工程结构荷载和可靠度设计原理课件.ppt

工程结构荷载与工程结构荷载与工程结构荷载与工程结构荷载与可靠度设计原理可靠度设计原理可靠度设计原理可靠度设计原理2024/8/5工程结构荷载与可靠度设计原理2023/8/201第1章 荷载类型2024/8/5第1章 荷载类型1.1 荷载与作用1.2 作用的分类221.1 1.1 荷荷载与与作用作用荷载由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力，例如重力、土压力、水压力、风压力；效应结构的内力、位移、变形、应力、应变、裂缝、速度、加速度等；作用能使结构产生效应的各种因素总称为作用；直接作用直接作用在结构上的各种荷载；间接作用能引起结构内力、变形等效应的非直接作用因素，如地震、温度变化、基础不均匀沉降等2024/8/51.1 荷载与作用荷载由各种环境因素产生的直接作用在结构31.1 1.1 荷荷载与与作用作用 直接作用 狭义荷载 作用 广义荷载 间接作用2024/8/51.1 荷载与作用 2023/41.2 1.2 作用的分作用的分类1.按随时间的变异分类（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定出现而一旦出现其量值很大且持续时间较短例如，地震2024/8/51.2 作用的分类1.按随时间的变异分类2023/8/251.2 1.2 作用的分作用的分类2.按随空间位置的变异性分类（1）固定作用：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2024/8/51.2 作用的分类2.按随空间位置的变异性分类2023/61.2 1.2 作用的分作用的分类3.按结构的反应分类（1）静态作用：对结构或结构构件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2024/8/51.2 作用的分类3.按结构的反应分类2023/8/207第2章 重力2024/8/5第2章 重力2.1 结构自重2.2 土的自重应力2.82.1 2.1 结构构自重自重构件的自重（kN）式中构件材料的重度（kN/m3）构件的体积，一般按设计尺寸确定（m3）2024/8/52.1 结构自重构件的自重（kN）式中构件材料的重度（kN92.1 2.1 结构构自重自重按面积分布自重F2024/8/52.1 结构自重按面积分布自重F2023/8/20102.1 2.1 结构构自重自重按长度分布自重f2024/8/52.1 结构自重按长度分布自重f2023/8/20112.1 2.1 结构构自重自重均质土中竖向自重应力分布2024/8/52.1 结构自重均质土中竖向自重应力分布2023/8/20122.1 2.1 结构构自重自重成层土中竖向自重应力沿深度的分布2024/8/52.1 结构自重成层土中竖向自重应力沿深度的分布2023/132.1 2.1 结构构自重自重成层土深度z处的竖直有效自重应力式中从天然地面起到深度z处的土层数第i层土的厚度（m）第i层土的天然重度，若土层位于地下水位以下，计算土的自重应力时应取土的有效重度2024/8/52.1 结构自重成层土深度z处的竖直有效自重应力式中从天然142.1 2.1 结构构自重自重土的有效重度若土层位于地下水位以下，由于受到水的浮力作用，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，是土的有效密度与重力加速度的乘积水的重度，一般取10kN/m32024/8/52.1 结构自重土的有效重度若土层位于地下水位以下，由于受152.3 2.3 雪荷雪荷载2024/8/52.3 雪荷载2023/8/20162.3 2.3 雪荷雪荷载一、基本雪压定义：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。

式中：雪压(N/m2)雪重度(N/m3)雪深(m)2024/8/52.3 雪荷载一、基本雪压式中：雪压(N/m2)雪重度(N172.3 2.3 雪荷雪荷载雪重度随雪深的变化：2024/8/52.3 雪荷载雪重度随雪深的变化：2023/8/20182.3 2.3 雪荷雪荷载雪密度随时间的变化：基本雪压最好是直接量测，即直接记录地面雪压值最大雪深与最大雪重度两者并不一定同时出现2024/8/52.3 雪荷载雪密度随时间的变化：基本雪压最好是直接量测，192.3 2.3 雪荷雪荷载二、屋面的雪压 影响屋面雪压的因素：风；屋面形式；屋面散热风对屋面积雪的影响漂积作用 在下雪过程中，风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他较低的物体上，这种影响称为风的漂积作用2024/8/52.3 雪荷载二、屋面的雪压风对屋面积雪的影响漂积作用2202.3 2.3 雪荷雪荷载漂积作用的影响：使敞风较好的平屋面或小坡度屋面上的雪压小于邻近地面上的雪压；在高低跨屋面的情况下，在低屋面形成局部较大的漂积荷载；高低屋面上漂积雪的分布2024/8/52.3 雪荷载漂积作用的影响：高低屋面上漂积雪的分布202212.3 2.3 雪荷雪荷载对多跨屋面及曲线型屋面，屋谷附近区域的积雪比屋脊区大。

