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习题答案

《荷载与设计原则》习题答案

第1章荷载与作用

一、填空题

1．作用是施加在结构上的一组集中力或分布力，或引起结构外加变形或约束变形的原因。

2．作用是使结构或构件产生效应的各种原因。

3．结构上的作用可分为直接作用和间接作用，荷载是直接作用。

4．施加在结构上的集中力或分布力称为直接作用，与结构本身性能无关；引起结构外加变形或约束的原因称为间接作用，该作用的大小与结构自身的性质有关。

5．土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。

它既指工程建设的对象，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等专业技术。

6．土木工程结构是指由若干个构件组成的受力体系，是土木工程的骨架，也是它们赖以存在的基础。

它的主要功能是承受工程在使用期间可能出现的各种荷载并将它们传递给地基。

7．现代土木工程的建造必须经过论证策划、设计、施工3个主要环节。

8．土木工程设计包括功能设计和结构设计。

功能设计是实现工程建造的目的、用途；结构设计是决定采用怎样形式的骨架将其支撑起来，怎样抵御和传递作用力，各部分尺寸如何，用什么材料制造等等。

9．工程结构设计是在工程结构的可靠与经济、适用与美观之间，选择一种最佳的合理的平衡，使所建造的结构满足预定的各项功能要求。

10．工程结构的“功能要求”是指工程结构安全性、适用性和耐久性，统称为可靠性。

11．荷载效应和结构抗力之间最佳的合理的平衡，就是使工程结构既经济又具有一定的可靠度。

二、多项选择

1、下列作用属于直接作用的为（A、B、E）

A．自重B．土压力C．混凝土收缩徐变D．焊接变形E、桥梁上的车辆重量

2、下列作用属于间接作用的为（A、C、D）

A．地基变形B．水压力C．温度变化D．地震作用

E．水中漂浮物对结构的撞击力

3、荷载效应是指（A、C、D、E）

A．内力B．温度C．位移D．裂缝E．应力

三、单项选择

1、工程结构的“功能要求”（或“可靠性”）是指工程结构的（B）

A．可靠、经济、适用、美观B．安全性、适用性和耐用性

C．安全性、经济、适用D．可靠、耐用、美观

2、荷载取值和荷载计算正确与否直接影响（C）的计算

A．结构抗力B．结构可靠度C．荷载效应D．结构尺寸

四、简答题

1、荷载与作用对土木工程设计有何意义？

工程结构设计是在工程结构的可靠与经济、适用与美观之间，选择一种最佳的合理的平衡，使所建造的结构能满足预定的各项功能要求。

要在工程结构的可靠与经济之间建立“最佳的合理平衡”，就要根据结构型式、外荷载的大小和作用形式，计算外荷载产生的效应，还要根据结构的型式、材料、尺寸等，计算“结构抗力”。

“荷载效应”和“结构抗力”之间“最佳的合理的平衡”，就是使工程结构既经济又具有一定的可靠度。

如果没有正确的荷载取值和荷载计算，就不可能准确地计算荷载效应，工程结构也不可能符合规定可靠度的要求。

所以合理确定和正确计算结构的荷载，是土木工程结构设计中一个十分重要的问题，也是结构设计首先要考虑的问题。

2、举例说明直接作用与间接作用的区别。

直接作用是施加在结构上的集中力或分布力，如结构的自重、土压力、风压力、车辆荷载等；间接作用是引起结构外加变形或约束变形的原因，如地基变形、混凝土收缩徐变、温度变化、焊接变形、地震作用等。

直接作用与间接作用的区别在于直接作用是以外力的形式直接施加在结构上，它们与结构本身性能无关；而间接作用不是以外力的形式直接施加在结构上，它们的大小与结构本身性能有关。

例如，风水平作用于建筑物和水平地震作用于建筑物，其结果都是使建筑物的结构产生内力和侧向位移等效应，但风水平作用是一个与结构无关的外力直接施加在结构上，而水平地震作用是建筑物自身由静止到运动的惯性产生，它的大小与结构自身的性能（例如结构的刚度、振型等）有关。

第2章土木工程荷载的分类及代表值

一、填空题

1．在工程结构设计中，设计者不仅重视荷载产生的原因及荷载的大小，更关注荷载效应及其对结构的影响。

2．我国的国家标准《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）对土木工程结构上的作用统一分类，按随时间的变异、随空间的变异及结构的动力反应把作用分为3大类。

