1、荷载与结构设计复习荷载与结构设计复习荷载与结构设计复习 土木工程专业2008年 荷载与结构设计方法（时间120分钟） 一、填空题（每空1分，共计20分） 1. 当功能函数服从 正态分布 时，可靠指标与失效概率具有一一对应关系。 2. 结构构件可靠度计算的一次二阶矩法包括 和 。 3. 结构可靠指标?的几何意义是 。 4. 荷载简单组合是 与 的组合。 5. 确定结构目标可靠度水准的方法有 、 和 。 6. 荷载的代表值一般包括 、 、 和 。 7. 荷载效应组合规则一般有 、 、 和 。 8. 我国“建筑结构可靠度设计统一标准”（GB500682001）将设计状况分为 、 和 。 9. 荷载效
2、应组合问题的实质是 。 二、判断对错（在括号内：对的画“”，错的画“”） （每空2分，共计16分） 1. 可靠指标?越大，结构可靠程度越高。（ ） 2. 结构可靠度设计的基准期就是结构的使用期。（ ） 3. 结构的失效概率Pf等于结构抗力R和荷载效应S的概率密度干涉面积。（ ） 4. 极限状态方程表达了结构荷载效应与抗力之间的平衡关系。（ ） 5. 结构重要性系数是用来调整不同安全等级结构的目标可靠指标的。（ ） 6. 延性破坏构件的目标可靠指标要大于脆性破坏构件的相应值。（ ） 7. 荷载标准值是设计基准期内在结构上时而出现的较大可变荷载值。（ ） 8. 对于结构不同的设计状况，均应进行正常
3、使用极限状态设计。（ ） 三、简述题（每小题8分，共计24分） 1. 简述结构设计方法经历了哪几个发展阶段，并说明每个阶段结构设计方法的主要特点。 2. 简述影响结构构件抗力随机性的几类因素，并说明每一类因素主要包括哪些内容。 3. 简述结构构件可靠度设计的实用表达式包括哪些内容，并列出具体表达式。 土木工程专业2008年 荷载与结构设计方法答案（时间120分钟） 1 一、填空题（每空1分，共计20分） 1. 正态分布 2. 中心点法，验算点法 3. 随机变量空间坐标原点到极限状态曲面的最短距离 4. 恒荷载，可变荷载 5. 事故对比法，校准法，优化法 6. 特征值，频遇值，准永久值，组合值。
4、 7. Turkstra组合方法，Ferry Borges- Castanheta组合方法，JCSS组合方法，简单组合方法（任意三个） 8. 持久状况，短暂状况，偶然状况 9. 综合荷载效应最大值的概率分布问题 二、判断对错（在括号内：对的画“”，错的画“”） （每空2分，共计16分） 1. 对，2. 错，3. 错，4. 对，5. 对，6. 错，7. 错，8. 错 三、简述题（每小题8分，共计24分） 1. 简述结构设计方法经历了哪几个发展阶段，并说明每个阶段结构设计方法的主要特点。 1. 容许应力设计法：?max/K，采用线弹性理论，所有影响结构安全的各 种可能影响因素都集中在单一的安全系数
5、K中考虑，安全系数K靠经验估计。 2. 破损阶段设计法：kS?R，考虑构件截面的全部应力状态，无法对不同变异特性的荷载区别对待，荷载标准值的取法没有明确的理论基础。 3. 极限状态设计法： 水准一 半概率设计法，包括多系数极限状态设计法和单系数极限状态设计法，明确规定结构按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计进行设计，材料强度系数及某些荷载系数用数理统计方法确定。 水准二 近似概率设计法，赋予结构可靠度以概率含义，建立了结构可靠度与极限状态方程之间的数学关系，用概率论和数理统计方法确定基本变量的概率分布类型及统计参数，采用分项系数的实用设计表达式。 2. 简述影响结构构件抗力随机性的几类因素
6、，并说明每一类因素主要包括哪些内容。 影响结构构件抗力随机性的主要影响因素有： 材料性能的随机性：?m?fr/fk?fr/ft?ft/fk?0?f 几何参数的随机性：?g?a/ak 计算模式的随机性：?p?R/Rc 结构构件抗力的概率模型：R?p?Rc(fr,?,fr,a1,?,al) 1n 2 3. 简述结构构件可靠度设计的实用表达式包括哪些内容，并列出具体表达式。 1. 承载能力极限状态设计表达式 n ?0(?GSGk?QSQk? 1 1 ? i?2 Qi ?CSQk)?R(?R,fk,ak,?) i i n ?0(?GSGk? ? i?1 Qi ?CSQk)?R(?R,fk,ak,?)
