1、面 向 21 世 纪 课 程 教 材高 校 土 木 工 程 学 科 专 业 指 导 委 员 会 规 划 推 荐 教 材工 程 结 构 荷 载 与 可 靠 度 设 计 原 理(第 二 版 )世 界 银 行 贷 款 资 助 项 目 上 海 市 教 育 委 员 会 组 编李 国 强 黄 宏 伟 郑 步 全 编 著面 向 2 1 世 纪 课 程 教 材上 海 普 通 高 校 “ 九 五 ” 重 点 教 材图 书 在 版 编 目 (CIP) 数据工 程 结 构 荷 载 与 可 靠 度 设 计 原 理 / 李 国 强 等 编 著 . 2 版.北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 , 2001.4
2、面向 21 世 纪 课 程 教 材 高 校 土 木 工 程 学 科 专 业 指 导 委 员 会 规 划 推 荐 教 材ISBN 7-112-04627-0. 工 . 李 .工 程结构 -结构 荷载- 高等学 校-教 材工 程结构 -结构可靠性- 结构设计- 高等学校 -教材 . T U 31中国 版本图 书馆 C IP 数据 核字 (2 001) 第 18436 号荷 载 是 工 程 结 构 设 计 的 一 个 重 要 方 面 , 也 是 着 手 一 项 工 程 设 计 要 解 决 的 一 个 重 要 问 题 , 而 概 率 可 靠 度 方 法 已 成 为 各 类 工 程 结 构 (房 屋 、
3、 桥 梁 、 地 下 建 筑 、 道 路 等 ) 设 计 的 理 论 基 础 。 本 书 全 面 、 系 统 地 介 绍 了 工 程 结 构 各 类 荷 载 的 基 本 概 念 及 其 确 定 方 法 , 以 及 结 构 可 靠 度 分 析 与 设 计 理 论 。 全 书 分 十 章 : 荷 载 类 型 ; 重 力 ; 侧 压 力 ; 风 荷 载 ; 地 震 作 用 ; 其 它 作 用 ; 荷 载 的 统 计 分 析 ; 结 构 抗 力 的 统 计 分 析 ; 结 构 可 靠 度 分 析 ; 结 构 概 率 可 靠 度 设 计 法 。本 书 是 根 据 国 家 教 育 部 大 学 本 科 新
4、专 业 目 录 规 定 的 土 木 工 程 专 业 培 养 要 求 编 写 的 , 可 作 为 土 木 工 程 专 业 的 专 业 基 础 教 材 , 也 可 供 从 事 各 类 工 程 结 构 设 计 与 施 工 的 工 程 技 术 人 员 参 考 。责 任 编 辑 朱 首 明面 向 21 世 纪 课 程 教 材 高 校 土 木 工 程 学 科 专 业 指 导 委 员 会 规 划 推 荐 教 材 工 程 结 构 荷 载 与 可 靠 度 设 计 原 理 (第 二 版 ) 世 界 银 行 贷 款 资 助 项 目上 海 市 教 育 委 员 会 组 编李 国 强 黄 宏 伟 郑步全 编著*中 国 建
5、 筑 工 业 出 版 社 出 版 ( 北 京 西 郊 百 万 庄 ) 新 华 书 店 总 店 科 技 发 行 所 发 行 北 京市 彩 桥 印 刷 厂 印 刷*开 本 : 78 7 9 6 0 毫 米 1 / 16 印 张 : 1 2 插 页 : 2 字 数 : 2 38 千 字 20 0 1 年 4 月 第 二 版 2 00 1 年 4 月 第 二 次 印 刷印 数 : 40 0 1 7 00 0 册 定 价 : 1 8. 0 0 元ISB N 7-112-04627 T U 4144 (10077)版 权 所 有 翻 印 必 究 如 有 印 装 质 量 问 题 , 可 寄 本 社 退 换
6、( 邮 政 编 码 1 0 0 03 7 )第 二 版 前 言为 适 应 高 校 教 育 教 学 改 革 后 土 木 工 程 专 业 的 教 学 需 要 , 本 教 材 第 一 版 于 1999 年 底 出 版 , 同 济 大 学 于 2000 年 开 始 开 设 “荷 载 与 结 构 设 计 原 理 ”课 并 使 用 本 教 材 。 由 于 是 第 一 次 开 设 这 门 课 程 , 教 师 以 本 教 材 为 基 础 进 行 了 集 体 备 课 , 讨 论 了 讲 课 重 点 , 准 备 了 共 用 的 投 影 胶 片 , 授 课 效 果 良 好 , 让 学 生 对 工 程 结 构 设 计
