《作用與荷載設計》課件

作用與荷載設計作用與荷載設計是結構設計的重要組成部分。它直接影響結構的安全性、可靠性和經濟性。課程大綱第一章作用與荷載的基本概念包括荷載的分類、荷載的標準、荷載的組合等。第二章構件受力分析包括平面桁架分析、平板及殼體分析、簡支梁分析等。第三章極限狀態(tài)設計理論包括承載能力極限狀態(tài)、服役極限狀態(tài)、穩(wěn)定性極限狀態(tài)等。第四章材料性能與安全系數(shù)包括不同材料的性能、設計安全系數(shù)的選取等。1.基本概念荷載結構物在使用過程中受到各種外力的作用，這些外力稱為荷載。荷載會對結構物產生壓力和拉力，因此工程師必須根據荷載的類型和大小來設計結構物。作用結構物在受到荷載作用時，會產生各種作用，例如彎曲、扭轉和剪切等。這些作用是結構物抵抗荷載的關鍵因素。設計作用與荷載設計是結構設計中一個重要的部分，其目標是確保結構物在荷載作用下能夠安全可靠地運行。荷載的分類11.自重荷載結構本身的重量，包括建筑材料、構件等。22.永久荷載作用時間較長，基本保持不變，例如固定設備、管道等。33.可變荷載作用時間較短，隨時間變化，例如人員、家具、雪等。44.偶然荷載極少發(fā)生的荷載，例如地震、爆炸等。常用荷載標準建筑荷載包含各種結構自重、設備荷載、屋面荷載、人流荷載等屋面荷載主要考慮屋面本身的重量、雪荷載、風荷載等起重機荷載主要考慮起重機本身重量、吊運貨物重量和行駛荷載等風荷載主要考慮風對建筑物的沖擊力，與建筑物高度、形狀、風速有關荷載組合基本荷載組合基本荷載組合用于計算結構在正常使用狀態(tài)下的承載能力，例如，自重荷載加上活荷載的組合。偶然荷載組合偶然荷載組合用于計算結構在意外情況下所承受的荷載，例如，地震荷載、風荷載等。特殊荷載組合特殊荷載組合用于計算結構在特殊情況下所承受的荷載，例如，爆炸荷載、撞擊荷載等。荷載組合原則荷載組合應考慮各種荷載的組合方式，并確保結構在各種荷載組合作用下能夠安全可靠。2.構件受力分析梁梁是承受橫向載荷的構件，其主要受力形式為彎矩和剪力。柱柱是承受軸向壓力和彎矩的構件，其主要受力形式為軸力。桁架桁架是由桿件通過節(jié)點連接而成的結構體系，主要承受軸向力。板板是承受面內載荷的構件，其主要受力形式為彎矩和剪力。平面桁架分析基本假設假設桿件為理想剛性桿，節(jié)點為理想鉸接，僅承受軸向力。力平衡方程基于靜力學原理，建立節(jié)點力平衡方程，求解桿件內力。結構分析方法可采用節(jié)點法、截面法或矩陣方法等進行分析，計算桿件內力。繪制內力圖根據計算結果繪制內力圖，直觀顯示桁架受力情況。平板及殼體分析1平板結構平板結構是指由薄板材料構成，并通過邊界約束形成的結構形式。平板結構具有輕質、高強度、易加工等優(yōu)點，在建筑、航空航天等領域得到廣泛應用。2殼體結構殼體結構是指由曲面薄板構成，并通過邊界約束形成的結構形式。殼體結構具有高承載能力、良好的剛度和穩(wěn)定性，在建筑、橋梁、船舶等領域得到了廣泛應用。3分析方法平板及殼體結構的分析方法主要包括有限元法、解析法等。有限元法是一種數(shù)值方法，可以用來模擬復雜結構的力學行為。解析法是一種數(shù)學方法，可以用來求解簡單結構的精確解。