考点1 掌握荷载及结构可靠性《建筑结构》吉林省（对口招生）建筑工程类（土木建筑类） 知识点讲解

吉林省建筑工程类（土木建筑类）对口招生复习讲义 《建筑结构》 考点1 掌握荷载及结构可靠性 ■考纲要求 1．掌握荷载的种类、荷载代表值及荷载分布形式；理解结构的可靠性与可靠度的概念，了解结构的两种极限状态。 ■知识网络 一、知识树 图1-1-1荷载的种类、荷载代表值及荷载分布形式知识树 图1-1-2结构的可靠性与可靠度两种极限状态知识树 二、重点知识梳理 一、荷载相关重点（掌握） （一）荷载的种类 荷载是指作用在建筑结构上的各种力，根据其性质、变化规律及作用方式，教材核心分类如下，结合规范要求补充说明，便于精准掌握： 1.按随时间变化的性质分类（最核心分类，贯穿设计全过程） 永久荷载（恒载）：在结构设计使用年限内，大小、方向和作用位置基本保持不变，或变化幅度微小可忽略不计的荷载。典型示例包括结构自重（如梁、板、柱的自身重量）、作用于基础的土压力、通过张拉工艺施加于结构构件的预应力等，其大小通常可精确计算，是结构设计的基础荷载之一。 可变荷载（活载）：在结构设计使用年限内，大小、方向或作用位置随时间发生明显变化的荷载。常见类型有楼面活荷载（如人员、家具重量）、屋面活荷载及积灰荷载、工业厂房的吊车荷载、风荷载、雪荷载，还有因环境温度变化产生的温度作用等，这类荷载具有随机性，需按规范统计取值。 偶然荷载：在结构使用过程中出现概率极低，但一旦发生，作用时间短暂且量值巨大，易对结构造成严重破坏的荷载。典型代表为爆炸力、撞击力等，设计中需通过优化结构方案、增加冗余度等措施，避免其引发结构连续倒塌。 2.按作用范围分类 集中荷载：作用在结构上某一点（或某一微小面积）的荷载，如吊车轮压、柱对梁的作用力，特点是作用范围集中，会在局部产生较大应力。 分布荷载：均匀分布在结构某一长度或面积上的荷载，分为均布荷载（如楼面均布活荷载、屋面均布积雪荷载）和非均布荷载（如三角形分布的土压力），其作用效应需按分布规律计算。 3.按作用性质分类 静力荷载：荷载作用过程中，结构各点不产生明显加速度，荷载大小、方向不随时间突变，如结构自重、楼面静载，大部分建筑结构主要承受此类荷载。 动力荷载：荷载作用过程中，结构产生明显加速度，荷载大小或方向随时间快速变化，如吊车运行时的冲击荷载、地震作用、风荷载的脉动效应，设计中需考虑其动力放大作用。 （二）荷载代表值 荷载代表值是设计中用于验算结构极限状态的荷载量值，需根据荷载类型和设计要求合理选用，核心代表值及适用场景如下，结合规范定义精准梳理： 1.标准值（基本代表值）：是荷载的基准值，按设计规范规定的方法，通过统计分析确定，表征荷载在设计基准期内的统计分布特征值（如均值、分位值）。所有荷载均有标准值，是其他代表值的计算基础——永久荷载仅采用标准值作为其代表值；可变荷载的其他代表值均以标准值为基础，通过乘以相应系数得到，设计基准期统一采用50年。 2.组合值：用于承载能力极限状态设计，或正常使用极限状态的标准组合设计，反映多种可变荷载同时作用时的折减效应。计算方法为可变荷载标准值乘以组合值系数，目的是避免因多种可变荷载同时达到最大值而导致设计过于保守。 3.频遇值：用于正常使用极限状态的频遇组合设计，反映设计基准期内频繁出现的可变荷载对结构的影响。计算方法为可变荷载标准值乘以频遇值系数，重点考虑荷载频繁作用对结构正常使用性能的影响。 4.准永久值：用于正常使用极限状态的频遇组合或准永久组合设计，反映可变荷载在设计基准期内经常出现的那部分荷载效应。计算方法为可变荷载标准值乘以准永久值系数，主要用于验算结构的长期变形、裂缝宽度等耐久性指标。 5.设计值：荷载代表值与相应分项系数的乘积，是结构设计中实际采用的荷载量值，用于确保结构在各种工况下满足可靠性要求，分为承载能力极限状态和正常使用极限状态对应的设计值，需结合作用组合选用。 （三）荷载分布形式 荷载分布形式与结构受力分析直接相关，教材重点强调以下4种核心形式，结合工程实际场景说明，便于理解应用： 1.均布分布：荷载均匀作用在结构的整个长度或面积上，单位长度（或单位面积）上的荷载值相等，是最常见的分布形式。例如，楼面均布活荷载（如住宅楼面2.0kN/㎡）、屋面均布荷载、等截面梁的自重。 