桥梁的设计荷载.ppt

2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,1,第三章 桥梁的设计荷载,荷载的种类、型式、大小的确定是否得当，既关系到桥梁建设的投资，也关系到桥梁的安全 特点 荷载标准并不是一成不变的 作用于桥梁结构上的荷载（及其组合）可能会越来越复杂 对结构行为和材料行为的认识在逐步加深 本章内容：介绍各类荷载及其组合的基本概念和计算方法，实际设计时荷载取值按铁路桥涵设计基本规范和公路桥涵设计通用规范计算 结构设计方法的发展简介（第九章）,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,2,术语解释（公路）,作用（Action）施加在结构上的一组集中力或分布力（直接作用，或荷载），或引起结构变形的原因（间接作用） 永久作用（Permanent action） 可变作用（Variable action） 偶然作用（Accidental action） 作用代表值（Representative value of an action）结构或构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作用规定值，包括作用标准值、准永久值和频遇值。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,3,术语解释（续）,设计基准期（Design reference period）在进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状态下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。100年 作用标准值（Characteristic value of an action）各种作用的基本代表值，其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。 作用准永久值（Quasi-permanent value of an action）一种可变作用代表值，作用概率分布的0.5分位值，用于正常使用极限状态长期效应组合设计（经常出现者） 作用频遇值（Frequent value of an action）一种可变作用代表值，作用概率分布的0.95分位值，用于正常使用极限状态短期效应组合设计（频繁出现且量值较大者）,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,4,作用代表值的取用,永久作用标准值 可变作用根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值或准永久值作为其代表值。 承载能力极限状态标准值 按弹性阶段计算结构强度标准值 正常使用状态按短期效应组合设计频遇值 频遇值标准值乘以频遇值系数1 正常使用状态按长期效应组合设计准永久值 准永久值标准值乘以准永久值系数2 偶然作用标准值,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,5,第一节 作用分类、代表值和作用效应组合,一、作用分类：,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,6,术语解释（续）,作用效应（Effect of an action）结构对所受作用的反应，如弯矩、位移等（通过结构分析得到） 作用效应设计值（Design value of an action effect）作用标准值效应与分项系数的乘积。 分项系数（Partial safety factor）为保证结构具有规定的可靠度而在设计表达式中采用的系数，分为作用分项系数和抗力分项系数。 作用效应组合（Combination for action effects）结构上几种作用分别产生的效应的随机叠加 作用效应组合系数（Coefficient of combination for action effects）考虑几个独立可变作用效应最不利值同时出现的概率较小而对作用采用的折减系数,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,7,二、作用效应组合,作用效应组合各种作用效应的取舍以及它们同时作用的可能性 组合原则以桥梁在施工和运营时可能处于最不利的受力状态为原则 基本组合方式（公、铁）： 作用效应基本组合，即仅考虑主力； 作用效应偶然组合，即主力与特殊荷载同时作用； 作用短期效应组合，即主力与附加力同时作用； 作用长期效应组合。即主力与附加力同时作用。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,8,术语解释（续）,作用效应基本组合（Fundamental combination for action effects）承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用标准值效应的组合 作用效应偶然组合（Accidental combination for action effects）承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用标准值效应、一种偶然作用标准值效应的组合 作用短期效应组合（Combination for short-term action effects）正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合 作用长期效应组合（Combination for long-term action