2.風荷載的基本理論
氣體的流動速度與壓力成反比，迎風面受到壓力作用，
其他面由於風的流動而受到吸力，圖 6-3 所示，風荷載對建
築物的作用：
（1）迎風面風力為壓力，側風面隨著與風載夾角的變化，
風力逐漸有壓力轉變為吸力；
（2）矩形、圓形、三角形等不同平面形狀的建築物，各
個側面所受的風力作用差異很大；
（3）建築物表面粗糙會加大風力的作用。
(a) 氣流對單層房屋的作用
(b) 氣流對高層房屋的作用
圖 6-3 風荷載對建築物的作用
3.風荷載的計算
垂直於建築物表面上的風荷載標準值 wk ，應按下式計算：
wk = β z μ z μ s wo
（6-1）式中2
wk ——風荷載標準值（kn/m）；
β z ——z高度處的風振係數，是考慮脈動風壓對結構的不利影響，對於房屋高度低於 30m 或高寬比小於 1.5 的房屋結構，可不考慮此項影響，即 β z =1.0；
μ s ——風荷載體型係數，對於矩形平面的多層房屋，；2
迎風面為+0.8，背風面為-0.5，其他平面見《建築結構荷載規範》（gb50009-2001）
μ z ——風壓高度變化係數，應根據地面粗糙類別按規範 gb50009-2001 確定。
2w0 ——基本風壓（kn/m）按規範gb50009-2001 給出的全國基本風壓分布圖採用，但不得小於 0.30kn/m 。
（二）**作用
**強度通常用震級和烈度來反應。
震級是表示一次**本身強弱程度和大小的尺度，以一次
**釋放能量的多少來確定，一次**只有乙個震級。
**烈度是**時某一地區的地面和各類建築物遭受到
一次**影響的強弱程度，一次同樣大小的**，若震源深
度、距震中的距離和土質條件等因素的不同，則對地面和建
築物的破壞也不相同，一般說來，距震中愈近，**影響愈
大，**烈度愈高；離震中愈遠，**烈度就愈低。
圖 6-4 震源、震中、震中距、**波關係示意圖
1976 年 7 月 28 日，在河北唐山發生了 7.8 級強烈**，
震中區烈度 11 度，唐山市區**烈度為 10 度，天津市區為 8～
9 度；2008 年 5 月 12 日，在四川汶川發生了 8.0 級的強烈地
震，震中區烈度為 11 度，毗鄰的青川縣為 10 度，陝西甯強
縣為 9 度。唐山大**死亡人數達 24 萬，造成直接經濟損失
達 100 億，全市幾乎全部毀滅；汶川大**死亡人數近 7 萬，
造成直接經濟損失 8451 億。
**引起的地面運動會使建築物在水平方向、豎直方向
產生加速度，這種加速度的反應值與房屋本身質量的乘積，
就形成**對房屋的作用力，即**作用。**對房屋的破
壞作用主要由水平方向的最大加速度反應引起，故**作用
多以水平方向作用在建築物上為主。
（三）由溫差和地基不均勻沉降引起的內力
房屋因晝夜溫差和季節性溫差，每時每刻都在改變著形
狀和尺寸，當這種改變受到約束時，就會使房屋結構受到內
力效應，這也是一種「內在的」作用。
如圖６-5，圖６-6，圖６-7 所示。
圖６-5 鋼梁因溫差引起的內力效應
圖６-6 鋼框架因溫
差引起的內力效應
圖６-7 鋼框架因地基不均勻沉降引起的內力效應
地基不均勻沉降引起建築物的裂縫是多種多樣的，有些
裂縫尚隨時間長期變化，裂縫寬度有幾厘公尺至數十厘公尺。一
般情況下，地基受到上部結構的作用，引起地基的沉降變形
呈凹形，這種沉降使建築物形成中部沉降大，端部沉降小的
彎曲，結構中下部出現正八字形裂縫；地基的區域性不均勻沉
降也會引起這樣的裂縫。當地基中部有回填砂、石，或中部
的地基堅硬而端部軟弱時，或由於上部結構荷載相差懸殊時，
建築物端部沉降大於中部時，會形成斜裂縫。
三、荷載的代表值
在結構設計時，荷載的代表值可分為：
1.荷載的標準值
荷載的標準值一般是指結構在其設計基準期為 50 年的期
間內，在正常情況下可能出現具有一定保證率的最大荷載。
它是荷載的基本代表值，當有足夠實測資料時，荷載標準值
由資料按統計分析加以確定，即：
s k = s m + α s σ s = s m (1 + α s δ s )
（6-2）
式中s k ——荷載標準值；
s m ——荷載平均值；
α s ——荷載標準值的保證率係數；
δ s ——荷載的變異係數， δ s = σ s / s m ；
σ s ——荷載的標準差。
國際標準化組織（iso）建議 α s =1.645，即相當於具有 95%
保證率的上限分位值，圖 6-8 所示。
當沒有足夠統計資料時，荷載標準值可根據歷史經驗估
算確定。
圖 6-8 荷載標準值的取值
我國《荷載規範》對荷載標準值的取值方法為：恆荷載
標準值，對結構自重，由於其變異性不大，可按結構構件的
設計尺寸與材料單位體積的自重計算確定，對於某些自重變
異性較大的材料和構件，自重的標準值應根據對結構的不利
狀態，取上限值或下限值；可變荷載標準值，應按《荷載規
範》各章中規定採用。
2.可變荷載的組合值
可變荷載的組合值，是指幾種可變荷載進行組合時，其
值不一定都同時達到最大，因此需作適當調整。其調整方法
為：除其中最大荷載仍取其標準值外，其他伴隨的可變荷載
