公路与铁路桥梁设计荷.ppt

第三章 设计荷载,第一节 作用分类和作用代表值 第二节 永久作用 第三节 可变作用 第四节 偶然作用 第五节 作用效应组合,作用(action)：所有引起结构反应的原因 按作用的性质，可为两类： 一类是直接施加于结构上的外力，如结构重力、车辆、人群等，称为“荷载”(Load)； 另一类不是以力的形式施加于结构，其产生的效果与结构本身的特性及结构所处环境等有关，如基础变位、混凝土收缩和徐变，温度变化等,以前习惯上也称其为“荷载”，但这种叫法并不确切. 作用效应(effect of an action): 结构对所受作用的反应，如构件承受的弯矩、剪力，结构的位移等，称为作用效应。,本章主要介绍各类作用的基本概念和计算方法. 实际设计时作用的取值按: 铁路桥涵设计基本规范(TB10002.12005) 公路桥涵设计通用规范(JTG D602004) 的规定办理。 对城市桥梁，其荷载标准与公路桥梁类似，可参阅城市桥梁设计荷载标准(CJJ77)。,第一节 作用分类和作用代表值,公路桥梁的作用,按其随时间变化的性质，分为: 永久作用(permanent action) 可变作用(variable action) 偶然作用(accidental action) 永久作用: 习惯上称为恒载(deadload)，是指在设计基准期内，其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用，如结构重力。 可变作用: 指在设计基准期内，其量值随时间变化，且其变化与平均值相比有不可忽略的作用，如汽车、列车、人群荷载(习惯上称为活载，live load)。 偶然作用: 指在设计基准期内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用，如地震力。,第一节 作用分类和作用代表值,铁路桥梁: 习惯于按作用性质和发生的几率来进行分类，将桥梁作用分为: 主力(对应于公路桥的永久作用和一部分可变作用)、 附加力(对应于不包含在主力中的其他的可变作用) 特殊荷载(对应于偶然作用)。 我国公路、铁路桥梁的设计作用(荷载)分类分别见表31和表32。比较两表，尽管公路、铁路规范对各种作用的分类及名称有所不同，但基本上大同小异。,表31 公路桥梁作用分类表,第一节 作用分类和作用代表值,需要注意的是: 有些作用是设计铁路桥所特有的，如列车横向摇摆力、牵引力等； 有些作用仅在一本规范中列出，如公路规范中的支座摩阻力，但在按另一本规范设计桥梁时，可视情况加以采用。 另外，在设计公铁两用桥时，目前的设计实践是：在铁路荷载的基础上，增加公路桥全部活载的75；但对仅承受公路活载的构件，应计及全部公路活载。,第一节 作用分类和作用代表值,作用代表值包括作用标准值、频遇值和准永久值。 作用标准值:为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。 作用频遇值:是可变作用的一种代表值，其可根据在足够长的观测期内作用任意时点概率分布的0.95分位值确定。 作用准永久值:是可变作用的另一种代表值，其可根据在足够长的观测期内作用任意时点概率分布的0.5(或略高于0.5)分位值确定。,第一节 作用分类和作用代表值,我国公路桥涵基于极限状态法，设计时对不同的作用采用不同的代表值。对永久作用和偶然作用，采用标准值。对可变作用，根据不同的极限状态和组合方式采用标准值、频遇值或准永久值。 我国铁路桥梁设计规范仍基于容许应力法，其各类荷载的代表值相当于上述标准值，没有规定频遇值和准永久值。,第一节 作用分类和作用代表值,设计基准期(design reference period) 简单地讲，它就是在确定某些作用(这些作用的最大值概率分布与时间有关，如风荷载、车辆活载等)的标准值时需要人为规定的一个基准时间参数。对桥梁结构，设计基准期通长取100年。 注意! 设计基准期使用寿命。,第二节 永久作用,永久作用：亦称恒载，在设计基准期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比忽略不计的作用。 其作用位置、大小和方向一般是固定不变的. 永久作用包括：结构自重、桥上附加恒载（桥面、人行道及附属设备）、作用于结构上的土重及土侧压力、基础变位影响力、水浮力、混凝土收缩和徐变的影响力等。,结构重力的标准值，可按结构构件的设计尺寸和材料的重力密度计算确定。 在进行桥梁结构(尤其是新型结构)分析时，往往需要预先估算恒载。通常，当估算的恒载与设计图完成后确定的恒载之间的差异较小(例如，不超过3)时，不必修正设计；否则有必要按设计图重新计算恒载，再次进行结构分析。,土压力(earth pressure)按其产生的条件，分为: 静止土压力 主动土压力 被动土压力 桥梁下部结构设计时主要用到前两者。