簡支梁分析1荷載類型集中荷載、均布荷載、梯形荷載2支座條件簡支梁、懸臂梁、連續(xù)梁3截面形狀矩形截面、圓形截面、T形截面4材料性能鋼材、混凝土、木材5計算方法力矩法、位移法、矩陣法簡支梁分析是結構力學中的重要內容，通過分析梁的受力情況，可以計算出梁的內力分布以及變形情況。3.極限狀態(tài)設計承載能力極限狀態(tài)結構抵抗力小于作用荷載，導致結構破壞或喪失使用功能。例如：建筑物倒塌、橋梁斷裂。服役極限狀態(tài)結構變形過大或振動過強，影響使用功能或舒適性。例如：樓板過大撓度、墻體裂縫過大。承載能力極限狀態(tài)結構抵抗破壞結構抵抗外荷載導致破壞的能力。極限狀態(tài)設計保證結構在使用壽命內不發(fā)生失效，例如斷裂、屈服或失穩(wěn)。安全系數(shù)考慮材料強度、施工誤差等因素，提高結構安全裕度。服役極限狀態(tài)11.使用功能服役極限狀態(tài)主要考慮結構在使用過程中是否滿足功能要求，例如房屋的整體穩(wěn)定性、隔聲、隔熱等。22.外觀結構的變形、裂縫等是否符合美觀要求，例如橋梁的整體外觀，建筑的立面等。33.耐用性結構是否能夠在使用壽命期內正常使用，例如混凝土的耐久性、鋼材的防腐蝕性等。44.舒適性結構的振動、噪音等是否符合舒適性要求，例如高層建筑的防風性能、高鐵的舒適性等。穩(wěn)定性極限狀態(tài)穩(wěn)定性結構抵抗倒塌、失穩(wěn)和整體破壞的能力?？箖A覆抵抗外部荷載引起的傾覆和旋轉的能力?？箓纫频挚箼M向荷載引起的側移和失穩(wěn)的能力?？骨挚馆S向荷載引起的屈曲和失穩(wěn)的能力。4.材料性能與安全系數(shù)不同材料性能材料性能直接影響結構的承載能力和耐久性。不同材料具有不同的強度、彈性模量、抗拉強度和抗剪強度等。例如，混凝土的抗壓強度較高，但抗拉強度較低；鋼材的抗拉強度和抗剪強度較高，但抗壓強度較低。設計安全系數(shù)選取設計安全系數(shù)是為了考慮材料性能的離散性和施工質量的不確定性。安全系數(shù)的選擇應考慮材料性能、結構類型、荷載性質和使用環(huán)境等因素。通常，安全系數(shù)取值越高，結構越安全。不同材料性能混凝土混凝土具有高抗壓強度，但抗拉強度較低，耐腐蝕性強。鋼鋼材具有高強度和韌性，可用于各種結構中。木材木材易于加工，重量輕，但強度較低。磚磚具有良好的耐火性和隔熱性，但強度和耐久性有限。設計安全系數(shù)選取結構類型不同結構類型，例如鋼結構、混凝土結構、木結構，需要采用不同的安全系數(shù)。這取決于材料的強度、延性、脆性等因素。荷載類型對于不同的荷載，如永久荷載、可變荷載、地震荷載等，也需要選擇不同的安全系數(shù)。重要程度對結構物的安全等級也需考慮。對于重要的公共建筑，安全系數(shù)應高于一般建筑。規(guī)范要求最終，安全系數(shù)的選取應符合相關規(guī)范的要求，確保結構的安全可靠。5.設計舉例11.混凝土結構梁柱設計混凝土梁柱設計需要考慮荷載、材料強度、尺寸等因素，以確保結構安全和耐久性。22.鋼結構柱件設計鋼結構柱件設計涉及截面形狀、材料強度、連接方式等，并需進行穩(wěn)定性分析。33.木結構屋架設計木結構屋架設計需考慮木材特性、連接方式、荷載分布，確保結構的承載能力和抗風性?