7、 需 考 虑 的 荷 载 和 设 计 的 一 些 基 本 概 念 有 较 全 面 的 了 解 , 尽 管 学 生 反 映 课 内 学 时 较 少 , 但 通 过 参 阅 本 教 材 , 也 能 掌 握 本 教 材 所 述 主 要 内 容 。 其 他 学 校 教 师 反 映 也 较 好 。承 蒙 全 国 高 校 土 木 工 程 学 科 专 业 指 导 委 员 会 的 推 荐 , 本 教 材 被 教 育 部 批 准 为 “面 向 21 世 纪 课 程 教 材 ”, 趁 出 版 第 二 版 之 机 , 我 们 对 本 教 材 内 容 做 了 少 许 调 整 和 补 充 , 同 时 对 原 版 中 的
8、 一 些 错 误 作 了 更 正 。 由 于 本 教 材 出 版 时 间 还 不 长 , 衷 心 期 望 读 者 和 使 用 本 教 材 的 教 师 多 给 我 们 提 出 意 见 和 指 出 书 中 不 当 或 错 误 之 处 , 以 便 我 们 今 后 进 一 步 修 订 、 完 善 。李 国 强2001 年 4 月第 一 版 前 言1998 年 , 教 育 部 颁 布 了 新 的 大 学 本 科 专 业 目 录 , 将 原 来 500 多 个 专 业 合 并 减 少 了 一 半 , 其 中 原 建 筑 工 程 专 业 、 交 通 土 建 专 业 等 合 并 拓 展 成 土 木 工 程 专
9、 业 。 这 一 举 措 , 实 际 上 是 我 国 高 等 教 育 改 革 的 一 项 重 要 内 容 , 标 志 着 我 国 高 级 人 才 培 养 模式 向 专 业 宽 口 径 转 变 。 为 适 应 这 一 转 变 , 建 设 部 专 门 列 出 了 面 向 21 世 纪 的 土 木 工 程 专 业 结 构 系 列 课 程 教 学 改 革 研 究 课 题 , 该 课 题 的 研 究 结 论 之 一 , 就 是 建 议 将 工 程 结 构 荷 载 和 可 靠 度 设 计 原 理 列 为 土 木 工 程 专 业 学 生 的 专 业 基 础 教 学 内 容 。各 类 工 程 结 构 (如 建
10、 筑 、 桥 梁 、 输 电 塔 等 ) 的 最 重 要 功 能 , 就 是 承 受 其 生 命 全 过 程 中 可 能 出 现 的 各 种 荷 载 。 结 构 设 计 时 , 荷 载 取 值 的 大 小 及 应 考 虑 哪 些 荷 载 , 将 直 接 影 响 结 构 工 作 时 的 安 全 性 。 因 此 , 工 程 结 构 设 计 时 , 需 考 虑 哪 些 荷 载 , 这 些 荷 载 产 生 的 背 景 , 以 及 各 种 荷 载 的 计 算 方 法 应 是 一 名 结 构 工 程 师 所 具 备 的 基 本 专 业 知 识 , 因 而 也 是 土 木 工 程 专 业 学 生 需 掌 握
11、 的 结 构 工 程 基 本 内 容 。工 程 结 构 的 设 计 方 法 经 历 了 经 验 定 值 设 计 法 、 半 经 验 半 概 率 定 值 设 计 法 和 概 率 定 值 设 计 法 三 个 阶 段 , 目 前 国 际 上 关 于 工 程 结 构 设 计 , 普 遍 采 用 概 率 定 值 设 计 法 。 所 谓 概 率 定 值 设 计 法 , 是 以 结 构 概 率 可 靠 度 为 基 础 , 以 确 定 性 荷 载 和 确 定 性 结 构 抗 力 为 形 式 的 结 构 设 计 方 法 。 这 种 设 计 方 法 既 便 于 工 程 师 直 观 地 运 用 , 又 具 有 明
12、确 的 概 率 可 靠 度 意 义 , 而 为 我 国 各 种 工 程 结 构 设 计 规 范 所 采 用 。 因 此 , 要 理 解 我 国 现 行 工 程 结 构 设 计 方 法 , 就 必 须 掌 握 工 程 结 构 可 靠 度 设 计 原 理 。结 构 设 计 包 括 三 部 分 内 容 : 一 是 荷 载 , 二 是 结 构 抗 力 , 三 是 结 构 设 计 方 法 。 本 书 涉 及 荷 载 和 结 构 设 计 方 法 两 部 分 内 容 , 而 结 构 抗 力 则 由 有 关 “钢 筋 混 凝 土 结构 ”、 “钢 结 构 ”等 书 或 教 材 介 绍 。 本 书 分 两 篇