2.线性分布（非均布）：荷载沿结构长度呈线性变化，分为三角形分布和梯形分布。例如，挡土墙受到的土压力（三角形分布，底部荷载最大、顶部为0）、梁端支座附近的荷载分布。 3.集中分布：荷载集中作用在结构的某一点（或微小区域），作用范围远小于结构尺寸，可近似视为作用在一个点上。例如，吊车轮压作用在吊车梁上、柱子对基础的集中作用力、阳台栏板的集中荷载。 4.线荷载与面荷载的转换：面荷载（如楼面活荷载，单位：kN/㎡）可转换为线荷载（单位：kN/m），用于梁、板等线性构件的受力计算，转换公式为线荷载=面荷载×构件受力宽度，是结构计算中的基础转换方法。 二、结构的可靠性与可靠度（理解） 1.结构的可靠性：根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）定义，结构在规定的时间内（设计基准期，通常为50年），在规定的条件下（正常使用、维护条件），完成预定功能（安全性、适用性、耐久性）的能力。简单来说，就是结构“不失效、能正常使用”的能力，是结构设计的核心目标，涵盖三个基本要求： 安全性：结构在荷载作用下不发生破坏、倒塌，能抵御偶然事件的影响； 适用性：结构在使用过程中不产生影响正常使用的变形、裂缝、振动等； 耐久性：结构在长期使用中，能抵抗环境影响（如腐蚀、老化），保持其性能稳定，满足设计使用年限要求。 2.结构的可靠度：是对结构可靠性的定量描述，指结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。与可靠性（定性概念）不同，可靠度是定量指标，用于衡量结构可靠的程度，常用两个参数表征： 可靠指标β：度量结构可靠度的数值指标，为失效概率负的标准正态分布函数的反函数，β值越大，结构可靠度越高，失效概率越低； 失效概率Pf：结构不能完成预定功能的概率，Pf越小，结构越可靠，与可靠指标β呈负相关关系。 三、结构的两种极限状态（了解） 极限状态是结构可靠与失效的界限，即结构超过某一特定状态后，无法满足设计规定的功能要求，教材明确分为两类，结合规范细节和工程示例，清晰区分核心差异： （一）承载能力极限状态（核心安全极限） 对应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，是确保结构安全的最基本要求，超过此状态，结构会发生破坏、倒塌，危及人身和财产安全。 常见表现形式： •整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如房屋倾覆、基础滑移）； •结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度塑性变形而无法继续承载； •结构转变为机动体系（即结构失去约束，可自由变形，无法承受荷载）； •结构或结构构件丧失稳定（如受压构件压屈、地基失稳破坏）。 设计要求：所有设计状况（持久、短暂、偶然状况）均需验算承载能力极限状态，确保结构在最不利荷载组合下不失效。 （二）正常使用极限状态（使用功能极限） 对应结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，超过此状态，结构不会发生破坏，但会影响正常使用、外观或耐久性，无需拆除，但需进行维修整改。 常见表现形式： •影响正常使用或外观的变形（如楼面过大挠度导致粉刷层剥落、屋面积水）； •影响正常使用或耐久性的局部损坏（如混凝土构件裂缝过宽，导致钢筋锈蚀）； •影响正常使用的振动（如楼面振动过大，影响人员舒适度）； •影响正常使用的其他特定状态（如屋面渗漏、构件变形过大影响设备安装）。 设计要求：主要针对持久设计状况进行验算，根据结构可逆程度确定可靠指标，可逆状态（如临时振动）可取较低值，不可逆状态（如永久裂缝）可取较高值。 （三）两类极限状态的核心区别 1.本质差异：承载能力极限状态关乎“安全”，失效会导致结构破坏、倒塌；正常使用极限状态关乎“使用”，失效仅影响使用功能，不危及安全； 2.验算要求：承载能力极限状态必须全面验算，正常使用极限状态主要针对持久状况验算； 3.处理方式：超过承载能力极限状态需拆除或大修，超过正常使用极限状态可通过维修恢复使用功能。 ■练习题 一、单选题（下面选项中只有一个答案是正确的，每题2分，共20分） 1.下列荷载中，属于永久荷载的是（ ）。 A. 吊车荷载 B. 积灰荷载 C. 结构自重 D. 雪荷载 2.建筑结构设计时，用于验算结构构件承载力的荷载代表值是（ ）。 A. 标准值 B. 组合值 C. 频遇值 D. 准永久值 3.下列关于可变荷载代表值的说法，正确的是（ ）。 A. 组合值系数通常大于1.0 B. 频遇值是指在设计基准期内，超越的总时间为规定较小比率的荷载值 C. 准永久值用于计算结构的承载力 D. 标准值是可变荷载的最大值 4.某办公楼楼面采用预制板，其楼面活荷载的分布形式可简化为（ ）。 A. 均布荷载 B. 集中荷载 C. 线荷载 D. 三角形分布荷载 5.结构在规定的设计使用年限内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构的（ ）。 A. 安全性 B. 可靠性 C. 耐久性 D. 适用性 6.结构可靠度的定量指标是（ ）。 A. 安全等级 B. 可靠指标 C. 失效概率 D. 荷载分项系数 7.下列极限状态中，属于承载能力极限状态的是（ ）。 A. 结构产生过大的变形 B. 结构发生倾覆 C. 混凝土产生裂缝 D. 吊车轨道变形影响运行 8.当结构或结构构件出现下列哪种情况时，即认为超过了承载能力极限状态？（ ） A. 影响正常使用的振动 B. 挠度超过允许值 C. 丧失稳定 D. 裂缝宽度超过限值 9.设计基准期是确定（ ）等取值的时间参数。 A. 可变荷载标准值 B. 结构使用寿命 C. 结构可靠度 D. 材料强度设计值 10.对于安全等级为二级的结构构件，其重要性系数γ₀应取（ ）。 A. 0.9 B. 1.0 C. 1.1 D. 1.2 二、多选题（每题3分，共10道，共计30分） 1.下列荷载中，属于可变荷载的有（ ）。 A. 结构自重 B. 风荷载 C. 雪荷载 D. 固定设备自重 E. 楼面活荷载 2.永久荷载的代表值包括（ ）。 A. 标准值 B. 组合值 C. 频遇值 D. 准永久值 E. 设计值 3.荷载的分布形式主要有（ ）。 A. 均布荷载 B. 线荷载 C. 集中荷载 D. 三角形荷载 E. 梯形荷载 4.结构的预定功能包括（ ）。 A. 安全性 B. 经济性 C. 适用性 D. 耐久性 E. 美观性 5.影响结构可靠度的主要因素有（ ）。 A. 荷载的变异性 B. 材料性能的变异性 C. 几何参数的不确定性 D. 计算模式的不确定性 E. 施工质量的差异 6.下列选项中，属于正常使用极限状态的有（ ）。 A. 结构整体失稳 B. 构件强度不足破坏 C. 裂缝宽度超过限值 D. 挠度超过允许值 E. 产生过大的振动 7.承载能力极限状态主要考虑（ ）。 A. 结构的破坏 B. 结构的倾覆 C. 结构的滑移 D. 结构的变形 E. 结构的振动 8.关于结构的设计使用年限，下列说法正确的有（ ）。 A. 设计使用年限是结构在正常设计、施工和使用维护下所应达到的使用年限 B. 设计使用年限等同于结构的使用寿命 C. 临时性结构的设计使用年限为5年 D. 普通房屋和构筑物的设计使用年限为50年 E. 纪念性建筑的设计使用年限为100年 9.结构的安全等级划分主要依据（ ）。 A. 结构的重要性 B. 结构的类型 C. 破坏后果的严重性 D. 结构的使用年限 E. 荷载的大小 10.下列关于荷载分项系数的说法，正确的有（ ）。 A. 永久荷载的分项系数γG，当永久荷载效应对结构不利时，取1.2 B. 永久荷载的分项系数γG，当永久荷载效应对结构有利时，取1.0 C. 可变荷载的分项系数γQ，一般情况下取1.4 D. 可变荷载的分项系数γQ，对标准值大于4kN/m²的楼面活荷载，取1.3 E. 荷载分项系数用于将荷载标准值转换为设计值 三、判断题（10道，共20分） 1.固定在结构上的永久设备自重属于永久荷载。（ ） 2.可变荷载的组合值是指在组合时，对可变荷载标准值乘以一个小于1的系数。（ ） 3.线荷载是指沿结构某一轴线长度方向均匀分布的荷载。（ ） 4.结构的可靠性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。