7、i i 2. 正常使用极限状态设计表达式 （1） 标准组合设计表达式 n SGk?SQ1k? ? i?2 Ci SQik?f1 （2） 频遇组合设计表达式 n SGk?fiSQ1k? ? i?2 qi SQik?f2 （3） 准永久组合设计表达式 n SGk? ? i?1 qi SQik?f3 理论与应用力学专业与岩土工程专业 2009年秋季 荷载与结构设计方法试题参考答案 一、简答题（每小题6分，共计36分） 1. 试绘图说明结构可靠指标?的几何意义。 可靠指标?是标准空间R?S?坐标系中坐标原点到极限状态曲面Z?0的最短距离。 R? 2. 试绘图说明非正态随机变量当量正态化的两个基本条件，
8、并列出当量正态化随机变量的均值和标准差的计算公式。 非正态随机变量当量正态化的两个基本条件：在设计点xi*处， （1）当量正态分布变量与原非正态分布变量的概率分布值（尾部面积）相等，即 FXi?(xi)?FXi(xi) * * （2）当量正态分布变量与原非正态分布变量的概率密度函数值（纵坐标）相等，即 fXi?(xi)?fXi(xi) * * 当量正态化随机变量的均值和标准差的计算公式分别为： ?X?xi? i *?1 ?FX(xi*)?X? i?i? ? ?X? i ? ?1 ?FX(xi*)?i? * i ? fXi(x) Xi?iXiii 4 3. 简述结构构件可靠度设计的实用表达式包括
9、哪些内容，并列出具体表达式。 (1) 承载能力极限状态设计表达式 n ?0(?GSGk?QSQk? 1 1 ? i?2 Qi ?CSQk)?R(?R,fk,ak,?) i i n ?0(?GSGk? ? i?1 Qi ?CSQk)?R(?R,fk,ak,?) i i (2) 正常使用极限状态设计表达式 1) 标准组合设计表达式 n SGk?SQ1k? ? i?2 Ci SQik?f1 2) 频遇组合设计表达式 n SGk?fiSQ1k? ? i?2 qi SQik?f2 3) 准永久组合设计表达式 n SGk? ? i?1 qi SQik?f3 4. 简述荷载代表值有哪些类型，并说明每种代表值
10、的确定方法。 标准值（或特征值）：设计基准期内结构上可能出现的最大荷载值。有两种确定方法：根据设计基准期内荷载最大值概率分布的某一分位数确定，或者根据荷载值的重现期确定。 频遇值：设计基准期内结构上时而出现的较大可变荷载值。可根据可变荷载超越频率值的持续期或次数来确定。 准永久值：设计基准期内结构上经常出现的可变荷载值。可根据可变荷载达到或超过准永久值的总持续时间来准永久值系数。 组合值：作用在结构上有两种或两种以上的可变荷载时，荷载的代表值可采用其组合值，组合值系数可根据校准法来确定。 5. 简述影响结构构件抗力随机性的几类因素，并说明每一类因素主要包括哪些内容。 影响结构构件抗力随机性的主
11、要影响因素有： 材料性能的随机性：?m?fr/fk?fr/ft?ft/fk?0?f 几何参数的随机性：?g?a/ak 5 计算模式的随机性：?p?R/Rc 结构构件抗力的概率模型：R?p?Rc(fr,?,fr,a1,?,al) 1n 6. 列出具有正相关的串联系统和并联系统的一阶界限公式，并说明每个界限值的物理意义。 n 具有正相关的串联系统：maxPfPf1?(1?Pf)，下限是所有单元完全相关iii i?1 时系统的失效概率，上限是所有单元完全独立时系统的失效概率。 n 具有正相关的并联系统：?PfPfminPf，下限是所有单元完全独立时系统的i i?1ii 失效概率，上限是所有单元完全相
12、关时系统的失效概率。 三、简述题（共计14分） 简述结构设计方法经历了哪几个发展阶段，并说明每个阶段结构设计方法的主要特点。结合学过的专业课程，试论述结构可靠度与结构设计之间的关系。 1. 简述部分参考答案（9分）： （1）容许应力设计法：?max/K，采用线弹性理论，所有影响结构安全的 各种可能影响因素都集中在单一的安全系数K中考虑，安全系数K靠经验估计。 （2）破损阶段设计法：kS?R，考虑构件截面的全部应力状态，无法对不同变异特性的荷载区别对待，荷载标准值的取法没有明确的理论基础。 （3）极限状态设计法： 水准一 半概率设计法，包括多系数极限状态设计法和单系数极限状态设计法，明确规定结构