13、, 分 别 介 绍 了 荷 载 的 分 类 及 重 力 、 土 压 力 、 水 压 力 、 风 荷 载 、 地 震 作 用 、 爆 炸 作 用 、 温 度 作 用 、 波 浪 荷 载 等 重 要 荷 载 的 概 念 、 原 理 和 计 算 方 法 , 以 及 荷 载 与 结 构 抗 力 的 统 计 分 析 、 结 构 可 靠 度 分 析 、 结 构 概 率 可 靠 度 设 计 法 等 重 要 内 容 。 本 书 大 纲 的 拟 定 和 统 稿 由 李 国 强 负 责 , 其 中 第 二 章 第 一 、 二 节 、 第 三 章 、 第 六 章 第 一 、 二 、 三 、 四 节 由 黄 宏 伟
14、执 笔 , 第 二 章 第 四 节 、 第 六 章 第 五 、 六 、 七 节 由 郑 步 全 执 笔 , 其 余 各 章 节 由 李 国 强 执 笔 。本 书 作 者 感 谢 建 设 部 土 木 工 程 专 业 结 构 系 列 课 程 教 学 改 革 课 题 组 的 陈 以 一 、 袁 勇 、 朱 合 华 、 李 国 平 等 教 授 , 他 们 对 本 书 大 纲 的 确 定 提 出 了 许 多 建 设 性 意 见 。 另 要 特 别 感 谢 潘 士 稢 教 授 、 张 庆 智 教 授 和 陈 忠 延 教 授 , 他 们 仔 细 阅 读 了 本 书 的 手 稿 , 对 本 书 的 内 容 提
15、 出 了 很 多 宝 贵 的 意 见 和 建 议 。 我 本 人 还 要 感 谢 香 港 C roucher 基 金 会 和 香 港 理 工 大 学 土 木 及 结 构 工 程 系 ,他 们 为 我 于 1999 年 初 在 香 港 短 期 工 作 访 问 提 供 了 很 好 的 工 作 条 件 , 使 我 在 香 港 期 间 完 成 了 本 书 的 修 改 与 定 稿 工 作 。 最 后 , 我要 感 谢 我 的 硕 士 研 究 生 段 颖 智 同 学 ,她 花 费 了 大 量 时 间 和 精 力 打 印 了 本 书 的 手 稿 。 本 书 作 为 大 学 本 科 关 于 结 构 工 程 的
16、 一 本 专 业 基 础 教 学 参 考 书 还 是 第 一 次 , 由于 我 们 学 识 有 限 , 书 中 不 当 或 错 误 之 处 , 敬 望 读 者 批 评 指 正 。李 国 强1999 年 5 月目 录第 1 篇 工 程 结 构 荷 载第 1 章 荷 载 类 型 1 1.1 荷 载 与 作 用 1 1.2 作 用 的 分 类 2思 考 题 2第 2 章 重 力 3 2.1 结 构 自 重 3 2.2 土 的 自 重 应 力 3 2.3 雪 荷 载 5 2.4 车 辆 重 力 10 2.5 楼 面 活 荷 载 13 2.6 人 群 荷 载 14思 考 题 15第 3 章 侧 压 力
17、16 3.1 土 的 侧 向 压 力 16 3.2 水 压 力 及 流 水 压 力 21 3.3 波 浪 荷 载 23 3.4 冻 胀 力 28 3.5 冰 压 力 32 3.6 撞 击 力 33思 考 题 33第 4 章 风 荷 载 35 4.1 风 的 有 关 知 识 35 4.2 风 压 38 4.3 结 构 抗 风 计 算 的 几 个 重 要 概 念 45 4.4 顺 风 向 结 构 风 效 应 50 4.5 横 风 向 结 构 风 效 应 61思 考 题 69第 5 章 地 震 作 用 70 5.1 地 震 基 本 知 识 70 7.1 荷 载 的 概 率 模 型 115 7.2 荷
18、 载 的 各 种 代 表 值 119 7.3 荷 载 效 应 及 荷 载 效 应 组 合 121目 录 7 5.2 单 质 点 体 系 地 震 作 用 80 5.3 多 质 点 体 系 地 震 作 用 89思 考 题 99第 6 章 其 他 作 用 101 6.1 温 度 作 用 101 6.2 变 形 作 用 102 6.3 爆 炸 作 用 104 6.4 浮 力 作 用 108 6.5 制 动 力 与 冲 击 力 109 6.6 离 心 力 110 6.7 预 加 力 111思 考 题 114第 2 篇 工 程 结 构 可 靠 度 设 计 原 理第 7 章 荷 载 的 统 计 分 析 11
