荷载与结构设计方法

荷载与结构设计方法第六章其他荷载与作用

第六章其他荷载与作用

本章内容第一节温度作用

第二节变形作用

第三节冻胀力

第四节爆炸作用

第五节行车动态作用

第六节预加力

第六章其他荷载与作用第一节温度作用一、温度作用基本概念及原理

温度作用——因温度变化引起的结构变形和附加力。具体表现：

当结构或构件的温度发生变化时，体内任一点（单元体）热变形（膨胀或收缩）由于受到周围相邻单元体的约束（内约束）或边界受到其他结构或构件的约束（外约束），使体内该点产生温度应力。

温度作用大小影响因素：

环境温度变化约束条件

第六章其他荷载与作用第一节温度作用

工程约束条件：

（ 1 ）结构物的变形受到其他物体的阻碍或支承条件的制约，不能自由变形。

①框架结构基础梁的伸缩变形受到柱基约束，没有任何变形余地。


②排架结构上部横梁因温度变化伸长时，横梁的变形使柱产生侧移，在柱中引起内力；柱子对横梁施加约束，在横梁中产生压力。


简支屋面梁温差引起的应力分布大体积混凝土梁水化热引起的应力分布

（ 2 ）构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。

①简支屋面梁，在日照作用下屋面温度高于室内温度，简支梁沿梁高受到不均匀温差作用，产生翘曲变形，在梁中引起应力。

②大体积混凝土梁结硬时，水化热使得中心温度较高，两侧温度偏低，内外温差不均衡在截面引起应力。

第六章其他荷载与作用第一节温度作用二、温度应力计算

根据不同的结构形式和约束条件考虑温度变化对结构内力和变形的影响。

由于温度变化引起的材料膨胀和收缩变形是自由的，故在结构上不引起内力，其变形可由虚功原理计算。

存在多余约束，其温度作用效应的计算，一般根据变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。

静定结构：

超静定结构：


厂房纵向排架温度变形分布

例如：厂房纵向排架结构柱嵌固于地面，排架横梁受到均匀温差作用向两边伸长或缩短，中间有一变形不动点（位于各柱抗侧刚度分布的中点）。变形不动点两侧横梁伸缩变形将在柱中和横梁引起应力。


不动点右侧第 i根柱的柱顶变位 Li=TLi （忽略横梁变形），第 i根柱的抗侧刚度 Ki=3EiIi/H3 ，则该柱受到的柱顶剪力为：

式中 Li—— 第 i根柱到不动点的距离。

不动点

Li

H

iΔ L

iE I i

Vi

排架结构温度应力计算简图

3

3

H

IETLKLV ii

iiii

第六章其他荷载与作用第一节温度作用三、温度变化的考虑

温度变化：由气温变化和结构温差引起

气温变化：一年中大气气温年温差，通常取最高月和最低月平均气温的差值。我国长江中下游一带大气气温年温差约为30℃ 。

结构温差：由于日照、骤冷等天气原因或高温车间、低温冷库等使用情况造成的结构内外温度差异，应考虑房屋散热和保暖条件，按实际调查情况确定温差取值。

第六章其他荷载与作用第一节温度作用四、桥梁结构的温度作用

气温变化：常年的气温变化导致桥梁沿纵向均匀地位移，这种位移不产生结构内力，只有当结构的位移受到约束时才会引起温度次应力。（均匀温度作用）

结构温差：由于太阳的辐射，使结构沿高度方向形成非线性的温度梯度，导致结构产生次应力。（梯度温度作用）

沿桥梁横向也存在梯度温度，由于影响小，设计时不再计及其作用。


气温分区钢桥面板钢桥混凝土桥面板钢桥混凝土、石桥最高最低最高最低最高最低

严寒地区 46 -43 39 -32 34 -23

寒冷地区 46 -21 39 -15 34 -10

温热地区 46-9 （ -3） 39

-6 （ -1） 34

-3（ 0）

注：表中括弧内数值适用于昆明、南宁、广州、福州地区。

（ 1 ）均匀温度作用

计算时应从结构受到约束（架梁或结构合龙）时的结构温度作为起点，计算结构最高和最低有效温度的作用效应。如缺乏实际调查资料，公路混凝土结构和钢结构的最高和最低有效温度标准值可按下表取用。

