[科普中国]-极限承载强度

简介

建筑法规允许采用这两种方法中的任何一种：安全应力法，或者荷载—抵抗系数法 (也叫极限强度法) 来设计结构构件。在两种方法中，结构构件所必需的结构性能由设计荷载决定。设计荷载是由使用荷载组合值乘以系数算得的。按照不同的荷载出现的可能性，使用不同的系数来乘以不同的荷载组合值。使用安全应力法，要求性能通常是由荷载组合值决定的。这里的荷载组合值是会导致 结构严重开裂或者过度变形的荷载组合值。出于这个目的，恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载、雪荷载和其他可能同时作用的荷载相加的值均乘以一个小于等于1的系数。在做极限强度设计时，极限承载强度一般是指由恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载组合，且各种类型的荷载都应乘上一个相应的系数。在建筑工程中，地基极限承载强度是地基设计中一个重要设计因素。

有关荷载活荷载

又称可变荷载。在设计基准期内量值随时间变 化且其变化与平均值相比不可以忽略的荷载。 这类荷载在结构上的作用是暂时的，其作用位置是 可变的。它又可划分为可动活荷载和移动活荷载两 类，其中如风荷载、雪荷载、楼面活荷载或临时设 备的重量等，能在结构上占有任意位置，称为可动 活荷载，它们由 《荷载规范》 确定; 而车辆荷载、 吊车荷载等，则属于一系列互相平行、间距不变， 且能在结构上移动的活荷载，称为移动活荷载，可 根据产品目录和有关规定确定。

恒荷载

又称永久荷载。在结构使用期间，其值不随时 间而变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的 荷载。例如，结构的自重，安置在结构上的固定设备的重量，结构所受的土压力等。这类荷载的大小和作用位置都是固定不变的。

地震荷载

由地震引起而作用于建筑物上的动荷载。海洋工程建筑物的地震荷载主要包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力。地震惯性力等于质量与振动加速度的乘积，其大小及分布与建筑物的质量分布、刚度、施工质量、地基条件等多种因素有关，一般以水平荷载形式表示。计算地震惯性力的理论主要有静力理论和动力理论。动力理论中包括反应谱理论，它既考虑了结构的动力特性，又考虑了场地土壤的性质，计算简便，误差不大，因而得到广泛应用。地震动水压力又称水的激荡力，是地震时水对建筑物的一个附加水压力。地震动土压力以地震动土压力系数附加于总土压力上，该系数与土的内摩擦角、填土坡度等有关。在设计中地震荷载作为一种特殊荷载考虑，一般在地震烈度6度以下不设防。在地震作用下，软弱地基易产生液化和震陷，地基液化和震陷的危害性分析是土动力学和岩土地震工程研究的前沿课题一。地震荷载下土体残余应变及孔压研究是地基液化和震陷分析的基础1。

地基极限承载强度地基极限承载强度是指地基抵抗剪切滑动破坏所能承受荷载的极限能力。理论计算公式基本上可分为两种类型：一种是根据极限平衡理论，假定地基土是刚塑体，计算土中各点达到极限平衡时的应力及滑动面方向，由此解得地基的极限荷载;另一种是先假定土中滑动面的形状，然后根据滑动土体的静力平衡条件求解极限荷载。后者比前者简便，在工程实践中用得较普遍。此外，它还可以通过载荷试验结果得到的地基土极限荷载确定。地基承受整个上部建筑物的荷重，当上部建筑物的荷重超过地基的承载力时，地基将发生破坏。地基发生破坏有两种形式：1.是建筑物产生了过大的沉降或沉降差，致使建筑物严重下沉、上部结构开裂、倾斜而失去使用价值，即地基的变形问题；2.是建筑物的荷重超过了地基持力层所能承受荷载的能力而使地基失稳破坏，即地基的强度和稳定性问题。近些年来，有关地基承载力的研究已从早期的经验和试验成果的简单分析发展到试验与理论相结合的深入研究，理论和试验都获得了较大的发展，推导了各种理论和相应的计算公式，实测数理统计分析法由于采用了改进的试验方法和试验仪器并完善了由试验建立起来的经验公式，也有了很大的发展2。

极限强度法由塑性材料制成的结构，按弹性分析法设计结构是不够经济合理的，按极限荷载的方法设计结构更为经济合理，且能反映整个结构的强度储备。在实际应用中，人们往往还要借助一个安全系数，因为安全系数是从整体结构所能承受的荷载来考虑的，故能较正确的反映结构强度设计时的综合因素。自世纪中叶开始，人们便在结构设计中采用容许应力法计算结构的强度，这种方法是把结构构件当作理想弹性体来分析，故又称弹性分析法或容许应力法。这种方法认为，结构的最大应力达到材料的极限应力时结构会破坏。由拉伸实验可知，低碳钢金属材料在达到一定的应力水平后，会产生明显的塑性变形。其特征是塑性变形是不可逆的永久变形。产生塑性变形后卸除荷载，往往会导致受力构件内的残余应力产生；应力超过弹性范围后，应力一应变曲线为非线性关系；塑性变形与加载的历程有关。不同的加载历程所对应的应变值不同；金属材料的塑性变形量远大于弹性变形量。在弹性分析中，完整地求解一个材料力学问题，一般需考虑静力平衡条件、变形几何条件和力与变形的物理条件。在考虑材料塑性分析问题中，同样需考虑静力、几何和物理条件三个方面，只是由于塑性变形与加载历程有关，且应力一应变之间为非线性关系，使求解变得复杂。为了简化计算，通常做如下假设：荷载为单调增加的静荷载；构件虽已局部产生塑性变形，其变形的几何相容关系仍保持为线性；构件在达到极限状态前，始终保持为几何不变体系。材料具有屈服阶段，在塑性变形较小时，材料为理想塑性模型；在工程结构或构件的强度分析中，认为应用弹性分析法进行计算，不能充分发挥材料的承载能力。如在偏心受剪螺栓群中，构件内的最大应力仅发生在据中心最远的螺栓上。当最大应力达到屈服极限时，危险螺栓截面内部材料仍继续处于弹性范围，构件仍继续承载或增加荷载，直到螺栓完全塑性化，而不至于发生大的塑性变形。因此，考虑材料的塑性变形特点，对于进一步认识材料，充分发挥材料的作用是必要的。同理，由塑性材料制成的结构，尤其是超静定结构，当某一局部应力达到屈服极限时，结构并不破坏，还能承受更大的荷载而进入塑性阶段继续工作。可见，按弹性分析法，以个别构件的局部应力来衡量整个结构的承载能力是不够经济合理的3。