19、5思 考 题 124第 8 章 结 构 抗 力 的 统 计 分 析 125 8.1 影 响 结 构 抗 力 的 不 定 性 125 8.2 结 构 构 件 材 料 性 能 的 不 定 性 126 8.3 结 构 构 件 几 何 参 数 的 不 定 性 128 8.4 结 构 构 件 计 算 模 式 的 不 定 性 129 8.5 结 构 构 件 抗 力 的 统 计 特 征 131思 考 题 135第 9 章 结 构 可 靠 度 分 析 136 9.1 结 构 可 靠 度 基 本 概 念 136 9.2 结 构 可 靠 度 分 析 的 实 用 方 法 141 9.3 相 关 随 机 向 量 的
20、结 构 可 靠 度 计 算 151 9.4 结 构 体 系 的 可 靠 度 159思 考 题 163第 10 章 结 构 概 率 可 靠 度 设 计 法 164 10.1 结 构 设 计 的 目 标 164 10.2 结 构 概 率 可 靠 度 的 直 接 设 计 法 165 10.3 结 构 概 率 可 靠 度 设 计 的 实 用 表 达 式 1698 目 录 思 考 题 181附 录 常 用 工 程 结 构 材 料 密 度 183参 考 文 献 186第 1 篇 工 程 结 构 荷 载第 1 章 荷 载 类 型 1.1 荷 载 与 作 用工 程 结 构 (如 房 屋 、 桥 梁 、 隧 道
21、 等 ) 最 重 要 的 一 项 功 能 是 承 受 其 使 用 过 程 中 可 能 出 现 的 各 种 环 境 作 用 。 如 房 屋 结 构 要 承 受 自 重 、 人 群 和 家 具 重 量 以 及 风 和 地 震 作 用 等 , 桥 梁 结 构 要 承 受 车 辆 重 力 、 车 辆 制 动 力 与 冲 击 力 、 水 流 压 力 等 , 隧 道 结 构 要 承 受 水 土 压 力 、 爆 炸 作 用 等 。 将 由 各 种 环 境 因 素 产 生 的 直 接 作 用 在 结 构 上 的 各 种 力 称 为 荷 载 。 由 地 球 引 力 产 生 的 力 为 重 力 , 任 何 结 构
22、 都 将 受 到 重 力 的 作 用 。 由 土 、 水 、 风 等 产 生 的 作 用 在 结 构 上 的 压 力 称 为 土 压 力 、 水 压 力 、 风 压 力 (习 惯 称 风 荷 载 或 风 载 )。 由 爆 炸 、 运 动 物 体 的 冲 击 、 制 动 或 离 心 作 用 等 产 生 的 作 用 在 结 构 上 的 其 它 物 体 的 惯 性 力 也 均 称 为 荷 载 。作 用 在 结 构 上 的 荷 载 会 使 结 构 产 生 内 力 、 变 形 等 (称 为 效 应 )。 结 构 设 计 的 目 标 就 是 确 保 结 构 的 承 载 能 力 足 以 抵 抗 内 力 ,
23、而 变 形 控 制 在 结 构 能 正 常 使 用 的 范 围 内 。 工 程 师 发 现 , 进 行 结 构 设 计 时 , 不 仅 要 考 虑 上 述 直 接 作 用 在 结 构 上 的 各 种 荷 载 作 用 , 还 应 考 虑 引 起 结 构 内 力 、 变 形 等 效 应 的 其 它 非 直 接 作 用 因 素 。 能 够 引 起 结 构 内 力 、 变 形 等 效 应 的 非 直 接 作 用 因 素 , 如 地 震 、 温 度 变 化 、 基 础 不 均 匀 沉 降 、 焊 接 等 , 称 为 间 接 作 用 。为 了 统 一 , 将 能 使 结 构 产 生 效 应 (结 构 或
24、构 件 的 内 力 、 应 力 、 位 移 、 应 变 、 裂 缝 等 ) 的 各 种 因 素 总 称 为 作 用 ; 而 将 可 归 结 为 作 用 在 结 构 上 的 力 的 因 素 称 为 直 接 作用 (图 1-1a ); 将 不 是 作 用 力 但 同 样 引 起 结 构 效 应 的 因 素 称 为 间 接 作 用 (图 1-1b)。严 格 意 义 上 , 只 有 直 接 作 用 才 可 称 为 荷 载 , 但 习 惯 上 (特 别 是 工 程 中 ) 也 将 间 接 作 用 称 为 荷 载 , 此 时 荷 载 可 理 解 为 具 有 广 义 的 意 义 。 狭 义 的 荷 载 (或
