【土木建筑】06荷载与结构设计方法.ppt

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1、第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.1第6章 其他荷载与作用第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.2温度作用温度作用 变形作用变形作用 爆炸作用爆炸作用 浮力作用浮力作用 制动力制动力本章内容本章内容离心力离心力预应力预应力思考题思考题习题习题第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.3温度作用温度作用一、温度作用的概念一、温度作用的概念 当结构物所处环境的温度发生变化，且结构或构件的热变形受到边界条件约束或相当结构物所处环境的温度发生变化，且结构或构件的热变形受到边界条件约束或相邻部分的制约，不能自由胀缩时，就会在结构或构件内形成一定的应力，这个应力被称邻部分的制约，不

2、能自由胀缩时，就会在结构或构件内形成一定的应力，这个应力被称为温度应力，即温度作用，指因温度变化引起的结构变形和附加力。温度作用不仅取决为温度应力，即温度作用，指因温度变化引起的结构变形和附加力。温度作用不仅取决于结构物环境的温度变化，它还与结构或构件受到的约束条件有关。于结构物环境的温度变化，它还与结构或构件受到的约束条件有关。在土木工程中所遇到的许多因温度作用而引发的问题，从约束条件看大致可分为两在土木工程中所遇到的许多因温度作用而引发的问题，从约束条件看大致可分为两类。类。第一类，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。现第一类，结构物的变形受到其他物体的阻碍或支承

3、条件的制约，不能自由变形。现浇钢筋混凝土框架结构的基础梁嵌固在两柱基之间，基础梁的伸缩变形受到柱基约束，浇钢筋混凝土框架结构的基础梁嵌固在两柱基之间，基础梁的伸缩变形受到柱基约束，没有任何变形余地没有任何变形余地(图图6.1)6.1)。排架结构支承于地基，当上部横梁因温度变化伸长时，横梁。排架结构支承于地基，当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(图图6.2)6.2)。第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.4 第二类，构件内部各单元体之间相互制约，不

4、能自由变形。简支屋面梁在日照作用下第二类，构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。简支屋面梁在日照作用下屋面温度升高，而室内温度相对较低，简支梁沿梁高受到不均匀温差作用，产生翘曲变形，屋面温度升高，而室内温度相对较低，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。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，内在梁中引起应力。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，产生裂缝。外温差不均衡在截面引起应力，产生裂缝。二、温度应力的计算二、温度应力的计算 结构物受温度变化的影响应根据不同结构类型和约束条件进行分类而分

5、别计算。一类结构物受温度变化的影响应根据不同结构类型和约束条件进行分类而分别计算。一类是静定结构在温度变化时能够自由变形，结构物无约束应力产生，故无内力。但由于任何是静定结构在温度变化时能够自由变形，结构物无约束应力产生，故无内力。但由于任何材料都具有热胀冷缩的性质，因此静定结构在满足其约束的条件下可自由地产生变形，这材料都具有热胀冷缩的性质，因此静定结构在满足其约束的条件下可自由地产生变形，这时应考虑结构的这种变形是否超过允许范围。此变形可由变形体系的虚功原理并按下式计时应考虑结构的这种变形是否超过允许范围。此变形可由变形体系的虚功原理并按下式计算：算：(6-1)(6-1)式中，式中，pt结

6、构中任一点结构中任一点P沿任意方向沿任意方向p-p的变形；的变形；材料的线膨胀系数材料的线膨胀系数(1/)，温度每升高或降低，温度每升高或降低1，单位长度构件的伸长，单位长度构件的伸长 或缩短量，几种主要材料线膨胀系数见表或缩短量，几种主要材料线膨胀系数见表6-1；t0 杆件轴线处的温度变化；杆件轴线处的温度变化；杆件上、下侧温差的绝对值；杆件上、下侧温差的绝对值；温度作用温度作用0/PPpttNMth t第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.5 h h杆件截面高度；杆件截面高度；杆件的杆件的 图的面积，图的面积，图为虚拟状态下轴力大小沿杆件的分布图；图为虚拟状态下轴力大小沿杆件的分布