第六章其他荷载与作用第一节温度作用（ 2 ）梯度温度作用

计算梯度温度引起的效应时，采用下图所示的竖向温度梯度曲线，其桥面板表面的最高温度 T1 规定见下表。

混凝土结构：当梁高 H小于400mm 时，图中 A=H-100(mm) ；梁高 H等于或大于 400mm

时， A=300mm 。

带混凝土桥面板的钢结构：A=300mm ，图中的 t为混凝土桥面板的厚度 (mm) 。


结构类型T1

（℃）

T2

（℃）

混凝土铺装 25 6.7

50mm沥青混凝土铺装层 20 6.7

100mm沥青混凝土铺装层 14 5.5

竖向日照正温差计算的温度基数

混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温差为正温差乘以 -0.5 。


钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距（ m ）

结构类别室内或土中露天排架结构装配式 100 70

框架结构装配式 75 50

现浇式 55 35

剪力墙结构装配式 65 40

现浇式 45 30

挡土墙、地下室墙壁等类结构

装配式 40 30

现浇式 30 20

建筑结构：通常不计算温度应力，采取构造措施

《混凝土结构设计规范》、《砌体结构设计规范》、《钢结构设计规范》均有不同的要求

第六章其他荷载与作用第二节变形作用

变形作用

由于外界因素的影响（如结构或构件的支座移动或地基发生不均匀沉降），或自身原因构件发生伸缩变形（如混凝土构件发生徐变），使得结构物被迫发生变形和内力。

静定结构：

允许产生符合其约束条件的位移，结构内不会产生应力和应变

超静定结构：

多余约束限制结构自由变形，从而产生应力和应变


下沉

下沉

中部沉降过大引起的正八字裂缝

下沉

下沉

厂房大面积堆载基础下沉

一、地基变形的影响

砌体结构房屋，地基不均匀沉降在砌体中引起附加拉力或剪力，当附加内力超过砌体本身强度便产生裂缝。

单层厂房，因地面大面积堆载造成基础下沉，使柱身在附加弯矩作用下开裂。


下沉

下沉下沉

下沉

下沉下沉

刚架桥右侧支柱下沉引起裂缝连续梁桥两端桥台沉陷引起裂缝

刚架桥，当右端支柱基础下沉，刚架梁柱相应产生附加弯矩。横梁节点处产生裂缝。

连续梁桥，墩台沉降不均匀引起梁内附加力，如两端桥台下沉较大，则中间桥墩上梁身所受负弯矩增大，顶部会产生自上而下的裂缝。

第六章其他荷载与作用第二节变形作用二、混凝土收缩和徐变

混凝土收缩：

混凝土在硬化时，由于水泥胶体的凝缩和干燥失水以及碳化作用引起的体积减小的现象。如果受到外部支承条件或内部钢筋的约束，会在混凝土中产生拉应力，加速裂缝的产生和发展，影响构件的耐久性和疲劳强度等性能。

工程设计中如何考虑？


应考虑混凝土收缩变形计算结构附加内力，但常常通过构造措施降低和避免收缩影响，而不去计算收缩应力。

（ 1 ）限制结构物伸缩缝距离，控制结构不要过长；（ 2 ）设置后浇带减少混凝土早期收缩影响；（ 3 ）收缩应力较大部位加强配筋；（ 4 ）采用补偿收缩混凝土，设置膨胀加强带，抵销收缩变形和约束应力等。