3．按随时间的变异，将作用分为永久作用、可变作用和偶然作用3个类别。

4．永久作用是在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略的作用。

其统计规律与与时间参数无关，其随机性只是表现在空间位置的变异上。

5．可变作用是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忽略的作用。

其统计规律与时间参数有关。

6．偶然作用是在设计基准期内不一定会出现，而一旦出现，其量值可能很大且持续时间短的作用。

7．按随空间位置的变异，可将作用分为固定作用和自由作用两类。

8．固定作用是在结构上具有固定分布的作用，自由作用是在结构上一定范围内可以任意分布的作用。

9．作用按结构的动力反应分为动态作用和静态作用两类。

10．静态作用对结构或构件不产生加速度，或者所产生的加速度可以忽略不计。

11．动态作用使结构或构件产生的加速度不可忽略。

12．划分静态和动态作用的原则，不在于作用本身是否具有动力特性，而主要在于它是否使结构产生不可忽略的加速度。

13．按荷载作用方向可将荷载分为水平荷载和竖向荷载。

结构在水平荷载作用下，不仅产生内力，而且产生明显的侧向位移。

14．对结构高频重复作用的荷载称为重复荷载，可使结构构件产生疲劳，承载力降低。

15．我国的国家标准《工程结构可靠度设计流标准》（GB50153—92）对房屋建筑，铁路，公路，港口，水利水电工程相等，规定了荷载的3种代表值，它们是标准值、频遇值和准永久值。

其中标准值是荷载的基本代表值，是工程设计时采用的主要代表值，其他代表值都可在其基础上乘以相应的系数后得出。

16．结构构件自重，可按图纸上的名义尺寸值与材料的单位体积自重的乘积确定。

17．活荷载短期作用，若极限状态被超越，并将对结构产生永久性的损害时，荷载的代表值采用标准值。

若极限状态被超越，并将对结构产生局部的损害，较大变形、短暂振动或不适感时，荷载的代表值采用频遇值；长期荷载采用准永久值为荷载代表值。

18．建筑结构的可变荷载有4个代表值，它们是标准值、频遇值和准永久值和组合值。

19．荷载组合值是对于可变荷载组合后使结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。

二、多项选择

1、下列作用中属于永久作用的有（A、B、D）

A．预加应力B．结构自重C．风荷载D．地基变形

2、下列作用中属于可变作用的有（B、D）

A．混凝土收缩B．路桥结构上的车辆荷载C．土压力D．温度变化

3、下列作用中属于偶然作用的有（B、C、D）

A．钢材焊接变形B．爆炸力C．龙卷风D．罕遇地震E．厂房吊车荷载

4、可变荷载的代表值一般有（A、C、D）

A．标准值B．代表值C．频遇值D．准永久值

三、单项选择题

1、按3种不同的分类方法，车辆荷载属于（D）

A．可变荷载、固定荷载、动态荷载B．永久荷载、自由荷载、静态荷载

C．可变荷载、自由荷载、静态荷载D．可变荷载、自由荷载、动态荷载

2、永久荷载只有一个代表值（C）

A．频遇值　B．准永久值　C．标准值　D．组合值

3、永久作用中的直接作用，就是通常所指的（B）

A．活荷载　B．恒荷载　　C．自重荷载　D．土压力

4、可变作用中的直接作用，就是通常所指的（A）

A．活荷载　B．恒荷载　　C．车辆荷载　D．桥面活荷载

四、简答题

1、什么是荷载的代表值？

永久荷载、可变荷载各有哪些代表值？

可变荷载的各种代表值分别在什么情况下使用？

设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值称为荷载的代表值。

永久荷载的代表值只有一个：

标准值。

可变荷载的代表值有：

标准值、频遇值、准永久值及组合值。

活荷载短期作用，若极限状态被超越，并将对结构产生永久性的损害时，即承载能力极限状态，荷载的代表值采用标准值；若极限状态被超越，并将对结构产生局部的损害，较大变形、短暂振动或不适感时，即正常使用极限状态，荷载的代表值采用频遇值；长期荷载，正常使用极限状态，采用准永久值为荷载代表值。

五、名词解释

1．荷载的代表值——设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值。

2．荷载的频遇值——对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值。

3．荷载的标准值——是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（例如均值、众值、中值或某个分位值）。

