工程结构荷载与可靠度设计原理 第5章 地震作用
工程结构荷载与可靠度设计原理
解决手段：模糊集合理论、模糊随机过程理论。
知识的不完善性：由于(yóuyú)人类认识上的局限性而造成的， 所以又叫主观认识的未确定性，如“人体有多少根头发”等。
解决手段：灰色系统理论。
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在结构(jiégòu)可靠性理论中以随机性为研究重点
第三页，共44页。
结构设计中的不确定性因素(yīn sù)
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第十九页，共44页。
验算(yàn suàn)点法基本原理
正态随机变量的情况
结构(jiégòu) Z gX1, X 2 ,....X n
功能函数
将Z在各变量的验算点X* （X1*, X2*,·····, Xn*）处展开成泰勒级数
Z
g(
X
1
,
X
2 ,,
X
n
)
n
(Xi
i 1
X
可靠度
失效概率
Ps PZ 0
0 f z (Z )dZ
Pf PZ 0
0
f z (Z )dZ
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Ps Pf 1
•结构可靠度满足： Z>0具有相当大的概率或 Z<0 具有相当小的概率； •通常采用失效概率来度量结构的可靠度。
第十页，共44页。
可靠(kěkào)指标
基本概念
i
)
g X i
X*
均值 (jū n
Z
g
(
X
1
,
X
2
,,
X
n
)
0
n
( X i
i 1
X
i
)
g X i
X*
zhí)
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《工程结构荷载与可靠度设计原理》复习题
《工程结构荷载与可靠度设计原理》复习题第一章荷载类型1.荷载：由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力称为荷载。
2.作用：能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等）的各种因素总称为作用。
3.荷载与作用的区别与联系.区别：荷载不一定能产生效应，但作用一定能产生效应。
联系：荷载属于作用的范畴。
第二章重力1.土是由土颗粒、水和气体组成的三项非连续介质。
2.雪压：单位面积地面上积雪的自重。
3.基本雪压：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。
第三章侧压力1.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。
三种土压力的受力特点：（1）静止土压力：挡土墙在土压力作用下，不产生任何方向的位移或转动而保持原有的位置，墙后土体处于弹性平衡状态。
（2）主动土压力：挡土墙在土压力的作用下，背离墙背方向移动或转动时，墙后土压力逐渐减小，当达到某一位移量值时，墙后土体开始下滑，作用在挡土墙上的土压力达到最小值，滑动楔体内应力处于主动极限平衡状态。
（3）被动土压力：挡土墙在外力作用下向墙背方向移动或转动时，墙体挤压土体，墙后土压力逐渐增大，当达到某一位移时，墙后土体开始上隆，作用在档土墙上的土压力达到最大值，滑动楔体内应力处于被动极限平衡状态。
2.水对结构物的力学作用表现在对结构物表面产生静水压力和动水压力。
静水压力可能导致结构物的滑动或倾覆；动水压力，会对结构物产生切应力和正应力，同时还可能引起结构物的振动，甚至使结构物产生自激振动或共振。
3.（1）冻胀力：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。
（2）冻土：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，称为冻土。
（3）冻胀原理：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，底层隆起。
工程结构荷载与可靠度设计原理
工程结构荷载与可靠度设计原理工程结构荷载设计原理是指根据工程所受到的外部荷载及其影响，在设计中合理确定各种荷载的作用方式、计算方法和作用大小，以确保结构的安全可靠性。
在荷载设计原理中，结构荷载主要包括恒载、活载和自重荷载。
恒载是指结构在使用过程中持续存在的荷载，如自重、固定设备和常设荷载等。
活载是指结构所受到的可变荷载，如人员、设备、风荷载和流体荷载等。
自重荷载是指结构自身的重量所引起的荷载。
恒载的设计原理是根据结构本身的质量和统计数据确定荷载的大小。
常见的恒载有自重、固定设备质量、楼板养护荷载等。
活载的设计原理是根据实际使用情况及相关规范给出的活载标准确定荷载的大小。
常见的活载有人员荷载、设备荷载、风荷载和流体荷载等。
自重荷载的设计原理是根据结构的材料和形状确定其自身的重量，并将其作为荷载计算时考虑。
