荷载与作用

荷载与结构设计（前六章）知识点
熊茂翔
（哈尔滨工业大学威海）
摘要：荷载与结构设计课程主要讨论工程荷载特性和研究结构可靠度、稳定性问题。

课程讲解过程主要强调后者，导致学生明白了结构可靠度的问题，却不甚了解工程荷载的种类及其特点的尴尬现状。

此篇论文，以清晰、准确的方式集中归纳了各荷载章节的知识点，补充了老师教学过程中的非主观短板，也可以让同学从基本理论、基本概念、基本模式上理解知识点，打好三基，将认识和理解深入贯彻。

关键词：荷载与结构设计；知识点归纳；地震；风荷载；
Load and structural design (the first six chapters) knowledge
generalizations
(Xiongmaoxiang)
Abstract: Load and structure design course mainly discuss engineering load characteristics and research structure reliability and stability problem. Course interpretation process, resulting in the latter basically emphasize students understand the structure reliability problems, but does not understand very engineering load species and characteristics of embarrassing situation. This paper, based on clear and accurate manner concentrated summarizes the knowledge of various load chapters, added the teacher in the teaching process of the subjective short board, also can let students from the basic theories, basic concept, the basic mode of knowledge, understanding, will play good sanki deep-going understanding and the understanding.
1.荷载与作用
1.1工程结构
工程建筑物中以各种工程材料建成的能承受荷载或其他作用的
构件的组合体。

1.2结构上的作用
是指能够使结构产生效应的各种原因的总称。

1.3作用的分类
在工程结构设计中，为便于考虑不同的作用所产生的效应，可
将结构上的作用按时间和空间位置的变异分类，或按结构的反
应性质分类：
按时间变异分类——永久作用、可变作用、偶然作用；
按空间位置变异分类——固定作用、自由作用；
按结构反映分类——静态作用、动态作用。

1.4荷载代表值
设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组
合值、频遇值和准永久值。

在设计时除了采用能便于设计者使用的设计表达式外，对荷载
仍应赋予一个规定的量值，即荷载代表值，荷载可根据不同的
设计要求规定不同的代表值，以使之能更确切地反映它在设计
中的特点。

荷载规范中给出4种代表值：标准值、组合值、频
遇值、准永久值。

对永久荷载应该用标准值作为代表值，对可
变荷载应根据设计要求用标准值、组合值、频遇值、准永久值
作为代表值。

荷载标准值是荷载的基本代表值，其他代表值都
可以在标准值的基础上乘以相应的系数后得出。

2.重力作用
2.1土的自重应力
一般指土的自身有效重力在土体中引起的应力。

2.2土的侧向压力
土的侧压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产
生的侧向压力，土压力的大小及分布与墙身的位移、填土的性
质、墙体的刚度、地基的土质等因素有关。

