荷载及结构设计原理03侧压力.ppt

《荷载及结构设计原理03侧压力.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《荷载及结构设计原理03侧压力.ppt（79页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、讲授：张玉林讲授：张玉林荷荷载及及结构构设计原理原理建筑工程技术教研室建筑工程技术教研室目录目录绪论（建筑（建筑结构构设计与可靠性理与可靠性理论的的发展）展）荷荷载类型型重力重力侧压力力风荷荷载地震作用地震作用其他作用其他作用荷荷载的的统计分析分析结构抗力的构抗力的统计分析分析结构可靠度分析构可靠度分析结构概率可靠度构概率可靠度设计法法第三章第三章 侧压力力内容提要内容提要 第一第一节 土的土的侧压力力 第二第二节 水水压力和流水力和流水压力力 第三第三节 波浪荷波浪荷载 第四第四节 冻胀力力 第五第五节 冰冰压力力 第六第六节 撞撞击力力土压力概述土压力概述土压力通常是指挡土墙后的填土因自重

2、或外荷载作用对墙背产生的侧压力E填土面码头桥台E隧道侧墙EEo一、一、土压力类型土压力类型被动土压力主动土压力静止土压力土压力n n挡土墙在压力作用下不发生任何变形和位移，墙后填土处于弹性平衡状态时，作用在挡土墙背的土压力Eon n在土压力作用下，挡土墙离开土体向前位移至一定数值，墙后土体达到主动极限平衡状态时，作用在墙背的土压力滑裂面Ean Ep滑裂面n在外力作用下，挡土墙推挤土体向后位移至一定数值，墙后土体达到被动极限平衡状态时，作用在墙上的土压力n -+-EoapEaEoEpn对同一挡土墙，在填土的物理力学性质相同的条件下有以下规律：n1.Ea Eo Epn2.p a四、斜截面的应力计算

3、四、斜截面的应力计算莫尔圆莫尔圆（Mohrs circleMohrs circle）将斜截面应力计算公式改写为将斜截面应力计算公式改写为把上面两式等号两边平方把上面两式等号两边平方,然后相加便可消去然后相加便可消去,得得 因为因为 x x,y y,xy xy 皆为已知量皆为已知量,所以上式是一个以所以上式是一个以 ,为变量为变量的的圆周方程圆周方程.当斜截面随方位角当斜截面随方位角 变化时变化时,其上的应力其上的应力 ,在在 -直角坐标系内的轨迹是一个圆直角坐标系内的轨迹是一个圆.1.1.圆心的坐标圆心的坐标 （Coordinate of circle centerCoordinate of

4、circle center）2.2.圆的半径圆的半径（Radius of circleRadius of circle）此圆习惯上称为此圆习惯上称为 应力圆应力圆（plane stress circleplane stress circle）,或称为或称为莫尔圆莫尔圆（Mohrs Mohrs circlecircle）（1 1）建）建 -坐标系坐标系,选定比例尺选定比例尺o二、应力圆作法二、应力圆作法（The method for drawing a stress circleThe method for drawing a stress circle）1.1.步骤步骤（StepsSteps）

5、xy x x x x yxyx xyxy y y y yDxyo （2 2）量取）量取OA=OA=x xADAD =xyxy得得D D点点xy x x x x yxyx xyxyxAOB=OB=y y （3 3）量取）量取BD=BD=yxyx得得DD点点yB ByxD （4 4）连接）连接 DDDD两点的直线与两点的直线与 轴相交于轴相交于C C 点点 （5 5）以）以C C为圆心为圆心,CDCD 为半径作圆为半径作圆,该圆就是相应于该单元体的应力圆该圆就是相应于该单元体的应力圆C C应力圆的应用应力圆的应用（Application of stress-circleApplication of

6、 stress-circle）1.求单元体上任一 截面上的应力 从应力圆的半径从应力圆的半径 CD CD 按方位角按方位角 的转向转动的转向转动2 2 得到半径得到半径CE.CE.圆周上圆周上 E E 点的坐标就点的坐标就依次为斜截面上的正应力依次为斜截面上的正应力 和切应力和切应力 .DxyoxAyB ByxDC C2 2 0 0FE E2 2 xya x x x x yxyx xyxye ef f n n2.2.求主应力数值和主平面位置求主应力数值和主平面位置 （Determine principle stress and the Determine principle stress an