13、按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计进行设计，材料强度系数及某些荷载系数用数理统计方法确定。 水准二 近似概率设计法，赋予结构可靠度以概率含义，建立了结构可靠度与极限状态方程之间的数学关系，用概率论和数理统计方法确定基本变量的概率分布类型及统计参数，采用分项系数的实用设计表达式。 2. 发挥部分参考答案（5分）： 根据答题者的发挥情况，适当给分。若能够结合所学专业课程，阐述结构可靠度和结构设计关系得比较恰当者，可给5分，一般者给4分。若没有结合所学专业课程，但也阐述了结构可靠度和结构设计关系，较好者给3分，一般者给2分，较差者给1分。不能阐述两者之间的关系，按0分处理。 6 荷载与结构设计
14、方法 模拟试题-01 参考答案 一、填空题（题 110，每小题2 分，共20 分） 1我国民用建筑结构的设计基准期是 50 年。 2产生地震的最主要原因是地壳岩层应力累积造成岩层断裂引起的。 3台风是热带洋面上形成的 低压气旋 。 4风速与风压的关系公式是w=yv2/2g 。 5现行荷载规范规定，办公楼、住宅楼楼面的均布活荷载均为 2.0 kN/m2。 6我国目前的结构设计采用以 概率 理论为基础的 极限 状态设计方法。 7钢材的材料标准值具有 97.73 的保证率，相当于取值为屈服强度减去 2 倍标 准差。 8影响结构抗力不定性的主要因素有结构构件材料性能的不定性、结构构件几何 参数的不定性
15、、结构构件计算模式的不定性。 9砼的材料标准值具有 95 的保证率，相当于取值为屈服强度减去1.645 倍 标准差。 10我国建筑结构的安全等级分为三级，对于二级安全等级的一般性结构，其结构 重要系数的取值规定为 0 1.0。 二、名词解释题（题1114，每小题5 分，共20 分） 11基本风压 答：在平坦空旷地区的10 米高处，以10min 时距测得的年最大风速为样本进行统 计的，在设计基准期内一遇的风压标准值。 12地震烈度 答：震级和地震烈度是两个不同的概念。震级是一次地震的能量级别，地震烈度则是在一次地震中某个地区受地震灾害破坏的严重程度。 13结构可靠度 答：结构在规定的时间内，在规
16、定的条件下，完成预定功能的概率。 7 14荷载的设计值 答：荷载的分项系数与其标准值的乘积。 三、单项选择题（题1524，每小题2 分，共20 分） 15恒荷载的代表值是 A 。 A标准值 B. 准永久值 C. 设计值 D. 组合值 16. 裂缝超标破坏属于 B 极限状态范畴. A承载力 B. 正常使用 C. 稳定 D. 强度 17. 地震是 A 。 A. 偶然作用 B. 恒荷载 C. 偶然荷载 D. 活荷载 18. 核反应堆、大坝、海上采油平台宜采用 B . A. 容许应力法 B. 概率可靠度的直接设计方法 C. 单一系数设计表达式 D. 分项系数设计表达式 19地震竖向地面运动的强度一般
17、B 于水平地面运动的强度. A. 等于 B. 小于 C. 大于 D. 大于等于 20现行规范采用的是 D 。 A. 容许应力法 B. 概率可靠度的直接设计方法 C. 单一系数设计表达式 D. 分项系数设计表达式 21结构构件抗力R 均近似服从 B 。 A. 正态分布 B. 对数正态分布 C. 极值分布 D. 极值分布 22风荷载的最大值服从 C 。 A. 正态分布 B. 对数正态分布 C. 极值分布 D. 极值分布 23我国现行建筑结构荷载规范规定，结构的目标可靠指标，对于一般延性结构， 8 其值为 B 。 A. 3.7 B. 3.2 C. 4.2 D. 2.7 24. 以下说法正确的是 D