；炷两Y構梁柱設計1荷載計算考慮各種作用確定設計荷載2截面選擇滿足強度要求控制變形3配筋設計滿足承載力控制裂縫寬度4節(jié)點構造確保連接可靠考慮施工方便性鋼結構柱件設計1荷載計算確定柱子承受的荷載大小2截面選擇根據荷載和材料選擇合適的截面尺寸3穩(wěn)定性驗算確保柱子在荷載作用下不會發(fā)生失穩(wěn)4強度驗算確保柱子的強度足夠承受荷載5連接設計設計柱子與其他構件的連接方式鋼結構柱件設計需要綜合考慮荷載、材料、截面尺寸、穩(wěn)定性、強度等因素。設計過程中需要進行一系列的計算和驗算，確保結構的安全性和可靠性。木結構屋架設計1結構特點木結構屋架輕巧美觀，具有良好的隔熱保溫性能，適合用于多種建筑類型。2設計步驟首先確定屋架的尺寸和形狀，然后計算荷載，并選擇合適的木材材料，最后進行結構設計。3施工要點注意木結構屋架的連接節(jié)點設計，保證屋架的強度和穩(wěn)定性，并進行防腐防蟲處理。6.設計注意事項工況分析設計過程應充分考慮結構在不同工況下的受力情況，包括靜載荷、動載荷、溫度變化等因素。荷載組合選取根據不同工況，選擇合適的荷載組合，并進行荷載效應的疊加分析，確保結構安全。變形控制控制結構在使用過程中的變形，避免過大的沉降和撓度，確保結構的功能性和美觀性。工況分析正常使用狀態(tài)正常使用狀態(tài)下，結構承受各種日常荷載，例如人員、家具、設備等的重量，同時還應考慮風荷載、雪荷載等自然因素的影響。特殊工況特殊工況是指在正常使用狀態(tài)以外，結構可能承受的特殊荷載，例如地震荷載、火災荷載、施工荷載等，這些荷載強度通常比正常使用狀態(tài)下的荷載高。荷載組合選取11.常規(guī)荷載組合常規(guī)荷載組合適用于大多數(shù)結構設計，包括永久荷載和可變荷載。22.特殊荷載組合針對特殊情況，如地震、風荷載或爆炸荷載，需要考慮特殊荷載組合。33.荷載系數(shù)荷載系數(shù)用于考慮荷載的不確定性，保證結構的安全可靠性。44.設計規(guī)范選擇荷載組合需遵循相關規(guī)范要求，以確保結構的安全性。變形控制限制變形結構的變形會影響建筑物的外觀和使用功能，必須限制在允許范圍內。荷載效應不同荷載會產生不同的變形，需要根據荷載類型和大小進行控制。材料特性不同材料的彈性模量不同，會影響結構的變形，需要考慮材料特性。結構形式不同的結構形式會影響結構的剛度和變形，需要根據結構形式進行控制。7.設計過程示范1問題提出結構設計需求2方案選擇材料和結構形式3計算與驗算荷載分析和強度驗證4總結與展望設計結果和未來改進設計過程示范展示了結構設計從問題提出到最終結果的完整流程。從明確設計需求開始，經過方案選擇、計算與驗算，最終得到設計結果，并展望未來改進方向。問題提出項目背景首先，需要了解項目背景和具體需求，包括建筑類型、規(guī)模、使用功能等。設計要求其次，明確設計要求，包括荷載標準、安全等級、材料選擇、施工工藝等。問題分析根據項目背景和設計要求，分析可能遇到的荷載問題，例如集中荷載、分布荷載、風荷載、地震荷載等。目標明確最終，明確設計目標，例如保證結構安全、經濟性、美觀度、耐久性等。方案選擇結構類型選擇合適的結構類型，例如框架結構、剪力墻結構、組合結構等，以滿足建筑物的功能要求和荷載要求。材料選擇根據結構類型、荷載大小、環(huán)境條件等因素選擇合適的材料，例如混凝土、鋼材、木材等。構件尺寸根據結構類型、材料性能、荷載大小等因素確定構件的尺寸，確保結構的強度、剛度和穩(wěn)定性。施工方法選擇合適的施工方法，確保結構的質量和安全性。計算與驗算1確定荷載計算作用在結構上的荷載。