第二章-重力作用

第2章重力作用§2.1结构自重§2.2楼面及屋面活荷载§2.3雪荷载§2.4吊车荷载§2.5汽车荷载§2.6人群荷载§2.7土的自重及土的侧压力§思考题滑坡与落石失重§2.1结构自重１、定义：结构的自重是由地球引力产生的组成结构的材料重力，一般而言，只要知道结构各部件或构件尺寸及所使用的材料资料，就可根据材料的重度，算出构件的重量。２、公式：式中：Gk—构件的自重(kN)；—构件材料的重度(kN／m3)；V—构件的体积，一般按设计尺寸确定(m3)。kGV(21)§2.1结构自重工程结构中常用的材料和构件重度见附录A。由于结构构件尺寸多变，材料重度也可能不同，在计算结构自重时，常将结构人为地划分为许多容易计算的基本构件或材料重度不同的若干单元，先分别计算各基本部分的重量，然后叠加得到结构的总自重，计算公式为：1niiiGV式中：G—构件总重(kN)；n—组成构件的基本构件数；i—第i个基本构件的重度(kN／m3)；Vi—第i个基本构件的体积(m3)。(22)§2.1结构自重在实际计算自重过程中，结构自重可表示为面荷载、线荷载和集中力等。楼板的自重、板的面层材料自重：面荷载表示，kN/m2；梁的荷载效应计算时：线荷载，kN/m；柱的荷载效应计算时：常将材料单位体积自重乘以柱体体积得到，单位为kN。§2.2楼面及屋面活荷载2.2.1民用建筑活荷载定义：民用建筑楼面活荷载是指建筑物中的人群、家具、设施等产生的重力作用，这些荷载量值随时间发生变化，位置也是可移动的，亦称可变荷载。1.民用建筑楼面均布活荷载的取值楼面活荷载在时间和空间上具有变异性，一般将楼面活荷载处理为楼面等效均布活荷载。《建筑结构荷载规范》（GB/5009-2012）在调查和概率统计基础上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，设计时直接从表中查用。表如下图所示（部分）§2.2楼面及屋面活荷载§2.2楼面及屋面活荷载２、楼面活荷载计算注意事项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，不可能以标准值的大小同时布满在所有的楼面上，因此在设计梁、墙、柱和基础时，需将楼面活荷载标准值乘以折减系数。《建筑结构荷载设计规范》(GB/5009-2012）在借鉴国际标准的同时，结合我国设计经验做了合理的简化和修正，给出了设计楼面梁、墙、柱及基础时，不同情况下楼面活荷载的折减系数，设计时可根据不同情况直接取用。§2.2楼面及屋面活荷载§2.2楼面及屋面活荷载2.2.2工业建筑楼面活荷载§2.2楼面及屋面活荷载2.2.3楼面等效均布活荷载的确定方法楼面等效均布活载包含了民用建筑楼面活载和工业建筑楼面活载。为简化计算，常将楼面受到的集中荷载或各处大小差异太大的荷载等效为均布活荷载。值得注意的是，由于生产、检修、安装工艺以及结构布置的不同，楼面荷载差别较大时，应该划分区域分别确定等效均布荷载。对于连续梁、板的等效均布荷载，可按单跨简支计算，但在计算内力时，仍应按照连续考虑。§2.2楼面及屋面活荷载相较民用建筑等效均布活荷载要考虑折减系数，工业建筑等效均布荷载很难给出统一的折减系数，这是因为不同用途的工业厂房，板、主梁、次梁的等效均布荷载的比值没有共同性。因此，对于多层工业厂房的柱、墙和基础不考虑按层数的折减。对于不同用途的工业建筑，其工艺设备的动力性质不尽相同。在考虑动力性质对荷载取值的影响时，对于一般设备，荷载中应考虑乘以动力系数1.05~1.1；对特殊的专用设备和机器，可提高到1.2~1.3。2.2.4屋面活荷载房屋建筑的屋面可分为上人屋面和不上人屋面。若有楼梯直达屋面，且屋面为平屋面时，有可能出现人群的聚集，所以为上人屋面；当屋面为斜屋面或设有上人孔的平屋面时，仅考虑施工或维修荷载，按不上人屋面考虑屋面均布活荷载。随着城市化进程的发展，在环境需要时在屋顶上修建有花园，此时不仅有花园承重结构的自重，还应考虑花池砌筑、卵石滤水层、花圃土壤等重量。工业及民用房屋的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载的标准值及组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值，不应小于下图中的规定。