的砖木结构大教堂。它深受拜占庭建筑艺术影响，有着俄罗斯式的穹顶。罗马风格的拱券高窗。以及多种建筑艺术风格的有机结合。特别是1997年的修整，使索菲亚教堂成为哈尔滨建筑艺术风景中的一个亮点。