4．3　荷载和作用

直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载（Load）引起的。如果地球没有引力、空中没有风吹，荷载就不会存在，土木工程中也就不需要结构。但实际上土木工程的建造者必须设置结构，因为只有结构才能承受抵御自然界和人为的作用力，保障建造的空间和通道，为人类服务。土木工程师的一个重要任务是确定有哪些荷载会作用在土木工程设施上，在极端情况下，这些荷载的值有多大。土木工程中的荷载大体有以下三类（一般都以kN、kN／m或kN／m²计）：

（1）永久荷载（Permanent　Load）

指在使用期间永久施加在结构上，其值不随时间变化的荷载，也称恒载（Dead　Load）。承重结构的自重、围护结构（墙面、地面、屋面、桥面等）的重力以及固定装置的重力就是恒载（图4．4中的1，2）。恒载一般以构件的体积乘以所用材料单位体积的质量得到。在建筑物中，承重结构的恒载占总荷载的50%～70%。此外，埋置在地下的、挡土的和隧道的工程设施所承受的土压力和围岩压力也是恒载。

图4．4　施加在结构上的荷载

（a）剖面；（b）结构荷载简图1—承重结构自重；2—墙面、屋面、地面（含顶棚）恒载；3—楼面活载；4—雪载；5—风载（压力，＋）；6—风载（吸力，－）

（2）可变荷载（Variable　Load）

指在使用期间施加在结构上的值随时间变化的荷载，也称活载（Live　Load）。活载有多种类型，如：

①使用活载　楼面活载（人群、家具、可移动设备、操作时使用的工件等）、屋面活载（屋面上人时的人群和设施、屋面积灰、屋面直升机停机坪等）都是使用活载（图4．4中的3）。

②车辆活载　主要是铁路列车或公路车辆的荷载，它们表现为一系列集中荷载和均布荷载组成的移动荷载（Moving　Load，图4．5）。此外，工业厂房中的起重吊车（俗称天车）也是一种移动式活载。

③风载　风是由大气压力不等引起的空气运动。由风的运动而施加在墙面或结构上的压力称为风载（Wind　Load，图4．4中的5，6）。风载有3个“不一样”：a．不同地区不一样（沿海大、内陆小）；b．同一地区每时每刻不一样；c．不同高程、不同部位不一样（50m比5m高程处的风载约大1．5倍）。设计时采用的风载值是重现期为50年的10min内平均风压的统计值。

④雪载　指由积雪引起的荷载（图4．4中的4）。雪载（Snow　Load）也因地区不同而异。我国南方地区如广州、海口，甚至没有雪载。

（3）偶然荷载（Accidental　Load）

指在使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载，如撞击荷载、爆炸荷载等。

除直接施加在结构上的外力（即荷载）外，还有一种因间接施加影响引起结构受力的作用（Action）。作

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图4．5　桥梁上的汽车荷载

T₁、T₂、T₃、T₄——汽车轴重；b₁、b₂、c——不同规范规定的车轴间距离用也使结构内部产生内力和变形。它们也以三类形式出现：

（1）约束变形作用

以温差作用（Temperature　Differential　Action）为典型。土木工程中的结构构件因昼夜和季节温差，每时每刻都在改变着形状和尺寸；当这种改变受到约束时就会使结构受到内力，这就是温差作用。在现代高层建筑和大跨度桥梁中，这种因温差作用引起的结构内力是很大的，必须在设计中予以考虑［图4．6（a）］。另外，钢结构构件在焊接时产生的作用也属于这类。

图4．6　温差作用和沉陷作用

（a）温差作用；（b）沉陷作用

图4．7　地面运动时建筑物的相应运动

（2）外加变形作用

以地基的沉陷作用（Settlement　Action）为典型。土木工程的结构是构筑在土层上的，土层受力后总会产生不均匀沉陷，但过大的不均匀沉陷会引起结构产生不小的内力，甚至可使结构开裂或倒塌［图4．6（b）］。

（3）惯性作用

以地震作用（Earthquake　Action）为典型。地震引起的地面运动会使土木工程结构在水平和竖向产生加速度反应（图4．7）。这种加速度反应值与土木工程设施本身质量的乘积就形成了地震施加给结构的力，即地震作用。地震作用按牛顿第二定律考虑是一种惯性力，它的大小除和工程设施质量有关外，还和地面运动的强烈程度（即地震烈度）以及结构的动力特性（与结构的刚性程度有关）有关。地震作用以水平方向为主；对北京地区一幢8～9层用砌块填充的框架结构建筑物来说，它的总水平地震作用为其总重的5%～8%，如果该建筑总重为75　000kN，则其总水平地震作用为3　800～6　000kN。

上述荷载和作用可归纳如图4．8所示。

图4．8　荷载和作用分类