荷载与结构设计方法重点概念总结

荷载与作用
荷载—由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力。

如重力、土压力、水压力、风压力。

作用—能使结构产生效应的各种因素总称为作用。

效应—结构的内力、变形, 应力、应变, 速度、加速度等。

作用：直接作用—（狭义）荷载：广义荷载
间接作用
直接作用——直接作用在结构上的各种荷载
间接作用——能引起结构内力、变形等效应的非直接作用因素
如地震、温度变化、地基不均匀沉降等。

作用的分类：
1.按随时间的变异分类。

(1)永久作用：在结构设计基准期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计。

(2)可变作用：在结构设计基准期内其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。

(3)偶然作用：在结构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。

如地震、爆破。

2.按随空间位置的变异性分类
（1）固定作用：在结构空间位置上具有固定的分布。

如结构自重、固定设备的荷载等。

（2）可动作用：在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布。

如房屋中的人员、家具荷载，桥梁上的车辆荷载等。

3.按结构的反应分类
（1）静态作用：对结构或构件不产生加速度或其加速度可以忽略不计。

如结构自重、土压力、温度变化等。

（2）动态作用：对结构或构件产生不可忽略的加速度。

如地震、风、冲击和爆炸等。

重力
1结构自重
自重——由地球引力产生的组成结构的材料的重力。

2土的自重应力
土是由土颗粒、水和气组成的三相非连续介质。

土的自重应力为自身有效重力在土体中引起的应力。

雪荷载
1雪压：单位地面上积雪的自重。

2基本雪压：当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。

2.影响屋面雪压的因素。

（1）风对屋面的影响—漂积作用。

（2）屋面坡度对积雪的影响。

（3）屋面温度对积雪的影响。

楼面和屋面活荷载
由于楼面均布活荷载可理解为楼面总活荷载按楼面面积平均，因此一般情况下，所考虑的楼面面积越大，实际平摊的楼面活荷载越小。

故计算结构或构件楼面活荷载效应时，如引起效应的楼面活荷载面积超过一定的数值则应对楼面均布活荷载折减。

土的侧向压力
定义：土的侧压力是指挡土墙后的填土自重或外荷载作用对墙背产生的土压力。

土压力是挡土墙的主要外荷载，设计时需确定其性质、大小、方向和作用点。

土压力的大小和分布规律受到墙体可能的移动方向、墙后填土的性质、填土面的形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素的影响。

分类：静止土压力 被动土压力 主动土压力
风荷载
两类性质的大风：台风 季风
风压—当风以一定的速度向前运动遭到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即风压。

流速快，压力小，流速慢，压力大。

基本风压
基本风压是根据规定的高度（10m ）、规定的地貌（空旷平坦）、规定的时距（10min ）和规定的样本时间（1a ）所确定的最大风速的概率分布，按规定的重现期（30 or 50a ）确定的基本风速，然后依据风速和风压的关系所定义的。

（五个规定）
风载体形系数—一般结构不能理想的使自由气流停滞，
而是让气流以不同方式在结构表面绕
过，因此实际结构所受的风压并不能直接按式计算
，而需对其进行修正，其修正系数与结构物体型有关，故称为体形系数。

风压高度变化系数——将任意粗糙度任意高度处的风压为标准粗糙度下标准高度处的基本风压之比定义为风压高度变化系数。

风振系数——
地震作用
由地震动引起的结构动态作用，包括水平地震作用和竖向地震作用。

抗震设防烈度
按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。

设计基本地震加速度
50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值。

荷载的统计分析
任意时点荷载——相同条件下的同类结构上作用的以上各类荷载在任一确定时刻的量值，称为任意时点荷载。

为随机变量，记为Q。

随机过程——不同时刻任意时点荷载是不同的，因此荷载实际上是一个随时间变化的随机变量，在数学上可采用随机过程模型来描述。

平稳二项随机过程——为便于对结构设计基准期内的荷载最大值QT的统计分析，通常将荷载处理成平稳二项随机过程（4个假定）。

确定FT(x)需有三个量：荷载在T内变动次数r或变动一次的时间；在每个时段内荷载出现的概率p；以及荷载任意时点概率分布Fi(x)
荷载的各种代表值
在设计基准期内，各种荷载的最大值QT为一随机变量，但为实际设计方便，采用具体数值。

这些具体的数值，为荷载的各种代表值。

可变荷载代表值：标准值、准永久值、频遇值、组合值。

永久荷载仅有一个代表值：标准值
1、标准值
定义：是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位置（是设计基准期内、正常情况下可能出现的最大值）。