在可靠度设计原理中，考虑工程结构荷载的可靠度是确保结构安全可靠的重要步骤。
可靠度设计原理主要包括可靠度指标的选择、荷载概率分布的确定和可靠度分析方法的应用。
可靠度指标是衡量结构安全可靠性的一个重要指标，常用的指标有可靠系数、可靠指标和可靠指数等。
荷载概率分布是指荷载的大小在一定区间内发生的概率分布情况，常用的分布有正态分布和广义极值分布等。
可靠度分析方法是根据荷载概率分布和结构响应的关系，通过数学模型和统计方法计算结构的可靠度。
常用的可靠度分析方法有可靠指数法、蒙特卡洛模拟法和极限状态法等。
综上所述，工程结构荷载与可靠度设计原理是确保结构安全可靠性的基础。
在设计中，通过合理确定荷载的作用方式、计算方法和作用大小，以及考虑荷载的可靠度指标和概率分布，可以保证结构在荷载作用下具有足够的安全可靠性。
结构可靠度与设计原理期末复习资料
第1章荷载类型1、荷载与作用在概念上有何不同荷载:是由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力。
作用:能使结构产生效应的各种因素总称。
2、说明直接作用和间接作用的区别。
将作用在结构上的力的因素称为直接作用，将不是作用力但同样引起结构效应的因素称为间接作用，如温度改变，地震,不均匀沉降等。
只有直接作用才可称为荷载。
3、作用有哪些类型，请举例说明①随时间的变异分类:永久作用、可变作用、偶然作用②随空间位置变异分类:固定作用、可动作用③按结构的反应分类:静态作用、动态作用。
4、什么是效应，是不是只有直接作用才能产生效应效应:作用在结构上的荷载会使结构产生内力、变形等。
不是。
地震等间接作用也能产生效应。
第2章重力1、说明车列荷载与车道荷载的区别。
车列荷载考虑车的尺寸及车的排列方式，以集中荷载的形式作用于车轴位置; 车道荷载则不考虑车的尺寸及车的排列，将车道荷载等效为均布荷载和一个可作用于任意位置的集中荷载形式。
第5章地震1、地震有哪些类型地震按其产生原因可分为:火山地震、陷落地震、构造地震。
按震源深浅可分为：浅源地震、中源地震、深源地震2、构造地震是怎样产生的构造地震:由于地质构造变化而引起的地震。
(地壳岩层应力累积造成岩层破裂引起的，故震源总是位于岩层最薄弱处)3、世界分布地震有何特征，请解释原因分布特征：集中在两个带状区域上（环太平洋地震带、欧亚地震带）原因：板块与板块之间由于挤压碰撞而在板块边缘上发生地震（板块构造理论是全球地震带状分布现象的解释）。
4、震级和烈度有何差别，有何联系震级:衡量一次地震大小的数量等级。
烈度:某一特定地区遭受一次地震影响的强弱程度。
联系：一次地震只有一个震级,而在不同的地点却会有不同的地震烈度。
定性上震级越大，确定地点上烈度也越大。
5、影响地震反应谱的因素结构阻尼比(阻尼比越小、S越大)地面运动(地面运动幅值:幅值越大、S越大;地面运动频谱)。
6、底部剪力法的计算步骤①先计算地震产生的结构底部最大剪力②将该剪力分配到结构各质点上作为地震作用7、①一次地震只有一个震级，但可以有多个烈度。
荷载与作用
荷载与结构设计(前六章)知识点熊茂翔(哈尔滨工业大学威海) 摘要：荷载与结构设计课程主要讨论工程荷载特性和研究结构可靠度、稳定性问题。
课程讲解过程主要强调后者，导致学生明白了结构可靠度的问题，却不甚了解工程荷载的种类及其特点的尴尬现状。
此篇论文，以清晰、准确的方式集中归纳了各荷载章节的知识点，补充了老师教学过程中的非主观短板，也可以让同学从基本理论、基本概念、基本模式上理解知识点，打好三基，将认识和理解深入贯彻。
关键词：荷载与结构设计；知识点归纳；地震；风荷载；Load and structural design (the first six chapters) knowledgegeneralizations (Xiongmaoxiang)Abstract: Load and structure design course mainly discuss engineering load characteristics and research structure reliability and stability problem. Course interpretation process, resulting in the latter basically emphasize students understand the structure reliability problems, but does not understand very engineering load species and characteristics of embarrassing situation. This paper, based on clear and accurate manner concentrated summarizes the knowledge of various load chapters, added the teacher in the teaching process of the subjective short board, also can let students from the basic theories, basic concept, the basic mode of knowledge, understanding, will play good sanki deep-going understanding and the understanding.1. 荷载与作用1.1工程结构工程建筑物中以各种工程材料建成的能承受荷载或其他作用的构件的组合体。