土的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，其值等于建筑物所排开的同等体积的水重。 一般，位于岩石地基上的基础被认为是不渗水的，可不计水浮力；对位于碎石类土、砂类土、黏砂土等透水性地基上的墩台，需在设计中考虑水浮力,预加应力(对于预应力结构) 按正常使用极限状态设计时：预加应力属永久作用； 按承载能力极限状态设计时：预加应力不作为荷载，而将预应力筋作为结构抗力的一部分。 但在超静定结构中，由预加力引起的次内力应属永久荷载。规范未作明确说明。,混凝土收缩(shrinkage)及徐变(creep)作用 对外部超静定的混凝土桥梁结构以及钢一混组合桥梁结构，混凝土收缩(shrinkage)及徐变(creep)作用是长期存在的。 混凝土徐变影响的计算可依据混凝土应力与徐变变形呈线性关系的假定进行分析。 混凝土收缩系数和徐变系数的确定，按照公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)和铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB 10002.3-2005)中的规定计算。,基础变位 对超静定桥梁结构，由于地基压密等原因，其墩台基础可能发生变位(沉降)。基础变位对结构的影响也是长期的，其作用效应可依据工程实际情况，按最终位移量分析计算。,第三节 可变作用,可变作用 指在设计基准期内，其量值随时间变化，且其变化与平均值相比有不可忽略的作用，如汽车、列车、人群荷载(习惯上称为活载，live load),一、车辆活载 车辆活载指桥梁承受的机动荷载。 对铁路桥，指列车； 对公路桥，主要指汽车。 车辆活载的种类繁多，因此，需要对车辆活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，制订出设计采用的标准值。,1 列车活载,列车由机车和车辆组成，机车和车辆类型很多，轴重、轴距各异。 为规范设计，我国根据机车车辆轴重、轴距对桥梁不同影响及考虑车辆的发展趋势，制定了中华人民共和国铁路标准活载图式。 （简称“中活载”） 中活载160km/h、200km/h ZK活载250km/h、300km/h以上高速,桥规规定： 加载时，标准活载计算图式可任意截取 双线桥跨：两线活载之和的90% 横向稳定检算：空车+最大横向风力为最不利，空车活载标准值为10kN/m,高速铁路“ZK活载”分标准活载和特种活载,高速暂行规定： 加载时，标准活载计算图式可任意截取 单线或双线桥跨：各线均应计入ZK活载作用。 多于双线桥跨：应按下列最不利情况考虑： 1）按双线在最不利位置承受ZK活载，其余线路不承受列车荷载； 2）所有线路在最不利位置承受75的ZK活载。 空车活载按10kN/m计算。,“ZK活载”分标准活载和特种活载,1 汽车荷载 -旧公路规范1989版,设计荷载 大量、经常出现的汽车荷载，以车队形式排列。 汽10级、汽15级、汽20级、汽超20级,验算荷载 偶然、个别出现的平板挂车或履带车。 挂80、挂100、挂120、履带50,原公路桥涵结构设计采用的车辆荷载标准模式是根据20世纪60年代我国公路交通荷载的实际情况，经过相当长时期的分析、研究和修正确定的。从近40年的应用情况看，标准（97）车辆荷载的模式及其分级基本上是合理的，能适应我国公路建设发展的需要，但也存在一些不尽合理之处，如采用车队荷载模式在桥涵结构设计时计算非常繁琐、车队荷载在不同跨径的结构上产生的效应的连贯性不够合理、标准荷载的级差不尽合理等，同时，采用车队荷载模式，容易造成设计采用的车辆荷载是实际运营中允许如此载重质量的车辆在公路上行驶的错误观念。,1 汽车荷载 新公路规范 通用规范JTG D62规定,1 汽车荷载分为公路I级和公路II级两个等级。 2 汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。 车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。 3 桥梁结构的整体计算采用车道荷载； 4 桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载，车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。,新规范 车道荷载的计算图式,公路I级车道荷载的均布荷载标准值为: =10.5kN/m；集中荷载标准值按以下规定选取： 桥梁计算跨径小于或等于5m时， =180kN； 桥梁计算跨径等于或大于50m时， =360kN； 桥梁计算跨径在5m50m之间时， 值采用直线内插求得。 