4．荷载的准永久值——对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。

5．荷载的组合值——对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。

第3章地震作用

一、填空题

1．地震按其成因通常可分为构造地震、火山地震和陷落地震。

一般工程结构抗震设计时，主要考虑构造地震的影响。

2．我国对抗震对策主要集中在控制地震、地震预报、抗震防灾3个方面，其中以抗震防灾为重点。

3．震级是表示地震规模的指标，其衡量尺度是地震释放出能量的多少。

一次地震只有一个震级。

震级越大，造成的危害越大。

4．地震烈度是衡量地震引起的后果的一种度量，可作为判断地震强烈程度的宏观依据。

5．地震作用和荷载的区别在于荷载是对结构的直接作用，地震作用是由于地面运动引起结构的动态作用，属于间接作用。

地震作用的大小不仅取决于烈度、震中距等情况，还与结构的动力特性有关。

6．土木工程结构抗震设计，是指对土木工程结构进行的抗震概念设计、地震作用及其计算、抗震承载能力计算和采取抗震措施以达到抗震的效果。

7．按照《建筑抗震设计规范》进行抗震设计的建筑，其抗震设防目标概括来说就是：

小震不坏、中震可修、大震不倒。

8．根据场地土的坚硬或密实程度，将场地土分为坚硬场地土、中硬场地土、中软场地土、软弱场地土4种类型。

划分场地土的目的是为了确定场地土类别。

9．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地是根据场地土的刚性和场地覆盖层厚度划分的。

将场地划分类型是为了在计算地震作用时，反映场地的影响。

不同场地上的建筑物的震害差异很大，土质越软、覆盖层越厚，建筑物震害越严重，反之越轻。

10．卓越周期的数值与场地土的厚度及性质有关。

坚硬场地土的卓越周期比软弱场地土的短，基岩以上土层愈厚，场地土的卓越周期越长。

11．结构的自震周期是结构刚度大小的反映。

结构刚度越大，自震周期越短，地震作用也越大。

12．在我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）中，地震加速度反映谱曲线是以地震影响系数曲线的形式表示的。

二、名词解释

1．震源——地震发生时，在地球内部产生地震波的位置，即发震点。

2．震中——震源在地表的垂直投影点。

3．震源深度——震源至地面的垂直距离。

4．震中距——地面某处至震中的距离。

5．震级——表明地震本身强度的大小和释放出能量的多少的等级。

6．地震烈度——地震对某一地区的地表及建筑物影响的强弱程度。

7．地震基本烈度——某地的地震基本烈度，是指根据该地区地震发生概率的统计分析，在一般场地条件下，50年内，超越概率为10%的地震烈度值。

8．抗震设防烈度——按国家规定的批准权限审定，作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。

9．场地土的卓越周期——被场地土放大得最多的波的周期。

10．设计特征周期Tg——考虑了震级和震中距影响的场地卓越周期。

11．结构自震周期T——结构按某一振型完成一次自由振动所需要的时间。

12．地震加速度反映谱——以结构自振周期为横坐标，最大加速度反应为纵坐标，在特写地面加速度的作用下，各质占最大加速度与各自相应质点周期的关系曲线。

13．地震影响系数——单质点弹性体系在地震时的最大反应加速度。

三、单项选择题

1．结构抗震设计是（C）的主要内容之一。

A．控制地震　B．地震预报　C．抗震防灾　

2．某地进行建筑结构抗震设计时，依据的是当地的（B）。

A．震级　B．地震烈度　C．场地土类型　D．设计特征周期

3．设计特征周期应根据其所在地的（A）确定。

A．设计地震分组和场地类别B．地震烈度和场地土类型　

C．场地土类型和震中距　D．地震震级和场地土的卓越周期

4．已知拟建工程所在城镇，即可从《建筑抗震设计规范》附录中查得该地的抗震设防烈度、（D）和设计地震分组。

A．场地类别B．场地土卓越周期　C．场地土类型D．设计基本地震加速度值

四、简答题

1．结构抗震设计中的抗震概念设计、抗震承载力计算及抗震构造措施的工作内容分别是什么？

抗震概念设计，包括地震影响、场地选址、建筑布置、结构体系、构件选型和细部构造的各种原则，以及对非结构构件及建筑材料与施工方面的最低要求等。

抗震承载力计算，包括荷载、地震作用及其效应的计算，构件抗力的计算，以及根据结构可靠度要求在“效应”和“抗力”之间建立平衡。

抗震构造措施，是根据抗震概念设计原则，一般不需要计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。

2．绘制地震影响系数曲线，说明曲线各段的意义。

AB段：

直线上升段，周期小于0.1s的区段，地震影响系数与结构自振周期成正比；

BC段：

水平段，自0.1s至特征周期区段，地震影响系数为最大值（

）；

CD段：

曲线下降段，自特征周期至5倍特征周期区段；

DE段：

直线下降段，自5倍特征周期至6.0区段。

3．影响地震作用大小的因素有哪些？

它们对地震作用大小有何影响？

影响地震作用大小的因素有抗震设防烈度、场地及场地土、设计特征周期、阻尼、结构自振周期、建筑物的重力荷载代表值及设计基本地震加速度。

抗震设防烈度越高，设计基本地震加速度也越大，地震作用越大；坚硬场地土的卓越周期比较软弱场地短，基岩以上土层愈厚，场地土的卓越周期越长，设计特征周期越大，地震作用越大；阻尼比越小，地震反应谱值越大，地震作用越大；结构自振周期越大，地震作用越小；建筑物的重力荷载代表值越大，地震作用也越大。