工程结构荷载与可靠度设计原理复习资料(doc 8页)
工程结构荷载与可靠度设计原理复习资料(doc 8页)《工程结构荷载与可靠度设计原理》复习题第一章荷载类型1.荷载：由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力称为荷载。
2.作用：能使结构产生效应（结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等）的各种因素总称为作用。
3.荷载与作用的区别与联系.区别：荷载不一定能产生效应，但作用一定能产生效应。
联系：荷载属于作用的范畴。
第二章重力1.土是由土颗粒、水和气体组成的三项非连续介质。
2.雪压：单位面积地面上积雪的自重。
3.基本雪压：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。
第三章侧压力1.根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应含水量冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力。
（2）冻土：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，称为冻土。
（3）冻胀原理：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，底层隆起。
（4）影响冻土的因素：含水量、地下水位、比表面积和温差。
第四章风荷载1.基本风压：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。
通常应符合以下五个规定：标准高度的规定（10m）、地貌的规定(空旷平坦)、公称风速的时距（10分钟）、最大风速的样本时间（1年）和基本风速重现期（30-50年）。
2.风效应可以分为顺风向结构风效应和横风向结构风效应两种。
3.速度为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p D、横风向力P L以及扭力矩P M。
第五章地震作用1.地震按其产生的原因，可分为火山地震、陷落地震和构造地震。
2.（1）震源：即发震点，是指岩层断裂处。
（2）震中：震源正上方的地面地点。
（3）震源深度：震中至震源的距离。
（4）震中距：地面某处到震中的距离。
（5）震级：衡量一次地震规模大小的数量等级。
（6）地震能：一次地震所释放的能量。
地震作用和结构抗震设计要点
地震作用和结构抗震设计要点1. 地震作用简介地震是地球内部发生的一种自然现象，是地壳的震动。
地震作用对建筑结构会产生不可无视的影响，因此在建筑设计中必须考虑地震作用对结构的影响，合理进行抗震设计。
地震作用主要包括地震波的震动、振荡和地震引起的地表位移等。
地震波可以分为纵波和横波，纵波传播速度较快，而横波产生的水平位移对结构破坏更为严重。
地震波的传播会引起建筑结构的振动，如果结构的抗震能力缺乏，那么可能导致结构的破坏甚至倒塌。
2. 结构抗震设计要点为了确保建筑结构在地震中具备足够的抗震能力，需要在设计过程中注意以下要点：2.1 结构稳定性在进行抗震设计时，结构的稳定性是非常重要的考虑因素。
结构的稳定性包括整体稳定性和局部稳定性两个方面。
整体稳定性主要涉及结构整体的抗倾覆能力和整体的撤除能力。
局部稳定性那么考虑不同构件的局部抗倾覆能力和连接点的抗震性能。
2.2 结构的均匀性和对称性在抗震设计中，结构的均匀性和对称性是确保结构在地震中保持良好性能的关键因素之一。
结构的均匀性和对称性可以有效降低结构的谐振现象，减少结构受到的地震作用的影响。
2.3 结构的刚度和强度结构的刚度和强度是抗震设计中必须考虑的重要因素。
结构的刚度决定了结构在地震中的受力分布和位移响应情况，而结构的强度那么决定了结构的抵抗能力。
通过合理的结构刚度设计和强度设计，可以减小结构在地震中的变形和破坏。
2.4 结构的耗能能力耗能是指结构在地震中吸收和分散能量的能力。
结构的耗能能力直接决定了结构在地震中的破坏程度，合理的耗能设计可以减少地震作用对结构的破坏。
常见的结构耗能方式包括粘滞阻尼和阻尼器等。
2.5 结构的连接设计结构连接的设计是确保结构整体性能的重要环节。
连接的设计要考虑连接部位的刚度和强度，并确保连接部位的可靠性和耐久性。
