荷载与结构设计方法（第3版）

本书参照全国高等学校土木工程专业指导委员会对土木工程专业学生的基本要求和审定的教学大纲而编写。本书主要介绍重力荷载、风荷载、地震作用、侧压力、其他荷载与作用、荷载的统计分析、结构构件抗力的统计分析、结构可靠度分析与计算、概率极限状态设计法等。各章除附有思考题和习题外，还附有教学提示和教学要求，便于教学使用。 本书可作为高等学校土木工程及相关专业的教学用书，也可用做继续教育的教材或土建设计和工程技术人员的参考用书

许成祥 ---------------------------- 许成祥，武汉科技大学城市建设学院，院长，教授。湖北省有突出贡献中青年专家，武汉科技大设计研究院院长，城乡建设与环境发展省级重点实验教学示范中心主任。先后主持国家自然科学基金项目4项，湖北省自然科学基金项目2项（其中，创新群体项目1项），建设部科学技术项目1项，湖北省教育厅科学研究计划项目2项（其中，创新团队计划项目1项）；参与国家自然科学基金项目1项，获批教育部科学技技进步一等奖1项，湖北省科技进步二等奖2项 何培玲 ---------------------------- 何培玲，南京工程学院建筑工程学院院长，教授，从事建筑结构及地下工程结构研究。江苏省、南京市评标专家，江苏省岩土力学与工程学会理事，中国土木工程学会、江苏省土木建筑学会工程管理专业委员会委员。

第１章　绪论 …………………………………………………………………………………… １ 　１.１　结构上的作用及作用效应 ………………………………………………………………… ２ 　　１.１.１　结构上的作用 ………………………………………………………………………… ２ 　　１.１.２　作用效应……………………………………………………………………………… ３ 　１.２　工程结构设计理论演变简况 ……………………………………………………………… ３ 　　１.２.１　容许应力设计法 ……………………………………………………………………… ４ 　　１.２.２　破损阶段设计法 ……………………………………………………………………… ４ 　　１.２.３　多系数极限状态设计法 ……………………………………………………………… ５ 　　１.２.４　概率极限状态设计法 ………………………………………………………………… ５ 　本章小结 ……………………………………………………………………………………… ６ 　思考题 ………………………………………………………………………………………… ６ 　习题 …………………………………………………………………………………………… ６ 第２章　重力荷载 ……………………………………………………………………………… ７ 　２.１　结构自重 ………………………………………………………………………………… ８ 　２.２　土体自重应力……………………………………………………………………………… ８ 　２.３　雪荷载 …………………………………………………………………………………… １０ 　　２.３.１　基本雪压 …………………………………………………………………………… １０ 　　２.３.２　雪荷载标准值、组合值系数、频遇值系数及准永久值系数 …………………………… １５ 　　２.３.３　屋面积雪分布系数 …………………………………………………………………… １５ 　２.４　汽车荷载 ………………………………………………………………………………… １７ 　２.５　人群荷载 ………………………………………………………………………………… ２０ 　２.６　吊车荷载 ………………………………………………………………………………… ２１ 　　２.６.１　吊车工作制等级与工作级别 ………………………………………………………… ２１ 　　２.６.２　吊车竖向荷载和水平荷载 …………………………………………………………… ２５ 　２.７　楼面和屋面活荷载 ……………………………………………………………………… ２７ 　　２.７.１　楼面活荷载的取值原则 ……………………………………………………………… ２７ 　　２.７.２　民用建筑楼面均布活荷载 …………………………………………………………… ２９ 　　２.７.３　工业建筑楼面活荷载 ………………………………………………………………… ３３ 　　２.７.４　屋面均布活荷载和屋面积灰荷载……………………………………………………… ３６ 　　２.７.５　施工、检修集中荷载及栏杆顶部的活荷载 …………………………………………… ３８ 　本章小结 ……………………………………………………………………………………… ３９ 　思考题 ………………………………………………………………………………………… ４０ 　习题 …………………………………………………………………………………………… ４０ 第３章　风荷载 ……………………………………………………………………………… ４１ 　３.１　风的有关知识 …………………………………………………………………………… ４２ 　　３.１.１　风的形成 …………………………………………………………………………… ４２ 　　３.１.２　两类性质的风 ……………………………………………………………………… ４２ 　　３.１.３　我国的风区 ………………………………………………………………………… ４３ 　　３.１.４　风力等级 …………………………………………………………………………… ４３ 　３.２　风压……………………………………………………………………………………… ４５ 　　３.２.