多跨屋面上的积雪分布2024/8/52.3 雪荷载对多跨屋面及曲线型屋面，屋谷附近区域的积雪比222.3 2.3 雪荷雪荷载屋面坡度对积雪的影响 当屋面坡度大到某一角度时，积雪就会在屋面上产生滑移或滑落，坡度越大滑落的雪越多，使屋面雪载越小屋面坡度对屋面积雪分布系数的影响 2024/8/52.3 雪荷载屋面坡度对积雪的影响屋面坡度对屋面积雪分布系232.3 2.3 雪荷雪荷载单跨双坡屋面雪载分布2024/8/52.3 雪荷载单跨双坡屋面雪载分布2023/8/20242.3 2.3 雪荷雪荷载屋面散热的影响 屋面散发的热量使部分积雪融化，同时也使雪滑移更易发生，故采暖房屋的积雪一般比非采暖房屋小2024/8/52.3 雪荷载屋面散热的影响 屋面散发的热252.4 2.4 车辆荷荷载定义对于公路桥，车辆荷载是指汽车、挂车、履带车等；对于铁路桥，车辆荷载是指列车车辆荷载标准车列荷载车道荷载2024/8/52.4 车辆荷载定义车辆荷载标准2023/8/20262.4 2.4 车辆荷荷载公路车辆荷载汽车荷载分为两个等级：公路级和公路级；对于桥梁结构的整体计算，汽车荷载采用车道荷载；对于桥梁的局部加载；对于涵洞、桥台和挡土墙压力等的计算，汽车荷载采用车辆荷载。

对于多车道桥涵，可根据多个车道上同时出现最大汽车荷载的概率大小，对荷载效应进行折减车道数越多，折减率越大2024/8/52.4 车辆荷载公路车辆荷载2023/8/20272.4 2.4 车辆荷荷载车辆荷载布置图单位（m）2024/8/52.4 车辆荷载车辆荷载布置图单位（m）2023/8/20282.4 2.4 车辆荷荷载列车荷载列车荷载应采用中华人民共和国铁路标准活载，及“中-活载”我国城市桥梁设计荷载标准规定的城-A级车道荷载2024/8/52.4 车辆荷载列车荷载我国城市桥梁设计荷载标准规定的城-292.5 2.5 楼楼面活荷面活荷载定义 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工程处理 考虑到楼面活荷载在楼面位置上的任意性，工程设计应用时，一般将其处理为楼面均布荷载折减 计算结构或构件楼面活荷载效应时，如引起效应的楼面活荷载面积超过一定的数值，则应对楼面均布活荷载折减2024/8/52.5 楼面活荷载定义工程处理折减2023/8/20302.5 2.5 楼楼面活荷面活荷载一些国家楼面均布活荷载取值（kN/m2）2024/8/52.5 楼面活荷载一些国家楼面均布活荷载取值（kN/m2）312.6 2.6 人群荷人群荷载公路桥梁设计中人群荷载一般取值为3kN/m2，市郊行人密集区域取值为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城市桥梁设计中需考虑人群荷载对结构的作用，人行道板的人群荷载取5kN/m2的均布荷载或1.5kN的集中竖向力作用在构件上进行计算，取其不利值；梁、桁架、拱及其他大跨结构的人群荷载可按书中公式计算，但不得小于2.4kN/m2人行天桥的人群荷载与城市桥梁的人群荷载取值方法差不多2024/8/52.6 人群荷载公路桥梁设计中人群荷载一般取值为3kN/m32第3章 侧压力2024/8/5第3章 侧压力3.1 土的侧向压力3.2 水压力及流水333.1 3.1 土的土的侧向向压力力一、基本概念定义 土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的土压力土压力是挡土墙的主要外荷载，设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点土压力的大小及分布规律受到墙体可能的移动方向、墙后填土的性质、填土面的形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素的影响2024/8/53.1 土的侧向压力一、基本概念2023/8/20343.1 3.1 土的土的侧向向压力力分类 根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。

2024/8/53.1 土的侧向压力分类2023/8/20353.1 3.1 土的土的侧向向压力力二、基本原理 一般土的侧向压力计算采用朗肯土压力理论或库伦土压力理论，前者应用较为普遍朗肯土压力理论的基本假设：（1）对象为弹性半空间土体；（2）不考虑挡土墙及回填土的施工因素；（3）挡土墙墙背竖直、光滑、填土面水平，无超载根据这些假设，墙背与填土之间无摩擦力，因而无剪应力，即墙背为主应力面2024/8/53.1 土的侧向压力二、基本原理朗肯土压力理论的基本假设：363.1 3.1 土的土的侧向向压力力弹性静止状态竖向应力：水平应力：塑性主动状态竖向应力：水平应力：2024/8/53.1 土的侧向压力弹性静止状态竖向应力：水平应力：塑性主373.1 3.1 土的土的侧向向压力力塑性被动状态竖向应力：水平应力：2024/8/53.1 土的侧向压力塑性被动状态竖向应力：水平应力：202383.1 3.1 土的土的侧向向压力力三、土压力的计算静止土压力2024/8/53.1 土的侧向压力三、土压力的计算静止土压力2023/8393.1 3.1 土的土的侧向向压力力主动土压力2024/8/53.1 土的侧向压力主动土压力2023/8/20403.1 3.1 土的土的侧向向压力力被动土压力2024/8/53.1 土的侧向压力被动土压力2023/8/20413.2 3.2 水水压力及流水力及流水压力力一、静水压力定义 静止的液体对其接触面产生的压力。

