归东理子大军 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第六章.其他荷载与作用 §6-1温度作用 §6-2变形作用 §6-3爆炸作用 §6-4浮力作用 §6-5制动力 §6-6离心力 §6-7预应力
2 第六章.其他荷载与作用 §6-1 温度作用 §6-2 变形作用 §6-3 爆炸作用 §6-4 浮力作用 §6-5 制动力 §6-6 离心力 §6-7 预应力
§6.1温度作用 、1958 一、温度作用的概念 当结构物所处环境的温度发生变化，且结构或构件的热变形受到边界条件 约束或相邻部分的制约，不能自由胀缩时，就会在结构或构件内形成一定的应 力，这个应力被称为温度应力，即温度作用，指因温度变化引起的结构变形和 附加力。温度作用不仅取决于结构物环境的温度变化，它还与结构或构件受到 的约束条件有关。 在土木工程中所遇到的许多因温度作用而引发的问题，从约束条件看大致 可分为两类。 第一类，结构物的变形受到其他物体的阻碍或支承条件的制约，不能自由 变形。现浇钢筋混凝土框架结构的基础梁嵌固在两柱基之间，基础梁的伸缩变 形受到柱基约束，没有任何变形余地（图6.1）。排架结构支承于地基，当上部 横梁因温度变化伸长时，横梁的变形使柱产生侧移，在柱中引起内力：柱子对 横梁施加约束，在横梁中产生压力（图6.2）。 图6.1基础梁共基之间 图6.2排架结构受到支承条件的约東
3 §6.1 温度作用 一、温度作用的概念 当结构物所处环境的温度发生变化，且结构或构件的热变形受到边界条件 约束或相邻部分的制约，不能自由胀缩时，就会在结构或构件内形成一定的应 力，这个应力被称为温度应力，即温度作用，指因温度变化引起的结构变形和 附加力。温度作用不仅取决于结构物环境的温度变化，它还与结构或构件受到 的约束条件有关。 在土木工程中所遇到的许多因温度作用而引发的问题，从约束条件看大致 可分为两类。 第一类，结构物的变形受到其他物体的阻碍或支承条件的制约，不能自由 变形。现浇钢筋混凝土框架结构的基础梁嵌固在两柱基之间，基础梁的伸缩变 形受到柱基约束，没有任何变形余地(图6.1)。排架结构支承于地基，当上部 横梁因温度变化伸长时，横梁的变形使柱产生侧移，在柱中引起内力；柱子对 横梁施加约束，在横梁中产生压力(图6.2)。 图6.1 基础梁嵌固于柱基之间 图6.2 排架结构受到支承条件的约束
§6.1温度作用 1958 第二类，构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。简支屋面 梁在日照作用下屋面温度升高，而室内温度相对较低，简支梁沿梁高受到 不均匀温差作用，产生翘曲变形，在梁中引起应力。大体积混凝土梁结硬 时，水化热使得中心温度较高，两侧温度偏低，内外温差不均衡在截面引 起应力，产生裂缝
4 §6.1 温度作用 第二类，构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。简支屋面 梁在日照作用下屋面温度升高，而室内温度相对较低，简支梁沿梁高受到 不均匀温差作用，产生翘曲变形，在梁中引起应力。大体积混凝土梁结硬 时，水化热使得中心温度较高，两侧温度偏低，内外温差不均衡在截面引 起应力，产生裂缝
§6.1温度作用 195 二、温度应力的计算 结构物受温度变化的影响应根据不同结构类型和约束条件进行分类而分别 计算。一类是静定结构在温度变化时能够自由变形，结构物无约束应力产生， 故无内力。但由于任何材料都具有热胀冷缩的性质，因此静定结构在满足其约 束的条件下可自由地产生变形，这时应考虑结构的这种变形是否超过允许范围 。此变形可由变形体系的虚功原理并按下式计算： △m=∑aio,+∑aA,oa/h △t一结构中任一点P沿任意方向pp的变形： a一材料的线膨胀系数(1/℃)，温度每升高或降低1℃，单位长度构件的伸长 或缩短量，几种主要材料线膨胀系数见表6-1； t。一杆件轴线处的温度变化： △，一杆件上、下侧温差的绝对值： h一杆件截面高度： ωwp一杆件的N,图的面积，N。图为虚拟状态下轴力大小沿杆件的分布图； WMp 一杆件的M。图的面积，M。图为虚拟状态下弯矩大小沿杆件的分布图