effects）正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应的组合,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,9,公路桥涵结构 按承载能力极限状态设计时的基本组合,结构重要性系数，1.1,1.0,0.9 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值 第i个永久作用效应的分项系数 第i个永久作用效应的标准值 汽车荷载效应（含冲击力、离心力）的分项系数 汽车荷载效应（含冲击力、离心力）的标准值 除汽车荷载效应外的其他可变作用效应的组合系数 除汽车荷载效应、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数 除汽车荷载效应外的其他第j个可变作用效应的标准值,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,10,公路桥涵结构 按正常使用极限状态设计时的短期组合,第一项：作用短期效应组合设计值 第二项：永久作用标准值（不乘系数） 第三项：可变作用效应的频遇值的组合 第j个可变作用效应的频遇值系数,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,11,公路桥涵结构 按正常使用极限状态设计时的长期组合,第一项：作用长期效应组合设计值 第二项：永久作用标准值（不乘系数） 第三项：可变作用效应的准永久值的组合 第j个可变作用效应的准永久值系数,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,12,其他可变荷载不同时组合表（公路）,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,13,第二节 永久作用,作用于桥梁上部结构的恒载结构的重力和附属设备等外加重力； 作用在桥梁下部结构的恒载由支座传递的上部结构的重力、墩台本身的重力、土压力和水压（浮）力等。 结构重力结构体积与材料容重（重力密度）的乘积 土的重力及土侧压力计算涉及结构型式、填料性质、墩台位移和地基变形，也与气象、水文和外加荷载等因素有关 水浮力指由地表水或地下水通过地基土壤的孔隙而传递给建筑物基础底面的（由下而上的）水压力；对位于碎石类土、砂类土、粘砂土等透水性地基上的墩台，需在设计中考虑水浮力。 对于预应力混凝土桥梁，在检算结构的使用性能（如混凝土应力）时，预加应力当视为恒载；在检算结构的承载能力（如抗弯强度）时，预加应力不作为恒载，但把预应力钢筋视为结构抗力的一部分，但在连续梁等超静定结构中，仍需考虑其次效应。 在外部超静定的混凝土桥梁结构中，混凝土收缩、徐变影响力是长期存在并起作用的。基础变位一旦发生，其对结构的影响也是长期的。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,14,第三节 可变作用,一、车辆、人群活载 （一）车辆活载 车辆荷载指桥梁承受的机动交通活载。对铁路桥，指列车活载；对公路桥，指汽车、挂车、履带车等。车辆荷载的种类繁多，因此，需要对车辆荷载进行调查分析和综合概括，并按照安全、适用和经济的原则，确定出设计采用的标准活载。 对于不包括冲击效应的车辆活载，可称之为静活载。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,15,铁路中活载,我国铁路活载标准的情况是：20年代开始自行制订铁路建筑标准，1938年公布中华活载标准，1951年制订了中Z活载标准，1975年对中Z活载标准进行修订，形成目前所用的中活载标准。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,16,国际铁路联盟（UIC）活载图式,考察我国目前实际运行的列车及其发展趋势，可以看出，1975年制订的中活载标准已不太适用。例如，蒸汽机车已停止生产，内燃和电力机车得到广泛应用；货车的重载轴重时常高于机车的轴重。根据这些情况可以认为，我国新的列车活载标准应与国际铁路联盟（UIC）制订的活载标准较为一致。目前，荷载修订工作仍在进行之中。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,17,公路汽车荷载,汽车荷载等级公路I级、公路II级 汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，两者的作用不得叠加（取加载不利者） 车道荷载：均布荷载集中荷载，用于桥梁结构的整体计算 加载：均布荷载满布于同号影响线区域，集中荷载只作用在相应影响线中的一个最大峰值处,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,18,公路等级与汽车荷载等级的关系,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,19,桥涵设计车道数,车道荷载的加载倍数由设计车道数决定,行车道,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,20,多车道汽车荷载的横向折减,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,21,铁路中活载的折减,对铁路桥梁的主要构件： 单线活载不考虑折减 双线活载取双线标准活载之和的90% 三线及三线以上者取各线标准活载之和的80% 对仅承受局部活载的构件则不考虑折减。