在地震中，连接部位往往易发生破坏，因此合理的连接设计可以提高结构的整体抗震能力。
2.6 结构的预制和施工工艺结构的预制和施工工艺也会对结构的抗震能力产生影响。
工程结构荷载与可靠度设计原理-完整版
2021/5/9
§2.3 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
其他几种水压力在结构物上的分布模式
§3.2 水压力及流水压力
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：
p p静 p动
p p静 p动 p'
p动 时段平均动压力（Pa）;
p'
2021/5/9
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。
2021/5/9
§2.4 车辆荷载 车辆荷载布置图
2021/5/9
单位（m）
§2.4 车辆荷载 ➢ 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
2021/5/9
hi
i
2021/5/9
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
' i
§2.1 结构自重
土的有效重度
' i
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
2021/5/9
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2. 地震能
一个7级地震，约相当于30枚2万吨TNT的原子弹爆炸所释放的能量。
地震规模增加1.0，则其释放能量增大31.6倍。 E2 / E1 = [1011.8+1.5(M+1)] / (1011.8+1.5M) = 101.5 = 31.6
地震规模与广岛原子弹爆炸威力之比较
地震规模 M
E=1011.8+1.5M
② Sa与阻尼比有关
③ Sa与地面运动（ ）有关
不同场地条件的地震反应谱图
不同震中条件的地震反应谱图
● 设计反应谱
用于设计应： ① ② ③
地震系数 考虑安全度等因素我国取
结构设计基准期内超越概率为10%的烈度水平
I：基本烈度（设防烈度）
“小震不坏，中震可修，大震不倒”
超越概率为63%
小震烈度 = 基本烈度 - 1.5 超越概率为2~3% 大震烈度 = 基本烈度 + 1
6 惊慌失措，仓皇 损坏—个别砖 0~0.1 河岸和松软土出现裂缝， 63
6
逃出
瓦掉落、墙体 微细裂缝
饱和沙层出现喷沙冒水。 (45~89) (5~9) 地面上有的砖烟囱轻度
裂缝、掉头
7 大多数人仓皇逃 轻度破坏—局 0.11~ 河岸出现塌方，饱和沙 125
13
出
部破坏、开裂， 0.30 层常见喷沙冒水。松软 (90~177) (10~18)
vsm：场地土平均剪切波速 dov：场地土覆盖层厚度
竖向运动 水平地震力计算
剪切波速小于500m/s 的场地土覆盖层厚度
第二节 单质点体系地震作用
• 单质点体系
当结构的质量相对集中在某一个确定位置 时，可将结构处理成单质点体系。
单质点体系简图
• 单质点体系地震反应
质点上三种力：
惯性力 阻尼力 弹性力
8.1
8.91 1023
1000
9/19/1985墨西哥市地震
3. 烈度
定义：某一特定地区遭受一次地震影响的强烈程度。
烈
人的感觉
度
1 无感 2 室内个别静止中的人感觉 3 室内少数静止中的人感觉
中国地震烈度表
一般房屋
大多数房屋 平均震 震害程度 害程度
其他现象
参考物理指标
水平加速度 水平速度 (cm/s2) (cm/s)
波 面波：瑞雷波（R波）、洛夫波（L波）
各种波特点
P波
S波
波速
快
较快Biblioteka 周期 振幅短较短
小
较小
R波和L波 慢 长 大
32
2. 地震地面运动
对于地面上的某一点，当地震体波到达该点或面波经过该点时，就会引起该点 往复运动，此即地震地面运动。
因波的折射，体波传播到地面时，其行进方向将近似与地面垂直。
P波 → 上下运动 S波 → 前后、左右运动 R波 → 上下、前后运动 L波 → 左右运动
槽形钢骨钢筋混凝土建筑结构 中间层 （第二层）的破坏
日本神户大地震对土木工程结构的破坏
地震破坏的公路
在日本HigashiKobe 轮渡破坏的码头墙
2011年3月11日 日本东北部海域9.0级地震
海啸
日本福岛第一核电站1~4号机组发生核泄漏事故
16
第一节 地震基本知识
一、地震的类型与成因 1. 地震类型
2. 中国地震分布
① 台湾地区 ② 喜马拉雅山地区 ③ 西北地区
④ 天山地区 ⑤ 华北地区
⑥ 东南沿海地区
三、震级与烈度 1. 震级
定义：衡量一次地震规模大小的数量等级。
里氏震级
A：距震中100km处的 最大水平地面位移（µm）
M<2 2<M<4 M>5 M>7 M>8
微震 有感地震 破坏性地震 大地震 特大地震
11
12
严重破坏— 墙体龟裂、 局部倒塌， 复修困难