5 §6.1 温度作用 二、温度应力的计算 结构物受温度变化的影响应根据不同结构类型和约束条件进行分类而分别 计算。一类是静定结构在温度变化时能够自由变形，结构物无约束应力产生， 故无内力。但由于任何材料都具有热胀冷缩的性质，因此静定结构在满足其约 束的条件下可自由地产生变形，这时应考虑结构的这种变形是否超过允许范围 。此变形可由变形体系的虚功原理并按下式计算： 0 / P P pt N M t ∆= + ∆ ∑ ∑ αω α ω t h
§6.1温度作用 1958 对于超静定结构存在有多余约束或物体内部单元体相互制约的构件，温 度改变引起的变形将受到限制，从而在结构内产生内力。这一温度作用效应 的计算，可根据变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。 受均匀温差T作用的两端嵌固于支座的梁（图6.3）。若求此梁温度应力， 可将其一端解除约束，成为一静定悬臂梁。悬臂梁在温差T的作用下产生的 的自由伸长量及相对变形值ε可由下式求得： △L=aT 式中，T一一温差（℃）： 梁跨度(m)。 △L=aTL L (a)两端嵌固于支座的梁 (b)悬臂梁 风6.3两端嵌固的梁与自由变形梁示意图 6
6 §6.1 温度作用 对于超静定结构存在有多余约束或物体内部单元体相互制约的构件，温 度改变引起的变形将受到限制，从而在结构内产生内力。这一温度作用效应 的计算，可根据变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。 受均匀温差T作用的两端嵌固于支座的梁(图6.3)。若求此梁温度应力， 可将其一端解除约束，成为一静定悬臂梁。悬臂梁在温差T的作用下产生的 的自由伸长量及相对变形值ε可由下式求得： 式中，T——温差(℃)； L——梁跨度(m)。 ∆L TL ＝α L T L ε α ∆ ＝ = 图6.3 两端嵌固的梁与自由变形梁示意图
§6.1温度作用 1956 如果悬臂梁右端受到嵌固不能自由伸长，梁内便产生约束力，约束力的大 小等于将自由变形梁压回原位所施加的力（拉为正，压为负），即 截面应力为： EA LA .aTL-aTE 式中，E一 材料弹性模量； A 材料截面面积； 杆件约束应力。 由截面应力可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关， 其数值等于温差引起的应变与弹性模量的乘积
7 §6.1 温度作用 如果悬臂梁右端受到嵌固不能自由伸长，梁内便产生约束力，约束力N的大 小等于将自由变形梁压回原位所施加的力(拉为正，压为负)，即 截面应力为： 式中，E——材料弹性模量； A——材料截面面积； σ——杆件约束应力。 由截面应力可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关， 其数值等于温差引起的应变与弹性模量的乘积。 EA N L L =− ∆ P EA TL TE A LA σ αα ＝− =− ⋅ ＝
§6.1温度作用 195 OF IC (2)排架横梁受到均匀温差T作用如图6.4所示。 △L=aTZ EI=∞ H 图6.4排架横梁受温度应力示意图 横梁受温度影响伸长△L=aTL(若忽略横梁的弹性变形)，此即柱顶 产生的水平位移。K为柱顶产生单位位移时所施加的力（柱的抗侧刚度）， 由结构力学可知： 8
8 §6.1 温度作用 (2) 排架横梁受到均匀温差T作用如图6.4所示。 横梁受温度影响伸长 (若忽略横梁的弹性变形)，此即柱顶 产生的水平位移。K为柱顶产生单位位移时所施加的力(柱的抗侧刚度)， 由结构力学可知； 图6.4 排架横梁受温度应力示意图 3 3EI K H = ∆L TL ＝α
§6.1温度作用 、1956 柱顶所受到的水平剪力为： V=△L.K=aTZ 式中，I一一 柱截面惯性矩； H一 柱高； L一 横梁长（结构物长）。 由此可见，温度变化在柱中引起的约束内力与结构长度成正比。当结构 物长度很长时，必然在结构中产生较大温度应力。为了降低温度应力，只能 缩短结构物的长度，这就是过长的结构每隔一定距离必须设置伸缩缝的原因 9