规律 静水压力的水平分力是水深的直线函数关系特点 静水压力总是作用在结构物表面的法线方向计算2024/8/53.2 水压力及流水压力一、静水压力2023/8/20423.2 3.2 水水压力及流水力及流水压力力水压力的分布图水压力的竖向分布其他几种水压力在结构物上的分布模式2024/8/53.2 水压力及流水压力水压力的分布图水压力的竖向分布其他433.2 3.2 水水压力及流水力及流水压力力二、动水压力当水流过结构物表面时，会对结构物产生切应力和正应力切应力只有在水高速流动时，才表现出来正应力=静水压力+动水压力即：时段平均动压力（Pa）;脉动压力（Pa）;2024/8/53.2 水压力及流水压力二、动水压力时段平均动压力（Pa）443.3 3.3 波浪荷波浪荷载波浪的性质成波原因：风、潮汐波浪特性：波长、周期、波幅h波浪参数2024/8/53.3 波浪荷载波浪的性质2023/8/20453.3 3.3 波浪荷波浪荷载影响波浪特性的主要因素：风速v，风的持续时间t，水深H和吹程D波浪荷载的计算构筑物的分类2024/8/53.3 波浪荷载影响波浪特性的主要因素：波浪荷载的计算构筑463.3 3.3 波浪荷波浪荷载直墙上的波浪荷载按三种波浪设计（1）立波；（2）近区破碎波，即构筑物附近半个波长范围内发生破碎的波；（3）远区破碎波，及距直墙半个波长以外发生破碎的波。

立波的压力 波峰压强、波谷压强 简化的Sainflow压强分布2024/8/53.3 波浪荷载直墙上的波浪荷载按三种波浪设计2023/473.3 3.3 波浪荷波浪荷载远区破碎波的压力 远区破碎波在直墙上的压强分布2024/8/53.3 波浪荷载远区破碎波的压力 远区483.3 3.3 波浪荷波浪荷载近区破碎波的压力 近区破碎波在直墙上的压强分布2024/8/53.3 波浪荷载近区破碎波的压力 近区493.3 3.3 波浪荷波浪荷载圆柱体上的波浪荷载（1）小圆柱体的波浪荷载计算（2）大圆柱体的波浪荷载计算2024/8/53.3 波浪荷载圆柱体上的波浪荷载2023/8/20503.4 3.4 冻胀力力冻土的概念、性质及与结构物的关系冻土的概念 具有负温度或零温度，其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土冻土的基本成分 固态的土颗粒、冰、液态水、气体和水汽冻土的性质 冻土是一种复杂的多相天然复合体，结构构造上也是一种非均质、各相异性的多孔介质其中，冰与土颗粒之间的胶结程度及其性质是评价冻土性质的重要因素2024/8/53.4 冻胀力冻土的概念、性质及与结构物的关系2023/8513.4 3.4 冻胀力力冻土的分类（根据冻土存在的时间）（1）多年冻土（或称永冻土）冻结状态持续三年以上的土层；（2）季节冻土每年冬季冻结，夏季全部融化的土层；（3）瞬时冻土冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层。

每年冬季冻结，夏季融化的地表（浅层土体），在多年冻土地区称之为季节融化层；在季节冻土地区称之为季节冻结层（即季节冻土层）2024/8/53.4 冻胀力冻土的分类（根据冻土存在的时间）2023/8523.4 3.4 冻胀力力冻土与结构物的关系冻土抵抗外力的强度提高；季节冻土与结构物的关系非常密切，在季节冻土地区修建的结构物由于土的冻胀作用而造成各种不同程度的冻胀破坏主要表现在冬季低温时结构物开裂、断裂，严重者造成结构物倾覆等；春融期间地基沉降，对结构产生形变作用的附加荷载2024/8/53.4 冻胀力冻土与结构物的关系2023/8/20533.4 3.4 冻胀力力土的冻胀原理土冻胀三要素：水分、土质、负温度水分由下部土体向冻结锋面迁移，使在冻结面上形成了冰夹层和冰透镜体，导致冻层膨胀，地层隆起含水量越大，地下水位越高，冻胀程度越大土体冻结时，土颗粒之间相互隔离，产生位移，使土体体积产生不均匀膨胀在封闭体系中，由于土体初始含水量冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力，冻胀力随着土体温度的变化而变化2024/8/53.4 冻胀力土的冻胀原理2023/8/20543.4 3.4 冻胀力力在开放体系中，分凝冰的劈裂作用，使地下水源源不断的补给孔隙水而侵入到土颗粒中间，使土颗粒被迫移动而产生冻胀力。