4．什么是地震作用？

地震对建筑物产生怎样的作用？

在什么情况下要考虑竖向地震作用？

发生地震时，由于地震波的作用，地面产生加速运动，从而带动房屋的基础产生运动，房屋的上部结构因基础运动而被迫产生加速运动，从而产生一个与加速度方向相反的惯性力，这个惯性力如同作用在结构上的荷载一样，使结构构件产生内力、位移等效应，这个惯性力称为地震作用。

地震时建筑物在各种地震波的作用下，既左右摇晃，又上下颠簸。

使建筑物左右摇晃的地震作用称为水平地震作用，它可使建筑物产生内力和侧向位移；使建筑物上下颠簸的地震作用称为竖向地震作用，可使结构产生内力。

由于使建筑物产生上下颠簸的地震波衰减较快，所以在一般情况下竖向地震作用并不明显，因此《建筑结构抗震设计规范》规定，对于8度和9度抗震设防地区的大跨度结构、长悬臂结构、烟囱和类似的高耸结构，9度抗震设防地区的高层建筑，应考虑竖向地震作用。

第4章建筑结构的荷载

一、填空题

1．作用在建筑结构上的主要作用有恒荷载、楼面和屋面活荷载、吊车荷载、雪荷载、风荷载及地震作用6类。

2．基本风压是指在规定的标准条件下的风压。

《建筑结构荷载规范》规定基本风压的标准条件为：

记录风速的标准高度是离地面10m处，地面条件开阔平坦的市郊地区，基本风速时距取10分钟，最大风速的样本时间取1年，基本风速重现期限为50年。

3．风荷载的标准值，是指建筑物某一高度处，垂直于其表面的单位面积上的风荷载，是当地基本风压和风压高度变化系数、结构的风荷载体型系数以及相应高度处的风振系数的乘积。

4．风压高度变化系数

，是z高度处的风压与基本风压w0的比值。

反映风压随不同场地、地貌和高度变化规律的系数。

5．风荷载体型系数

，是指风作用在建筑物表面所引起的实际压力（或吸力）与基本风压的比值。

它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型和尺寸有关。

6．风振系数是反映风速中高频脉动部分对建筑结构不利影响的风压动力系数。

7．雪荷载是屋面活荷载，雪荷载标准值，是指作用在屋面水平投影面的单位面积上的雪荷载，以当地基本雪压和屋面积雪分布系数的乘积表示。

8．雪压是指单位面积上积雪的自重，它是积雪深度与积雪重度的乘积。

我国《建筑结构荷载规范》规定的基本雪压，是以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪的自重确定的雪压。

9.结构自重主要是指楼面板、梁、柱、墙体、基础等构件的自重，可以表示为面荷载、线荷载或集中力等。

10．一般民用建筑的楼面活荷载包括楼面上的人群、家具、物品及一般设施等，是随时间和空间发生变异的，楼面活荷载标准值为单位面积荷载。

二、简答题

1、在什么情况下对楼面活荷载进行折减？

为什么要折减？

在下列情况下对楼面活荷载进行折减：

设计楼面梁时，当楼面梁从属面积较大；汽车通道及停车库的单向板楼盖的主梁和次梁、槽形板的纵肋、双向板楼盖的梁。

设计墙、柱和基础时，楼面的从属面积较大；汽车通道及停车库的单向板楼盖、双向板楼盖和无梁楼盖；楼层数大于等于2层时。

楼面均布荷载，可以理解为楼面各单位面积上存在相同的活荷载。

但是，作用在楼面上的活荷载，并不是以所给定的标准值同时布满所在的楼面的，梁、墙、柱和基础的从属楼面面积越大、楼层数越多，楼面活荷载布满的可能性就越小。

因此，在设计梁、墙、柱和基础时，应对楼面活荷载标准值进行折减。

2、如何理解楼面等效均布活荷载的“等效”？

工业建筑楼面在生产使用或安装检修时，由设备、管道、运输工具及可能拆移的隔墙产生的局部荷载，均应按实际情况考虑，可采用等效均布活荷载。

楼面等效均布活荷载的“等效”是按荷载效应等效，是指构件在均布荷载作用下，在其设计控制部位上的某一效应（例如内力中的弯矩、剪力，变形及裂缝等）与实际荷载作用时相等。

