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1、荷载与结构设计方法试题+参考答案 1一、填空题（每空1 分，共 20 分）1作用按时间的变异分为 : 永久作用 ,可变作用 ,偶然作用 _2 影响结构抗力的因素有： 材料性能的不定性 ,几何参数的不定性,计算模式的不定性 .3冻土的四种基本成分是 _,气体和水汽.固态的土颗粒 ,冰 ,液态水_的某项规定限值 .4正常使用极限状态对应于结构或者构件达到 _正常使用 或耐久性能5 结构的可靠性是 _安全性 ,适用性 ,耐久性 _的总称 ._.6结构极限状态分为 _承载能力极限状态 ,正常使用极限状态7 结构可靠度的确定应考虑的因素, 除了公众心理外 , 还有 结构重要性 ,社会经济承受力,结构破坏
2、性质二 . 名词解释 (10 分)1. 作用： 能使结构产生效应 (内力 ,应力 ,位移 ,应变等 )的各种因素总称为作用 （ 3 分）2.地震烈度： 某一特定地区遭受一次地震影响的强弱程度.（ 3 分）3.承载能力极限状态： 结构或构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形,这种状态称为承载能力极限状态 .（ 4 分）三 . 简答题 . ( 共 20 分)1. 结构抗力的不定性的影响有哪些 ?答：结构材料性能的不定性、结构几何参数的不定性、结构计算模式的不定性。（每点 1 分）2.基本风压的 5 个规定 .答：基本风压通常应符合以下五个规定。标准高度的规定。我国建筑结构荷载规范规定以10m高为
3、标准高度。地貌的规定。我国及世界上大多数国家规定，基本风速或基本风压按空旷平坦地貌而定。公称风速的时距。规定的基本风速的时距为10min 。最大风速的样本时间。我国取1 年作为统计最大风速的样本时间。基本风速的重现期。我国规定的基本风速的重现期为30 年。（每点1 分） (5)3.简要回答地震震级和烈度的差别与联系(6)答：地震震级是衡量一次地震规模大小的数量等级。地震烈度是某一特定地区遭受一次地震影响的强弱程度。一次地震发生，震级只有一个，然而在不同地点却会有不同的地震烈度，但确定地点上的烈度是一定的，且定性上震级越大，确定地点上的烈度也越大。震中一般是一次地震烈度最大的地区，其烈度与震级有
4、关。在环境2条件基本相同的情况下，震级越大，震中烈度越高震中烈度与震级近似关系： M13I 0 ；非震中区，烈度M12I 02C lgh1与震级的关系：33。（前 2点 1分，后 2点 2 分）4. 简述直接作用和间接作用的区别 .(6)答：将能使结构产生效应得各种因素总称为作用；将作用在结构上的因素称为直接作用，将不是作用，但同样引起结构效应的因素称为间接作用。直接荷载为狭义的荷载，广义的荷载包括直接荷载和间接荷载。（每点2 分）四、计算题（ 50 分）1. 计算下图中的土层各层底面处的自重应力。 （10 分）解：cz11h1172.034.0KPa（ 2分）cz21h12 h2172.0
5、193.8 106.2KPa（ 2 分）cz31h12 h23 h3172.019 3.818.2104.2140.6KPa （ 3 分）cz41h12 h23h34 h4172.0 193.818.2104.219.6102.0159.8KPa（ 3分）2.设标准地貌为空旷地面，标准高度为10m，条件下测得的风速变化指数s 0.15 ，梯度风高H TS365m，基本风压 w00.7 KN / m2 。计算某市中心a0.3 ，H a390m ，高度为 25m处的风压。（10 分）解： 根据非标准条件下风压的换算公式：wazz2woazs（2 分）已知： z25m ， zs10m ，0.3 ，将