§2.2楼面及屋面活荷载§2.2楼面及屋面活荷载§2.2楼面及屋面活荷载2.2.5屋面积灰荷载屋面积灰荷载是冶金、制造、水泥等行业的建筑物所特有的问题。这类行业在生产过程中排出大量的灰，而排出的灰就在邻近的厂房或建筑物屋面堆积，久而久之灰越积越厚，形成积灰荷载。影响积灰的主要因素是：除尘装置的使用维修情况、清灰制度执行情况、风向和风速、烟囱高度、屋面坡度和屋面挡风板等。《建筑结构荷载设计规范》（GB/5009-2012）根据调查统计结果给出了一些屋面积灰荷载标准值、组合值系数、频遇值系数和准永久值系数（如下图所示），以供设计时采用；对于积灰特别严重或情况特殊的工业厂房屋面积灰荷载应根据实际情况确定。确定积灰荷载只有在工厂设有一般的除尘装置，且工厂能坚持正常的清灰制度的前提下才有意义。§2.2楼面及屋面活荷载§2.2楼面及屋面活荷载2.2.4屋面活荷载§2.3雪荷载雪荷载是房屋屋面的主要荷载之一。在我国寒冷地区及其它大雪地区，荷载导致屋面结构以及整个结构破坏的事例时有发生。尤其是大跨度结构，荷载更为敏感。因此在有雪地区，在结构设计中必须考虑雪荷载。2.3.1基本雪压定义：雪压是指单位面积地面上积雪的自重，而基本雪压是指雪荷载的基准压力，一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，经概率统计得出的50年一遇雪压的最大值。若结构对雪荷载敏感，则采用100年重现期的雪压。§2.3雪荷载2.3.2雪荷载的计算公式雪荷载是屋面活荷载，在学习了基本雪压和雪压分布系数知识后，根据下式计算出雪荷载标准值，可以计算出其荷载效应。雪荷载标准值指的是作用在屋面水平投影面上的，单位面积的雪荷载值。式中:——雪荷载标准值（kN/m2）；——屋面积雪分布系数；——基本雪压（kN/m2）。0krss0srks§2.4吊车荷载2.4.1吊车工作制等级与工作级别按吊车在使用期内要求的总工作循环次数分成10个利用登级，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荷载状态，确定调查的工作级别，共分8个级别作为吊车设计的依据。《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)在吊车荷载的规定中也相应采用按工作级别划分，现在采用的工作级别与以往采用的工作制等级存在对应关系，如下表所示。吊车的工作制等级与工作级别的对应关系工作制等级轻级中级重级超重级工作级别A1～A3A4，A5A6，A7A8§2.4吊车荷载2.4.2吊车竖向荷载(1)对每端有两个车轮的吊车(如电动单梁起重机、起重量不大于50t的普通电动吊钩桥式起重机等)，其最小轮压为：(2)对每端有4个车轮的吊车(如起重量超过50t的普通电动吊钩桥式起重机等)，其最小轮压为：式中，——吊车的最小轮压(kN)；——吊车的最大轮压(kN)；G——吊车的总重量(t)；Q——吊车的额定起重量(t)；g——重力加速度，取等于9.81m/s2。minmax2GQPgPminmax4GQPgPmaxPminP§2.4吊车荷载2.4.3吊车水平荷载标准值吊车水平荷载有纵向和横向两种。1)吊车纵向水平荷载标准值吊车纵向水平荷载标准值应按作用在吊车一端轨道上所有刹车轮的最大轮压之和的10%采用。该项荷载的作用点位于刹车轮与轨道的接触点，其方向与轨道方向一致。2)吊车横向水平荷载标准值吊车横向水平荷载标准值应按下式计算：H——吊车横向水平荷载标准值；——系数，对软钩吊车：当额定起重量不大于10t时，应取0.12；当额定起重量为16～50t时，应取0.10；当额定起重量不小于75t时，应取0.08；对硬钩吊车：应取0.20；Q——吊车的额定起重质量；G1——横行小车质量。H1()HHQGg§2.4吊车荷载2.4.4多台吊车的组合对于多层吊车的单跨或多跨厂房的每个排架，参与组合的吊车台数应按实际情况考虑；当有特殊情况时，参与组合的吊车台数也应按实际情况考虑。按照以上组合方法，吊车荷载不论是由两台还是由4台吊车引起，都按照各台吊车同时处于最不利位置，且同时满载的极端情况考虑，实际上这种最不利情况出现的概率是极小的。