2.3结构自重
结构自重是由于地球引力作用而产生的重力，可根据结构的材
料种类、构件尺寸和材料重度经计算确定。

2.4楼面及屋面活荷载
工业建筑楼面活荷载是指厂房车间在生产使用或安装检修时，
工艺设备。

生产工具。

加工原料和成本部件等产生的重力作用。

由于厂房加工的性质不同，楼面活荷载的取值有加大差异。

在
设计多层工业厂房时，楼面活荷载取值应有工艺提供，或由土
建人员根据有关资料自行确定，常见的工业建筑楼面活荷载也
可按《荷载规范》取值。

房屋建筑的屋面分为上人屋面合不上人屋面，上人屋面应考虑
可能出现的人群聚集，活荷载取值较大；不上人屋面仅考虑施
工或维修荷载，活荷载取值较小。

屋面设有屋顶花园时，尚应
考虑花池砌筑、苗圃土壤等重量。

屋面设有直升机停机坪时，
则应考虑直升机总重量引起的局部荷载和飞机起降时的动力效
应。

机械、冶金、水泥等行业在生产过程中有大量排灰产生，
易在厂房及邻近建筑屋面形成积灰荷载，设计时也应加以考虑。

2.5厂房吊车荷载
按吊车荷载设计结构时，有关吊车的技术资料(包括吊车的最大
或最小轮压)都应由工艺提供。

过去公布的专业标准《起重机基
本参数尺寸系列》(EQ1—62～8—62)曾对吊车有关的各项参数
有详尽的规定，可供结构设计使用。

但经多年实践表明，由各
工厂设计的起重机械，其参数和尺寸不太可能完全与该标准保持一致。

因此，设计时仍应直接参照制造厂当时的产品规格作为设计依据。

选用的吊车是按其工作的繁重程度来分级的，这不仅对吊车本身的设计有直接的意义，也和厂房结构的设计有关。

国家标准《起重机设计规范》(GB3811—83)是参照国际标准《起重设备分级》(ISO 4301—1980)的原则，重新划分了起重机的工作级别。

在考虑吊车繁重程度时，它区分了吊车的利用次数和荷载大小两种因素。

按吊车在使用期内要求的总工作循环次数分成10个利用等级，又按吊车荷载达到其额定值的频繁程度分成4个载荷状态(轻、中、重、特重)。

根据要求的利用等级和载荷状态，确定吊车的工作级别，共分8个级别作为吊车设计的依据。

这样的工作级别划分在原则上也适用于厂房的结构设计，虽然根据过去的设计经验，在按吊车荷载设计结构时，仅参照吊车的载荷状态将其划分为轻、中、重和超重4级工作制，而不考虑吊车的利用因素，这样做实际上也并不会影响到厂房的结构设计，但是，在执行国际标准《起重机设计规范》(GB3811—83)以来，所有吊车的生产和定货，项目的工艺设计以及土建原始资料的提供，都以吊车的工作级别为依据，因此在吊车荷载的规定中也相应改用按工作级别划分。

这次修订采用的工作级别是按表 5.1.1与过去的工作制等级相对应的。

2.6车辆荷载
在桥上行驶的车辆种类繁多，有汽车、平板挂车、履带车、压路机等，各类车辆在桥梁上出现的机遇不同。

通过对实际车辆的轮轴数目、前后轴的间距、轮轴压力等情况的分析、综合和概括，公路桥涵设计规范中规定了桥梁设计采用标准化荷载。

把经常地、大量地出现的汽车队做为汽车荷载；把偶然地个别地出现的履带车和平板挂车做为履带车和平板挂车荷载。

计算荷载采用汽车荷载，验算荷载采用履带车、平板挂车荷载。

汽车荷载以汽车队表示，分为汽车-10级、汽车-15级、汽车-20级、汽车-超20级四个等级。

荷载级别的数字即表示一辆主车的总重量吨数。

每级车队中只有一辆重车，前后都是主车。

重车是指在规定的某荷载级别中总重量大的车辆。

验算荷载分为500 kN履带车(简称履带-50)，800 kN、1000 kN
和1200 kN平板挂车(简称挂车-80、挂车-100和挂车-120)四种。

[1]假如要丈量车辆动态荷载，就只能通过DOK-Y203高速动
态称重系统在不干扰正常行车的情况下，自动检测计算桥梁实
际运营期的车辆荷载情况。

假如说静态荷载更多的是理论上的
数据，那么动态荷载就是桥梁建设好后实际遭受的动态压力。

目前，武汉东广科技发展（DOKONE）公司的系统可以很好丈量
分析上述数据。

2.7人群荷载
人群对结构产生的力，分为：公路桥梁人群荷载、城市桥梁人
群荷载。

2.8雪荷载
雪对结构产生的力，由基本雪压、房屋积雪分布系数决定。

3.水作用
3.1静水压力
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，并指向作用面内部；二是静止液
体中任意点处各方向的静水压强均相等，与作用的方位无关。

静水压力随水深按比例增加，水压力总是作用在结构物表面法
线方向。

3.2流水压力
流水对结构的力，与流速、受力面积、结构形状、流体密度有
关。

3.3波浪作用力
波浪式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，称潜水推
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进，而底层出现回流，这
种波浪称击岸波；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，波浪作用力。

3.4冰压力
冰压力按其作用性质不同，可分为静冰压力和动冰压力。

3.5撞击力
在通行较大吨位的船只或有漂流物的河流中，需考虑船只或漂
流物对桥梁墩台的撞击力，撞击力可根据能量相等原则采用一
个等效静力荷载表示撞击作用。

3.6浮托力
当基础或结构物的地面至于地下水位以下，在其底面产生浮托
力，浮托力的大小取决于土的物理特性，可根据地基土的透水
程度，按照结构物丧失的重量等于它所排出的水重这一原则考
虑。

4.风荷载
4.1基本风速和基本风压
基本风压是以当地比较空旷平坦的地面上离地10m高统计所
得的50年一遇10min平均最大风速为基本风速，按基本风压
＝最大风速的平方/1600确定的风压值（《建筑荷载规范》附录）。