9 §6.1 温度作用 柱顶所受到的水平剪力为： 式中，I——柱截面惯性矩； H——柱高； L——横梁长(结构物长)。 由此可见，温度变化在柱中引起的约束内力与结构长度成正比。当结构 物长度很长时，必然在结构中产生较大温度应力。为了降低温度应力，只能 缩短结构物的长度，这就是过长的结构每隔一定距离必须设置伸缩缝的原因 。 3 3EI V L K TL H =∆ ⋅ = ⋅ α
§6.2变形作用 6) 1950 所谓变形作用，实质上是结构物由于种种原因引起的变形受到多于约 束的阻碍，而导致结构物产生内力。主要原因有：①由于外界因素造成结 构基础的移动或不均匀沉降；②由于自身原因收缩或徐变使构件发生伸缩 变形，二者均导致结构或构件产生内力。因而从广义上来说，这种变形作 用也是荷载。 当静定结构体系发生符合其约束条件的位移时，不会产生内力；而当 超静定结构体系的多余约束限制了结构自由变形时，基础的移动和不均匀 沉降或当混凝土构件在空气中结硬产生收缩以及在不变荷载的长期作用下 发生徐变时，由于构件与构件之间、钢筋与混凝土之间相互影响、相互制 约，不能自由变形，都会引起结构内力。 超静定结构由于变形作用引起的内力和位移计算应遵循力学基本原理 可根据长期压密后的最终沉降量、收缩量、徐变量，由静力平衡条件和 变形协调条件计算构件截面附加内力和附加变形。 10
10 §6.2 变形作用 所谓变形作用，实质上是结构物由于种种原因引起的变形受到多于约 束的阻碍，而导致结构物产生内力。主要原因有：①由于外界因素造成结 构基础的移动或不均匀沉降；②由于自身原因收缩或徐变使构件发生伸缩 变形，二者均导致结构或构件产生内力。因而从广义上来说，这种变形作 用也是荷载。 当静定结构体系发生符合其约束条件的位移时，不会产生内力；而当 超静定结构体系的多余约束限制了结构自由变形时，基础的移动和不均匀 沉降或当混凝土构件在空气中结硬产生收缩以及在不变荷载的长期作用下 发生徐变时，由于构件与构件之间、钢筋与混凝土之间相互影响、相互制 约，不能自由变形，都会引起结构内力。 超静定结构由于变形作用引起的内力和位移计算应遵循力学基本原理 ，可根据长期压密后的最终沉降量、收缩量、徐变量，由静力平衡条件和 变形协调条件计算构件截面附加内力和附加变形
§6.3爆炸作用 、1956 一、爆炸的概念及其类型 爆炸是物质系统在足够小的容积内，以极短的时间突然迅速释放大量能 量的物理或化学过程。按照爆炸发生的机理和作用的性质，又可分为物理爆 炸（锅炉爆炸）、化学爆炸（炸药爆炸和燃气爆炸）和核爆炸（核裂变一原子弹 和核聚变一氢弹)等多种类型。因此爆炸作用是一种复杂的荷载。 核爆炸发生时，压力波在几毫秒内即可达到峰值，且压力峰值相当高， 正压作用后还有一段负压段，如图6.5(a)所示。化学爆炸和燃气爆炸压力 升高相对依次较慢（图6.5(b)、(c),峰值压力亦较核爆炸低较多，但化学 爆炸正压作用时间短，约从几毫秒到几十毫秒，负压段更短，而燃气爆炸是 一个缓慢衰减的过程，正压作用时间较长，负压段很小，甚至测不出负压段 人负压段↓ (a)核爆炸 (b)化学爆炸(c)燃气爆炸 图6.5压力-时间曲线
11 §6.3 爆炸作用 一、爆炸的概念及其类型 爆炸是物质系统在足够小的容积内，以极短的时间突然迅速释放大量能 量的物理或化学过程。按照爆炸发生的机理和作用的性质，又可分为物理爆 炸(锅炉爆炸)、化学爆炸(炸药爆炸和燃气爆炸)和核爆炸(核裂变—原子弹 和核聚变—氢弹)等多种类型。因此爆炸作用是一种复杂的荷载。 核爆炸发生时，压力波在几毫秒内即可达到峰值，且压力峰值相当高， 正压作用后还有一段负压段，如图 6.5(a)所示。化学爆炸和燃气爆炸压力 升高相对依次较慢(图6.5(b)、(c))，峰值压力亦较核爆炸低较多，但化学 爆炸正压作用时间短，约从几毫秒到几十毫秒，负压段更短，而燃气爆炸是 一个缓慢衰减的过程，正压作用时间较长，负压段很小，甚至测不出负压段 。 (a) 核爆炸 (b) 化学爆炸 (c) 燃气爆炸 图6.5 压力-时间曲线