（ ） 5.可靠指标β越大，结构的失效概率pf越小，结构越可靠。（ ） 6.正常使用极限状态是指结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形。（ ） 7.裂缝宽度验算属于承载能力极限状态的验算内容。（ ） 8.设计基准期为50年，意味着结构的使用寿命只有50年。（ ） 9.安全等级为一级的结构，其重要性系数γ₀应取1.1。（ ） 10.承载能力极限状态验算时，应采用荷载的设计值；正常使用极限状态验算时，应采用荷载的标准值或组合值。（ ） 四、简答题（1道，共10分） 简述结构的两种极限状态的定义及主要验算内容。 五、计算题（1道，共10分） 某钢筋混凝土简支梁，计算跨度l₀=6m，承受均布永久荷载标准值g_k=10kN/m（含梁自重），均布可变荷载标准值q_k=8kN/m。 要求： 1.计算该梁跨中截面的永久荷载设计值产生的弯矩M_G； 2.计算该梁跨中截面的可变荷载设计值产生的弯矩M_Q； 3.计算该梁跨中截面的基本组合弯矩设计值M（按永久荷载控制的组合）。 ■真题练习 六、真题练习（每道2分，共计5道，总共10分） 1.（25年真题）下列建筑结构的荷载中，属于偶然荷载的是（ ）。 A. 楼面活荷载 B. 风荷载 C. 地震作用 D. 结构自重 2.（21年真题）结构设计时，判断结构是否达到正常使用极限状态，不需要考虑的因素是（ ）。 A. 裂缝宽度 B. 构件挠度 C. 振动频率 D. 构件强度 3.（20年真题）关于建筑结构的可靠度，下列说法正确的是（ ）。 A. 可靠度是指结构在设计使用年限内完成预定功能的能力 B. 可靠指标越大，结构失效的可能性越大 C. 结构的安全等级越高，其可靠指标要求越低 D. 设计基准期是结构可靠度计算的时间依据 4.（19年真题）某住宅楼阳台栏板，在进行设计时，其主要验算的极限状态是（ ）。 A. 承载能力极限状态 B. 正常使用极限状态 C. 两种极限状态都需验算 D. 无需验算 5.（19年真题）荷载代表值的选用应根据验算内容确定。在进行结构构件的挠度验算时，应采用的可变荷载代表值是（ ）。 A. 标准值 B. 组合值 C. 频遇值 D. 准永久值 ■参考答案 一、单选题答案 1-5：C、A、B、A、B 6-10：B、B、C、A、B 二、多项选择题参考答案 1-5：BCE、A、ABCDE、ACD、ABCD 6-10：CDE、ABC、ACDE、AC、ABCDE 三、判断题参考答案 1-5：√、√、√、×、√ 6-10：×、×、×、√、√ 四、简答题参考答案 【答案】 结构的两种极限状态包括承载能力极限状态和正常使用极限状态。 1.承载能力极限状态 定义：结构或结构构件达到最大承载力、整体失稳或不适于继续承载的变形。 主要验算内容：构件的强度、稳定、倾覆、滑移、疲劳破坏等。 2.正常使用极限状态 定义：结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。 主要验算内容：构件的挠度、裂缝宽度、振动频率、局部损坏等。 五、计算题参考答案 【解】 1.永久荷载设计值产生的弯矩M_G 永久荷载设计值：g = γ_G × g_k = 1.2 × 10 = 12 kN/m 跨中弯矩公式：M = (1/8) × q × l₀² M_G = (1/8) × 12 × 6² = 54 kN·m 1.可变荷载设计值产生的弯矩M_Q 可变荷载设计值：q = γ_Q × q_k = 1.4 × 8 = 11.2 kN/m M_Q = (1/8) × 11.2 × 6² = 50.4 kN·m 1.基本组合弯矩设计值M（永久荷载控制） 永久荷载控制的组合公式：M = 1.35M_G + 1.0M_Q M = 1.35 × 54 + 1.0 × 50.4 = 72.9 + 50.4 = 123.3 kN·m 答： 永久荷载弯矩设计值为54 kN·m，可变荷载弯矩设计值为50.4 kN·m，基本组合弯矩设计值为123.3 kN·m。 六、高考真题参考答案 1-5：C、D、D、C、D 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $