第二章 重力

第2章重力、侧压力主要内容：介绍结构自重、土的自重应力、雪荷载、车辆荷载、楼、屋面活荷载等竖向荷载以及土压力、水压力、波浪荷载等水平荷载。2.1重力重力荷载包括：结构自重、土的自重、雪荷载、车辆重力荷载、楼面和屋面活荷载。2.1.1结构自重根据结构材料的种类、体积和材料的重度可得结构自重。当结构有多种材料组成时按下式计算。iniiVG1式中：γi——第i种材料的重力密度;Vi——第i种材料的体积。在实际设计应用时，应根据实际情况确定。附录给出了常用材料和构件的自重。对于自重变化较大的材料根据对结构不利或有利取上限或下限。各种荷载的简化计算在进行建筑结构方案设计时，为了工程上应用力便，有时把建筑物看成一个整体，将结构自重转化为平均楼面恒裁。作为近似估算，对一般的木结构建筑。其平均楼面恒载可取为1.98—2.48kN／m2；对钢结构建筑，平均恒载大约为2.48—3.96kN／m2，对钢筋混凝土结构的建筑，其值在4.95—7.43kN／m2之间；而对预应力混凝土建筑，建议可取普通钢筋混凝土建筑恒载的70％一80％。2.1.2土的自重应力土是由土颗粒、水和气所组成三相非连续介质。若把土体简化为连续体，在计算土中自重应力时，假设天然地面是一个无限大的水平面。因此在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在。如果地面下土质均匀，土层的天然重度为r，则在天然地面下任意深度：处a-a水平面上的竖直白重应力可取作用于该水平面上任一单位面积的土柱体自重(见下图).即：σcz=γz有多层土组成时:σcz=Σγihi式中：γi:土的容重，在地下水位以下取土的浮容重；hi:土层厚度.2.1.3雪荷载雪荷载是房屋屋面结构的主要荷载之一。在我国寒冷地区及其他大雪地区，因雪荷载导致屋面结构、以致整个结构破坏的事例常有发生。尤其是一些大跨度结构及轻型结构，对雪荷载更为敏感。是否合理确定雪荷载的大小及其在屋面的分布将直接影响这类结构的安全性、适用性和经济性。1、基本雪压雪压：单位水平面积上的积雪重量。基本雪压：指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。我国基本雪压是按50年一遇重现期确定的最大雪压，见图2-2，表2-2。无雪压记录时，可按下式间接计算:Ｓ＝hρg式中：h—积雪深度；ρ—积雪密度（变化较大）；g—重力加速度。2.屋面的雪压基本雪压是针对地面而言，屋面的雪荷载由于风向、屋面形式及屋面散热等各种因素的影响，要考虑屋面积雪分布系数。屋面雪压的计算Sk=μrS0式中：Sk——屋面雪荷载标准值，kN／m2μr——屋面积雪分布系数，取决于屋面的结构形式．取值根据荷载规范而定，见表2-3。So——基本雪压，kN／m2。μr的影响因素风对积雪的影响屋面坡度对积雪的影响屋面温度对积雪的影响2.1.4车辆荷载在桥梁结构的设计荷载中，各种不同型号和重力等级的车辆荷载属于基本可变荷载，包括列车活载（铁路）、汽车或平板挂车或履带车（公路）等。1.列车荷载根据中华人民共和国铁路标准荷载图式（中－活载）确定。特殊活载普通活载25022092kn/m80kn/m图2-4中－活载图式2.汽车、平板挂车和履带车荷载我国在对现有车型、车辆行车规律等方面进行大量实地观测和调查研究的基础上，根据汽车工业发展和国防建设的需要，制定了适用于公路桥涵和其它受车辆重力影响的构筑物设计的车辆重力荷载标准。车辆荷载：把大量经常出现的汽车荷载排列成车队形式作为设计荷载（车辆荷载）；验算荷载：把偶然出现的平板挂车或履带车作为验算荷载。汽车车列荷载分为四个等级；汽车—l0级、汽车—15级、汽车—20级、汽车—超20级。车列的纵向排列及其横向尺寸以及主要技术指标规定如图2—5和图2—6。荷载级别的数字表示一列车中标准车的重量，单位为kN。图中所示的重力均为单个车轴重。除了辆数不限的标准车以一定的间距排列以外，每一车列中均规定有一辆加重车。通常加重车车重为高一级车列标准中的一辆标准车的车量。验算荷载：验算荷载分为800kN，l000kN和1200kN的平板挂车(简称挂车—80，挂车—100和挂车—120)以及500kN的履带车(简称履带—50)，计算车辆重力引起的结构内力时，验算荷载在全桥只考虑一辆，其荷载型式及主要技术指标规定如图2—7。用验算荷载验算时，不计冲击力、人群荷载和其他非经常作用在桥涵上的各种外力。图2-5各级汽车车队的纵向排列图2-6各级汽车的平面尺寸和横向尺寸图2-7各级验算车的纵向排列和横向布置车道荷载：即一集中力加一均布荷载的汽车重力荷载形式，车道荷载在结构构件上产生的内力与车列荷载在结构构件上产生的内力等效，它的优点是便于构件内力加载计算。图2—13所亦为我国城市桥梁设计荷载标推规定的城—A级。车道荷载具有以下特点；(1)对于求弯矩和剪力分别加不同的均布荷载。(2)均布荷载和集中荷载随荷载等级而异。(3)对于连续梁，求最大负弯矩时，除在最大影响线值所在跨上布置上述荷载外，在其他产生相同符号弯矩的各跨上还要布置量值相同的集中荷载；求最大正弯矩时，影响线最大值所在跨上布置上述荷载，并要在其他产生相同符号弯矩的跨上布置相同数值的均布荷载。关于汽车荷载的折减：对于多车道桥涵，以上两种形式的车辆重力荷载标准都根据多个车道上同时出现最大汽车重力的概率大小，规定计算所得内力可根据车道数作折减。例如，我国《公路桥涵设计通用规范》JTJ021—89规定：在设计四车道桥涵时，计算结果可折减30％，但折减后不得小于用两行车列计算的结果。