１　风速与风压的关系 …………………………………………………………………… ４５ 　　３.２.２　基本风压 …………………………………………………………………………… ４５ 　　３.２.３　非标准条件下的风速或风压的换算 …………………………………………………… ４６ 　３.３　风压高度变化系数 ……………………………………………………………………… ４８ 　３.４　风荷载体型系数 ………………………………………………………………………… ５１ 　　３.４.１　单体风荷载体型系数 ………………………………………………………………… ５１ 　　３.４.２　群体风荷载体型系数 ………………………………………………………………… ５４ 　　３.４.３　局部风荷载体型系数 ………………………………………………………………… ５５ 　３.５　结构抗风计算的几个重要概念 …………………………………………………………… ５５ 　　３.５.１　结构的风力与风效应 ………………………………………………………………… ５５ 　　３.５.２　顺风向的平均风与脉动风 …………………………………………………………… ５６ 　　３.５.３　横风向风振 ………………………………………………………………………… ５６ 　３.６　顺风向结构风效应 ……………………………………………………………………… ５８ 　　３.６.１　风振系数 …………………………………………………………………………… ５８ 　　３.６.２　脉动风荷载 ………………………………………………………………………… ５９ 　　３.６.３　结构基本自振周期经验公式 ………………………………………………………… ６０ 　　３.６.４　阵风系数 …………………………………………………………………………… ６１ 　　３.６.５　顺风向风荷载标准值 ………………………………………………………………… ６２ 　３.７　横风向结构风效应 ……………………………………………………………………… ６２ 　　３.７.１　锁定现象 …………………………………………………………………………… ６２ 　　３.７.２　共振区高度 ………………………………………………………………………… ６３ 　　３.７.３　横风向风振验算……………………………………………………………………… ６３ 　３.８　结构总风效应 …………………………………………………………………………… ６４ 　本章小结 ……………………………………………………………………………………… ６４ 　思考题 ………………………………………………………………………………………… ６５ 　习题 …………………………………………………………………………………………… ６５ 第４章　地震作用 …………………………………………………………………………… ６６ 　４.１　地震的有关知识 ………………………………………………………………………… ６９ 　　４.１.１　地震的类型 ………………………………………………………………………… ６９ 　　４.１.２　地震成因 …………………………………………………………………………… ６９ 　　４.１.３　地震分布 …………………………………………………………………………… ７１ 　　４.１.４　地震波、震级及地震烈度 …………………………………………………………… ７１ 　４.２　地震作用及其计算方法 …………………………………………………………………… ７８ 　４.２.１　地震烈度区划与基本烈度 …………………………………………………………… ７８ 　　４.２.２　单质点体系地震作用 ………………………………………………………………… ７９ 　４.３　多质点体系地震作用……………………………………………………………………… ８９ 　　４.３.１　计算简图 …………………………………………………………………………… ８９ 　　４.３.２　运动方程 …………………………………………………………………………… ９０ 　　４.３.３　自由振动 …………………………………………………………………………… ９１ 　　４.３.４　方程解耦 …………………………………………………………………………… ９３ 　　４.３.５　方程求解 …………………………………………………………………………… ９３ 　　４.３.６　多质点体系的地震作用计算方法……………………………………………………… ９４ 　　４.３.７　底部剪力法计算地震作用 …………………………………………………………… ９８ 　本章小结……………………………………………………………………………………… １０１ 　思考题 ……………………………………………………………………………………… １０２ 　习题 ………………………………………………………………………………………… １０２ 第５章　侧向压力 …………………………………………………………………………… １０４ 　５.１　土压力 ………………………………………………………………………………… １０５ 　　５.１.１　土压力分类………………………………………………………………………… １０５ 　　５.１.２　基本原理…………………………………………………………………………… １０６ 　　５.１.３　工程中挡土墙土压力计算 ………………………………………………………… １１５ 　　５.１.４　动土压力…………………………………………………………………………… １２５ 　　５.１.５　板桩墙及支撑板上的土压力………………………………………………………… １２７ 　　５.１.