均採用小於 1.0 的組合值係數乘以相應的標準值來表達其荷
載代表值。這種調整後的伴隨可變荷載，稱為可變荷載的組
合值，其值用可變荷載的組合值係數與其相應可變荷載標準
值的乘積來確定。
3.可變荷載頻遇值
可變荷載頻遇值是指結構上出現的較大荷載。它與時間
有密切的關聯，即在規定的期限內（如在結構的設計基準期
內），具有較短的總持續時間或較少的發生次數的特性，使結
構的破壞性有所減緩，因此，可變荷載的頻遇值總是小於荷
載的標準值。《荷載規範》規定：可變荷載頻遇值是以荷載的
頻遇值係數與相應的可變荷載標準值的乘積來確定。
4.可變荷載的準永久值
可變荷載的準永久值是指在結構上經常作用的可變荷
載。它與時間的變異性有一定的相關，即在規定的期限內，
具有較長的總持續時間，對結構的影響有如永久荷載的效能。
《荷載規範》規定：可變荷載準永久值是以荷載的準永久值
係數與相應可變荷載標準值的乘積來確定。
第二節反力和內力
一、反力
當物體沿著約束所能阻止的運動方向上有運動或有運動
趨勢時，對它形成約束的物體必有能阻止其運動的力作用於
它，這種力稱為該物體所受到的約束反力，即反力，約束反
力的方向恆與約束所能阻止的運動方向相反，工程中常見的
有柔體約束、光滑接觸面約束、光滑圓柱形鉸鏈約束、鉸鏈
支座約束等。
1.柔體約束
柔體約束只能限制物體沿柔體伸長的方向運動，而不能
限制其他方向的運動，如圖 6-9 所示。
f tc
f a f b
f t2
ft′2ab
abo1o2
o1o2gg
f t1
ft′1
(a)(b)
(c)(d)
圖 6-9 柔體約束
2.光滑接觸面約束
當兩物體接觸面之間的摩擦很小，可以忽略不計時，則
構成光滑接觸面約束。如圖 6-10 所示。公法
線切面公法線a
c公法線
公法線b
f nf na
af nbbc
f nc
3.光滑圓柱形鉸鏈約束
在兩個物體上分別穿直徑相同的圓孔，再將一直徑略小於
孔徑的圓柱體（稱為銷釘）插入該兩物體的孔中就形成圓柱
形鉸鏈。光滑圓柱形鉸鏈約束的約束反力一般可將其分解為
互相垂直的兩個分力 fx 、 fy ，圖 6-11 所示。12
f y銷釘
f x(a)
(b)(c)
(d)4.鉸鏈支座約束
任何建築結構（構件），都必須安置在一定的支承物上，
才能承受荷載的作用，達到穩固使用的目的。在工程上常常
通過支座將構件支承在基礎或另一靜止的構件上，這樣支座
對構件就構成約束，工程中常見的支座約束有固定鉸支座、
可動鉸支座、固定支座三種。
（1）固定鉸支座
建築結構中通常把不能產生移動，只可能產生微小轉動的
支座視為固定鉸支座。其約束反力可以用相互垂直的兩個分
力表示，圖 6-12 所示。
杆(a)
銷釘支座
a(b)
f xf y
(c)（2）可動鉸支座
若在固定鉸支座的下面與支承物之間放入可沿支承面滾
動的滾軸就構成了可動鉸支座，其約束反力見圖 6-13 所示。
(b) f n
(c)(e)
(a)(d)
（3）固定支座
固定支座不允許結構發生任何方向的移動和轉動，在實際
結構中，凡嵌入牆身的桿件，若嵌入部分有足夠的長度，以
致使杆端不能有任何移動和轉動時，該端就可視為固定支座，
固定支座的約束反力可以用水平和豎向的反力fx 和fy 及反力
偶m來表示，如圖 6-14 所示。
mf x
f y二、內力
物體因受外力而變形，其內部各部分之間相對位置發生
改變而引起的相互作用就是內力。當物體不受外力作用時，
內部各質點之間存在著相互作用力，此也為內力，但在工程
力學中所指的內力是指與外力和變形有關的內力，即隨著外
力的作用而產生，隨著外力的增加而增大，當外力撤去後，
其內力也將隨之消失。
所以，結構（構件）中的內力是與其變形同時產生的，
內力作用的趨勢則是力圖使受力構件恢復原狀，內力對變形
起抵抗和阻止作用。在計算構件任一截面上的內力時，因內
力為作用力和反作用力，圖 6-15 所示，對整體而言不出現，
為此必須採用截面法，將內力暴露才能計算。
(a)用截面把構件截開 (b)左側截面上的內力 (c)右側截面上的內力
圖 6-16a 所示受力物體代表任一受力構件，為了顯示和
計算某一截面上的內力，可在該截面處用一假想的平面將構
件截為兩部分並棄掉一部分，將棄掉部分對保留部分的作用
以力的形式表示之，此力就是該截面上的內力。通常是將截
面上的分布內力用位於該截面形心處的合力來代替，雖然內
力的合力是未知的，但總可以用六個內力分量來表示，如圖
6-16b 所示。
(a)受力構件
(b)截面上的內力
因構件在外力作用下處於平衡狀態，所以截開後的保留
部分也應該是平衡的，這樣，根據下列兩組平衡：
∑ x = 0
∑y = 0
∑ z = 0
∑ mx = 0
∑ m y = 0
∑ mz = 0
（6-3）
可求出 n x 、 qy 、 qz 與 m x 、 m y 、 m z 等各內力分量，此時
對圖 6-16b 而言， n x 、 qy 、 qz 與 m x 、 m y 、 m z 均相當於外力。
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