6、高度为25m 处的风压换算成该地貌标准高度处的风压wa2520.325woa10则 ：wa251.73woa（1）（2 分）又根据非标准地貌的风压换算公式：H Ts2 sH Ts2 awoawozsza（ 2分）已 知 ：wo0.7KN / m2s0.15H Ts365a0.30，H Ta390，将该地貌处得基本风压换算成标准地貌的基本风压。20.1520.30woa3653900.725则：10（ 2 分）0.393KN / m2woa（1）（ 2）代入（ 1）得wa1.730.393wa0.68KN / m2（ 1 分）答：上海市中心某地的标准风压为0.68KN/m2。荷载与结构设计方法试
7、题+参考答案 2一、填空题（20 分）8 作用按时间的变异分为: 永久作用 ,可变作用 ,偶然作用 .9 土的侧压力分为_静止土压力 ,主动土压力 ,被动土压力 _.10冻土的四种基本成分是_固态的土颗粒,冰 ,液态水 ,气体和水汽 _.11预应力构件按预应力施加先后分为_先张法 ,后张法12目前国际上采用的抗震设计原则是_小震不坏 ,中震可修 ,大震不倒13结构极限状态分为_承载能力极限状态,正常使用极限状态_.14由风力产生的 _结构位移 ,速度 ,加速度响应 _称为结构风效应.二 .名词解释 (3+3+4=.10 分)1. 作用：能使结构产生效应 (内力 ,应力 ,位移 ,应变等 )的各
8、种因素总称为作用2. 震级：衡量一次地震规模大小的数量等级,国际上常用里氏震级3. 震中距：地面某处到震中的距离称为震中距三 .简答题 .(5x4=20 分 )5. 结构可靠度是怎么定义的 ?6. 什么叫基本风压 ?怎样定义 .7.写出单质点体系在单向水平地面运动作用下的运动方程.8.简述直接作用和间接作用的区别 .四计算题（ 50 分）2. 已知一矩形平面钢筋多层建筑，位于城市中心，建筑高度45m，平面沿高度保持不变，迎风面宽B 20m 地面粗糙度指数a0.2 ，基本风压按地面粗糙度指数的地貌s0.16 ，离地面10m 高风速确定的基本风压为00.55kN / m2，风振系数沿高度不变为z1
9、.0，求建筑物底部弯矩。 （标准地貌的梯度风高为350m；该城市梯度风高为400m，建筑物沿高度划分为三段计算）（ 20 分）15m15m15m20m解：wkg z s zzz w02矩形结构，风载体形系数s1.3 ；100.55kN / m21z1.01风压高度变化系数z2 SH Ta2 az2 aH TS2 SH Ta2 az2 azH TSZ SZzs10101020.1620.220.20.713 z0.4z350400z10101010210.83821.10631.3013 11.31.00.8280.550.592kpa2第 3 页21.31.01.1060.550.79kpa2
10、 31.31.01.3010.550.93kpa2 M1H 12 H 23 H 30.592 150.7930 0.9345 74.43kN m4 荷载与结构设计方法考试试题（2019 级）参考答案二计算分析（共计30 分）：2 某单跨工业厂房排架，有桥式吊车，A 柱柱底在几种荷载作用下的弯矩标准值为：恒载M G k35KNm ；风荷载M 1k10KN m；吊车竖向荷载M3 k5KNm；吊车水平荷载M4 k15KN m；屋面活荷载M2 kKNm，求 A 柱3柱底弯矩设计值（只考虑承载能力极限状态）。（本题 10 分）解：根据题意，这里只考虑标准组合。1）永久荷载效应控制的组合根据规范规定，当考
11、虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的荷载仅限于竖向荷载，于是有A柱柱底弯矩设计值为2）由可变荷载效应控制的组合（ 1）风荷载为第一可变荷载（ 2）吊车水平荷载为第一可变荷载（ 2）吊车竖向荷载为第一可变荷载可以看出，应采用吊车水平荷载控制的组合作为弯矩设计值。3 假定钢梁承受确定性的弯矩M140KNm ，钢梁截面的塑性抵抗矩W 和屈服强度f 都是随机变量，已知其分布类型和统计参数：抵抗矩 W ：正态分布，W850.010 6 m3 ， W0.05屈服强度 f ：正态分布，f270 MPa ，f0.10用中心点法和验算点法计算钢梁的可靠指标（本题 14 分）解：功能函数为：抗力列式 Z