2.1.5楼、屋面活荷载1.楼面活荷载楼面活荷载指房屋中生活或工作的人群、家具、用品、设施等产生的重力荷载。量值随时间变化，且位置也是可移动的。一般当作均布活荷载考虑。民用建筑楼面均布活荷载见表2-4。楼面活荷载：分为持久性和临时性两部分。作用在楼面上的活荷载，不可能以统计的最大荷载同时布满在所有的楼面上，因此在设计梁、墙、柱和基础时，还应按楼面活荷载标准值乘以折减系数。我国按从属面积确定折减系数。规范关于楼面或荷载折减的规定:（1）设计楼面梁的折减系数：对住宅、办公楼等房屋或房间：A18m2（当A25m2时，取0.9）对公共建筑或其房间：A36m2（当A50m2时，取0.9）A——所计算梁的从属面积，指梁向两侧各延伸1/2梁间距范围内的实际楼面面积。A35.0A33.0现行荷载规范关于楼面或荷载折减的规定:1、设计楼面梁的折减系数：(1)第1项当楼面梁的从属面积超过25m2时，应取0.9;(2)第2至第8项当楼面梁的从属面积超过50m2时，应取0.9;(3)第9项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8;对单向板楼盖的主梁应取0.6;对双向板楼盖的梁应取0.8;(4)第10~13项应采用与所属房屋类别相同的折减系数.关于等效均布活荷载的确定方法:1：楼面等效均布荷载，包括计算次梁、主梁和基础时的楼面活荷载，可分别按荷载规范附录B的规定确定。2:对于一般金工车间、仪器仪表生产车间、半导体器件车间、棉纺织车间、轮胎厂准备车间和粮食加工车间，当缺乏资料时，可按荷载规范附录C采用。工业建筑楼面(包年工作平台)上无设备区域的操作荷裁，包括操作人员、一般工具、零星原料和成品的自重，可按均布活荷载考虑，采用2.0kN／m2。生产车间的楼梯活荷载，可按实际情况采用，但不宜小于3.5kN／m2。工业建筑楼面活荷载的组合值系数、频通值系数和准永久值系数可按附录C。此外,按实际情况确定。关于搂面等效均布荷载确定:为便于计算，当楼面可能受到集中荷载作用或各处活荷载差别较大时，应将其转变为等效均布活荷载。转变原则是在其设计控制部位，根据需要按内力(如弯矩、剪力等)、变形及裂缝的等值要求来确定。在一般情况下，可仅按内力的等值来确定。计算时，如楼面活荷载差别较大，则应划分区域分别确定；当荷载分布比较均匀时，对由全部荷载总和除以全部受荷面积求得：对于连续梁、板可按单跨简支计算，但计算内力时仍应按连续考虑。板的等效均布活荷载的计算式为:qe=8Mmax/bl2式中：l——扳的跨度；b——板上荷载的有效分布宽度，不同类型的计算参考规范规定;Mmax——简支板的绝对最大弯距，按设备的员不利位置确定。关于搂面等效均布荷载确定:梁的等效均布活荷载的计算．应按下列公式对弯矩和剪力分别计算，取其中较大者：qeM=8Mmax/sl2(2一10)qeV=8Mmax/sl2(2—11)式中：s——梁的间距；l——梁的跨度；Mmax，Vmax——简支梁的绝对最大弯矩与最大剪力，按设备的最不利位置确定。（2）设计墙、柱和基础时的折减系数：(1)第1项应按表2-6中的规定采用;(2)第2~8项应采用与楼面梁相同的折减系数;(3)第9项对单向板楼盖应取0.5;对双向板楼盖和无梁楼盖应取0.8;(2)设计墙、柱和基础时的荷载折减系数对住宅、办公楼等房屋，按表2-6的规定采用。对公共建筑，直接按楼面梁的折减系数，而不考虑按楼层数的折减。注：当楼层梁的从属面积超过25m2时，应采用括号内的系数。计算截面以上的层数12~34~56~89~2020计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数1.0(0.9)0.850.70.650.60.552.屋面活荷载（1）屋面均布活荷载房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载，按表2-7采用。表2-7屋面均布活荷载类别上人的屋面上人的屋面屋顶花园标准值KN/m20.52.03.0注：1）不上人的屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用；2）屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。屋面直升机停机坪荷载：根据直升机总重按局部荷载考虑，但不低于5.0KN/m2。规范给出各种机型的重量和作用面积。（2）屋面积灰荷载屋面积灰荷载是冶金、铸造、水泥等行业的建筑所特有的问题。影响积灰荷载的主要因素：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、屋面挡风板等。规范给出了灰的实际重度来计算积灰周期内的最大积灰荷载。对有雪地区，积灰荷载应与雪荷载同时考虑。2.1.6行人荷载1.公路桥梁人群荷载公路桥梁设计中需要考虑人群荷载人群荷载一般取值：3KN/m2人群密集的市区取值：3.5KN/m2。在有人行道的桥梁上，人群荷载与汽车荷载同时考虑，而用验算荷载时则不考虑人群荷载。当人行道为钢筋混凝土板时：还应考虑1.2KN的集中荷载。栏杆的水平推力：0.75KN/m,力的作用点在栏杆的顶部。栏杆的竖向力：1KN/m，作用在上部扶手。2、铁路桥梁上人行道荷载：只考虑巡道和维修人员通行，维修式放置的材料。人行道板：1.5KN的集中力。