25、 严 格图 1-1 作 用 与 效 应(a ) 直 接 作 用 (重 力 ) ; ( b) 间 接 作 用 ( 升 温 )2 第 1 章 荷 载 类 型 意 义 的 荷 载 ) 与 直 接 作 用 等 价 , 而 广 义 的 荷 载 (包 括 直 接 作 用 与 间 接 作 用 ) 与 作 用 等 价 。 1.2 作 用 的 分 类为 便 于 工 程 结 构 设 计 , 且 利 于 考 虑 不 同 的 作 用 所 产 生 的 效 应 的 性 质 和 重 要 性 不 同 , 对 结 构 承 受 的 各 种 环 境 作 用 , 可 按 下 列 原 则 分 类 :1. 按 随 时 间 的 变 异 分
26、 类(1) 永 久 作 用 : 在 结 构 设 计 基 准 期 内 其 值 不 随 时 间 变 化 , 或 其 变 化 与 平 均 值 相 比 可 以 忽略不 计。 例 如, 结构 自重 、 土压力 、 水压力 、 预加 应力、 基 础沉 降、 焊接 等。(2) 可 变 作 用 : 在 结 构 设 计 基 准 期 内 其 值 随 时 间 变 化 , 且 其 变 化 与 平 均 值 相 比 不 可 忽 略 。 例 如 , 车 辆 重 力 、 人 员 设 备 重 力 、 风 荷 载 、 雪 荷 载 、 温 度 变 化 等 。 (3) 偶 然 作 用 : 在 结 构 设 计 基 准 期 内 不 一
27、定 出 现 , 而 一 旦 出 现 其 量 值 很 大 且持 续 时 间 较 短 。 例 如 , 地 震 、 爆 炸 等 。 由 于 可 变 作 用 的 变 异 性 比 永 久 作 用 的 变 异 性 大 , 可 变 作 用 的 相 对 取 值 (与 其平 均 值 之 比 ) 应 比 永 久 作 用 的 相 对 取 值 大 。 另 外 , 由 于 偶 然 作 用 的 出 现 概 率 较 小 , 结 构 抵 抗 偶 然 作 用 的 可 靠 度 可 比 抵 抗 永 久 作 用 和 可 变 作 用 的 可 靠 度 低 。2. 按 随 空 间 位 置 的 变 异 性 分 类(1) 固 定 作 用 :
28、在 结 构 空 间 位 置 上 具 有 固 定 的 分 布 。 例 如 , 结 构 自 重 、 结 构 上 的 固 定 设 备 荷 载 等 。(2) 可 动 作 用 : 在 结 构 空 间 位 置 上 的 一 定 范 围 内 可 以 任 意 分 布 。 例 如 , 房 屋 中 的 人 员 、 家 具 荷 载 、 桥 梁 上 的 车 辆 荷 载 等 。由 于 可 动 作 用 可 以 任 意 分 布 , 结 构 设 计 时 应 考 虑 它 在 结 构 上 引 起 最 不 利 效 应 的 分 布 情 况 。3. 按 结 构 的 反 应 分 类(1) 静 态 作 用 : 对 结 构 或 结 构 构 件
29、 不 产 生 加 速 度 或 其 加 速 度 可 以 忽 略 不 计 。 例 如 , 结 构 自 重 、 土 压 力 、 温 度 变 化 等 。(2) 动 态 作 用 : 对 结 构 或 结 构 构 件 产 生 不 可 忽 略 的 加 速 度 。 例 如 , 地 震 、 风 、 冲 击 和 爆 炸 等 。对 于 动 态 作 用 , 必 须 考 虑 结 构 的 动 力 效 应 , 按 动 力 学 方 法 进 行 结 构 分 析 , 或 按 动 态 作 用 转 换 成 等 效 静 态 作 用 , 再 按 静 力 学 方 法 进 行 结 构 分 析 。思 考 题1.1 荷 载 与 作 用 在 概 念
30、 上 有 何 不 同 ?1.2 说 明 直 接 作 用 与 间 接 作 用 的 区 别 。1.3 作 用 (或 荷 载 ) 有 哪 些 类 型 ?第 2 章 重 力 2.1 结 构 自 重结 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 :式 中 Gb 构 件 的 自 重 (kN );Gb = V (2-1) 构 件 材 料 的 重 度 (kN / m 3 );V 构
31、 件 的 体 积 , 一 般 按 设 计 尺 寸 确 定 (m 3 )。 本 书 附 录 列 举 了 工 程 结 构 基 本 材 料 的 质 量 密 度 , 可 予 以 参 考 。 式 ( 2-1) 适 用于 一 般 建 筑 结 构 、 桥 梁 结 构 以 及 地 下 结 构 等 各 构 件 自 重 计 算 , 但 必 须 注 意 土 木 工 程 中 结 构 各 构 件 的 材 料 重 度 可 能 不 同 , 计 算 结 构 总 自 重 时 可 将 结 构 人 为 地 划 分 为 许 多 容 易 计 算 的 基 本 构 件 , 先 计 算 基 本 构 件 的 重 量 , 然 后 叠 加 即 得
