《工程荷载与可靠度设计原理》习题解答

《工程荷载与可靠度设计原理》习题解答

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内力效应，温度变化引起结构约束变形产生的内力效应，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”泛指使结构产生内力、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 重力作用

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E 0

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，土体内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，土体内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 如何由朗金土压力理论导出土的侧压力计算方法？

郎金土压力理论假定土体为半空间弹性体，挡土墙墙背竖直光滑，填土面水平且无附加荷载，根据半空间内土体的应力状态和极限平衡条件导出了土压力计算方法。当填土表面受有连续均布荷载或局部均布荷载，挡土墙后有成层填土或填土处有地下水时，还应对侧向土压力进行修正。

2.5 试述填土表面有连续均布荷载或局部均布荷载时土压力的计算？

当挡土墙后填土表面有连续均布荷载q 作用时，可将均布荷载换算成当量土重，其土压力强度比无均布荷载时增加一项qK a

即可。墙底的土压力强度为：a ()q H K γ+，实际的土压力分布图为梯形abcd 部分；土压力作用点在梯形的重心。

当填土表面承受有局部均布荷载时，通常可采用近似方法处理，从局部均布荷载的两端o 点及m 点作两条辅助线oa 和mc ，且与水平面成（245/ϕ+ ）角。认为a 点以上和c 点以下的土压力都不受地面荷载影响，ac 间的土压力按均布荷载对待，对墙背产生的附加土压力强度为qK a

，ac 墙面上的土压力分布如图所示。

填土表面有连续均布荷载 填土表面有局部均布荷载

2.6 试述民用建筑楼面活荷载的取值方法？

民用建筑楼面活荷载在楼面上的位置是任意布置的，为方便起见，工程设计时一般可将楼面活荷载处理为等效均布荷载，均布活荷载的量值与房屋使用功能有关，根据楼面上人员活动状态和设施分布情况，在调查和统计的基础上，划分档次，确定取值。

（1）活动的人较少，如住宅、旅馆、医院、教室等，活荷载的标准值可取2.0kN/m 2

。 （2）活动的人较多且有设备，如食堂、餐厅在某一时段有较多人员聚集，办公楼内的档案室、资料室可能堆积较多文件资料，活荷载标准值可取2.5kN/m 2

。 （3）活动的人很多且有较重的设备，如礼堂、剧场、影院、体育馆看台人员可能十分拥挤，无固定座位时可取3.5kN/m 2；有固定座位时可取3.0kN/m 2

。 （4）活动的人很集中，有时很拥挤或有较重的设备，如商店、展览厅既有拥挤的人群，又有较重的物品，活荷载标准值可取3.5kN/m 2

。 （5）人员活动的性质比较剧烈，如健身房、舞厅由于人的跳跃、翻滚会引起楼面瞬间振动，通常把楼面静力荷载适当放大来考虑这种动力效应，活荷载标准值可取4.0kN/m 2

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c

（6）储存物品的仓库，如藏书库、档案库、贮藏室等，柜架上往往堆满图书、档案和物品，活荷载标准值可取5.0kN/m 2。采用无过道的密集书柜时，活荷载标准值取为12.0kN/m 2

。 （7）有大型的机械设备，如建筑物内的通风机房、电梯机房，活荷载标准值可取6.0kN/m 2~7.5kN/m 2

。 （8）在礼堂、影剧院、教室、办公楼等场所，散场、散会或下课之后，楼梯、走廊、和门厅等处人流集中，拥挤堵塞，停留时间较长，其楼面活荷载取值应大于相邻房间的荷载值0.5kN/m 2

。 基于上述方法，《荷载规范》给出了民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，设计时可直接取用所给数值。

2.7 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。

2.8 工业建筑楼面均布活荷载是如何确定的？

工业建筑楼面上荷载的分布形式不同，生产设备的动力性质也不尽相同，安装在楼面上的生产设备是以局部荷载形式作用于楼面，而操作人员、加工原料、成品部件多为均匀分布；另外，不同用途的厂房，工艺设备动力性能各异，对楼面产生的动力效应也存在差别。为方便起见，常将局部荷载折算成等效均布荷载，并乘以动力系数将静力荷载适当放大，来考虑机器上楼引起的动力作用。

2.9 如何将楼面局部荷载换算为楼面等效均布活荷载？

板面等效均布荷载按板内分布弯矩等效的原则确定，即简支板在实际的局部荷载作用下引起的绝对最大弯矩，应等于该简支板在等效均布荷载作用下引起的绝对最大弯矩。单向板上局部荷载的等效均布活荷载e q ，可按下式计算：2m ax

8bl M q e 。式中：l 为板的跨度；B 为板上荷载的有效分布宽度；M max

为简支单向板的绝对最大弯矩，按设备的最不利布置确定，设备荷载应乘以动力系数。