当然不可能将散布在建筑面积上大小不等的局部荷载，换算为构件的所有部位、所有效应均等效的均布荷载。

因此，在将楼面分散的局部荷载“等效”为均布荷载时，正确选取“等效部位”和“等效的效应”非常重要。

三、单项选择题

1．按作用的3种不同的分类方法，楼面活荷载属于（B）。

A．可变作用、固定作用、动态作用；B．永久作用、自由作用、静态作用；

C．可变作用、自由作用、动态作用；D．可变作用、自由作用、静态作用

第五章桥梁工程的荷载

一、填空题

1．《公路桥涵设计规范》（JTGD60—2004）规定汽车荷载由车辆荷载和车道荷载组成，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。

2．当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应考虑多车道折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。

3．公路桥涵设计时，汽车荷载分为公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级两个等级。

4.由于荷载的动力作用使桥梁发生竖向振动造成的内力加大的现象称为冲击作用。

一般说来，车辆荷载对桥梁的冲击作用随着跨径的增加而减小。

5.在移动车辆作用下，通常把纵向动力效应称为车辆重力对桥梁结构的制动力；理论上讲，桥上制动力等于车轮与桥面的滑动摩擦系数乘以同时参与制动的车辆重力总和。

6.作用在桥梁上的风力由迎风面的压力和背风面的吸力所组成，可以分为垂直桥轴方向的横桥向风荷载、顺桥轴方向的纵向风荷载以及竖向风荷载。

7.《新规范》中规定，公路桥涵结构设计应考虑结构上可能出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行荷载效应组合，取其最不利组合进行设计。

二、单项选择题

1．依据《公路桥涵设计规范》（JTGD60—2004），汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数μ，冲击系数μ的取值与（C）有关。

A．桥梁跨径；B．桥梁结构形式；C．结构基频；D．汽车吨位

2．《公路桥涵设计规范》（JTGD60—2004）规定汽车荷载可分为车辆荷载和车道荷载，公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值，车辆重力标准值为（A）。

A．550kN；B．300kN；C．600kN；D．500kN

第七章工程结构的设计方法

一、填空题

1.土木工程结构在结构理论上经历了从弹性理论到极限状态理论的转变，在设计方法上经历了从定值法到概率法的发展，主要表现为容许应力设计法、破损阶段设计法、半概率半经验极限状态设计法和近似概率的极限状态设计方法四个阶段。

2.国际上将以概率理论为基础的极限状态设计方法按发展阶段和精确程度不同分为半概率半经验极限状态设计法、近似概率极限状态设计法和全概率极限状态设计法三个阶段。

第八章结构可靠度的基本概念复习题

一、填空题

1．结构的可靠性，就是结构在规定的时间内，在规定的条件下，满足预定功能的能力，也就是结构安全性、适用性和耐久性的总称。

2．安全性是指工程结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种作用，以及应能在设计规定的偶然事件发生时及发生后保持必需的整体稳定性。

3．适用性是指工程结构在使用过程中应具有良好的工作性能。

4．耐久性是指工程结构在正常维护条件下应具有足够的耐久性能，即能完好地使用到设计规定的年限。

5．结构与功能函数可表示为Z=R-S，其中R为结构抗力，S为荷载效应。

6．当结构的一部分或整个结构超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求，此特定状态就称为该功能的极限状态。

7．仅考虑荷载效应S和结构抗力R两个基本变量，结构极限状态方程可表示为

Z=R–S=0。

8．我国《工程结构可靠度设计统一标准》把结构功能极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。

9．承载能力极限状态主要考虑关于结构安全性的功能。

结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形状态，为承载能力极限状态

10.正常使用极限状态主要考虑有关结构适用性和耐久性的功能。

结构或构件达到

正常使用和耐久性能的某项规定限值的状态，为正常使用极限状态。

11.影响结构可靠性的两方面主要因素是作用效应和结构的抗力，它们都具有随机性。

12.结构的可靠度，是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的

概率。

结构可靠度是结构可靠性的概率度量，即对结构可靠性的一种定量描述。

13.结构能够完成预定功能的概率称为可靠概率，用Ps表示。

而结构不能完成预定功能的概率称为失效概率，用Pf表示。

14.从概率的观点，结构设计的目标就是保证结构可