数值定义：在结构设计基准期T内，具有不被超越概率p k的荷载值。

2、准永久值
定义：设计基准期内被超越的总时间为设计基准期一半的荷载值。

它在设计基准期内具有较长的持续时间，其对结构的影响相似于永久荷载。

3、荷载的频遇值
在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期的一小部分（<50%）的荷载值，或在设计基准期内其超越频率为某一给定频率（<50%）的荷载值。

4、荷载的组合值
当作用在结构上有两种或两种以上可变荷载时，它们同时以最大值出现的概率很小。

此时，采用组合值作为代表值
荷载效应——荷载作用下结构产生的内力(M,N,Q),变形(线、角位移),应变等
荷载效应系数——线弹性结构中荷载效应S与荷载Q之间的线性比例关系
Turkstra组合——轮流以一个荷载效应在设计基准期T 内的最大值与其余荷载的任意时点荷载值进行组合
JCSS组合——A. 假定可变荷载的样本为平稳二项过程
B. 求得某一荷载Q1(t)在T内的最大效应（持续时间为 tao1）
C. 与另一荷Q2(t)在tao时段内的局部最大效应组合（持续时间为tao2）
D. 余此类推
结构抗力的统计分析
1、抗力——结构或其构件承受作用效应的能力。

2、抗力的两种形式
抗力是与作用效应相对应的
承载力：作用效应为内力（抵抗内力）
刚度：作用效应为变形（抵抗变形）
3、结构抗力的四个层次
整体结构抗力、结构构件抗力、构件截面抗力以及
截面各点抗力。

目前：变形验算时，主要针对整体结构和构件
承载力验算，主要针对结构构件及其截面
影响抗力的主要因素
1）材料性能的不确定性X m；
由于材料本身品质的差异，以及制作工艺，环境条件等因素引起的材料性能的变异
2）几何参数的不确定性X a
由于制作和安装方面的原因，结构构件的尺寸会出现偏差，制作和安装后的实际结构与设计中预期的构件几何特征会有差异。

3）计算模式的不确定性X p
抗力计算中采用的基本假定不完全复合实际或计算公式的近似等引起的变异性。

结构可靠度分析
土木工程结构设计方法的发展
1、容许应力设计法——截面内任一点的应力不超过材料的容许应力。

2、破损阶段设计法
3、多系数极限状态设计法
4、基于可靠理论的概率极限状态设计法
结构可靠度基本概念
《统一标准》：结构在设计使用年限内，应满足下列功能：
1）在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用
2）在正常使用时具有良好的工作性能
3）在正常维护下具有足够的耐久性
4）在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。

1和4为结构的安全性，2）为结构的适用性，3）为结构的耐久性统称为结构的可靠性设计基准期：
《统一标准》：为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。

一般建筑结构为50年，桥梁100年
设计使用年限
《统一标准》：设计规定的结构或构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。

即在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的年限。

普通房屋和构筑物：50年
纪念性建筑和特别重要的建筑结构：100年
结构的极限状态
整个结构或构件的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，该特定状态为该功能的极限状态
承载力极限状态：对应最大承载力或不适于继续承载的变形
1）整个结构或构件的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆）
2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏
3）结构转变为机动体系
4）结构或构件丧失稳定（地基承载力）
正常使用极限状态：对应正常使用或耐久性能
1）影响正常使用或外观的变形
2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（裂缝）
3）影响正常使用的震动
4）影响正常使用的其它特定状态
结构可靠性与可靠度
可靠性：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力（《统一标准》）。

可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率（《统一标准》）。

是可靠性的概率量度
规定的时间——一般指结构设计基准期，在同样条件下，规定时间越长，荷载效应越大，而影响结构抗力的材料性能指标越小，则结构的可靠度越低。

规定的条件——指正常设计、正常施工、正常使用条件，不考虑人为错误或过失因素。

结构可靠度分析的实用方法
仅依据各基本随机变量的统计参数以及各自的概率分布函数进行结构可靠度分析。

中心点法的优缺点
1）仅利用基本随机变量的统计参数（均值和方差）
实用方便
2）没有考虑有关基本变量分布类型的信息
3）由于在中心点处取功能函数的线性近似，由此得到的可靠指标一般不为标准空间原点到极限状态曲面的最短距离。

结构体系的可靠度
基本概念
1.结构构件的失效性质
脆性破坏——失效后完全丧失功能
延性破坏——失效后仍能维持原有功能
2.结构体系的失效模型
串联模型——任意构件失效，则整个结构失效
并联模型——有构件失效，但仍能维持结构功能
串并联模型——有多种失效模式
结构概率可靠度设计
目标可靠度
结构设计的目标可靠度的大小对结构的设计结果影响很大。

考虑四个方面的因素：
1）公众心理
2）结构重要性
3）结构破坏的性质
4）社会经济承受能力。