7、d the direction of principle plane by using direction of principle plane by using stress circlestress circle）（1 1）主应力数值）主应力数值 A A1 1 和和 B B1 1 两点为与主平面两点为与主平面对应的点对应的点,其横坐标其横坐标 为主应力为主应力 1 1,2 2 1 12DxyoxAyB ByxDC C2 2 0 0FE E2 2 B1A12 2 0 0DxyoxAyB ByxDC C 1 12A1B1（2 2）主平面方位）主平面方位 由由 CDCD顺时针转顺时针转 2 2

8、0 0 到到CACA1 1 所以单元体上从所以单元体上从 x x 轴顺时针转轴顺时针转 0 0（负值）即负值）即到到 1 1对应的对应的主平面的外法线主平面的外法线 0 0 确定后确定后,1 1 对应的对应的主平面方位即确定主平面方位即确定3.3.求最大切应力求最大切应力（Determine maximum Determine maximum shearingshearing stress by using stress circlestress by using stress circle）G G1 1和和GG两点的纵坐标分别代表最大和两点的纵坐标分别代表最大和最小切应力最小切应力 2 2

9、0 0DxyoxAyB ByxDC C 1 12A1B1G1G2 因为因为最大最小切应力等于应力圆的半径最大最小切应力等于应力圆的半径二、土二、土压力的力的计算算1 1、静止土、静止土压力（力（E E0 0）在填土表面下任意深度在填土表面下任意深度z z处取出一微元体取出一微元体M M，作用的，作用的应力（如下力（如下图）：）：二、土二、土压力的力的计算算1 1、静止土、静止土压力（力（E E0 0）在填土表面下任意深度在填土表面下任意深度z z处取出一微元体取出一微元体M M，作用的，作用的应力（如下力（如下图）：）：竖向的土自重向的土自重应力力 z z=z z 静止土静止土压力力强度度 0

10、 0=k=k0 0 z z=k k0 0 z z 式式中中，k k0 0 静静止止土土压力力系系数数，可可近近似似按按 k k0 0=1-sin 1-sin /（/为土土的的有有效效内摩擦角）内摩擦角）计算；算；墙后填土容重，后填土容重，kN/mkN/m3 3。大大 小小：方方 向向:作用点作用点：静止土静止土压力沿力沿墙高高为三角形分布三角形分布2 2、主、主动土土压力力E Ea a、被、被动土土压力力E Ep p 朗肯土朗肯土压力理力理论 朗朗肯肯土土压力力理理论是是根根据据弹性性半半空空间内内的的应力力状状态和和土土的的极极限限平平衡衡理理论而得出的土而得出的土压力力计算方法。算方法。基

11、本假定基本假定 对象象为弹性半空性半空间土体土体 填土面无限填土面无限长 不考不考虑挡土土墙及回填土的施工因素及回填土的施工因素 挡土土墙的的墙背背竖直直（=0=0）、光光滑滑（f f=0=0）、填填土土面面水水平平（=0=0）、无超无超载 墙背与填土之背与填土之间无摩擦力，因而无剪力，即无摩擦力，因而无剪力，即墙背背为主主应力面力面 塑性主塑性主动状状态 当当挡土土墙离离开开土土体体向向远离离墙背背方方向向移移动时，墙后后土土体体M M有有伸伸张的的趋势，此此时单元元在在水水平平截截面面上上的的法法向向应力力 z z不不变而而竖向向截截面面上上的的法法向向应 x x却却逐逐渐减减少少（），直

12、直至至满足足极极限限平平衡衡条条件件为止止（称称为主主动朗朗肯肯状状态），此此时 x x 达达最最低低限限值 a a，因因此此，a a是是小小主主应力力，而而 z z是是大大主主应力，并且莫力，并且莫尔圆与抗剪与抗剪强度包度包线相切。相切。挡土土墙土土压力演示（力演示（图3-23-2）此此时滑滑动面的方向与大主面的方向与大主压力力 z z的作用面（即水平面）成的作用面（即水平面）成 =45=450 0+/2/2 塑性被塑性被动状状态 当当挡土土墙在在外外力力作作用用下下挤压土土体体，水水平平截截面面上上的的法法向向应力力 z z 不不变，x x不不断断增增加加（），直直至至满足足极极限限平平衡