当冻胀力使土颗粒扩展受到束缚时，这种反束缚的冻胀力就表现出来，束缚力越大，冻胀力也就越大当冻胀力达到一定界限时，就不产生冻胀，这时的冻胀力就是最大冻胀力建筑在冻胀土上的结构物，使地基上的冻胀变形受到约束，使得地基土的冻结条件发生改变，进而改变着基础周围土体温度，并且将外部荷载传递到地基土中改变地基土冻结时的束缚力地基土冻结时产生的冻胀力将反映在对结构物的作用上，引起结构物的位移、变形2024/8/53.4 冻胀力在开放体系中，分凝冰的劈裂作用，使地下水源源553.4 3.4 冻胀力力冻胀力的分类及其计算土体冻结时，体积膨胀产生向四周扩张的内应力，这个力称为冻胀力冻胀力的分类（1）切向冻胀力；（2）法向冻胀力；（3）水平冻胀力2024/8/53.4 冻胀力冻胀力的分类及其计算2023/8/20563.4 3.4 冻胀力力作用在结构物基础上的冻胀力分类示意图2024/8/53.4 冻胀力作用在结构物基础上的冻胀力分类示意图2023573.4 3.4 冻胀力力冻胀力的计算（1）切向冻胀力计算2024/8/53.4 冻胀力冻胀力的计算2023/8/20583.4 3.4 冻胀力力（2）法向冻胀力计算2024/8/53.4 冻胀力（2）法向冻胀力计算2023/8/20593.4 3.4 冻胀力力（3）水平冻胀力计算2024/8/53.4 冻胀力（3）水平冻胀力计算2023/8/20603.5 3.5 冰冰压力力冰压力概念及分类冰压力概念 位于冰凌河流和水库中的结构物，如桥梁墩台，由于冰层的作用对结构产生一定的压力，称此压力为冰压力。

冰压力分类（1）河流流冰产生的冲击动压力；（2）冰堆整体推移的静压力；（3）风和水流作用于大面积冰层而产生的静压力；（4）冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力；（5）冰层因水位升降产生的竖向作用力2024/8/53.5 冰压力冰压力概念及分类2023/8/20613.5 3.5 冰冰压力力冰压力的计算 冰的破坏力取决于结构物的形状、气温及冰的抗压极限强度等因素，可按下式计算：2024/8/53.5 冰压力冰压力的计算2023/8/20623.6 3.6 撞撞击力力船只或水中漂流物对桥梁墩台的撞击力：船只或水中漂流物的重量（kN）；水流速度（m/s）；撞击时间（s），若无船只实测资料，一般取1s重力加速度（m/s2）；2024/8/53.6 撞击力船只或水中漂流物对桥梁墩台的撞击力：船只或水633.6 3.6 撞撞击力力2024/8/53.6 撞击力2023/8/2064第4章 风荷载2024/8/5第4章 风荷载4.1 风的有关知识4.4 顺风向结构风654.1 4.1 风的有的有关关知知识 4.1 风的有关知识4.1.1 风的形成4.1.2 两类性质的大风4.1.3 我国的风气候总况4.1.4 风级2024/8/54.1 风的有关知识4.1 风的有关知识4.1.1 风的664.1 4.1 风的有的有关关知知识4.1.1 风的形成风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。