7、图；杆件的杆件的 图的面积，图的面积，图为虚拟状态下弯矩大小沿杆件的分布图。图为虚拟状态下弯矩大小沿杆件的分布图。表表6-1 6-1 常用材料线膨胀系数常用材料线膨胀系数温度作用温度作用结构种类钢结构混凝土结构混凝土砌块砖砌块线膨胀系数/(1/)1.21051.01050.91050.7105PNPM 对于超静定结构存在有多余约束或物体内部单元体相互制约的构件，温度改变对于超静定结构存在有多余约束或物体内部单元体相互制约的构件，温度改变引起的变形将受到限制，从而在结构内产生内力。这一温度作用效应的计算，可根据引起的变形将受到限制，从而在结构内产生内力。这一温度作用效应的计算，可根据变形协调条件

8、，按结构力学或弹性力学方法确定变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。受均匀温差受均匀温差T T作用的两端嵌固于支座的梁作用的两端嵌固于支座的梁(图图6.3)6.3)。若求此梁温度应力，可将其一。若求此梁温度应力，可将其一端解除约束，成为一静定悬臂梁。悬臂梁在温差端解除约束，成为一静定悬臂梁。悬臂梁在温差T T的作用下产生的的作用下产生的 的自由伸长量及相的自由伸长量及相对变形值对变形值可由下式求得可由下式求得：(6-2)(6-2)(6-3)(6-3)式中，式中，TT温差温差()()；LL梁跨度梁跨度(m)(m)。LTL LTL第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.6 如果悬臂梁右

9、端受到嵌固不能自由伸长，梁内便产生约束力，约束力如果悬臂梁右端受到嵌固不能自由伸长，梁内便产生约束力，约束力N N的大小等于将的大小等于将自由变形梁压回原位所施加的力自由变形梁压回原位所施加的力(拉为正，压为负拉为正，压为负)，即，即(6-4)(6-4)截面应力为：截面应力为：(6-5)(6-5)式中，式中，E E材料弹性模量；材料弹性模量；A A材料截面面积；材料截面面积；杆件约束应力。杆件约束应力。由式由式(6-5)(6-5)可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关，其数值可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关，其数值等于温差引起的应变与弹性模量的乘积。等于温差引

10、起的应变与弹性模量的乘积。温度作用温度作用E ANLL PEATLTEALA 第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.7 由式由式(6-5)(6-5)可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关，其数值等于可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关，其数值等于温差引起的应变与弹性模量的乘积。温差引起的应变与弹性模量的乘积。(2)(2)排架横梁受到均匀温差排架横梁受到均匀温差T T作用如图作用如图6.46.4所示。所示。温度作用温度作用 横梁受温度影响伸长横梁受温度影响伸长 (若忽略横梁的弹性变形若忽略横梁的弹性变形)，此即柱顶产生的水平位移。，此即柱顶产生的水平位移。K

11、 K为柱顶产生单位位移时所施加的力为柱顶产生单位位移时所施加的力(柱的抗侧刚度柱的抗侧刚度)，由结构力学可知；，由结构力学可知；(6-6)(6-6)LTL 33EIKH第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.8 柱顶所受到的水平剪力为：柱顶所受到的水平剪力为：(6-7)(6-7)式中，式中，II柱截面惯性矩；柱截面惯性矩；HH柱高；柱高；LL横梁长横梁长(结构物长结构物长)。由此可见，温度变化在柱中引起的约束内力与结构长度成正比。当结构物长度很长时，由此可见，温度变化在柱中引起的约束内力与结构长度成正比。当结构物长度很长时，必然在结构中产生较大温度应力。为了降低温度应力，只能缩短结构物的

12、长度，这就是过必然在结构中产生较大温度应力。为了降低温度应力，只能缩短结构物的长度，这就是过长的结构每隔一定距离必须设置伸缩缝的原因。长的结构每隔一定距离必须设置伸缩缝的原因。温度作用温度作用33EIVL KTLH 第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.9 所谓变形作用，实质上是结构物由于种种原因引起的变形受到多于约束的阻碍，而导所谓变形作用，实质上是结构物由于种种原因引起的变形受到多于约束的阻碍，而导致结构物产生内力。主要原因有：致结构物产生内力。主要原因有：由于外界因素造成结构基础的移动或不均匀沉降；由于外界因素造成结构基础的移动或不均匀沉降；由于自身原因收缩或徐变使构件发生伸缩变