18、。 A. 当 RS 在任何情况下成立时结构是安全的 B. 可以采用中国的荷载标准值按照美国的规范设计表达式进行结构设计 C. 现行荷载规范规定，对于一般重要性结构的 0 等于1 D. 中国的现行荷载规范规定的分项系数设计表达式也是国际上通常采用的 得分 四、简答题（题2528，每小题10 分，共40 分） 25、在采用底部剪力法进行抗震计算时，是如何考虑高阶 振型的贡献的？ 答：为了对结构的高阶振型反应加以考虑，可在结构顶部附加一集中力n n Ek F = F （5 分），式中n 是一个与结构形式和基本周期有关的系数，一般结构基本周期 越大， n 值越大，但一般不超过0.3（3 分）。由于结构
19、底部剪力保持不变，则 考虑高阶振型反应影响的各质点地震作用计算公式成为： ( ) Ek n i i i i F F G H i F = G H ? （2 分） 26、解释小震、中震和大震的专业含义。 答：我国目前采用的抗震设计原则是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。“小震” 是指结构设计基准期内超越概率为63的烈度水平的地震影响（2 分）；“中震” 是指结构设计基准期内超越概率为10的烈度水平的地震影响（2 分）；“大震” 是指结构设计基准期内超越概率为23的烈度水平的地震影响（2 分）。 9 “小震不坏，中震可修，大震不倒”是我国建筑抗震设计规范提出的三水 准抗震设防要求，即，当遭受多遇地震
20、即“小震”影响时，建筑物一般不损坏 或不需修理仍可继续使用；当遭受设防（基本）烈度的“中震”影响时，经一 般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受罕遇地震即“大震”影响时，建筑物 不倒塌或不发生危及生命的严重破坏。（4 分） 27、结构有哪些极限状态，并相应说明。 答：结构有承载力极限状态和正常使用极限状态。 当结构或结构的一部分出现下列状态之一时，即认为超过了承载力极限状态： （1） 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）； （2） 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑 性变形而不适于继续承载； （3） 结构转为机动体系； （4） 结构或结构构件丧失稳定
21、（如压屈等）。（5 分） 当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态： （1） 影响正常使用或外观的变形； （2） 影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）； （3） 影响正常使用的振动； （4） 影响正常使用的其它特定状态。（5 分） 28、写出我国现行荷载规范规定的分项系数设计表达式，并解释每一个参数。 答：中国现行荷载规范规定的分项系数设计一般表达式为： 得分 式中， 0 结构重要性系数。附着升降脚手架按临时结构确定安全等级为三级， 0 不 应小于0.9 G 永久荷载的分项系数，在永久荷载效应控制时G 1.35，在可变荷载效应控制 10 时G 1.2。当架体重力
22、有利于抗倾覆验算时取G 0.9 S 按永久荷载标准值k G 计算的荷载效应值 Qik S 按可变荷载标准值k Q 计算的荷载效应值 n 参与组合的可变荷载数 Gk Qi 第i 个可变荷载的分项系数 第1 个可变荷载的分项系数，即起控制作用的可变荷载的分项系数 Q1 ci 可变荷载i Q 的组合值系数 材料强度分项系数 R k f 材料性能的标准值 k a 几何尺寸的标准值_ 荷载与结构设计方法考试试题（2002级）参考答案 概念理解题（共计70分）： 1在结构荷载计算中，一般主要考虑的有哪些荷载？（5分） 答：一般考虑的荷载为恒载和活载两类，对于偶然荷载（特殊荷载考虑较少）。 3 为何对于不同
