1、第第1 1篇篇 工程结构荷载工程结构荷载第第1 1篇篇 工程结构荷载工程结构荷载l第1章 荷载类型l第2章 重力l第3章 侧压力l第4章 风荷载l第5章 地震作用l第6章 其他作用2l3.1 土的侧向压力l3.2 水压力及流水压力l3.3 波浪荷载l3.4 冻胀力l3.5 冰压力l3.6 撞击力第第3 3章章 侧压力侧压力3l一、基本概念一、基本概念l定义：土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自定义：土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷重或外荷载作用对墙背产生的土压力。l由于土压力是挡土墙的主要外荷载，因此，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。土压力的计算是一个比较复杂的
2、问题。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。3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力4l分类：根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处分类：根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，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。3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力5l二、基本原理二、基本原理l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，这里以较为普遍的朗肯土压力理论为例，介绍土体侧向压力的基本原理及计算公式。l朗肯通过研究弹性半空间土体在自重作用下，由于某种原因而处于极限平衡状态时的受
3、力，提出了土压力计算方法。3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力6l朗肯土压力理论的基本假设如下：l(1)对象为弹性半空间土体；l(2)不考虑挡土墙及回填土的施工因素；l(3)挡土墙墙背竖直、光滑，填土面水平，无超载。l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。3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力7l1. 弹性静止状态3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力83.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力9l2.塑性主动状态3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力10l3.塑性被动状态3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力11l三、土压力的计算三、土压力的计算l1
4、.静止土压力3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力12l2.主动土压力l主动土压力的计算（强度）示意图3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力133.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力14l3.被动土压力l被动土压力的计算（强度）示意图3.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力153.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力163.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力173.1 3.1 土的侧向压力土的侧向压力18l一、静水压力l定义：静止的液体对其接触定义：静止的液体对其接触l面产生的压力。l特点：静水压力总是作用在特点：静水压力总是作用在l结构物表面的法线方向l计算：计算：pA= p0 +g
5、hA3.2 3.2 水压力及流水压力水压力及流水压力19l其它几种水压力在结构物上的分布模式203.2 3.2 水压力及流水压力水压力及流水压力l二、动水压力lv当水流过结构物表面时，会对结构物产生切应力和正应力。l 切应力只有在水高速流动时，才表现出来。l 正应力= 静水压力+ 动水压力213.2 3.2 水压力及流水压力水压力及流水压力223.2 3.2 水压力及流水压力水压力及流水压力l一、波浪的性质l成波原因：风、潮汐l波浪特性：波长l、周期t、波幅h 波浪参数233.3 3.3 波浪荷载波浪荷载l 影响波浪特性的主要因素有：l风速v；风的持续时间t；水深H和吹程D。l二、波浪荷载的计
6、算l注：L 构筑物水平轴线长度；ll 波浪波长。243.3 3.3 波浪荷载波浪荷载l直墙上的波荷载与波浪的形式有关：l立波 上下振动（没有水平方向运动）的波l近区破碎波 构筑物附近半个波长范围内发生破碎的波l远区破碎波 距构筑物半个波长范围以外发生破碎的波253.3 3.3 波浪荷载波浪荷载263.3 3.3 波浪荷载波浪荷载l简化的Sainflow直墙上立波压强分布273.3 3.3 波浪荷载波浪荷载l2) 远区破碎波的压力l远区破碎波在直墙上的压强分布283.3 3.3 波浪荷载波浪荷载293.3 3.3 波浪荷载波浪荷载303.3 3.3 波浪荷载波浪荷载l3) 近区破碎波的压力l远区
7、破碎波在直墙上的压强分布(Minikin)313.3 3.3 波浪荷载波浪荷载l近区破碎波会对墙体产生一个瞬时的动压力，动压力数值可能很大，但持续时间很短。l最大动压强323.3 3.3 波浪荷载波浪荷载l动压力抛物线分布，总动压力为：l波浪作用在墙上时，因水位上升而增加的静水压力为：333.3 3.3 波浪荷载波浪荷载3mbmp hR 24bbtmghhRRHl三、圆柱体上的波浪荷载l（1）小圆柱体（ L/l 0.2 ）的波浪荷载计算343.3 3.3 波浪荷载波浪荷载l（2）大圆柱体（L/l0.2）的波浪荷载计算l圆柱体尺寸较小时，波浪流过柱体时除产生漩涡外，波浪本身的性质并不发生变化，但
8、如果圆柱体尺寸相对于波浪来说较大时，当波浪流过圆柱体时就会发生绕射现象，其波浪荷载的计算非常复杂353.3 3.3 波浪荷载波浪荷载36补充材料：波浪三要素补充材料：波浪三要素l波高波高2hl从波峰到波谷的高差从波峰到波谷的高差l波长波长2Ll从波峰到波峰的距离从波峰到波峰的距离l波浪中心线高度波浪中心线高度h0波浪中心线距静水面的高度波浪中心线距静水面的高度37补充材料：水面波的分类补充材料：水面波的分类l根据坝前水深与波长的关系可以分为以下三类：根据坝前水深与波长的关系可以分为以下三类：l深水波深水波坝前水深大于半波长，坝前水深大于半波长，HHLlLl，波长运动不受库，波长运动不受库底约束
9、底约束l浅水波浅水波坝前水深小于半波长而大于临界水深坝前水深小于半波长而大于临界水深H0H0，即，即LlLlHH0HH0，这时波浪运动受库底影响，这时波浪运动受库底影响l破碎波破碎波坝前水深小于临界水深，坝前水深小于临界水深，HH0HLlHLl，分布见图，用下式计算，分布见图，用下式计算41补充材料：波浪水压力计算（续）补充材料：波浪水压力计算（续）l浅水波情况，如图所示，浅水波情况，如图所示，0lHHL42补充材料：波浪的破坏力补充材料：波浪的破坏力海啸海啸l海啸是由于大规模海水水下骚动而产生的一系列巨大的波海啸是由于大规模海水水下骚动而产生的一系列巨大的波浪。海啸的范围通常不大，但其转移速
10、度确可快至每小时浪。海啸的范围通常不大，但其转移速度确可快至每小时500 500 英里，海浪也可高达英里，海浪也可高达100 100 英尺。英尺。l海啸发生在大量海水突然被置换或转移时。海啸形成的原海啸发生在大量海水突然被置换或转移时。海啸形成的原因主要有三个：地震活动，海下的山崩，以及宇宙的影响因主要有三个：地震活动，海下的山崩，以及宇宙的影响l地震活动：地震活动是海啸最主要的原因。在海洋中或在地震活动：地震活动是海啸最主要的原因。在海洋中或在海洋附近，在地震的形成或减弱时都会发生海啸。在地震海洋附近，在地震的形成或减弱时都会发生海啸。在地震发生时，海底板变形，造成海水移位。在地震减弱时，地
11、发生时，海底板变形，造成海水移位。在地震减弱时，地壳板块之间相互滑动，造成大量的旋流，而引发了大量海壳板块之间相互滑动，造成大量的旋流，而引发了大量海水的置换和转移。水的置换和转移。43补充材料：波浪的破坏力补充材料：波浪的破坏力海啸海啸44补充材料：波浪的利用补充材料：波浪的利用TLDl调谐液体阻尼器（调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper, TLD）属于被动）属于被动控制装置中的吸振器减振体系。控制装置中的吸振器减振体系。TLD主要分为两大类，第主要分为两大类，第一类一类TLD是一种矩形或圆柱形截面的水箱，第二类是一种矩形或圆柱形截面的水箱，第二类TLD是是一种具有一种具有
12、U型形状的管状水箱。型形状的管状水箱。lTLD的原理：的原理：TLD实际上是一种固定在结构上的半充满液实际上是一种固定在结构上的半充满液体的水箱，它主要利用水箱中液体的晃动和部分耗能来减体的水箱，它主要利用水箱中液体的晃动和部分耗能来减轻结构的振动反应。轻结构的振动反应。TLD的减振原理是，结构在外部动力的减振原理是，结构在外部动力荷载作用下发生振动时带动水箱一起运动，水箱运动又导荷载作用下发生振动时带动水箱一起运动，水箱运动又导致其中的液体发生晃动并对水箱侧壁产生动压力差，该动致其中的液体发生晃动并对水箱侧壁产生动压力差，该动压力差反作用于结构上就成为压力差反作用于结构上就成为TLD对结构的
13、控制力或减振对结构的控制力或减振力，同时，液体的晃动也消耗了一部分能量，从而达到减力，同时，液体的晃动也消耗了一部分能量，从而达到减小结构振动反应的目的。小结构振动反应的目的。453.4 冻胀力冻胀力l一、冻土的概念、性质及与结构物的关系一、冻土的概念、性质及与结构物的关系l冻土的概念：具有负温度或零温度，其中含有冰，且胶结冻土的概念：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。含有水的松散岩石和土体，当温度着松散固体颗粒的土。含有水的松散岩石和土体，当温度降低到降低到0 0C C和和0 0C C 以下时，土中孔隙水便冻结成冰，且以下时，土中孔隙水便冻结成冰，且伴随着析冰（晶）体
14、的产生，胶结了土的颗粒伴随着析冰（晶）体的产生，胶结了土的颗粒l冻土基本成分：固态的土颗粒、冰、液态水、气体和水汽冻土基本成分：固态的土颗粒、冰、液态水、气体和水汽l冻土性质：冻土是一种复杂的多相天然复合体，结构构造冻土性质：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。当冻土被作为结构物的地基或材料时，冻土的含冰量及。当冻土被作为结构物的地基或材料时，冻土的含冰量及其所处的物理状态尤为重要。土体的冻
15、胀及其特性既受到其所处的物理状态尤为重要。土体的冻胀及其特性既受到土颗粒大小的影响，也受到土颗粒外形的影响土颗粒大小的影响，也受到土颗粒外形的影响463.4 冻胀力冻胀力l冻土的分类冻土的分类( (按冻结状态持续时间长短分按冻结状态持续时间长短分) )l1) 1) 多年冻土（或称永冻土）多年冻土（或称永冻土）冻结状态持续三年以上的土层；冻结状态持续三年以上的土层；l2) 2) 季节冻土季节冻土每年冬季冻结，夏季全部融化的土层；每年冬季冻结，夏季全部融化的土层；l3) 3) 瞬时冻土瞬时冻土冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层；冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层；l每年冬季冻结，夏季融化的
16、地表（浅层土体），在多年冻土地区称之每年冬季冻结，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）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）l冻土与结构物的关系冻土与结构物的关系l 冻土抵抗外力的强度提高；冻土抵抗外力的强度提高；l 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的作用而造成各种不同程度的冻胀破坏。主要表现在冬由于土的冻胀的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
17、期间地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基沉降，对结构产生形变作用的附加荷载473.4 冻胀力冻胀力l二、土的冻胀原理二、土的冻胀原理l土冻胀三要素：水分、土质、负温度，即土中含有足够的水分；水结晶成冰土冻胀三要素：水分、土质、负温度，即土中含有足够的水分；水结晶成冰后能导致土颗粒发生位移；有能够使水变成冰的负温度后能导致土颗粒发生位移；有能够使水变成冰的负温度l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，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，地层隆起导致冻层膨胀，地层
18、隆起l含水量越大，地下水位越高，冻胀程度越大含水量越大，地下水位越高，冻胀程度越大l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l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力，这个力称为冻胀力，冻胀力随着土体温度的变化而变化l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
19、，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。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483.4 冻胀力冻胀力l建筑在冻胀土上的结构物，使地基土的冻胀变形受到约束建筑在冻胀土上的结构物，使地基土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，使得地基土的冻结条件发生改变，进而改变着基