计算剪力效应时，上述集中荷载标准值 应乘以1.2的系数。 公路II级车道荷载的均布荷载标准值 和集中荷载标准值 按公路I级车道荷载的0.75倍采用。 车道荷载的均布标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。,公路一I级和公路一级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值,车辆活载折减 多车道桥梁的汽车荷载应考虑折减。 横向折减的含义是：在多车道(或多线)桥梁上行驶的车辆活载使桥梁结构产生某种最大作用效应时，不同车道上的车辆活载同时处于最不利位置的可能性大小。显然，车道数越多，可能性(即同时出现最不利加载的几率)越小。 当桥涵设计车道数2时，汽车荷载产生的效应 应该按规定的多车道横向折减系数进行折减，但折减后的效应不得小于两条设计车道的荷载效应。,大跨径公路桥梁上的车道荷载，还应考虑纵向折减。 这是因为：在制订车道荷载标准时，采用了自然堵塞的车间间距；在确定荷载大小时，采用了重车居多的调查资料。但对大跨径桥梁，随着跨径的增加，实际通行车辆出现上述情况就会逐步缓解。因此，需对汽车荷载(或其效应)按跨度进行折减。规范规定：当桥梁计算跨径大于150m时，应按表3.5进行纵向折减。对多跨连续结构(如连续梁桥)，按主跨进行全桥折减。,4 车辆活载的加载,加载就是按最不利原则布置标准活载，通过结构分析计算桥梁活载效应(内力、应力和位移、变形等)的最不利值。 对公路桥梁的车道荷载，布载时，应将其中的均布荷载标准值(任意长度，任意截取)满布于使结构产生最不利效应的同号影响线区段上，而集中荷载标准值只布置在相应影响线中的一个最大影响线峰值处。 对公路桥梁中的车辆荷载和铁路桥梁中的中一活载，则使用轮系荷载直接加载并通过试算的方法找出最不利值。,对中一活载，当采用手工计算时，直接使用轮系荷载加载较为繁琐，可采用等代荷载(或称换算均布荷载)取而代之。 等代荷载与标准活载的加载效应相等，即指对结构或构件的某一单符号影向线，取标准活载按最不利加载求得的数值，等于该影响线的面积与对应的等代荷载的乘积。 等代荷载的大小与荷载类型、影响线的形状和加载长度有关。具体数值及加载规定可查阅有关规范和设计手册。,二 冲击力,车辆以一定速度过桥时，由于动力影响，桥梁实际产生的活载应力和变形大于按活载静重计算所得的结果，这种动力效应常称为冲击作用。,为简化设计，引入冲击系数(大于1)来反映车辆活载的动力影响(即采用静力学的方法，用冲击系数乘以车辆重力)。,Ydmax在车辆过桥时测得的效应时间历程曲线上，最大静力效应处量取的最大静力效应值； Yjmax在效应时间历程曲线上最大静力效应处量取的最大动力效应值。,桥梁结构的基频反映了结构的尺寸、类型、建筑材料等动力特性内容，它直接反映了冲击系数与桥梁结构之间的关系。 不管桥梁的建筑材料、结构类型是否有差别，也不管结构尺寸与跨径是否有差别，只要桥梁结构的基频相同，在同样条件的汽车荷载下，就能得到基本相同的冲击系数。,新的 通用规范JTG D60规定，汽车荷载冲击力应按下列规定计算： 1 钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工拱桥等上部构造和钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车的冲击作用。 2 填料厚度（包括路面厚度）等于或大于0.5m的拱桥、涵洞以及重力式墩台不计冲击力。 3 支座的冲击力，按相应的桥梁取用。 4 汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数 5 冲击系数可按下式计算： 当 Hz时， =0.05 当1.5Hz 14Hz时，=0.1767lnf0.0157 当 Hz时， =0.45 式中， f 为结构基频（Hz）。 6 汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数: 采用=0.3。,计算冲击力引起的连续梁正弯矩效应和剪力效应时，采用f1； 计算负弯矩效应时，采用f2 。,现行铁路规范铁路桥动力系数 1+,简支或连续钢桥跨结构和钢墩台,钢与钢筋混凝土板构成的结合梁,现行铁路规范铁路桥动力系数 1+,钢筋混凝土的、混凝土的、石砌的桥跨结构及涵洞、刚架桥，其顶上填土厚度1.0m（从轨底算起）时不计冲击力。当小于1.0m时,空腹式钢筋混凝土拱桥的拱圈和拱肋,三 人群荷载,四 离心力,车辆在曲线上运行产生离心力。公路桥上离心力较小，当曲线半径等于或小于250m时，才考虑离心力的作用。 离心力等于车辆荷载（不计动力效应）乘以离心力系数(率),离心力系数(率),对铁路荷载C不应大于0.15。