32、 到 结 构 总 自 重 , 计 算 公 式 为 :式 中 G 结 构 总 自 重 (kN );nG = iVi (2-2)i= 1n 组 成 结 构 的 基 本 构 件 数 ; i 第 i 个 基 本 构 件 的 重 度 (kN / m 3 );3Vi 第 i 个 基 本 构 件 的 体 积 (m )。在 进 行 建 筑 结 构 设 计 时 , 为 了 工 程 上 应 用 方 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 载 。 作 为 近 似 估 算 , 对 一 般 的 木 结 构 建 筑 , 其 平 均楼 面 恒 载 可
33、取 为 1.98 2.48kN / m 2 ; 对 钢 结 构 建 筑 , 平 均 恒 载 大 约 为 2.48 3.96k N / m 2 ; 对 钢 筋 混 凝 土 结 构 的 建 筑 , 其 值 在 4.95 7.43k N / m 2 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% 80% 。在 进 行 道 路 工 程 设 计 时 , 尤 其 在 高 速 公 路 的 设 计 中 , 应 特 别 重 视 路 堤 的 重 力 效 应 。 路 堤 的 自 重 计 算 可 参 照 下 一 节 土 的 自 重 计 算
34、 , 在 此 不 再 赘 述 。 2.2 土 的 自 重 应 力土 是 由 土 颗 粒 、 水 和 气 所 组 成 的 三 相 非 连 续 介 质 。 若 把 土 体 简 化 为 连 续 体 , 而4 第 2 章 重 力 应 用 连 续 介 质 力 学 (例 如 弹 性 力 学 ) 来 研 究 土 中 应 力 的 分 布 时 , 应 注 意 到 , 土 中 任 意 截 面 上 都 包 括 有 骨 架 和 孔 隙 的 面 积 在 内 , 所 以 在 地 基 应 力 计 算 时 都 只 考 虑 土 中 某 单 位 面 积 上 的 平 均 应 力 。 必 须 指 出 , 只 有 通 过 土 粒 接
35、触 点 传 递 的 粒 间 应 力 才 能 使 土 粒 彼 此 挤 紧 , 从 而 引 起 土 体 的 变 形 , 而 且 粒 间 应 力 又 是 影 响 土 体 强 度 的 一 个 重 要 因 素 , 所 以 粒 间 应 力 又 称 为 有 效 应 力 。 因 此 , 土 的 自 重 应 力 即 为 土 自 身 有 效 重 力 在 土 体 中 所 引 起 的 应 力 。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
36、 匀 , 土 层 的 天 然 重 度 为 , 则 在 天 然 地 面 下 任 意 深 度 z 处 a -a 水 平 面 上 的 竖 直 自 重 应 力 cz, 可 取 作 用 于 该 水 平 面 上 任 一 单 位 面 积 的 土 柱 体 自 重 1 计 算 , 即 : cz = z (2-3) cz 沿 水 平 面 均 匀 分 布 , 且 与 z 成 正 比 , 即 随 深 度 按 直 线 规 律 分 布 。 如 图 2-1 所图 2-1 均 质 土 中 竖 向 自 重 应 力( a ) 沿 深 度 的 分 布 ; (b) 任 意 水 平 面 的 分 布示 。 一 般 情 况 下 , 地 基
37、 土 是 由 不 同 重 度 的 土 层 所 组 成 。 天 然 地 面 下 深 度 z 范 围 内 各 层 土 的 厚 度 自 上 而 下 分 别 为 h1 、 h2 、 hi、 hn , 则 成 层 土 深 度 z 处 的 竖 直 有 效 自 重 应 力 的 计 算 公 式 为 :n cz = 1 h1 + 2 h2 + + n hn = ihi (2-4)i= 1式 中 n 从 天 然 地 面 起 到 深 度 z 处 的 土 层 数 ; hi 第 i 层 土 的 厚 度 (m ); i 第 i层 土 的 天 然 重 度 , 若 土 层 位 于 地 下 水 位 以 下 , 由 于 受 到