13、形，二者均导致结构或构件产生内力。因而从由于自身原因收缩或徐变使构件发生伸缩变形，二者均导致结构或构件产生内力。因而从广义上来说，这种变形作用也是荷载。广义上来说，这种变形作用也是荷载。当静定结构体系发生符合其约束条件的位移时，不会产生内力；而当超静定结构体系当静定结构体系发生符合其约束条件的位移时，不会产生内力；而当超静定结构体系的多余约束限制了结构自由变形时，基础的移动和不均匀沉降或当混凝土构件在空气中结的多余约束限制了结构自由变形时，基础的移动和不均匀沉降或当混凝土构件在空气中结硬产生收缩以及在不变荷载的长期作用下发生徐变时，由于构件与构件之间、钢筋与混凝硬产生收缩以及在不变荷载的长期作

14、用下发生徐变时，由于构件与构件之间、钢筋与混凝土之间相互影响、相互制约，不能自由变形，都会引起结构内力。土之间相互影响、相互制约，不能自由变形，都会引起结构内力。超静定结构由于变形作用引起的内力和位移计算应遵循力学基本原理，可根据长期压超静定结构由于变形作用引起的内力和位移计算应遵循力学基本原理，可根据长期压密后的最终沉降量、收缩量、徐变量，由静力平衡条件和变形协调条件计算构件截面附加密后的最终沉降量、收缩量、徐变量，由静力平衡条件和变形协调条件计算构件截面附加内力和附加变形。内力和附加变形。变变 形形 作作 用用第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.10一、爆炸的概念及其类型一、爆炸

15、的概念及其类型 爆炸是物质系统在足够小的容积内，以极短的时间突然迅速释放大量能量的物理或化爆炸是物质系统在足够小的容积内，以极短的时间突然迅速释放大量能量的物理或化学过程。按照爆炸发生的机理和作用的性质，又可分为物理爆炸学过程。按照爆炸发生的机理和作用的性质，又可分为物理爆炸(锅炉爆炸锅炉爆炸)、化学爆炸、化学爆炸(炸药爆炸和燃气爆炸炸药爆炸和燃气爆炸)和核爆炸和核爆炸(核裂变核裂变原子弹和核聚变原子弹和核聚变氢弹氢弹)等多种类型。因此爆炸等多种类型。因此爆炸作用是一种复杂的荷载。作用是一种复杂的荷载。核爆炸发生时，压力波在几毫秒内即可达到峰值，且压力峰值相当高，正压作用后还核爆炸发生时，压力

16、波在几毫秒内即可达到峰值，且压力峰值相当高，正压作用后还有一段负压段，如图有一段负压段，如图 6.5(a)6.5(a)所示。化学爆炸和燃气爆炸压力升高相对依次较慢所示。化学爆炸和燃气爆炸压力升高相对依次较慢(图图6.5(b)6.5(b)、(c)(c)，峰值压力亦较核爆炸低较多，但化学爆炸正压作用时间短，约从几毫秒到几十毫秒，峰值压力亦较核爆炸低较多，但化学爆炸正压作用时间短，约从几毫秒到几十毫秒，负压段更短，而燃气爆炸是一个缓慢衰减的过程，正压作用时间较长，负压段很小，甚至负压段更短，而燃气爆炸是一个缓慢衰减的过程，正压作用时间较长，负压段很小，甚至测不出负压段。测不出负压段。爆爆 炸炸 作作 用用第第6章章 其他荷载与作用其他荷载与作用 1.11 由于爆炸是在极短的时间内压力达到峰值，使周围气体迅猛地被挤压和推进，从而产由于爆炸是在极短的时间内压力达到峰值，使周围气体迅猛地被挤压和推进，从而产生过高的运动速度，形成波的高速推进，这种使气体压缩而产生的压力称为冲击波。它会生过高的运动速度，形成波的高速推进，这种使气体压缩而产生的压力称为冲击波。它会在瞬间压缩周围空气而产生超压，超压是指