2024/8/54.1 风的有关知识4.1.1 风的形成风是空气从气压大的674.1 4.1 风的有的有关关知知识4.1.2 两类性质的大风台风 弱的热带气旋 引入暖湿空气 在漩涡内部产生上升和对流运动 加强涡旋 台风季风 冬季：大陆冷，海洋暖，风：大陆 海洋 夏季：大陆热，海洋凉，风：海洋 大陆2024/8/54.1 风的有关知识4.1.2 两类性质的大风台风2023684.1 4.1 风的有的有关关知知识4.1.3 我国的风气候总况台湾、海南和南海诸岛东南沿海地区东北、华北、西北地区青藏高原长江、黄河中下游地区云贵高原风力大小2024/8/54.1 风的有关知识4.1.3 我国的风气候总况台湾、海南694.1 4.1 风的有的有关关知知识4.1.4 风级根据风对地面（或海面）物体影响程度，将风划分为13个等级2024/8/54.1 风的有关知识4.1.4 风级根据风对地面（或海面）704.1.4 4.1.4 风级2024/8/54.1.4 风级2023/8/20714.1.4 4.1.4 风级从国际空间站拍摄的飓风伊万云图最高风速214km/h(59.4m/s)2024/8/54.1.4 风级从国际空间站拍摄的飓风伊万云图2023/8/724.1.4 4.1.4 风级飓风伊万造成的损失在30亿至100亿美元之间2024/8/54.1.4 风级飓风伊万造成的损失在30亿至100亿美元之间734.1.4 4.1.4 风级飓风伊万摧毁的房屋2024/8/54.1.4 风级飓风伊万摧毁的房屋2023/8/20744.1.4 4.1.4 风级美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座大桥被飓风伊万摧毁2024/8/54.1.4 风级美国佛罗里达州彭萨科拉市附近的一座大桥被飓风754.1.4 4.1.4 风级台风云娜登录时卫星云图2024/8/54.1.4 风级台风云娜登录时卫星云图2023/8/20764.1.4 4.1.4 风级台风云娜袭击浙江2024/8/54.1.4 风级台风云娜袭击浙江2023/8/20774.1.4 4.1.4 风级2019年第9号超强台风“梅花”8月8日18时30分前后登陆朝鲜西海岸北部沿海2024/8/54.1.4 风级2019年第9号超强台风“梅花”8月8日18784.1.4 4.1.4 风级2024/8/54.1.4 风级2023/8/20794.1.4 4.1.4 风级2024/8/54.1.4 风级2023/8/20804.1.4 4.1.4 风级2024/8/54.1.4 风级2023/8/20814.1.4 4.1.4 风级2024/8/54.1.4 风级2023/8/20824.1.4 4.1.4 风级2024/8/54.1.4 风级2023/8/20834.1.4 4.1.4 风级2024/8/54.1.4 风级2023/8/20844.1.4 4.1.4 风级2024/8/54.1.4 风级2023/8/20854.2 4.2 风压 4.2 风压4.2.1 风压与风速的关系4.2.2 基本风压4.2.3 非标准条件下的风速或风压的换算2024/8/54.2 风压4.2 风压4.2.1 风压与风速的关系20864.2 4.2 风压4.2.1 风压与风速的关系风压的定义 当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即风压。

风压的产生2024/8/54.2 风压4.2.1 风压与风速的关系风压的定义风压的产874.2 4.2 风压风压与风速的关系2024/8/54.2 风压风压与风速的关系2023/8/20884.2 4.2 风压4.2.2 基本风压基本风压的定义 按规定的地貌、高度、时距等量测的风速所确定的风压称为基本风压基本风压应符合5个规定 (1)标准高度的规定：一般取为10m2)地貌的规定：空旷平坦3)公称风速的时距10min1h的平均风速基本稳定我国取基本风速的时距为10min2024/8/54.2 风压4.2.2 基本风压2023/8/20894.2 4.2 风压 (4)最大风速的样本时间风有它的自然周期，每年季节性的重复一次一般取1年为统计最大风速的样本时间5)基本风速的重现期基本风速出现一次所需的时间 基本风压是根据规定的高度、规定的地貌、规定的时距和规定的样本时间所确定的最大风速的概率分布，按规定的重现期（或年保证率）确定的基本风速，然后依据风速和风压的关系所定义的2024/8/54.2 风压 (4)最大风速的样本时间2023/8/20904.2 4.2 风压4.2.3 非标准条件下的风速或风压的换算非标准高度换算 实测表明，风速沿高度呈指数函数变化，即 2024/8/54.2 风压4.2.3 非标准条件下的风速或风压的换算20914.2 4.2 风压非标准地貌的换算不同粗糙度影响下的风剖面 2024/8/54.2 风压非标准地貌的换算2023/8/20924.2 4.2 风压地面越粗糙，风速变化越慢（越大），梯度风高度将越高；反之，地面越平坦，风速变化将越快（越小）；梯度风高度将越小。

2024/8/54.2 风压地面越粗糙，风速变化越慢（越大），梯度风高度934.2 4.2 风压任意地貌的基本风压与标准地貌的基本风压的关系为：2024/8/54.2 风压任意地貌的基本风压与标准地貌的基本风压的关系为944.2 4.2 风压不同时距的换算 2024/8/54.2 风压不同时距的换算2023/8/20954.2 4.2 风压不同重现期的换算 2024/8/54.2 风压不同重现期的换算2023/8/20964.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念 4.3 结构抗风计算的几个重要概念4.3.1 结构的风力与风效应4.3.2 顺风向平均风与脉动风4.3.3 横风向风振2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念4.3 结构抗风计算的974.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念4.3.1 结构的风力与风效应风力：风速 风压 风力风效应：由风力产生的结构位移、速度、加速度响应在结构物表面沿表面积分流经任意截面物体所产生的力2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念4.3.1 结构的风力与984.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念4.3.2 顺风向平均风与脉动风风有两种成分构成=平均风+脉动风平均风速和脉动风速2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念4.3.2 顺风向平均风994.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念平均风静力风效应脉动风动力风效应地面粗糙度的影响：地面越粗糙，v越小，vf的幅值越大且频率越高。

脉动风的特性幅值特性为一随机过程幅值服从正态分布2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念平均风静力风效应2021004.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念频率特性可用功率谱密度描述功率谱密度的定义：脉动风振动的频率分布2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念频率特性2023/8/1014.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念Davenport水平脉动风速功率谱密度2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念Davenport水平脉1024.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念4.3.3 横风向风振雷诺数对于空气：Re=69000vB如果Re1000，则以惯性力为主，为低粘性流体2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念4.3.3 横风向风振21034.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念Strouhal数气流沿上风面AB速度逐渐增大，之后沿下风面BC速度逐渐减小由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦，气流在BC中间某点S处停滞，生成旋涡，并以一定的周期（或频率fs）脱落。

2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念Strouhal数2021044.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念Strouhal数定义横风向共振实验表明：当3.0 x102Re 3.0 x105时(亚临界范围)，St0.2;当3.0 x105Re 3.0 x106时(超临界范围)，St较离散;当Re3.0 x106时(跨临界范围)，St0.270.32024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念Strouhal数定义21054.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念当St=常值时，fs=常值，则当结构的横向自振频率=fs 时，将产生共振工程设计时，对跨临界范围的横风向共振问题应特别注意2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念当St=常值时，fs=1064.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念2023/8/201074.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念2023/8/201084.3 4.3 结构构抗抗风计算的几算的几个个重要重要概概念念2024/8/54.3 结构抗风计算的几个重要概念2023/8/201094.4 4.4 顺风向向结构构风效效应 4.4 顺风向结构风效应4.4.1 顺风向平均风效应4.4.2 顺风向脉动风效应4.4.3 顺风向总风效应4.4.4 示例2024/8/54.4 顺风向结构风效应4.4 顺风向结构风效应4.4.1104.4 4.4 顺风向向结构构风效效应4.4.1 顺风向平均风效应风载体形系数 风载体形系数2024/8/54.4 顺风向结构风效应4.4.1 顺风向平均风效应2021114.4 4.4 顺风向向结构构风效效应气流通过拱形屋顶房屋示意图2024/8/54.4 顺风向结构风效应气流通过拱形屋顶房屋示意图20231124.4 4.4 顺风向向结构构风效效应双坡屋顶房屋风载体形系数2024/8/54.4 顺风向结构风效应双坡屋顶房屋风载体形系数2023/1134.4 4.4 顺风向向结构构风效效应风压高度变化系数 或2024/8/54.4 顺风向结构风效应风压高度变化系数2023/8/201144.4 4.4 顺风向向结构构风效效应平均风下结构的静力风载2024/8/54.4 顺风向结构风效应平均风下结构的静力风载2023/81154.4 4.4 顺风向向结构构风效效应4.4.2 顺风向脉动风效应假定：在脉动风作用下，结构主要按第一振型振动。

脉动风下等效风作用力2024/8/54.4 顺风向结构风效应4.4.2 顺风向脉动风效应2021164.4 4.4 顺风向向结构构风效效应4.4.3 顺风向总风效应其中，风振系数或2024/8/54.4 顺风向结构风效应4.4.3 顺风向总风效应20231174.5 4.5 横横风向向结构构风效效应 4.5 横风向结构风效应4.5.1 流经任意截面物体的风力4.5.2 结构横风向风力4.5.3 结构横风向风效应4.5.4 结构总风效应4.5.5 结构横风向驰振（galloping）2024/8/54.5 横风向结构风效应4.5 横风向结构风效应4.5.1184.5 4.5 横横风向向结构构风效效应4.5.1 流经任意截面物体的风力速度为v的风流经任意截面物体，都将产生三个力：物体单位长度上的顺风向力PD；横风向力PL；扭力矩PM2024/8/54.5 横风向结构风效应4.5.1 流经任意截面物体的风力1194.5 4.5 横横风向向结构构风效效应4.5.2 结构横风向风力 横风向风力系数亚临界范围（3x102Re 3x105）=0.20.6超临界范围（3x105Re0 结构可靠(2)Z0 结构失效(3)Z=0 结构处于极限状态称 Z=R-S 为结构的功能函数 Z=R-S=0 为结构极限状态方程 由于影响荷载效应S和结构抗力R都有很多基本的随机变量，则结构功能函数的一般形式为2024/8/59.1 结构可靠度基本概念有三种情况：2023/8/202459.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念结构极限状态定义：如果整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态。

两类极限状态 承载能力极限状态 正常使用极限状态2024/8/59.1 结构可靠度基本概念结构极限状态2023/8/202469.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念承载能力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载；（3）结构转变为机动体系；（4）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）2024/8/59.1 结构可靠度基本概念承载能力极限状态2023/8/22479.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念正常使用极限状态 对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值1）影响正常使用或外观的变形；（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；（3）影响正常使用的振动；（4）影响正常使用的其他特定状态2024/8/59.1 结构可靠度基本概念正常使用极限状态2023/8/22489.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念结构可靠度定义：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。

是结构可靠性的概率量度规定的时间一般指结构设计基准期在同样的条件下，规定时间越长，结构的可靠度越低规定的条件指正常设计、正常施工、正常使用条件，排除人为错误或过失因素2024/8/59.1 结构可靠度基本概念结构可靠度2023/8/202499.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念基本计算公式 可靠度 失效概率 或 如果S与R相互独立，则2024/8/59.1 结构可靠度基本概念基本计算公式2023/8/202509.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念此时2024/8/59.1 结构可靠度基本概念此时2023/8/202519.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念结构可靠指标如果S和R为两个相互独立的正态随机变量，则 其中2024/8/59.1 结构可靠度基本概念结构可靠指标2023/8/202529.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念 令 标准正态随机变量 则 ()：标准正态分布函数2024/8/59.1 结构可靠度基本概念 令2023/8/202539.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念与Pf的关系 越大，Pf越小，Ps越大2024/8/59.1 结构可靠度基本概念与Pf的关系2023/8/202549.1 9.1 结构构可靠度基本可靠度基本概概念念与Pf的数值关系2024/8/59.1 结构可靠度基本概念与Pf的数值关系2023/8/2559.2 9.2 结构构可靠度分析的可靠度分析的实用方法用方法9.2 结构可靠度分析的实用方法中心点法特点：仅利用基本随机变量的统计参数（均值和方差）计算结构的可靠度，因此实用方便。

假定：根据概率中心极限定理，Z的分布随功能函数中自变量数n的增加而渐进于正态分布2024/8/59.2 结构可靠度分析的实用方法9.2 结构可靠度分析的2569.2 9.2 结构构可靠度分析的可靠度分析的实用方法用方法情况：结构功能函数为线性函数情况 则2024/8/59.2 结构可靠度分析的实用方法情况：结构功能函数为线性2579.2 9.2 结构构可靠度分析的可靠度分析的实用方法用方法情况：结构功能函数为非线性函数情况 在各个变量的中心点（均值点）展开成泰勒级数，仅取线性项 则2024/8/59.2 结构可靠度分析的实用方法情况：结构功能函数为非线2589.2 9.2 结构构可靠度分析的可靠度分析的实用方法用方法可靠指标的几何意义2024/8/59.2 结构可靠度分析的实用方法可靠指标的几何意义2022599.2 9.2 结构构可靠度分析的可靠度分析的实用方法用方法2024/8/59.2 结构可靠度分析的实用方法2023/8/202609.2 9.2 结构构可靠度分析的可靠度分析的实用方法用方法结论中心点法的优缺点优点缺点2024/8/59.2 结构可靠度分析的实用方法结论2023/8/202619.2 9.2 结构构可靠度分析的可靠度分析的实用方法用方法验算点法验算点法对中心点法的改进验算点法计算步骤2024/8/59.2 结构可靠度分析的实用方法验算点法2023/8/202629.3 9.3 随随机机变量量间的相的相关关性性对结构构可靠度的影可靠度的影响响9.3 随机变量间的相关性对结构可靠度的影响结构功能函数中各基本变量间的相关性举例 地震作用与重力荷载 风载与雪载相关性 X Y 正相关 X Y 负相关 X 变化与Y 变化无关 独立2024/8/59.3 随机变量间的相关性对结构可靠度的影响9.3 随机2639.3 9.3 随随机机变量量间的相的相关关性性对结构构可靠度的影可靠度的影响响相关系数 协方差相关性对结构可靠度的影响简单情况 Z=R-S R与S相关，且为正态变量2024/8/59.3 随机变量间的相关性对结构可靠度的影响相关系数2022649.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度9.4 结构体系的可靠度结构失效 结构体系失效基本概念结构构件的失效性质脆性构件失效后丧失功能延性构件失效后保持功能2024/8/59.4 结构体系的可靠度9.4 结构体系的可靠度结构失效2659.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度结构体系的失效模型串联模型静定结构2024/8/59.4 结构体系的可靠度结构体系的失效模型2023/8/22669.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度并联模型超静定结构（单一失效形态）2024/8/59.4 结构体系的可靠度并联模型超静定结构（单一失效形态2679.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度串-并联模型超静定结构（多失效形态）2024/8/59.4 结构体系的可靠度串-并联模型超静定结构（多失效形2689.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度结构体系可靠度计算的复杂性构件失效间的相关性 （1）构件抗力间的相关性 （2）构件荷载效应间的相关性构件失效形态的不唯一性2024/8/59.4 结构体系的可靠度结构体系可靠度计算的复杂性20232699.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度结构体系可靠度的上下界串联系统各元件工作状态完全独立各元件工作状态完全相关2024/8/59.4 结构体系的可靠度结构体系可靠度的上下界2023/82709.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度一般情况 可见，对于静定结构，结构体系的可靠度总小于或等于构件的可靠度。

2024/8/59.4 结构体系的可靠度一般情况2023/8/202719.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度并联系统各元件工作状态完全独立各元件工作状态完全相关2024/8/59.4 结构体系的可靠度并联系统2023/8/202729.4 9.4 结构构体系的可靠度体系的可靠度一般情况 可见，对于失效形态唯一的超静定结构，结构体系的可靠度总大于或等于构件的可靠度2024/8/59.4 结构体系的可靠度一般情况2023/8/20273第10章 结构概率可靠度设计法2024/8/5第10章 结构概率可靠度设计法10.3 结构概率可靠度设27410.1 10.1 结构构设计的目的目标10.1 结构设计的目标设计要求RS 不能绝对满足，只能在一定概率意义下满足，即PRS=ps2024/8/510.1 结构设计的目标10.1 结构设计的目标设计要求27510.1 10.1 结构构设计的目的目标目标可靠度可靠度的大小对结构设计的影响 ps太大 成本高 ps太小 失效概率大2024/8/510.1 结构设计的目标目标可靠度2023/8/2027610.1 10.1 结构构设计的目的目标目标可靠度的确定目标可靠度的确定应考虑经济与安全的合理平衡；一般需考虑以下四个因素：（1）公众心理；（2）结构重要性；（3）结构破坏性质；（4）社会经济承受力。

2024/8/510.1 结构设计的目标目标可靠度的确定2023/8/2027710.1 10.1 结构构设计的目的目标各种因素对目标可靠度的影响公众心理的影响结构重要性的影响 一般结构 ps 重要结构 ps 次要结构 ps结构破坏性质的影响 脆性结构ps 延性结构ps社会经济承受力的影响 经济越发达 ps2024/8/510.1 结构设计的目标各种因素对目标可靠度的影响202327810.1 10.1 结构构设计的目的目标校准法 承认传统设计对结构安全性要求的合理性，通过采用结构可靠度分析理论对传统设计方法所具有的可靠度进行分析，以结构传统设计方法的可靠度水平作为结构概率可靠度设计方法的目标可靠度2024/8/510.1 结构设计的目标校准法2023/8/2027910.2 10.2 结构概构概率可靠度的直接率可靠度的直接设计法法10.2 结构概率可靠度的直接设计法定义 直接基于结构可靠度分析理论的设计方法简单示例 已知S、R、S，求R2024/8/510.2 结构概率可靠度的直接设计法10.2 结构概率可28010.2 10.2 结构概构概率可靠度的直接率可靠度的直接设计法法 由 得 由上式可解得R2024/8/510.2 结构概率可靠度的直接设计法 由2023/8/228110.3 10.3 结构概构概率可靠度率可靠度设计的的实用表用表达达式式单一系数设计表达式k0SR 由 得 或 可解得10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式2024/8/510.3 结构概率可靠度设计的实用表达式单一系数设计表达式28210.3 10.3 结构概构概率可靠度率可靠度设计的的实用表用表达达式式习惯上设计表达式采用设计值（公称值），即 其中 可得2024/8/510.3 结构概率可靠度设计的实用表达式习惯上设计表达式采28310.3 10.3 结构概构概率可靠度率可靠度设计的的实用表用表达达式式分项系数设计表达式 或 各分项系数 或2024/8/510.3 结构概率可靠度设计的实用表达式分项系数设计表达式28410.3 10.3 结构概构概率可靠度率可靠度设计的的实用表用表达达式式关于设计表达式的主要结论（1）若不同设计荷载变量所占的比重不同（值不同），则严格按验算点确定的分项系数将不同；（2）预先设定各荷载分项系数，然后按可靠度要求计算确定结构抗力分项系数，受不同荷载变量间比值的大小影响较小；（3）单一系数设计表达式的安全系数值受不同荷载变量间比值的大小影响较大；（4）设计变量的分布类型，对分项系数值的大小有一定的影响。

2024/8/510.3 结构概率可靠度设计的实用表达式关于设计表达式的主28510.3 10.3 结构概构概率可靠度率可靠度设计的的实用表用表达达式式规范设计表达式 2024/8/510.3 结构概率可靠度设计的实用表达式规范设计表达式2028610.3 10.3 结构概构概率可靠度率可靠度设计的的实用表用表达达式式我国现行建筑结构设计规范分项系数取值G=1.2，Q=1.4，C=0.6 1.1 重要结构 0=1.0 一般结构 0.9 次要结构2024/8/510.3 结构概率可靠度设计的实用表达式我国现行建筑结构设287Click To Edit Title StyleClick To Edit Title Style2024/8/5Click To Edit Title Style2023/288Click To Edit Title StyleClick To Edit Title Style2024/8/5Click To Edit Title Style2023/289LOGOLOGOClick To Edit Title StyleClick To Edit Title Style2024/8/5Click To Edit Title Style2023/290LOGOLOGOClick To Edit Title StyleClick To Edit Title Style2024/8/5Click To Edit Title Style2023/291。