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,22,大跨度桥梁上汽车荷载的纵向折减,对多跨连续结构，按最大计算跨径进行纵向折减,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,23,车辆荷载的立面、平面尺寸,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,24,车辆荷载的横向布置,车辆荷载用于桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台等 公路I级和公路II级汽车荷载采用相同的车辆荷载 车道荷载横向分布系数应按设计车道数如图布置车辆荷载进行计算,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,25,（二）冲击力,车辆活载以一定的速度在桥上行驶时，会使桥梁发生振动，产生动力作用。这种动力作用会使桥梁的内力和变形较静活载作用时大。这种现象就称之为冲击作用。 冲击作用的大小采用冲击力来加以衡量。 冲击力与结构的刚度有关（刚度越小，对动荷载的缓冲作用越强），目前根据结构动力学及桥梁动载试验结果提出基于结构基频的近似计算公式。 在设计中，引入冲击系数（1+）。当竖向活载包括冲击力时，系指将汽车荷载标准值乘以冲击系数（1+）,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,26, 的表达式,铁路桥梁： 公路桥梁： 当f 1.5Hz时， 0.05 当1.5Hz f 14Hz时， 0.1767f0.0157 当f 14Hz时， 0.45 f为结构基频（Hz），按有限元分析或简化公式计算,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,27,（三）人群荷载,铁路桥梁明桥面4kN/m2。 铁路桥梁道碴桥面，距离梁中心2.45米以内的人行道，取10 kN/m2；距离梁中心2.45米以外的人行道，取4 kN/m2。 公路桥梁的人群荷载集度：3kN/m2（L0 50m）， 2.5kN/m2（L0150m），其间线性内插；城市郊区行人密集地区取上述值的1.15倍；专用人行桥取3.5kN/m2。 人行道板还应以4kN/m2 （公）或1.5 kN（铁）的荷载进行检算，人群作用于栏杆上的水平推力按0.75kN/m考虑，作用于立柱和扶手的竖向力按1.0kN/m考虑。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,28,（四）离心力,离心力是指车辆行驶在曲线线路上时，因速率方向变化而引起的横向水平力。离心力的大小等于车辆活载（不计冲击力）乘以离心力系数C，C值按下式计算 （3-4） 式中 V设计行车速度（km/h）； R曲线半径（m）。 离心力的着力点在桥面以上1.2m处（公路桥）或轨顶面上2m处（铁路桥）。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,29,二、其他可变作用,（一）风荷载 平均风压和脉动风压 横桥向风荷载按下式计算 Fwh横桥向风荷载标准值（kN） Wd设计基准风压 （kN/m2） k0 设计风速重现期换算系数 k1 风载阻力系数 k3 地形、地理条件系数 铁路桥风压计算见教材,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,30,（二）车辆制动力或（列车）牵引力,车辆制动力（或牵引力）是指车辆在刹车时（或启动时）为克服车辆的惯性力而在路面或轨道与车轮之间发生的滑动摩擦力。 制动力或牵引力是墩台设计的重要荷载，是作用在桥上的纵向水平力，但两者的作用方向恰好相反。 采用简化办法进行计算。对铁路桥梁，规定列车制动力或牵引力按竖向静活载的重力的10%计算，其作用点一般在轨顶以上2m处。公路桥梁中只考虑制动力。一个设计车道上的制动力为车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%，同向行驶双车道：两倍；同向行驶三车道：2.34倍；同向行驶四车道：2.68倍。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,31,（三）温度影响力,温度影响力指因温度的变化而引起的结构变形和附加力 温度的变化：（年平均）气温变化和温差。 气温变化对静定和超静定结构的影响 温差对静定和超静定结构的影响 气温变化的幅度，可按桥梁所在地区的气温条件（一般取当地最高和最低月平均气温）确定；气温变化值，应自结构合龙时的温度算起。 各种材料的线膨胀系数，可按设计规范采用。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,32,（四）列车横向摇摆力,由于轨道不平等原因，列车在行进中会发生左右摇摆，产生一种横桥向的水平力。这种横向摇摆力很难准确计算，现规定其作用于轨顶面，数值为5.5kN/m。 因横向摇摆力的取值与竖向活载有一比例，故一般不再检算空车荷载的横向摇摆力。另外，横向摇摆力应与横向风力进行比较，取其大者参与荷载组合。,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,33,（五）流水压力、冰压力和支座摩阻力,位于河流中的桥墩会受到流水压力的作用 位于冰凌河流或水库的桥梁墩台，应根据当地冰凌的具体条件及墩台的结构形式，考虑冰荷载的作用。（公路桥梁） 支座上的摩阻力是因上部结构由温度等引起的变位而产生的，其作用方向与上部结构的变位方向相反，作用点在支座处，计算公式为：,2019年7月21日,李亚东: 桥梁工程概论 第三章,34,第四节 偶然荷载,偶然荷载地震荷载、船只或漂流物（如排筏）的撞击力以及施工荷载。 地震力由于地震波在土中传播，使震区发生地面运动；桥梁墩台首先受到外加