13、衡条条件件（称称为被被动朗朗金金状状态）时 x x达达最最大大限限值 p p ，这时，x x=p p是是大大主主应力力，而而 z z是是小小主主应力力，并且莫并且莫尔圆与抗剪与抗剪强度包度包线相切。相切。挡土土墙土土压力演示（力演示（图3-23-2）此此时滑滑动面的方向与小主面的方向与小主压力力 z z的作用面（即水平面）成的作用面（即水平面）成 =45=450 0-/2/2 由土力学的由土力学的强度理度理论可知，当土体中某点可知，当土体中某点处于极限平衡状于极限平衡状态时，大主，大主应力力 1 1和小主和小主应力力 3 3之之间应满足以下关系式：足以下关系式：粘粘 性性 土土 1 1=3 3

14、tgtg2 2(45(450 0+/2)+2Ctg(45/2)+2Ctg(450 0+/2)/2)或或 3 3=1 1tgtg2 2(45(450 0-/2)-2Ctg(45/2)-2Ctg(450 0-/2)/2)无粘性土无粘性土 1 1=3 3tgtg2 2(45(450 0+/2)/2)或或 3 3=1 1tgtg2 2(45(450 0-/2)/2)土体达主土体达主动极限平衡状极限平衡状态时，z z=z z不不变，也即大主，也即大主应力不力不变，而水，而水平平应力力 x x是小主是小主应力力 a a ，即，即 1 1=z z=z z 、3 3=a a 无粘性土无粘性土 a a=z tg

15、z tg2 2(45(450 0-/2)/2)或或 a a=z kz ka a 粘粘 性性 土土 a a=z tgz tg2 2(45(450 0-/2)-2C tg(45/2)-2C tg(450 0-/2)/2)k ka a主主动土土压力系数，力系数，k ka a=tgtg2 2(45(450 0-/2)/2)；墙后填土的容重，后填土的容重，kN/mkN/m3 3，地下水位以下用浮容重；，地下水位以下用浮容重；C C 填土的内聚力，填土的内聚力，kN/mkN/m2 2；z z 所所计算的点离填土面的深度。算的点离填土面的深度。Ea通过三角形的形心，即作用在离墙底通过三角形的形心，即作用在离

16、墙底H/3处。处。粘性土的主粘性土的主动土土压力力强度度包括两部分包括两部分（如下（如下图）：无粘性土的主无粘性土的主动土土压力力强度与高度成正比，沿高度的度与高度成正比，沿高度的压力分布力分布为三角三角形形（如下（如下图），单位位墙长的主的主动土土压力力为：粘性土的粘性土的侧压力分布力分布仅是是abcabc部分部分 实际上上墙与与土土在在很很小小的的拉拉应力力作作用用下下就就会会分分离离，故故在在计算算土土压力力时可可略略去去不不计。a a点点离离填填土土面面的的深深度度常常称称为临界界深深度度，在在填填土土面面无无荷荷载的的条条件件下下，可可令令式式为零求得零求得z z0 0值，即：，即：

17、主主动土土压力力E Ea a通通过在三角形在三角形abcabc压力分布力分布图的形心，即作用在离的形心，即作用在离墙底底(H-z(H-z0 0)/3)/3处如取如取单位位墙长计算，算，则主主动土土压力力E Ea a为：当当墙受受到到外外力力作作用用而而推推向向土土体体时，填填土土中中任任意意一一点点的的竖向向应力力 z z=z z仍仍不不变，而而水水平平应力力 x x却却逐逐渐增增大大（），直直至至出出现被被动朗朗肯肯状状态，此此时，x x是是最最大大限限值 p p，因因此此 p p是是大大主主应力力，也也就就是是被被动土土压力力强度度，而而 z z则是是小小主主应力力，即即 3 3=z z=

18、z z 、1 1=p p挡土土墙土土压力演示（力演示（图3-23-2）无粘性土：无粘性土：p p=z z tgtg2 2(45(450 0+/2)=/2)=z z k kp p 粘性土：粘性土：p p=z z 3 3tgtg2 2(45(450 0+/2)+2Ctg/2)+2Ctg (45(450 0+/2)/2)式中，式中，k kp p被被动土土压力系数，力系数，k kp p=tg=tg2 2(45(450 0+/2)/2)其余符号同前。其余符号同前。无粘性土的被无粘性土的被动土土压力力强度度 p p呈呈三角形分布三角形分布（如上（如上图）粘性土的被粘性土的被动土土压力力强度度 p p呈呈梯