例如：


设置后浇带后浇沉降带、后浇收缩带、后浇温度带

第六章其他荷载与作用第二节变形作用混凝土徐变：

荷载的长期作用下，混凝土的变形随时间而增长的现象。

（ 1 ）对钢筋混凝土受压构件，徐变将荷载卸载给钢筋，使构件中钢筋的应力或应变增加，混凝土应力减小，有利于防止和减小结构物裂缝的形成。（ 2 ）徐变对结构也有不利影响，如受弯构件受压区混凝土的徐变可使挠度增加，预应力混凝土结构的徐变将引起预应力的损失。

有利和不利影响：


徐变系数：

徐变值在工作应力范围内随应力比值的增加而增加，常用徐变系数反映这种变形增大现象，徐变系数为极限徐变应变与初始弹性应变的比值，与受荷时混凝土龄期、混凝土构件厚度、暴露于大气的表面积有关，可按表 6.2 取用。

第六章其他荷载与作用第三节冻胀力一、土的冻胀原理及作用

冻土含有水分的土体温度降低到其冻结温度时，土中孔隙水冻结成冰，并将松散的土颗粒胶结在一起。

根据存在时间长短分为

多年冻土

季节冻土

瞬时冻土

季节冻土地基在冻结和融化过程中，往往产生冻胀和融陷，过大的冻融变形，将造成结构物的损伤和破坏。

第六章其他荷载与作用第三节冻胀力冻胀力

土体冻结体积增大，土体膨胀变形受到约束时产生，约束越强，冻胀力也就越大。当冻胀力达到一定界限时不再增加，这时的冻胀力就是最大冻胀力。

建造在冻胀土上的结构物，相当于对地基的冻胀变形施加约束，使得地基土不能自由膨胀产生冻胀力，地基的冻胀力作用在结构物基础上，引起结构发生变形产生内力。

第六章其他荷载与作用第三节冻胀力二、冻胀性类别及冻胀力分类

平均冻胀率地面最大冻胀量与土的冻结深度之比。

根据冻胀率的不同，地基土可分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类。

《建筑地基基础设计规范》给出了地基土的冻胀性分类，见表 6.3 。

冻胀力分为：切向冻胀力、法向冻胀力和水平冻胀力。

第六章其他荷载与作用第三节冻胀力

P

GTT

TT

N

冻土深度

冻胀力 ho

（ 1 ）切向冻胀力平行于结构物基础侧面产生上拔力，下图所示基础侧面作用的侧向力 T。

（ 2 ）法向冻胀力垂直于结构物基础底面，下图所示基础底面作用的法向力 N。


P

GTT

TT

N

冻土深度

冻胀力 ho

（ 3 ）水平冻胀力垂直作用于基础或结构物侧面，当水平冻胀力对称作用于基础两侧，侧向力相互平衡，对结构无不利影响；当水平冻胀力作用于下图所示挡土结构侧壁时，会产生水平方向推力，类似于土压力的作用。