６　涵洞上的土压力 …………………………………………………………………… １３０ 　５.２　静水压力及流水压力 …………………………………………………………………… １３３ 　　５.２.１　静水压力…………………………………………………………………………… １３３ 　　５.２.２　流水压力…………………………………………………………………………… １３４ 　５.３　波浪荷载 ……………………………………………………………………………… １３５ 　　５.３.１　波浪特性…………………………………………………………………………… １３５ 　　５.３.２　波浪荷载的计算 …………………………………………………………………… １３７ 　５.４　冰荷载 ………………………………………………………………………………… １４２ 　　５.４.１　冰堆整体推移的静压力 …………………………………………………………… １４２ 　　５.４.２　大面积冰层的静压力 ……………………………………………………………… １４２ 　　５.４.３　冰层受温度影响膨胀时产生的静压力 ……………………………………………… １４３ 　　５.４.４　冰层因水位升降产生的上拔力 ……………………………………………………… １４４ 　　５.４.５　动冰压力 (流冰冲击力) ………………………………………………………… １４４ 　本章小结 …………………………………………………………………………………… １４５ 　思考题 ……………………………………………………………………………………… １４５ 　习题 ………………………………………………………………………………………… １４６ 第６章　其他荷载与作用 …………………………………………………………………… １４７ 　６.１　温度作用 ……………………………………………………………………………… １４８ ６.１.１　温度作用的概念 …………………………………………………………………… １４８ 　　６.１.２　温度应力的计算 …………………………………………………………………… １４９ 　６.２　变形作用 ……………………………………………………………………………… １５１ 　６.３　爆炸作用 ……………………………………………………………………………… １５１ 　　６.３.１　爆炸的概念及类型 ………………………………………………………………… １５１ 　　６.３.２　爆炸对结构的影响及荷载计算 ……………………………………………………… １５２ 　６.４　浮力 …………………………………………………………………………………… １５４ 　６.５　制动力 ………………………………………………………………………………… １５５ 　　６.５.１　汽车制动力………………………………………………………………………… １５５ 　　６.５.２　吊车制动力………………………………………………………………………… １５５ 　　.５.３　汽车竖向冲击力 …………………………………………………………………… １５６ 　　６.５.４　汽车水平撞击力 …………………………………………………………………… １５７ 　６.６　离心力 ………………………………………………………………………………… １５７ 　６.７　预应力 ………………………………………………………………………………… １５８ 　　６.７.１　预应力的概念 ……………………………………………………………………… １５８ 　　６.７.２　预应力混凝土的分类 ……………………………………………………………… １５９ 　本章小结 …………………………………………………………………………………… １６２ 　思考题 ……………………………………………………………………………………… １６２ 　习题 ………………………………………………………………………………………… １６３ 第７章　荷载的统计分析 …………………………………………………………………… １６４ 　７.１　荷载的概率模型 ………………………………………………………………………… １６５ 　　７.１.１　平稳二项随机过程模型 …………………………………………………………… １６５ 　　７.１.２　荷载统计参数分析 ………………………………………………………………… １６６ 　７.２　荷载效应组合规则 ……………………………………………………………………… １６７ 　７.３　常遇荷载的统计分析 …………………………………………………………………… １６９ 　　７.３.１　永久荷载…………………………………………………………………………… １６９ 　　７.３.２　民用建筑楼面活荷载 ……………………………………………………………… １７０ 　　７.３.３　办公楼楼面活荷载的统计参数 ……………………………………………………… １７２ 　　７.３.４　住宅楼楼面活荷载的统计参数 ……………………………………………………… １７２ 　７.４　荷载代表值 …………………………………………………………………………… １７２ 　　７.４.１　荷载标准值………………………………………………………………………… １７２ 　　７.４.２　荷载准永久值 ……………………………………………………………………… １７３ 　　７.４.３　荷载组合值………………………………………………………………………… １７３ 　　７.４.