19、形分布梯形分布（如上（如上图）如取如取单位位墙长计算，算，则被被动土土压力力E Ep p可由下式可由下式计算：算：无粘性土无粘性土：粘粘 性性 土：土：被被动土土压力力E Ep p 通通过三角形或梯形分布三角形或梯形分布图的形心的形心例题例题1 1例题例题2 2o【解答】解答】主动土压力系数墙底处土压力强度临界深度主动土压力主动土压力作用点距墙底的距离2cKaz0Ea(h-z0)/36mhKa-2cKa几种常见情况下土压力计算几种常见情况下土压力计算例题分析例题分析o【解答】解答】ABCh=5mh1=2mh2=3mA点B点上界面B点下界面C点主动土压力合力第二第二节、水、水压力和流水力和流水压

20、力力 一、水一、水压力力 水水对结构物的作用构物的作用 化学作用化学作用 对结构物的腐构物的腐蚀或侵入或侵入 物理作用物理作用 力学作用（力学作用（结构物表面构物表面产生的静水生的静水压力和力和动水水压力）力）静水静水压力力 符合符合阿基米德定律阿基米德定律 静水静水压力力 水平分量、水平分量、竖向分量向分量 水平分量水平分量 w w z z 水深的直水深的直线函数函数 竖向向分分量量 结构构物物承承压面面和和经过承承压面面底底部部的的母母线到到自自由由水水平平面面之之间的的“压力体力体”体体积的水重的水重 水水压力力总是作用于是作用于结构物表面的法构物表面的法线方向方向二、流水二、流水压力力

21、 结构物表面上某点的水构物表面上某点的水压力力 P P=P P静静 +P P动 瞬瞬时的的动水水压力力P P动 作用于作用于结构物上的构物上的总动水水压力力（按面（按面积F F取平均取平均值）：）：式中：式中：C Cp p 压力系数；力系数；脉脉动系数；系数；水的密度（水的密度（kg/mkg/m2 2）；）；v v平均流速（平均流速（m/sm/s）。）。(pa)(pa)第第 三三 节 波波 浪浪 荷荷 载 波峰波峰 波顶波顶 平均波浪线平均波浪线 h/2 浪高浪高h h/2 波谷波谷 计算水位计算水位 波底波底 波长波长 1 1、波浪荷波浪荷载 有波浪有波浪时水水对结构物构物产生的附加生的附加

22、应力力2 2、波浪是一种波波浪是一种波 具有波的特性（具有波的特性（图示）示）3 3、波浪荷波浪荷载计算算（当波高（当波高时考考虑波浪波浪对构筑物的作用力）构筑物的作用力）波浪的特性；波浪的特性；构筑物构筑物类型型；当地的地形地貌；海底坡度等；当地的地形地貌；海底坡度等 根据根据经验确定确定 构筑物的分构筑物的分类（L/L/=构筑物水平构筑物水平轴线长度度/浪高波浪高波长）P25，表，表3-1 L/桩柱桩柱 墩柱墩柱 直墙或斜坡直墙或斜坡 直直墙(L/)(L/)上的波浪荷上的波浪荷载计算算 考考虑三种波浪：三种波浪：立波立波 近区破碎波近区破碎波 构筑物附近半个波构筑物附近半个波长范范围内（内

23、（/2/2）发生破碎的波生破碎的波 远区破碎波区破碎波 距直距直墙半个波半个波长以外（以外（/2/2）发生破碎的波生破碎的波 波谷波谷压强波峰波峰压强h h1 1远区破碎波的波高；区破碎波的波高；d db b波浪破碎波浪破碎时的水深。的水深。作用于直作用于直墙上的最大上的最大压墙：（P27P27，3-253-25）K K试验确定，一般取确定，一般取；波浪冲波浪冲击直直墙的水流速度（一般很的水流速度（一般很难确定）确定）水的密度，水的密度，kg/mkg/m3 3；g g重力加速度（重力加速度（2 2）。（3 3）近区破碎波的）近区破碎波的压力力 构筑物附近半个波构筑物附近半个波长范范围内（内（/

24、2/2 ）发生破碎生破碎 破碎波破碎波对直直墙的作用力的作用力 瞬瞬时动水水压力力 近区破碎波的近区破碎波的压力力计算方法算方法 MinikinMinikin法法 MinikinMinikin法法 最大最大动水水压力力发生在静水面；生在静水面；近区破碎波的近区破碎波的压强 =动水水压强 +静水静水压强 动水水压力分布力分布 呈抛物呈抛物线分布，在分布，在 h hb b/2/2静水面范静水面范围内，最大内，最大动水水压强p pm m在静水面在静水面处。其中，其中，h hb b破碎波的波高；破碎波的波高；对应于水深于水深为D D处的波的波长 H 冻胀力的分力的分类切向切向冻胀力力 作用于作用于结构

25、物基构物基础侧面使基面使基础产生向上拔力生向上拔力法向法向冻胀力力 nono垂直于基底冰垂直于基底冰结面和基面和基础底面底面水平水平冻胀力力 hoho垂直于基垂直于基础或或结构物构物侧表面表面水平冻胀力水平冻胀力 ho法向冻胀力法向冻胀力 no切向冻胀力切向冻胀力 冻胀力的力的计算算1 1、切向切向冻胀力力 -按按单位切向位切向冻胀力力取取值 单位切向位切向冻胀力：力：平均平均单位切向位切向冻胀力力 （k kp pa a）相相对平均平均单位位冻胀力力T Tk k(kN/m)(kN/m)一般按平均一般按平均单位切向力位切向力计算（按算（按建筑建筑桩基技基技术规范范JGJ94-JGJ94-9494

26、）与基与基础接触的接触的冻深（深（m m）总的切向的切向冻胀力力 T T=U U H H 与与冻土接触的基土接触的基础周周长（m m）2 2、法向法向冻胀力力 nono-影响因素复影响因素复杂，随，随诸因素因素变化而化而变化化 影响因素：影响因素：冻土的各种特性；土的各种特性；冻土土层底下未底下未冻土的土的压缩性；性；作用于作用于冻土土层上的外部上的外部压力；力；结构物抗构物抗变形能力等形能力等 日本：日本：nono=E E =E=E h/H h/H （P32P32，3-363-36）h h冻胀量；量；H H冻结深度；深度；E E冻土土弹性模量性模量 3 3、水平水平冻胀力力 hoho -没有

27、确定的没有确定的计算公式，按基于算公式，按基于现场或室内或室内测试给出的出的经验值 细粒土的最大粒土的最大冻胀力：力：100100 150kpa150kpa 粗粒土的最大粗粒土的最大冻胀力：力：5050 100kpa100kpa第六第六节 撞撞击力力 位于通航河流或有漂流物的河流中的位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台梁墩台,设计时应考考虑船舶或漂流船舶或漂流物的撞物的撞击作用作用 撞撞击作用作用标准准值取用或取用或计算算 当缺乏当缺乏实际调查资料料时，内河上船舶撞，内河上船舶撞击作用作用标准准值可按下表采用；可按下表采用；四、五、六、七四、五、六、七级航道内的航道内的钢筋混凝土筋混凝土桩

28、墩，墩，顺桥向撞向撞击作用作用标准准值可可按下表所列数按下表所列数值的的50%50%考考虑。当缺乏当缺乏实际调查资料料时，海，海轮撞撞击作用作用标准准值可按下表采用。可按下表采用。可能遭受大型船舶撞可能遭受大型船舶撞击作用的作用的桥墩，墩，应根据根据桥墩的自身抗撞墩的自身抗撞击能力、能力、桥墩墩的位置和外形、流水流速、水位的位置和外形、流水流速、水位变化、通航船舶化、通航船舶类型和碰撞速度等因素做型和碰撞速度等因素做桥墩墩设施的施的设计。当。当设有与墩台分开的有与墩台分开的防撞防撞击的防的防护结构构时，桥墩可不墩可不计船舶船舶的撞的撞击作用。作用。漂流物横漂流物横桥向撞向撞击力力标准准值 撞撞

29、击作用点作用点 内河船舶的撞内河船舶的撞击作用点，假定作用点，假定为计算通航水位算通航水位线以上以上2m2m的的桥墩墩宽度或度或长度度的中点。的中点。海海轮船舶撞船舶撞击作用点需作用点需视实际情况而定。情况而定。漂流物的撞漂流物的撞击作用点假定在作用点假定在计算通航水位算通航水位线上上桥墩墩宽度的中点度的中点 桥梁梁结构必要构必要时可考可考虑汽汽车的撞的撞击作用作用 汽汽车撞撞击力力标准准值在在车辆行使方向取行使方向取1000kN1000kN，在，在车辆垂直方向取垂直方向取500kN500kN，两个方向的撞两个方向的撞击力不同力不同时考考虑，撞，撞击力作用于行力作用于行车道以上道以上处，直接分布，直接分布于撞于撞击涉及的构件上。涉及的构件上。对于于设有防撞有防撞设施的施的结构构件，可构构件，可视防撞防撞设施的防撞能力，施的防撞能力，对汽汽车撞撞击力力标准准值予以折减，但折减后汽予以折减，但折减后汽车撞撞击力力标准准值不不应低于上述低于上述规定取定取值的的1/61/6。