第六章其他荷载与作用第三节冻胀力二、冻胀力计算

（ 1 ）切向冻胀力

按基础侧面单位面积上的平均切向冻胀力给出，《建筑桩基技术规范》给出了单位切向冻胀力取值。

冻胀性分类

土类弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀

粘性土，粉土 30~60 60~80 80~120 120~150

砂土，砾 ( 碎 ) 石(粘、粉粒含量

>15%)<10 20~30 40~80 90~200

单位切向冻胀力（ kPa ）


AT

E no

总的切向冻胀力为：

式中 T——总的切向冻胀力（ kN ）；t—— 单位切向冻胀力（ kPa ）；A——与冻土接触的基础侧面积（ m2 ）。

（ 2 ）法向冻胀力

式中 no——法向冻胀力（ kPa ）；——冻胀率，可按表 6.3 取值；E——冻土压缩模量（ kPa ）。


土的类别亚粘土亚砂土砾石土粗砂平均值 304 129 134 58

最大值 430 371 281 78

几种典型土的水平冻胀力（ kPa ）

（ 3 ）水平冻胀力对称性水平冻胀力由于作用于构件是相互平衡的，不产生不利影响；

水平冻胀力与土的类别有关，几种典型土的水平冻胀力见表。

非对称水平冻胀力作用于基础一侧或挡土墙上，相当于单向水平推力。

第六章其他荷载与作用第四节爆炸作用

一、爆炸的概念

就是物质系统迅速释放能量的物理或化学过程，它在极短的时间内迸发大量能量，并以波的形式对周围介质施加高压。

爆炸

按照爆炸发生机理和作用性质分：

物理爆炸、化学爆炸、燃气爆炸和核爆炸等多种类型。

第六章其他荷载与作用第四节爆炸作用二、爆炸力学性质

1. 压力时间曲线

核爆升压时间很快；化爆升压时间相对较慢，峰值压力亦较核爆为低；燃爆升压最慢，峰值压力也更低。

2. 冲击波和压力波爆炸会在瞬间压缩周围空气而产生超压，爆炸压力超过正常大气压，核爆、化爆和燃爆都产生不同幅度的超压，其作用效应相当于静压。

从压力时间曲线看：

超压


在极短的时间内压力达到峰值，气体急速地被挤压和推进而产生冲击波。冲击波所到之处，除产生超压外，还带动波阵面后空气质点高速运动引起动压，动压与物体形状和受力面方位有关，类似于风压。

以超压为主，动压很小，可以忽略，其爆炸波属压力波。

核爆、化爆

燃气爆炸

第六章其他荷载与作用第四节爆炸作用三、爆炸对结构的影响及计算

1. 爆炸对结构的影响

爆炸对结构产生的破坏程度与爆炸的性质和爆炸物质的数量有关。爆炸发生的环境或位置不同，其破坏作用也不同，在封闭的房间、密闭的管道内发生的爆炸其破坏作用比在结构外部发生的爆炸要严重的多。

燃气爆炸是建筑结构易于遭遇到的爆炸，民用燃气爆炸升压时间与结构基本周期相比，作用时间足够缓慢，可以忽略惯性力，把燃气爆炸对结构的作用当作静力作用，不必考虑其动力效应。


2. 泄瀑保护

燃气爆炸大都发生在生产车间、居民厨房等室内环境，一旦爆炸发生，常常是窗玻璃被压碎，屋盖被气浪掀起，导致室内压力下降，起到泄压保护作用。


3. 压力峰值计算

（ 1 ） Rasbash 建议使用正常燃烧速度下的爆炸压力最大值计算公式：

kpp 5.310 v

式中 p—— 最大爆炸压力（ kPa ）； pv——泄压时的压力（ kPa ）； k——泄压面积比，房间内最小正截面积与泄压总面积之比。


（ 2 ） Dragosavic给出了最大爆炸压力计算公式：2

v 04.05.03 pp

式中 p—— 最大爆炸压力（ kPa ）； ——泄压系数，房间体积与泄压面积之比； pv——泄压时压力（ kPa ）。

上式是在体积为 20m3 的实验空间得到的，不适用于大体积空间中爆炸压力估算和泄压计算。

第六章其他荷载与作用第五节行车动态作用一、汽车冲击力

冲击作用由于车辆荷载动力作用而使桥梁发生振动而造成内力和变形增大的现象。冲击影响与结构刚度有关，结构越柔对动力荷载的缓冲作用越好。

公路《桥规》给出了以基频（基本周期）表示的桥梁冲击力计算的具体规定：

（ 1 ）钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、拱桥等上部结构和钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车的冲击作用。

第六章其他荷载与作用第五节行车动态作用（ 2 ）填料厚度（包括路面厚度）等于或大于 0.5m 的拱桥、涵洞以及重力式墩台不计冲击力。（ 3 ）汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数。（ 4 ）冲击系数可按下式计算：