38、水 的 浮 力 作 用 , 单 位 体 积 中 , 土 颗 粒 所 受 的 重 力 扣 除 浮 力 后 的 重 度 称 为 土 的 有 效 重 度 i, 是 土 的 有 效 密 度 与 重 力 加 速 度 的 乘 积 , 这 时 计 算 土 的 自 重 应 力 应 取 土 的 有 效 重 度 i 代 替 天 然 重 度 i。 对 一 般 土 , 常 见 变 化 范 2.3 雪 荷 载 5围 为 8.0 13.0k N / m 3 。计 算 土 中 竖 向 自 重 应 力 在 划 分 土 层 时 , 一 般 以 每 层 土 为 原 则 , 但 需 考 虑 地 下 水 位 , 若 地 下 水 位
39、位 于 某 一 层 土 体 中 , 则 需 将 该 层 土 划 分 为 二 层 土 。 图 2-2 为 一 典 型 成 层 土 中 竖 向 自 重 应 力 沿 深 度 变 化 的 分 布 。图 2-2 成 层 土 中 竖 向 自 重 应 力 沿 深 度 的 分 布 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 , 因 雪 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 , 对 雪 荷 载 更 为 敏 感 。 因 此 在 有
40、雪 地 区 , 在 结 构 设 计 中 必 须 考 虑 雪 荷 载 。2.3.1 基 本 雪 压所 谓 雪 压 是 指 单 位 面 积 地 面 上 积 雪 的 自 重 , 而 基 本 雪 压 是 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 。 决 定 雪 压 值 大 小 的 是 雪 深 和 雪 重 度 , 即S = d (2-5)式 中 S 雪 压 (N / m 2 ); 雪 重 度 (N / m 3 );d 雪 深 (m )。 1. 雪 重 度雪 重 度 是 一 个 随 时
41、 间 和 空 间 变 化 的 量 , 它 随 积 雪 厚 度 、 积 雪 时 间 的 长 短 即 地 理 气 候 条 件 等 因 素 的 变 化 而 有 较 大 的 差 异 。36 第 2 章 重 力 图 2-3 雪 重 度 随 雪 深 的 变 化新 鲜 下 落 的 雪 重 度 较 小 , 大 约 为 500 1000N / m 3 。 当 积 雪 达 到 一 定 的 厚 度 时 , 积 存 在 下 层 的 雪 由 于 受 到 上 层 雪 的 压 缩 其 密 度 增 加 。 越 靠 近 地 面 , 雪 的 重 度 越 大 , 雪 深 越 大 , 下 层 的 重 度 越 大 。图 2-3 是 在
42、 法 国 某 地 实 测 得 到 的 雪 重 度 随 积 雪 深 度 的 变 化 。在 寒 冷 地 区 , 积 雪 时 间 一 般 较 长 甚 至 存 在 整 个 冬 季 , 随 着 时 间 的 延 续 , 积 雪 由 于 受 到 压 缩 、 融 化 、 蒸发 及 人 为 搅 动 等 , 其 重 度 不 断 增 加 。 从 冬 初 到 冬 末 , 雪 重 度 可 差 1 倍 。 图 2-4为 某 地 雪 重 度 随 时 间 的 变 化 。不 少 国 家 对 雪 重 度 作 了 统 计 研 究 , 得 出 一 些 有 关 雪 重 度 (N / m 3 ) 的 计 算 公 式 。 例 如 :(1)
43、 前 苏 联 建 议 的 公 式 = (90 + 130 d )(1.5 + 0.17式 中 d 雪 深 (m );T 整 个 积 雪 期 间 的 平 均 温 度 ( ); v 整 个 积 雪 期 间 的 平 均 风 速 (m / s)。(2) 瑞 典 建 议 的 公 式T )(10 + v ) (2-6) = 1550 + 7t (2-7)式 中 t 11 月 份 以 后 的 积 雪 存 留 天 数 。 (3) 匈 牙 利 建 议 的 公 式 = 1530 + 495R (2-8)式 中 R 降 雪 次 数 。(4) 国 际 结 构 安 全 联 合 委 员 会 建 议 的 公 式 = 300