20、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。构物的作用上，引起结构物的位移、变形。l三、冻胀力的分类及其计算三、冻胀力的分类及其计算l土体冻结时，体积膨胀产生向四周扩张的内应力，这个力土体冻结时，体积膨胀产生向四周扩张的内应力，这个力称为冻胀力。称为冻胀力。l冻胀力的分类：切向冻胀力冻胀力的分类：切向冻胀力;法向冻胀力法向冻胀力;水平向冻水平向冻胀力。胀力。493.4 冻胀力冻胀力l作用在结构物基
21、础上的冻涨力分类示意图作用在结构物基础上的冻涨力分类示意图503.4 冻胀力冻胀力l1.切向动胀力的计算切向动胀力的计算513.4 冻胀力冻胀力l2.法向动胀力的计算法向动胀力的计算 式中式中 法向冻胀力法向冻胀力(kPa) 冻胀量冻胀量(cm) 冻结深度冻结深度(cm) 冻力的弹性模量冻力的弹性模量(kPa) 0nhEH0nhHE523.4 冻胀力冻胀力l2.水平动胀力的计算水平动胀力的计算 细粒土：细粒土：100150kPa 粗粒土：粗粒土：50100kPa 533.5 冰压力冰压力l一、冰压力概念及分类一、冰压力概念及分类l冰压力：位于冰凌河流和水库中的结构物冰压力：位于冰凌河流和水库中
22、的结构物, ,如桥梁墩台如桥梁墩台, ,由于冰层的作由于冰层的作用对结构产生一定的压力用对结构产生一定的压力, ,称此压力为冰压力。称此压力为冰压力。l动冰压力：流冰的冲击作用。动冰压力：流冰的冲击作用。l静冰压力：静冰压力： 1) 1) 冰堆整体推移的静压力。当大面积冰层以缓慢的速度接触结构物冰堆整体推移的静压力。当大面积冰层以缓慢的速度接触结构物时，受阻于结构而停滞，形成冰层或冰堆现象，结构物受到挤压，并时，受阻于结构而停滞，形成冰层或冰堆现象，结构物受到挤压，并在冰层破碎前的一瞬间对结构物产生最大压力。其值按极限冰压合力在冰层破碎前的一瞬间对结构物产生最大压力。其值按极限冰压合力公式计算
23、公式计算 2) 2) 由于风和水流作用于大面积冰层产生的静压力。由于风和水流的由于风和水流作用于大面积冰层产生的静压力。由于风和水流的作用，推动大面积冰层移动对结构物产生静压力，可根据水流方向及作用，推动大面积冰层移动对结构物产生静压力，可根据水流方向及风向，考虑冰层面积来计算风向，考虑冰层面积来计算 3) 3) 冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力 543.5 冰压力冰压力l二、冰压力的计算二、冰压力的计算 55补充材料补充材料静冰压力静冰压力(static ice pressure)l寒冷地区，水库表面在冬季会结成冰盖，当气温回升时，寒冷地区，水库表面在
24、冬季会结成冰盖，当气温回升时，冰盖发生膨胀，因而对挡水建筑物表面产生压力，称为静冰盖发生膨胀，因而对挡水建筑物表面产生压力，称为静冰压力。冰压力。l静冰压力值与冰盖厚度、长度、气温上升率以及开始升温静冰压力值与冰盖厚度、长度、气温上升率以及开始升温时冰盖的温度等有关。目前，尚无合理的公式用来计算静时冰盖的温度等有关。目前，尚无合理的公式用来计算静冰压力，一般参照下表采用。冰压力，一般参照下表采用。 56l比如，比如， -25 开始以开始以2.5 /h升温时，静冰压力为升温时，静冰压力为(2028)104Pal冰压力对于重力坝并不重要，而对于低坝、闸墩、胸墙等冰压力对于重力坝并不重要，而对于低坝
25、、闸墩、胸墙等结构物，往往成为比较重要的荷载。结构物，往往成为比较重要的荷载。l为避免过大的冰压力，可采用防冰、破冰措施。为避免过大的冰压力，可采用防冰、破冰措施。57补充材料补充材料动冰压力动冰压力(dynamic ice pressure)l冰块破碎后，受风或者流水的作用而漂移，撞击在坝面或冰块破碎后，受风或者流水的作用而漂移，撞击在坝面或闸墩上时，产生冲击压力，称为动冰压力。闸墩上时，产生冲击压力，称为动冰压力。 58补充材料补充材料动冰压力的计算公式动冰压力的计算公式l当冰的运动方向垂直或接近垂直于铅直坝面时，动冰压力当冰的运动方向垂直或接近垂直于铅直坝面时，动冰压力值值PbdPbd（
26、kNkN）可按下式计算：）可按下式计算：Kb系数，决定于流冰的抗碎强度系数，决定于流冰的抗碎强度Rb值值Kb 4.3，Rb1MPa； Kb 3.0，Rb0.5MPa；Kb2.36，Rb0.3MPaVb冰块流速，一般不大于冰块流速，一般不大于0.6m/s；db冰块厚度（冰块厚度（m）；）；Ab冰块面积（冰块面积（m2） 593.6 撞击力撞击力l船只或水中漂流物对桥梁墩台的撞击船只或水中漂流物对桥梁墩台的撞击 式中式中P P 撞击力撞击力( (kNkN) ) W W 船只或水中漂流物的重量船只或水中漂流物的重量( (kNkN) ) V V 水流速度水流速度(m/s) (m/s) T T 撞击时间撞击时间(s)(s) g g 重力加速度重力加速度(m/s2) (m/s2) W VPg T60补充材料补充材料汽车对车库墙、柱的撞击汽车对车库墙、柱的撞击