倒塌—大部 倒塌，不堪 修复
毁灭
0.51~0.70 0.71~0.90 0.91~1.0
干硬土上有许多地方 出现裂缝，基岩上可 能出现裂缝。滑坡、 塌方常见。砖烟囱出 现倒塌。
500 (354~707)
50 (36~71)
山崩和地震断裂出现。 1000
第5章 地震作用
主要内容
• 第一节 地震基本知识 • 第二节 单质点体系地震作用 • 第三节 多质点体系地震作用
汶川地震
时间：08年5月12日14:28 震中：四川汶川县 震级：8.0级
3
学校 破坏
医院 破坏
厂房 破坏
道路 破坏
桥梁 破坏
紫坪铺大坝损坏
（据林皋，2008）
坝顶防浪墙震损
动力系数
根据场地条件和震中距将地震记录分类，计算
每一类记录β（T）和平均谱（T）
• 相近场地及相近震中距的规则化地震反应谱如图 （不同地震记录）
地震影响系数
场地条件 震中距
5Tg
同类地震记录的平均动力系数谱
● 设计地震作用的计算
场地土越软、场地土越厚、 震中距越大，Tg值越大。
第三节 多质点体系地震作用
门、窗轻微 作响
悬挂物微动
4 室内多数人感觉。室外少数 门、窗作响 人感觉。少数人梦中惊醒。
悬挂物明显 摆动，器皿 作响
中国地震烈度表(续一)
5 室内普遍感觉。 门窗、屋顶、 室外多数人感觉。 屋架颤动作响， 多数人梦中惊醒。 灰土掉落，抹 灰出现微细裂 缝。
不稳定物翻倒
31 (22~44)
3 (2~4)
地震导致倾覆的城市高架道路 （ 1969年建成）
日本神户大地震对土木工程结构的破坏
由于液化引起地面的下沉
桥梁钢筋混凝土墩的剪切破坏
日本神户大地震对土木工程结构的破坏
日本Nishinomiya 港口桥震落的桥跨 由于柱的剪切破坏引起的铁路框架桥的坍塌
日本神户大地震对土木工程结构的破坏
普通木结构房屋的典型破坏
● 多质点体系
多质点体系简图
● 多质点体系地震反应
Δ 运动方程
Δ 自由振动特性 特征方程： 特征值方程： 频率： 振型：
振型的正交性： Δ 地震反应的振型分解
振型参与系数
● 振型地震作用
地震影响系数
● 振型组合
Δ 各振型地震作用→振型最大反应 Δ 振型最大反应不在同一时刻发生 Δ 平方和开方法
层数影响系数
n = 1时，χ = 1； n > 1时， χ=0.75~0.90，可近似取χ=0.85。
Δ 地震作用分布 Δ 高阶振型影响
【例5-2】 已知一个三层剪切型结构，如图5-22所示。已知该结构的各阶周期
和振型为 T1 0.433s，T2 0.202s，T3 0.136s，
0.301
100
基岩上的拱桥破坏。 (708~1414) (72~141) 大多数砖烟囱从根部
破坏或倒塌。
地震断裂延续很长。 山崩常见。基岩上拱 桥破坏。
地面剧烈变化、山河 改观
4. 烈度与震级的关系
一次地震只有一个震级，但不同的地点将有不同的烈度。 震中烈度与震级关系：
烈度衰减关系：
∆：震中距
h：震源深度
下游坡面干砌石 块松动并伴有向 下滑移
5-8
隧道的破坏
衬砌厚度30-35cm
5-9
新县城
新北川中学滑坡
老县城
王家岩滑坡
北川滑坡与城市破坏
5-10
（据黄润秋，2008）
日本神户大地震对土木工程结构的破坏
发生日期 : 1995年1月17日 震源深度 : 14 km 震级 : 7.2 破坏的主要原因是抵抗水平 地震力的剪切抗力不足
2
（ 0.2 ）0.9 0.202
0.16
0.159
3 0.16
T T
2 max 0.4 5 max
5Tg
[作业] 已知一个两层剪切型，如图所示，试分别采用振型分解反
应谱法和底部剪力法求该结构在地震作用下的底部最大剪力和
顶部最大位移。已知设计反应谱的有关参数为：Tg=0.2s、
b=0.9、amax=0.16。
震中附近，体波成分较多，面波成分较少，随着震中距增加，体波成分减 少，面波成分增加。
3. 地面运动强度与烈度的关系
平均关系：
4. 影响地面运动频谱的主要因素
两个因素：震中距、场地条件
土层软弱程度 土层覆盖层厚度
周期短的波在有阻尼介质中传播较易衰减
周期长的波可能发生共振
水平运动
场地特征周期(或卓越周期)：
1
0.648
0.676
2.47
1.000
2
0.601
3
2.57
，设计反应谱的有关参数为：
Tg
0.2s，
1.000
1.000
b 0.9， max 0.16 。 采用振型分解反应谱法求该三层剪切型结构在
地震作用下的底部最大剪力和顶部最大位移。
1
（Tg T1
）0.9
max
（ 0.2 ）0.9 0.16 0.0798 0.433
三向地面运动 上下运动：由P波和R波引起 前后运动：由S波和R波引起 左右运动：由S波和L波引起
5-34
地震地面运动的记录
地震地面运动加速度记录
地面运动三要素：强度、频谱、强震时间
强弱程度
频率成分
对结构反复作用次数
一般两个方向水平地面运动的强度相等，而竖向地面运动的 强度一般小于 水平地面运动的强度。
相当于广岛原子弹 (20KT TNT)之个数
附注
4.0
6.31 1017
-
5.0
2.00 1019