,离心力作用点： 铁路轨顶以上2m，公路桥面以上1.2m,五 风荷载,五 风荷载,横桥向风荷载的大小是风压与结构迎风面积的乘积。 但风压与风速及空气重力密度有关，而风速受到地理位置、地形条件、地面粗糙程度、高度等因素的影响。,公路规范规定：取平坦空旷地面、离地面10m高、重现期为100年的10min平均最大风速，为桥梁所在地区的设计基本风速，记为V10(单位：m/s)，该风速可按规范取值并经实地调查核实后采用。注意V10是根据离地面10m高处的数据经统计得到的，在实用中，根据结构计算高度修正 ,高度Z处的设计基准风速记为Vd(m/s)，,k2 考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数；按地表状况，地面粗糙度分为A、B、C、D四类(例如，B类对应的地表状况为田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少地区，对山间盆地、谷地或峡谷、山口等特殊地形，也按B类取值)，梯度风则反映出风速随高度变化的特征；由于受地面摩擦的影响，气流贴近地面运动时的速度会降低，离地面越高，受影响越小，故k2随离地面高度的增加而增大； k5阵风风速系数，对A、B类地表，其取值为1.38；对C、D类地表为1.7。,基本风压W0,设计基准风压Wd,风荷载标准值,设计基准风速,风荷载标准值,K0-设计风速重现期换算系数，因重现期长短与基本风压有关，故该系数体现出结构的重要性；对于单孔跨径指标为特大桥和大桥的桥梁(见表1.1)，取1.0；对其他桥梁，取0.90；对正在施工的桥梁，取0.75；当桥梁位于台风多发地区时，可根据实际情况适当提高k0值； K1-风载阻力系数，该系数反映出风压与结构本身的体型、尺寸比的关系；其值主要随构件(桁架、桥墩和桥塔)的截面类型和尺寸等而变； K3-地形、地理条件系数；该系数反映出风压随地形、地理条件的不同而变化的特征；对一般地区，取1.0；对山间盆地或谷地，取0.750.85；对峡谷口或山口，取1.201.4。,对于顺桥向的风荷载，规定如下： 对下承式桁架桥，风荷载标准值按其横桥向风压的40乘以桁架迎风面积计算； 对桥墩，按其横桥向风压的70乘以桥墩迎风面积计算； 对于斜拉桥、悬索桥的桥塔，按其横桥向风压乘以桥塔迎风面积计算。,对比上述计算，铁路桥梁的风荷载计算大体相同，但相对简单,基本风压值,桥规规定，取平坦空旷地区、离地面高10m、重现期为100年的10min的平均最大风速计算基本风压强度。,铁路横向风荷载标准强度计算公式：,K1风荷载阻力系数；K2阵风分布系数 K3地形、地理条件系数,六 车辆制动力和(列车)牵引力,制动力 是车辆减速或制动时的惯性力。 方向： 与行车方向一致。 牵引力 是车辆起动或加速时车辆与路面 （或钢轨）间作用的摩阻力。 方向： 与行车方向相反。 作用点：铁路轨顶以上2m， 公路桥面以上1.2m。 但在计算墩台时移至支座中心处，不计因此而产生的竖向力和力矩。,对铁路桥，规定列车制动力或牵引力按作用在桥跨范围内的列车竖向静活载的10计算，但当其与离心力或冲击力同时计算时，则按列车竖向静活载的7取值。 对双线桥，只采用一线的制动力或牵引力； 对三线或三线以上的桥，只采用二线制动力或牵引力； 对多线桥，在计算制动力或牵引力不考虑列车活载的横向折减。,公路只考虑制动力,汽车荷载制动力按同向行驶的汽车荷载(不计冲击力)计算，并考虑纵向折减，以使桥梁墩台产生最不利纵向力的方式进行加载.,温度作用指因温度的变化而引起的结构变形和附加力。 温度的变化可分为: (年平均)均匀温度变化和梯度温度(温差)两种情况： 前者表示结构整体在一年中的温度变化； 后者表示结构截面上的不同点或不同材料之间的温度差异，即沿横截面竖向、横向的温度梯度。 超静定结构存在多余约束，热胀冷缩将产生内力或支座反力。 静定和超静定结构，由于结构不同部位温度不同，内部将产生温差力。,七 温度作用,对静定结构: 均匀温度作用通常只会导致结构的伸长或缩短，不产生温度附加力； 超静定结构: 由于气温变化引起的变形受到约束，导致结构中产生相应的附加力。 由日照、骤冷等天气情况引起的温差，则对静定或超静定的桥梁结构，均可能会产生附加力。例如，由于材料导热性的差异，在由混凝土桥面板和钢梁组成的简支结合梁中，会因温差在截面土产生附加应力。,对公路桥，计算由温度梯度引起的温度作用效应时: 竖向温度梯度:可采用图37所示的曲线; 不计及横向温度梯度作用:考虑到结构两侧腹板外的悬臂板较长，腹板受太阳直接辐射较少，梁底始终不受日照。,图中: T1表示桥面板表面的温度; T2表示桥面板表面下100mm处的温度(它们的取值依据桥面铺装类型而定); H为梁高， A为对应温度梯度曲线上零点与T2间的的结构高度(按结构类型及梁高取值，例如，当混凝土结构