从概率观点来看，可将多台吊车共同作用时的吊车荷载效应组合予以折减。在实测调查和统计分析的基础上，可得到多台吊车的荷载折减系数。参与组合的吊车台数吊车工作级别A1～A5A6～A820.900.9530.850.9040.800.85§2.5汽车荷载2.5.1公路桥梁汽车荷载桥梁上行驶的车辆种类繁多，有汽车、平板挂车、履带车等，同一类车辆又有许多不同的型号和载重等级。设计时不可能对每种情况都进行计算，而是在设计中采用统一的荷载标准。通过对实际车辆的轮轴数目、前后轴间距、轴重力等情况的统计分析，又考虑到随着交通运输事业的发展，车辆的载重量还将不断增大，《公路桥涵通用设计规范》（JTG/D60-2004）中从汽车荷载的计算图式、荷载等级及其标准值、加载方法和纵横向折减系数这几方面对公路桥涵汽车荷载的设计计算进行了规定。汽车荷载分为公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级两个等级。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构在进行整体计算时采用车道荷载；但在进行桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算时，采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用是不考虑叠加的。各级公路桥涵设计的汽车荷载等级规定见下表。§2.5汽车荷载公路等级高度公路一级公路二级公路三级公路四级公路汽车荷载等级公路Ⅰ级公路—Ⅰ级公路—Ⅰ级公路—Ⅱ级公路—Ⅱ级各级公路桥涵的汽车荷载等级车道荷载的相关规定：（1）公路—Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5kN/m；集中荷载标准值按以下规定选用：桥梁计算跨径小于或等于5m时，PK=180kN；桥梁计算跨径等于或大于50m时，PK=360kN；桥梁计算跨径在5m~50m之间时，PK值采用直线内插求得。计算剪力效应时，上述集中荷载标准值PK应乘以1.2的系数。（2）公路—Ⅱ级车道荷载的均布荷载标准值qk和集中荷载标准值PK按公路—Ⅰ级车道荷载的0.75倍采用。（3）车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于影响线中一个最大影响线峰值处。§2.5汽车荷载对于多车道桥遂，可根据多个车道上同时出现最大汽车重力的概率大小，对荷载效应进行折减。车道数越多，折减率越大。多车道横向折减的含义是，在桥梁多车道上行驶的汽车荷载使桥梁构件的某一截面产生最大效应时，其同时处于不利位置的可能性大小，显然，这种可能性随车道数的增加而减少，而桥梁设计时各个车道上的汽车荷载都是按最不利位置布置的。因此，计算结果应根据上述可能性的大小进行折减。例如：当设计车道数目大于2时，应计入车道的横向折减系数，车道数目为3时，折减系数为0.80；车道数目为4时，折减系数为0.67；车道数目为5时，折减系数为0.60；车道数目大于等于6时，折减系数为0.55。加载车道位置应选在结构能产生最不利荷载效应处。2.5.2车道荷载折减§2.5汽车荷载§2.6人群荷载2.6.1公路桥梁人群荷载1）在公路桥梁设计中需考虑人群荷载对结构的作用，当桥梁计算跨径小于或等于50m时，人群荷载标准值为3.0kN/m2；当桥梁计算跨径等于或大于150m时，人群荷载标准值为2.5kN/m2；当桥梁计算跨径在50m~150m之间时，可由线性内插得到人群荷载标准值。对跨径不等的连续结构，以最大计算跨径为准。城镇郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述规定值的1.15倍。2）人行道板：为钢筋混凝土板时，还应以1.2kN的竖向集中力作用在一块板上进行计算。3）人行扶手：计算栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力一般取值为0.75kN/m；作用在栏杆扶手上的竖向力一般取值为l.0kN/m。§2.6人群荷载2.6.2城市桥梁人群荷载对于梁、桁架、拱及其他大跨结构的人群荷载，需根据