23、的荷载在进行荷载效应组合时，取一定的分项系数？（5分） 答：主要是考虑到不同荷载的概率分布形式不一致，而为了计算的简便，将各种荷载的概率分布的不同通过的荷载分项系数以使按极限状态设计表达式设计的各种结构可靠指标?与规定的设计可靠指标?0之间在总体上误差最小。 4 计算风荷载时需要考虑几个方面的因素；（5分） 答：风荷载的计算主要与三种独立的因素有关：基本风压、风压高度变化系数、房屋体型系数有关。 5 设计基准期和设计使用寿命的概念，两者有何区别；（5分） 答：设计基准期是统计各种荷载（作用）和抗力随机变量的年限，一般取50年，而设计使用寿命则是结构物使用年限，一般为20、50、100年，当超过
24、设计基准期之后，结构物的可靠度会降低。 6 荷载代表值的类型及含义；（10分） 答：荷载代表值包括荷载的标准值、组合值、频遇值和准永久值，前两者是在承载能力极限状态中使用，而后两种则在主要在正常使用极限状态中使用。 代表值：为设计基准期内最大荷载概率分布的某一分位值，我国一般取0.95分位数。 组合值：以荷载代表值为基础，考虑当出现两种或两种以上的可变荷载时，荷载不可能同时以其最大值出现，此时荷载代表值可采用组合值或荷载组合系数出现。荷载频遇值主要是为了对结构正常使用极限状态的短期性能进行校核，一般取系数0.50.9（具体参见建筑结构荷载设计规范，荷载的准永久值系指经常作用在结构上的荷载，同样
25、乘以一个系数即可。总的说来，后三者均是对可变荷载来说的。 7 如何确定结构的目标可靠指标；（5分） 11 答：确定结构的目标可靠指标是在原有的定值设计基础上，采用的主要方法有：类比法；校准法，后者是建筑结构可靠度设计统一标准所采用的方法，并根据安全等级和结构的破坏类型来确定可靠指标?。 9 作用与荷载的区别与联系，在本书中是如何对其分析的？（5分） 答：荷载是指直接作用在结构上的力，而作用是泛指在结构上产生效应（应力、变形等）的一切外界因素，通常将两种概念同等对待。 10 试说明梁、柱从属面积的含义。（5分） 答：对于结构计算来说，要分析构件受力情况，要对荷载作用进行分析，求其作用在梁或柱上的
26、荷载，即将作用在楼面上的活荷载以及楼面本身的恒载进行分析。 11 作用在跨河桥梁上的荷载有哪些？（5分） 答：恒载：桥梁自身重力；活载：风荷载、地震荷载、流水压力、船只（漂浮物）的撞击力、车辆荷载（汽车制动力、汽车离心力、汽车撞击力、汽车冲击力）。 12 谈谈你对可靠性设计中中心点法和验算点法的理解。（5分） 答：中心点法没有考虑基本变量的分布形式，其前提是假定基本变量服从正态分布，因此不是严格意义上的概率分析法，当功能函数为非线性时，只能在中心点附近取线性近似，所得的?也是近似的，且中心点离真正的极限状态有相当距离；数学形式的变换也会导致?的变化。验算点法考虑了基本变量的分布形式，且能够无限
27、接近验算点的位置，从而可以保证计算结果的精确性。 附赠题目（无答案） 一、简答题（每小题5分，共计40分） 1. 荷载代表值有哪些类型？简要说明每种代表值的确定方法。 2. 影响结构构件抗力的随机性有哪几类因素？简要说明每一类因素主要包括哪些内容。 3. 列出具有正相关的串联系统和并联系统的一阶界限公式，简要说明每个界限值的物理意义。 4. 试绘图说明结构可靠指标?的几何意义 5. 试绘图说明非正态随机变量当量正态化的两个基本条件，并列出当量正态化随机变量的均值和标准差的计算公式。 6. 什么是结构的设计基准期？什么是结构的设计使用年限？简要回答二者的区别 7. 简要阐述风载体型系数、风压高度变化系数和风振系数的意义，并列出主要承重结构顺风向荷载标准值的计算公式。 8. 中心安全系数、特征安全系数、荷载与抗力的分项系数与可靠指标有什么联系？列出相应的公式。 二、述题（每小题10分，共计20分） 1. 简述结构设计方法经历了哪几个发展阶段，并说明每个阶段结构设计方法的主要特点。结合学过的专业课程，试简要论述结构可靠度理论与结构设计方法之间的关系。 12 2. 简述我国现行建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001中结构构件可靠度设计的实用表达式包括哪些内容，简要说明荷载分项系数、抗力分项系数、荷载组合系数的确定方法。 13
