工程荷载与可靠度设计原理论文

工程结构荷载与可靠度设计原理课程报告

——工程与民用建筑结构设计荷载计算

荷载是工程结构设计中的重要方面，也是着手工程设计需要解决的重要问题，而概率可靠度方法已经成为各类工程结构（房屋、桥梁、地下建筑、道路等）设计的理论基础。通过对工程结构荷载与可靠度设计原理这门课的学习，我全面、系统地了解了工程结构各类荷载的基本概念及其确定方法，以及结构可靠度的设计原理。

工业与民用建筑，即我们所说的房屋建筑，包括上部结构和下部结构两部分。上部结构指地面以上的部分，下部结构指的是地面以下部分，即基础和地基。进行建筑结构设计，要做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，必须遵循《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）的规定，使结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。超过了结构的设计使用年限，结构还可以继续使用，但是其可靠度指标可能会降低。普通房屋和构筑物的设计使用年限一般为50年。结构设计一定要遵循国家规范，如《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）等。结构设计包括三个部分：一是荷载，二是结构抗力，三是结构设计方法。

各类工程结构的最重要功能，就是承受其生命全过程中可能出现的各种荷载。进行结构设计的时候，荷载取值的大小以及应当考虑的荷载类型，都将直接影响到结构工作时的安全性。荷载的代表值分为标准值、准永久值、频遇值和组合值。规范规定永久荷载应采用标准值为代表值，可变荷载应根据设计要求采用相应的值作为代表值，偶然荷载应按建筑结构的使用特点确定其代表值。通常设计中考虑的荷载为重力荷载、风荷载和地震作用。

重力荷载中，又包括永久荷载（材料自重）、可变荷载（楼面均布荷载、屋面均布荷载、屋面雪荷载）。规范中对于楼面均布荷载的标准值、频遇值、组合值和准永久值系数，梁、柱、墙、基础荷载折减值系数，屋面活荷载，积灰荷载，施工检修荷载和栏杆水平荷载，吊车荷载，雪荷载等都做了强制性规定。在设计时，楼面均布荷载可根据规范取相应代表值进行设计计算，有些特殊情况需注意，如书库的书架高度高于2米时，书库活荷载应当按照每米书架高度不少于2.5kN/ 计算，客车活荷载标准取值只适用于人数少于9人的客车等。设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应与规范中规定的折减系数相乘取值。房屋建筑的屋面，其水平投影面的均布活荷载，应按照规范采用，同时应注意屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。积灰荷载主要针对于工业建筑，在设计生产中有大量排灰的厂房及其邻近建筑时，对于具有一定除尘设施和保证清灰制度的机械、冶金等厂房屋面须依据规范进行积灰荷载的取值，对于屋面上易形成灰堆处，积灰荷载标准值应乘以增大系数。积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。雪荷载中基本雪压应按照规范中50年一遇的雪压采用。其中高耸结构的覆冰荷载要加以重视，在冬季，输电塔架上覆盖冰层很容易发生失稳，输电线路也有可能因为冰层覆盖导致断裂，且覆冰后要对风荷载乘以增大系数（取值依据规范），相当于增强了风荷载的作用效果。

风荷载也是设计荷载的重要组成部分。风是由于空气流动而形成的，当风以一定速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，即为风压。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，对于风荷载的计算具有重要的意义。风作用在任意界面的物体表面，会产生三种力，分别是顺向风力、横向风力和扭力矩。在计算时，应分别考虑顺风向平均风与脉动风、横风向平均风与脉动风两种情况。平均风相对稳定，可等效为静力作用；脉动风是由于风的不规则性引起的，其强度随时间随机变化，实际上，脉动风是引起结构振动的主要原因。一般情况下，和结构顺风向风效应相比，结构横风向风效应可以忽略，在结构抗风设计时不予考虑，但是，当横风向风效应作用引起结构共振时，结构横风向风效应则不能忽略，有时甚至还对结构设计起到控制作用。对于高层、高耸结构以及对于风荷载比较敏感的其他结构，对于风荷载计算更是要着重注意。

地震作用是荷载设计中绝对不可忽视的一部分。2008年5月12日的汶川特大地震为我们敲响了警钟，地震作用带来的破坏是令人心痛的。我国位于两大板块——太平洋板块和欧亚板块的交汇处，所以地震发生频繁，是世界上少数的多地震国家之一。在结构设计中，主要遵循“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则。各地均有设防烈度，即结构设计基准期内超越概率为10%的烈度水平，取为基本烈度。对于抗震设计，应当关注结构施工场地土类别，场地土的特征周期，抗震设防标准，抗震设防烈度，基本地震加速度，设计地震分组等信息和参数。

结构抗力是指结构承受外加作用的能力。结构抗力分为整体结构抗力、结构构件抗力、构件截面抗力及截面各点的抗力。影响结构构建抗力的因素很多，主要因素有三种，即材料性能的不定性、几何参数的不定性和计算模式的不定性。这些不定性一般可以处理为随机变量，因此结构构件的抗力是多元随机变量的函数。直接确定结构构件抗力的统计参数及分布类型有些困难，但是可以应用数学分析方法或者经验判定方法确定其概率分布类型。研究表明，结构构件抗力R近似服从对数正态分布。

结构设计的要求是：在一定的可靠度或失效概率条件下，进行结构设计，使得结构抗力大于或等于结构的综合荷载效应。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制设计法三个阶段，目前国际上普遍采用概率定值设计法。所谓概率定值设计法，就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，也就是我们一直学习使用的方法。规范规定，对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：1）由可变荷载效应控制的组合：S=γ_G S_Gk γ_Q1 S_Q1k ∑_(i=2)^n?〖γ_Qi ψ_ci S_Qik 〗；2）由永久荷载效应控制的组合：S=γ_G S_Gk

∑_(i=1)^n?〖γ_Qi ψ_ci S_Qik 〗。值得注意的是，由于各国荷载和抗力标准值确定的方式不同，设计目标可靠度的水准也有差异，因此不同国家结构设计表达式的分项系数取值均不一致。各个国家的荷载分项系数、抗力分项系数与荷载标准值和抗力标准值是配套使用的。这些数值作为设计表达式中的一个整体有确定的概率可靠度意义。千万不能采用某一个国家的荷载标准值或抗力标准值，却去套用另一个国家的设计表达式进行结构设计。

结构设计的基本过程为：首先依据规范，取各类荷载的代表值，并进行荷载组合计算。求得结构的恒载、活载、风载和地震荷载后，根据结构力学的方法分别计算各荷载工况下的内力，计算活载内力时应考虑活载的不利分布，风载分为左风和右风两种工况，地震作用分左地震和右地震两种工况。内力组合时，考虑的不利荷载组合为：恒载与活载的组合；恒载与风载的组合；恒载与活载和风载的组合。对于第三种组合，由于两个活载参与组合，故应当考虑组合值系数。构件在不利内力组合下的截面设计总原则是要求荷载效应小于或等于抗力效应，只有这样结构才是安全的。