４　荷载频遇值………………………………………………………………………… １７３ 　本章小结 …………………………………………………………………………………… １７４ 　思考题 ……………………………………………………………………………………… １７４ 　习题 ………………………………………………………………………………………… １７４ 第８章　结构构件抗力的统计分析 ………………………………………………………… １７５ 　８.１　结构构件抗力的不定性 ………………………………………………………………… １７６ 　　８.１.１　结构构件材料性能的不定性………………………………………………………… １７６ 　　８.１.２　结构构件几何参数的不定性………………………………………………………… １７８ 　　８.１.３　结构构件计算模式的不定性………………………………………………………… １７９ 　８.２　结构构件抗力的统计特征 ……………………………………………………………… １８０ 　　８.２.１　结构构件抗力的统计参数 ………………………………………………………… １８０ 　　８.２.２　结构构件抗力的分布类型 ………………………………………………………… １８１ 　８.３　材料强度的标准值和设计值 …………………………………………………………… １８１ 　本章小结 …………………………………………………………………………………… １８１ 　思考题 ……………………………………………………………………………………… １８２ 　习题 ………………………………………………………………………………………… １８２ 第９章　结构可靠度分析与计算 …………………………………………………………… １８４ 　９.１　结构可靠度的基本概念 ………………………………………………………………… １８５ 　　９.１.１　结构的功能要求和极限状态………………………………………………………… １８５ 　　９.１.２　结构抗力…………………………………………………………………………… １８７ 　　９.１.３　结构功能函数 ……………………………………………………………………… １８７ 　　９.１.４　结构可靠度和可靠指标 …………………………………………………………… １８８ 　９.２　结构可靠度计算 ………………………………………………………………………… １９０ 　　９.２.１　均值一次二阶矩法 ………………………………………………………………… １９０ 　　９.２.２　改进的一次二阶矩法 ……………………………………………………………… １９１ 　　９.２.３　JC法 ……………………………………………………………………………… １９４ 　９.３　相关随机变量的结构可靠度计算 ………………………………………………………… １９７ 　　９.３.１　变量相关的概念 …………………………………………………………………… １９７ 　　９.３.２　相关变量的变换 …………………………………………………………………… １９８ 　　９.３.３　相关变量可靠指标的计算 ………………………………………………………… ２００ 　９.４　结构体系的可靠度计算 ………………………………………………………………… ２０１ 　　９.４.１　结构体系可靠度 …………………………………………………………………… ２０１ 　　９.４.２　结构系统的基本模型 ……………………………………………………………… ２０２ 　　９.４.３　结构系统中功能函数的相关性 ……………………………………………………… ２０３ 　　９.４.４　结构体系可靠度计算方法 ………………………………………………………… ２０５ 　本章小结 …………………………………………………………………………………… ２１０ 　思考题 ……………………………………………………………………………………… ２１１ 　习题 ………………………………………………………………………………………… ２１１ 第１０章　概率极限状态设计法 …………………………………………………………… ２１３ 　１０.１　结构设计的目标与原则 ………………………………………………………………… ２１４ 　１０.１.１　建筑结构安全等级与可靠度 ……………………………………………………… ２１４ 　　１０.１.２　耐久性和设计使用年限 …………………………………………………………… ２１５ 　　１０.１.３　设计状况与极限状态设计 ………………………………………………………… ２１６ 　　１０.１.４　目标可靠指标 …………………………………………………………………… ２１６ 　１０.２　直接概率设计法 ……………………………………………………………………… ２１８ 　　１０.２.１　一般概念 ………………………………………………………………………… ２１８ 　　１０.２.２　直接概率法的基本方法 …………………………………………………………… ２１８ 　１０.３　概率极限状态的实用设计表达式 ……………………………………………………… ２２０ 　　１０.３.１　承载能力极限状态设计表达式 …………………………………………………… ２２０ 　　１０.３.２　正常使用极限状态设计表达式 …………………………………………………… ２２３ 　　１０.３.３　结构抗震设计表达式 ……………………………………………………………… ２２５ 　本章小结 …………………………………………………………………………………… ２２８ 　思考题 ……………………………………………………………………………………… ２２８ 　习题 ………………………………………………………………………………………… ２２８ 参考文献 ……………………………………………………………………………………… ２３０