4.2风压高度变化系数
在大气边界层内，风速随离地面高度而增大。

当气压场随高度
不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度和温
度垂直梯度。

通常认为在离地面高度为300～500m时，风速不
再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度风速”，该高度称
之梯度风高度。

地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等
级高的地区为低。

根据地面粗糙度指数及梯度风高度，即可得出风压高度变化系
数如下：
4.3风荷载体型系数
风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力
(或吸力)与来流风的速度压的比值，它描述的是建筑物表面在
稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型
和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。

由于它涉及的
是关于固体与流体相互作用的流体动力学问题，对于不规则形状的固体，问题尤为复杂，无法给出理论上的结果，一般均应由试验确定。

鉴于原型实测的方法对结构设计的不现实性，目前只能采用相似原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。

4.4顺风向风振
结构顺风向的风作用可分解为平均风和脉动风，平均风的作用可通过基本风压反映，而脉动风的作用需采用随机振动理论分析。

风振影响可通过风振系数计算。

4.5横风向风振
细长柔性结构，横风向可能产生很大的动力效应。

常见横风向振动：涡振…驰振…颤振…抖振
4.6桥梁风荷载
风对桥梁结构的作用是复杂的空气动力学问题，不可简单分为平均风引起的静力作用和脉动风引起的风振作用，对于大跨桥梁还必须考虑结构风致振动。

5.地震作用
5.1地震基础知识
地震是地壳在内、外营力作用下，集聚的构造应力突然释放，产生震动弹性波，从震源向四周传播引起的地面颤动。

目前衡量地震规模的标准主要有震级和烈度两种。

5.2地震区划与地震作用
地震活动在时间上具有一定的周期性。

表现为在一定时间段内地震活动频繁，强度大，称为地震活跃期；而另一时间段内地震活动相对来讲频率少，强度小，称为地震平静期。

地理分布——地震带
一是环太平洋地震带，包括南、北美洲太平洋沿岸，阿留申群岛、堪察加半岛，千岛群岛、日本列岛，经台湾再到菲律宾转向东南直至新西兰，是地球上地震最活跃的地区，集中了全世界80%以上的地震。

本带是在太平洋板块和美洲板块、亚欧板块、印度洋板块的消亡边界，南极洲板块和美洲板块的消亡边界上。

二是欧亚地震带，大致从印度尼西亚西部，缅甸经中国横断山脉，喜马拉雅山脉，越过帕米尔高原，经中亚细亚到达地中海及其沿岸。

本带是在亚欧板块和非洲板块、印度洋板块的消亡边界上。

三是中洋脊地震带包含延绵世界三大洋（即太平洋、大西洋和印度洋）和北极海的中洋脊。

中洋脊地震带仅含全球约5﹪的
地震，此地震带的地震几乎都是浅层地震。

5.3单质点体系水平地震作用
单质点体系作用于质点上的水平地震作用F可以表示层地震系数k、动力系数β与质点重量G的乘积。

5.4多质点体系水平地震作用
对于多质点弹性体系可建立n个联立的运动方程，每个方程均包含n个未知的质点位移，利用振型的正交性，采用以振型为基底的广义坐标，可将联立的运动方程解耦。

6.其他荷载与作用
6.1温度作用
建筑学术语，指结构或构件受外部或内部条件约束,当外界温度变化时或在有温庆功的条件下,不能自由胀缩而产生的作用.
6.2变形作用
是在岩石受应力超过弹性限度时，使岩石及矿物发生变形的一种作用。

在浅部低温和低压条件下，以脆性变形为主，表现为岩石及矿物中出现各种碎裂现象。

在深部较高温度和压力条件下，以塑性变形为主,矿物的形态和光性均可发生变化，通常以形成结晶片理为特征。

在韧性剪切带中，可出现拔丝结构、核幔结构等特征的变形结构。

6.3冻胀力
土的冻胀受到约束时产生的力。

6.4爆炸作用
建筑学术语，指由爆炸通过空气工岩土产生的冲击波、压缩波等而引起的结构的动态作用。

6.5行车动态作用
作用在路面上的轮载呈现时而大于静轮载、时而小于静轮载的波动动状态
轮载的这种动态变动，可近似地看作为呈正态分布，其变差系数（标准离差同静轮载的比值）主要随以下三方面因素变化：1．行车速率——车速越高，变差系数越大；
2．路面的平整度——平整度越差，变差系数越大；
3．车辆的震动特件——轮胎越软，减震装置的效果越好，变差系数越小。

动轮载和静轮载的比值，称为冲击系数。

路面设计时，也有以静轮载乘以冲击系数后作为设计轮载。