当 f < 1.5Hz 时， = 0.05

当 1.5Hz ≤ f ≤ 14Hz 时， = 0.1767lnf - 0.0157

当 f > 14Hz 时， = 0.45

式中 f—— 结构基频（ Hz ）。（ 5 ）汽车荷载的局部加载及在 T 梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用 1.3 。

第六章其他荷载与作用第五节行车动态作用

l

80

20

4.0log3032.06686.0 l

《城市桥梁设计荷载标准》按车道荷载和车辆荷载分别给出汽车荷载冲击系数。

（ 1 ）车道荷载的冲击系数

式中 l—— 桥梁跨径（ m ）。当 l = 20m 时， = 0.20 ； l = 150m 时， = 0.10 。

（ 2 ）车辆荷载的冲击系数（ 3 ）对于拱桥、涵洞以及重力式墩台，当填料厚度（包括路面厚度）等于或大小 0.5m 时，可不计冲击力。


gR

vC

2

二、离心力

当弯道桥的曲线半径等于或小于 250m 时，应计算汽车荷载产生的离心力。

离心力的取值可通过车辆荷载乘以离心力系数 C得到：

式中 v——行车速度（ m/s ）；R——弯道曲线半径（ m ）；g——重力加速度，取 9.81m/s2 。


R

v

R

vC

1276.381.9

2

2

2

如果将行车速度 v的单位以 km/h 表示，并将 g =

9.81m/s2代入，可得：

式中 v——行车设计速度（ km/h ），应按桥梁所在路线等级的规定采用。

公路《桥规》：计算多车道桥梁的汽车荷载离心力时，车辆荷载标准值应乘以规范规定的横向折减系数。离心力的着力点在桥面以上 1.2m处（为计算简便也可移至桥面上，不计由此引起的作用效应）。

第六章其他荷载与作用第五节行车动态作用三、制动力（一）汽车制动力

公路桥梁

（ 1 ）汽车制动力按同向行驶的汽车荷载（不计冲击力）计算，并考虑汽车荷载效应纵向折减的规定，以使桥梁墩台产生最不利纵向力的加载长度上进行纵向折减。


一个设计车道上汽车制动力标准值按规定的车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的 10％计算，但公路－Ⅰ级汽车制动力标准值不得小于 165kN ；公路－Ⅱ级汽车制动力标准值不得小于 90kN 。

同向行驶双车道的汽车制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的两倍；同向行驶三车道为一个设计车道的 2.34倍；同向行驶四车道为一个设计车道的 2.68倍。


（ 2 ）制动力的着力点在桥面以上 1.2m处，计算墩台时，可移至支座铰中心或支座底座面上。计算刚构桥、拱桥时，制动力的着力点可移至桥面上，但不计因此而产生的竖向力和力矩。


城市桥梁

（ 1 ）按一个设计车道，当采用城－ A级汽车荷载设计时，制动力应采用 160kN 或 10% 车道荷载；当采用城－ B级汽车荷载设计时，制动力应采用 90kN 或 10% 车道荷载，以上均不包括冲击力，并取两者中的较大值。