12、fWMfW140000，或应力列式M140000Z ffWW1）中心点法（ 1）取用抗力列式可知可靠指标3.48（ 2）应力列式可知可靠指标3.9可见中心点法采用不同的功能函数形式计算结果不同。2）验算点法抗力列式选用：ZfWMfW140000均 为 正 态 分 布 ， 不 须 进 行 当 量 转 换 ，?ff? WW， 于 是 在 新 坐 标 系 中 ， 极 限 状 态 方 程 为 ：fWfW(?f )(?) M 0f fW WW第一次迭代W *， f *用平均值代入，于是有：(fff )(WWW ) M 0 ，求出，计算过程如下表所示。迭代步X iX i *i1f0270106-0.894
13、3.74（舍弃 523.2.74W85010 6-0.4472f3.74180106-0.940-0.033.71（舍弃 65.4W77910 6-0.3423f3.711766-0.9443.71（同上舍弃0.0010W79610 6-0.329由上表可以看出，采用验算点法两步即可达到收敛。荷载与结构设计方法试题+参考答案 3（一）填空题1.作用随时间变化可分为 永久作用、可变作用、偶然作用；按空间位置变异分为固定作用、自由作用；按结构反应分类分为 静态作用、动态作用 。2.造成屋面积雪与地面积雪不同的主要原因是风的飘积作用屋面形式 屋面散热等。3.在公路桥梁设计中人群荷载一般取值为223K
14、N m 市郊行人密集区域取值一般为3.5 KN m -4. 土压力可以分为 静止土压力 主动土压力 被动土压力 。5. 一般土的侧向压力计算采用 朗肯土压力 理论或 库仑土压力 理论。6.波浪按波发生的位置不同可分为表面波内波 。7.根据冻土存在的时间可将其分为多年冻土季节冻土瞬时冻土 。8.冻土的基本成分有四种： 固态土颗粒，冰，液态水，气体和水汽 。9. 冻土是一种复杂的 多相天然复合体 ，结构构造也是一种非均质、 各向异性 的多孔介质。10. 土体产生冻胀的三要素是 水分 土质 负温度 。11. 冻土的冻胀力可分为 切向冻胀力 法向冻胀力水平冻胀力 。12.水平向冻胀力根据它的形成条件和
15、作用特点可以分为对称 和非对称。13.根据风对地面（或海面）物体影响程度，常将风区分为13等级。14. 我国建筑结构荷载规定规定以10m 高为标准高度，并定义 标准高度处的最大风速 为基本风速。15. 基本风压是根据 规定的高度 ，规定的地貌，规定的时距和 规定的样本时间 确定最大风速的概率分布，按规定的重现期（或年保证率） 确定的基本风速，然后根据风速与风压的关系所定义的。16. 由风力产生的 结构位移 速度 加速度响应 等称为结构风效应。17. 脉动风是引起结构振动的主要原因。18. 在地面粗糙度大的上空，平均风速小脉动风的幅度大且频率高。19. 脉动风速的均方差也可根据其 功率谱密度函数
16、 的积分求得。20. 横向风可能会产生很大的动力效应，即风振。21.横向风振是由不稳定的空气动力特征形成的，它与结构截面形状及雷诺数 有关。22.在空气流动中，对流体质点起主要作用的是两种力惯性力和粘性力。23.根据气流旋涡脱落的三段现象，工程上将圆桶试结构分三个临界范围，即亚临界范围超临界范围跨临界范围。24. 地震按产生的原因，可以分为 火山地震 陷落地震 和 构造地震25.由于地下空洞突然塌陷而引起的地震叫陷落地震 而由于地质构造运动引起的地震则称为构造地震。26. 地幔的热对流 是引起地震运动的主要原因。27.震中至震源的距离为震源深度，地面某处到震中的距离为震中距 。28. 地震按震
17、源的深浅分，可分为 浅源地震 中源地震 深源地震 。29.板块间的结合部类型有：海岭 海沟转换断层 及缝合线。30.震级是衡量一次地震规模大小的数量等级。31. M 小于 2的地震称为微震M 2 4为有感地震 M5为破坏性地震。32.将某一地址遭受一次地震影响的强弱程度定义为地震烈度。33.地震波分为地球内部传播的体波和在地面附近传播的面波。34.影响地面运动频谱主要有两个因素：震中距和场地条件。35.目前国际上一般采用小震不坏 中震可修 大震不倒的抗震原则。36. 底部剪力法是把地震作用当作 等效静力 作用在结构上，以次计算结构的最大地震反应。37.混凝土在长期作用下产生随时间而增长的变形称
18、为徐变。38.可变荷载有 3 个代表值分别是标准值和准永久值组合值 。39.影响结构构件抗力的因素很多，主要因素有3 种，分别是材料性能的不定性Xm几何参数的不定性 Xa计算模式的不定性Xp。40.结构的极限状态可以分为承载能力极限状态和正常使用的极限状态。（三）简答题第 5 页2. 叙述结构的功能要求有哪些答：能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；在正常使用时具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性能；在偶然时间发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。3. 简要说明结构的荷载与荷载效应有何区别与联系答：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。效应：作用在结构上
19、的荷载使结构产生内力、变形。例：应力、应变、位移、速度。4. 说明基本风压应符合的规定答：基本风压通常应符合以下五个规定。标准高度的规定。我国建筑结构荷载规范规定以10m高为标准高度。地貌的规定。我国及世界上大多数国家规定，基本风速或基本风压按空旷平坦地貌而定。公称风速的时距。规定的基本风速的时距为10min。最大风速的样本时间。我国取1 年作为统计最大风速的样本时间。基本风速的重现期。我国规定的基本风速的重现期为50 年。5. 什么是荷载的代表值，它们是如何确定的答：荷载代表值是设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值。荷载的标准值：是荷载的基本代表值，其他代表值可以在标准值的基础上换算来。它
20、是设计基准期内最大荷载统计分布的特征值。是建筑结构在正常情况下，比较有可能出现的作大荷载值。永久荷载均用荷载标准值来表示。准永久值： 结构上经常作用的可变荷载，在设计基准期内有较长的持续时间，对结构的影响类似于永久荷载。准永久值是在标准值基础上进行折减。折减系数根据荷载的类型不同而不同。荷载组合值：当荷载在结构上有两种或两种以上的可变荷载时，荷载的代表值采用组合值。荷载频遇值：可变荷载在结构上较频繁出现较大值，主要用于荷载短期效应组合中。6. 直接荷载与间接荷载的区别答：能使结构产生效应得各种因素总称为作用；将作用在结构上的因素称为直接作用；不是作用，但同样引起结构效应的因素称为间接作用；直接
21、荷载为狭义的荷载，广义的荷载包括直接荷载和间接荷载。7. 简述屋面形式对雪压的影响答：风对屋面积雪的影响：漂积作用：在下雪过程中，风会把部分将飘落在屋顶上的雪积到附近的地面上或其它较低的物体上。具有高低跨屋面的情况下，高屋面的雪吹落在较低屋面上。在低屋面上形成局部较大的漂积荷载。屋面坡度对积雪的影响： 由于风的作用和雪的滑移特征， 坡度越大， 滑落的雪越多， 雪压越小。 受日照时间的不同，引进屋面积雪分布系数不同。8. 土压力的影响因素答：墙体的形式与刚度，墙背竖直、墙背倾斜受压力形式不同。不同刚度的墙体抵抗土压力产生的变形不同；墙后土体的性质，墙后土体的重度不同，产生的应力不同；填土面的形式
22、，水平和倾斜不同，相当于水平地面上加一附加压力；外施荷载的形式，均布荷载，基坑侧向地面上有已建建筑不同；例如： 局部均布荷载， 在基坑侧的地面局部布建筑；可变荷载， 地面施工机械、车辆荷载；集中荷载， 山坡建水塔，雷达站。9. 静止土压力、主动土压力形成机理答：静止土压力：支挡结构在土压力作用下不产生任何方向的位移或转动，保持原有位置，墙后土体没有破坏，土体处于弹性平衡状态。此时墙背土压力为静止土压力。主动土压力：支挡结构在土压力作用下，向墙内移动或转动，墙后土压力逐渐减小，当达到某一位置时，墙后土体压力减小，当达到某一位移时，墙后土体开始下滑，作用在挡土墙上的土压力最小，滑动契体体内应力处于
23、主动极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力成为主动土压力。10. 朗肯土压力理论的基本假设答：朗肯土压力理论的基本假设: 对象为弹性半空间土体； 地基土具有水平界面，一定的深度和广度； 假定土体为弹性介质，符合广义虎克定律； 不考虑挡土墙及回填土的施工因素，不扰动土体，不改变其自然的应力状态；挡土墙墙背竖直，光滑，填土面水平，无超载。墙背与土体不产生摩擦力，无剪应力作用，无超载，水平向无剪应力，使土体在竖向和水平向应力的主应力状态。11. 风振形成机理答：横风向力主要引起风振。对于高层结构风振是由气流本身的动力特性形成的。在结构正面风速受到障碍减小，逐渐降低，风总要绕过建筑物，则沿AB绕行，风
24、速逐渐增大在B 点达最大值。绕过结构后，风要恢复自由状态，沿BC流动，受摩擦风速减小，在某处摩擦力耗损使风速降为零，在BC段出现风停滞现象，形成漩涡，引起风振。当漩涡脱落频率与结构自振频率接近时，结构发生剧烈共振，产生横风向风振。14. 底部剪力法的原理及基本假设答：底部剪力法是振型分解反映谱法的简化方法，首先计算地震产生的底部最大剪力，将剪力分配到结构各质点上。两个假设：结构地震反应以第一振型为主；任意质点得振型坐标与该质点离地面得高度成正比。16. 简述先张法预应力和后张法预应力的实现过程jic H i答：先张法预加力：先张拉钢筋，后浇筑包裹钢筋的混凝土，当混凝土达到设计强度后钢筋和混凝土
25、之间产生粘结力，钢筋的弹性恢复对混凝土产生的压力。后张法预加力：先浇筑混凝土，混凝土中预留放置钢筋的孔道，待混凝土达到设计强度后张拉钢筋，通过锚固使钢筋的弹性变形传给混凝土。18. 简述影响结构抗力的不定性答：不定性因素包括：材料性能的不定性、几何参数的不定性、计算模式的不定性。结构材料性能是指制成构件的强度、弹性模量、泊松比等物理性能。受材料本身差异，制作工艺、环境条件因素影响；结构几何参数指结构截面几何特征，高度、宽度、面积、惯性距、抵抗矩等。受制作、安装会使结构尺寸出现偏差的影响。结构构件计算模式的不定性指抗力计算中采用的基本假设不完全符合实际或计算公式的近似引起的变异。 受采用理想弹性
26、、理想塑性，均质性、各项同性，采用铰支座，固定支座代替边界条件等因素影响。19. 建筑结构的两种极限状态的表现形式答：承载能力的极限状态：这种极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（倾覆、折断、断开）；结构构件产生过大变形不适于继续承载；结构变为机动体系；结构丧失稳定性（压曲） 。正常使用的极限状态：这种极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性的规定限值。影响正常使用的外观变形；影响正常使用或耐久性的局部破坏( 裂缝 ) ；影响正常使用的振动；影响正常使用的其他特征（墙皮脱落，防水失效）。20. 什么是结构的可靠度，如何理解该
27、概念答：结构可靠度是结构可靠性的概率量度。结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。规定时间指结构设计的基准期， 50 年。规定条件指正常设计、正常施工、正常使用条件，不考虑人为过失因素。其数学表达式为21. 结构设计的目标要考虑哪些个因素答：结构设计的目标有四个因素需要考虑：公众心理：失效概率为1 10-4 ；结构重要性：结构重要性高，可靠度应定得高；结构破坏性质：脆结构设计的目标可靠度要高于延性破坏的结构；社会经济承受力：经济越发达，公众对工程可靠度要求越高。22. 民用建筑楼面活荷载在工程设计时如何确定答：民用建筑楼面活荷载是指建筑物中人群、 家具、设施等产生的重力作用， 这些