44、0 - 2000e- 1 .5d (2-9)式 中 d 雪 深 (m )。可 见 , 雪 重 度 是 随 雪 深 和 时 间 变 化 的 。 然 而 为 工 程 应 用 方 便 , 常 将 雪 重 度 定 为 常 值 , 即 以 某 地 区 的 气 象 记 录 资 料 经 统 计 后 所 得 雪 重 度 平 均 值 或 某 分 位 值 作 为 该 地 区 的 雪 重 度 。 例 如 , 前 苏 联 、 罗 马 尼 亚 等 国 家 取 雪 重 度 为 2.2k N / m 3 , 加 拿 大 取 图 2 -4 雪 重 度 随 时 间 的 变 化 2.3 雪 荷 载 72kN / m 3 , 法
45、国 取 1.5 kN / m 3 。 而 我 国 由 于 幅 员 辽 阔 , 气 候 条 件 差 异 较 大 , 故 对 不 同 地 区 取 不 同 的 雪 重 度 值 , 东 北 及 新 疆 北 部 地 区 取 1.5 kN / m 3 ;华 北 及 西 北 地 区 取1.3kN / m 3 ,其 中 青 海 取 1.2kN / m 3 ; 淮 河 、 秦 岭 以 南 地 区 一 般 取 1.5kN / m 3 , 其 中 江 西 、 浙 江 取 2.0kN / m 3 。2. 基 本 雪 压 的 统 计确 定 了 雪 重 度 以 后 , 只 要 量 测 雪 深 , 就 可 按 式 (2-5
46、) 计 算 雪 压 。 基 本 雪 压 一 般 根 据 年 最 大 雪 压 进 行 统 计 分 析 确 定 。 图 2-5 是 我 国 按 30 年 一 遇 重 现 期 确 定 的 基 本 雪 压 分 布 图 。应 当 指 出 , 最 大 雪 深 与 最 大 雪 重 度 两 者 并 不 一 定 同 时 出 现 。 当 年 最 大 雪 深 出 现 时 , 对 应 的 雪 重 度 多 数 情 况 下 不 是 本 年 度 的 最 大 值 。 因 此 采 用 平 均 雪 重 度 来 计 算 雪 压 有 一 定 的 合 理 性 。 当 然 最 好 的 方 法 是 像 美 国 气 象 部 门 一 样 ,
47、直 接 记 录 地 面 雪 压 值 , 这 样 可 避 免 最 大 雪 深 与 最 大 雪 重 度 不 同 时 出 现 带 来 的 问 题 , 所 以 能 准 确 确 定 真 正 的 年 最 大 雪 压 值 。3. 海 拔 高 度 对 基 本 雪 压 的 影 响 一 般 山 上 的 积 雪 比 附 近 平 原 地 区 的 积 雪 要 大 , 并 且 随 山 区 地 形 海 拔 高 度 的 增加 而 增 大 。 其 中 主 要 原 因 是 由 于 海 拔 较 高 地 区 的 温 度 较 低 , 从 而 使 降 雪 的 机 会 增 多 , 且 积 雪 的 融 化 延 缓 。 图 2-6 是 欧 洲
48、 一 些 国 家 给 出 的 基 本 雪 压 随 海 拔 高 度 的 变 化 曲 线 。图 2-6 欧 洲 国 家 地 面 雪 压 随 海 拔 高 度 的 变 化8 第 2 章 重 力 2.3.2 屋 面 的 雪 压基 本 雪 压 是 针 对 地 面 上 的 积 雪 荷 载 定 义 的 。 屋 面 的 雪 荷 载 由 于 多 种 因 素 的 影 响 , 往 往 与 地 面 雪 荷 载 不 同 。 造 成 屋 面 积 雪 与 地 面 积 雪 不 同 的 主 要 原 因 有 : 风 、 屋 面 形 式 、 屋 面 散 热 等 。1. 风 对 屋 面 积 雪 的 影 响在 下 雪 过 程 中 , 风
49、 会 把 部 分 本 将 飘 落 在 屋 面 上 的 雪 吹 积 到 附 近 的 地 面 上 或 其 它 较 低 的 物 体 上 , 这 种 影 响 称 为 风 的 漂 积 作 用 。 当 风 速 较 大 或 房 屋 处 于 特 别 曝 风 位 置 时 , 部 分 已 经 积 在 屋 面 上 的 雪 会 被 风 吹 走 , 从 而 导 致 平 屋 面 或 小 坡 度 (坡 度 小 于 10) 屋 面 上 的 雪 压 普 遍 比 邻 近 地 面 上 的 雪 压 要 小 。 前 苏 联 、 加 拿 大 等 国 家 的 调 查 表 明 , 屋 面 雪 荷 载 小 于 地 面 雪 荷 载 。 如 果 用 平 屋 面 上 的 雪 压 值 与 地 面 上 雪 压 值 之 比 e 来 衡 量 风 的 漂 积 作 用 大 小 , 则 e 值 的 大 小 与 房