（ 2 ）当计算的加载车道为 2 条或 2 条以上时，应以 2 条车道为准，其制动力不折减。

第六章其他荷载与作用第六节预加力

一、基本概念

以某种人为方式在结构构件上预先施加与构件所承受的外荷载产生相反效应的力

预加力

建立了预应力的构件称为预应力构件


对受拉区混凝土预先施加一定的压应力，让受拉区的混凝土处于受压状态，使其能够部分或全部抵消由荷载产生的拉应力，从而延缓构件开裂，甚至不出现裂缝。

预加力的原理与作用

第六章其他荷载与作用第六节预加力预应力构件的优点

充分发挥了高强材料的作用（混凝土的抗压、高强钢筋的抗拉）；提高了构件的抗裂度，使构件不开裂或开裂甚微；提高了构件的刚度，跨越能力增加，截面尺寸和挠度却减小。


预应力构件的应用范围

大跨度结构——如大跨度桥梁、体育馆和车间以及机库等大跨度建筑的屋盖、高层建筑结构的转换层；

对抗裂有特殊要求的结构——如压力容器、压力管道、水工或海洋建筑，还有冶金、化工厂的车间等；

某些高耸建筑结构——如水塔、烟囱、电视塔等；

某些大量制造的预制构件——如预应力空心板、预应力预制桩。

第六章其他荷载与作用第六节预加力二、按设计方法和施工特点的分类

（一）外部预加力和内部预加力

外部预加力——结构或构件所加的预加力来自结构之外；

内部预加力——若混凝土构件中的预加力是通过张拉结构中的高强钢筋，使构件产生预压应力。

应用甚少

运用广泛


(a) 张拉并锚定钢筋 (b) 浇筑混凝土并养护

(c) 放松钢筋混凝土受预压

（二）先张法预加力和后张法预加力先张法：先张拉钢筋用锚具临时固定 (a) ，然后浇筑混凝土(b) 。待混凝土达到一定强度后，放松预应力钢筋。当预应力钢筋回缩时，将压缩混凝土 (c) ，使混凝土获得预加力。

预应力的建立主要依靠钢筋与混凝土之间的粘结力


张拉台座

先张法


(a) 浇筑混凝土并预留孔道 (b) 穿预应筋并张拉预应力

(c) 锚固后压力灌浆

后张法：先浇筑混凝土构件，并预留孔道 (a) ，待混凝土达到一定强度后，往孔道中穿入钢筋，用千斤顶张拉钢筋，并同时压缩混凝土 (b) 。张拉完毕后用锚具将钢筋固定在构件两端，然后往孔道内压力灌浆 (c) 。

预应力的建立主要依靠构件两端的锚固装置


某 T型梁施工

后张法


某预应力无梁楼盖施工

后张法


某预应力楼盖施工

后张法


两种方法优缺点：

先张法：生产工艺简单，工序少，效率高，质量容易保证，省去了永久锚具，生产成本低，但需要专门张拉台座，为便于运输，先张法只用于预制中小型预应力混凝土构件，如楼板、屋面板、桥面板及中小型吊车梁等。

后张法：不需要专门张拉台座，预应力筋可根据弯矩或剪力变化布置成曲线形，但施工工艺比较复杂，锚具花费较大，导致成本较高，一般适用于现场施工的大跨屋架、薄腹梁以及大跨度桥梁等。

第六章其他荷载与作用第六节预加力（三）有粘结和无粘结预应力混凝土及体外预应力混凝土构件

（ 1 ）有粘结预应力混凝土

依靠预应力钢筋与混凝土的有效粘结建立预应力，如先张法预应力混凝土及后张灌浆预应力混凝土。

（ 2 ）无粘结预应力混凝土

预应力钢筋与混凝土没有任何粘结强度，荷载作用下各自变形。一般采用专用油脂将预应筋与混凝土隔开，钢材与混凝土之间是无粘结的，仅靠两端锚具建立预应力。

第六章其他荷载与作用第六节预加力（ 3 ）体外预应力混凝土结构

预应力钢筋布置在混凝土构件之外，预应力钢筋通过专门装置与混凝土构件相接触并传递应力。广泛用于桥梁结构和房屋结构加固中。

（ 4 ）全预应力和部分预应力混凝土结构

根据预应力混凝土构件受拉区混凝土在预应力和荷载共同作用下的应力状态进行分类。


① 全预应力混凝土结构：在全部荷载及预加力共同作用下受拉区不出现拉应力。这类结构抗裂性好、刚度大，但预应力筋的用量往往较大，放松钢筋时构件反拱大，截面预拉区常会开裂。

② 部分预应力混凝土结构：在全部使用荷载作用下受拉区出现拉应力或裂缝。虽然抗裂性和刚度略有降低，但仍能满足使用要求，已成为预应力混凝土结构设计和应用的发展方向。

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