28、荷载的量值随时间发生变化，位置也是可以移动的，又称可变荷载。工程设计上一般将楼面活荷载处理为等效均布荷载，均布荷载的取值与房屋第 7 页的功能有关。 荷载规范根据楼面上人员活动状态和设施分布情况给出了各类房屋或荷载的取值。当楼面上的活荷载不可能同时满布时，在计算结构或构件到楼面荷载效应时可对楼面均布活荷载予以适当折减。23. 工业建筑楼面活荷载如何考虑答：工业建筑楼面活荷载是指厂房车间在生产使用或安装检修时，工艺设备、加工原料和成品部件等产生的重力作用。由于厂房加工的性质不同，楼面活荷载的取值有较大的差异。在设计多层工业厂房时，活荷载应由工艺提供，或由土建人员根据有关资料自行确定，常见的工业建
29、筑楼面活荷载按规范取值。24. 工业厂房中吊车荷载如何考虑答：工业厂房结构设计应考虑吊车荷载作用，吊车按其工作的繁重程度分为8 个等级作为设计依据。吊车的竖向荷载以最大轮压和最小轮压的形式给出；吊车的水平荷载由运行机构启动或制动时产生的水平惯性力引起。当厂房内设有多台吊车时，考虑到各吊车同时聚集在同一柱范围内可能性小且每台吊车影响范围有限，各台吊车同时处于最不利状态的概率更小，需对参与组合的吊车数量加以限制，考虑多台吊车荷载的折减。25. 形体不均匀高层建筑中地震作用如何考虑答：地震时地面会发生水平运动和竖向运动，从而引起结构的水平振动和竖向振动，当结构体型复杂、质心和刚心不重合时，还会引起结
30、构扭转振动。一般情况下，水平地震作用对结构起控制作用，可沿结构两主轴方向分别计算水平地震力；对明显不均匀、不对称的结构应考虑水平地震力引起的扭转影响；高烈度区的高耸及高层建筑结构、大跨度及长悬臂结构应考虑竖向地震作用。（四）计算题1. 某挡土墙高 7m，墙背竖直，光滑，填土面水平，墙后为粘性土，18.5kN / m3300C 10kpa，求其主动土压力Ea 和被动土压力E p。解题思路：解：主动土压力：Ea118.572tan(453022 107tan(45302102)71.2kN2218.5被动土压力：Ep1H 2K p2HC K P23. 已知一矩形平面钢筋多层建筑如图1，位于城市中心
31、，建筑高度27m，平面沿高度保持不变，迎风面宽B40m地面粗糙度指数a0.2 ，基本风压按地面粗糙度指数的地貌s0.16 ，离地面 10m高风速确定的基本风压为00.55kN / m2，风振系数沿高度不变为z1.0 ，求建筑物底部弯矩。 （标准地貌的梯度风高为350m；该城市梯度风高为400m，建筑物沿高度划分为三段计算）9m9m9m40m图 1解题思路：解：wkgzszz z w0矩形 结构 ，风载 体形系 数s 1.3 ；风压 高度 变化系 数z7M1 H1 A12 H 2 A23 H 3 A3 0.489 9 0.64518 0.75927 40 9 1.3146. 某钢筋混凝土烟筒，
32、平面为圆形，直径 7m,总高度 H=100m，地貌变化指数为 0.16 ，基本风压0 为 0.55KN/m，基本风速 v 29.67m / s， T11.07s,0.05 。确定共振区范围。解题思路：解：横风向风振的判 断0.16vH29.67 10042.89m / s顶部风速10vcr 5Df5D 15 7132.59m / s对应 T 1 临界风速：T1.074顶部风速大于 临界风速， 发生共振。2 H0.1667取v 2H29.6740.22m / s3 处风 速计算雷 诺数 ，310R19.4310 63.5106e会出现强共振。H1H vcr10032.59vH42.8910.1618.02mH 21.3vcr1.3 32.59H10共振范 围：v029.6710.1692.67m第 9 页