《桥梁荷载设计》PPT课件(2).ppt

,桥梁工程,东南大学土木工程学院,Bridge Engineering,School of Civil Engineering SEU,强士中 主编 王景全/刘钊 主讲,第3章 设计荷载,3.1永久荷载 3.2可变荷载 3.3偶然荷载 3.4荷载组合,3.1 永久荷载,永久荷载：亦称恒载，在设计使用期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比忽略不计。 永久荷载包括：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。,对于预应力结构 按正常使用极限状态设计时：预加应力属永久荷载； 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。 各种永久荷载的取值与计算，详见规范条文。,公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用和偶然作用三类. 公路桥涵结构设计应考虑结构上可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计： 只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应的组合。当结构或结构构件需做不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合。 当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响时，该作用不应参与组合。实际不可能同时出现的作用或同时参与组合概率很小的作用，不考虑其作用效应的组合。 施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑。组合式桥梁，当把底梁作为施工支撑时，作用效应宜分两个阶段组合，底梁受荷为第一个阶段，组合梁受荷为第二个阶段。 多个偶然作用不同时参与组合。,3.2 可变荷载,可变荷载:设计使用期内其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。,(1)基本可变荷载 列车活载 汽车 由列车活载和汽车活载引起的冲击力 曲线上的离心力 由活载引起的土侧压力 公路桥中的人群荷载 铁路桥梁的列车横向摇摆力等。,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,“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,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,“中活载”分普通活载和特种活载,（A） 旧公路标准,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50,2） 汽车荷载,每一车队有一重车，主车数量不限。 三、四行车队时可折减20%和30%，但不小于两行车队计算的结果。,履带车纵向可考虑多辆行驶，但两车净距不小于50m 平板挂车全桥均以通过一辆计算 平板挂车和履带车荷载应靠中以慢速行驶 验算时，不考虑冲击力、人群荷载和其它非经常作用在桥上的各种外力。,新桥规公路工程技术标准（JTG B01-2003）公路桥涵设计通用规范 （JTG D60-2004）,汽车荷载分为公路级和公路级两个等级。 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。 桥梁结构的整体计算采用车道荷载； 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。 车道荷载与车辆荷载的作用不得叠加。,（B） 现行公路标准,新规范 车道荷载的计算图式,K,q,P,K,多车道桥梁的汽车荷载应考虑折减。当桥涵设计车道数2时，汽车荷载产生的效应 应该按表6.0.6-2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。,3）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。,构成桥梁动力影响的因素主要有： 列车以一定速度过桥时引起桥跨振动； 轮对过钢轨接头时有冲击作用； 蒸汽机车动轮上的平衡重在随动轮高速旋转中由于离心力引起的锤击作用； 桥上轨道竖向和横向不平顺引起桥梁扭转振动； 桥头线路（路面）不平整，车轮不圆等 。,桥梁设计时中以活载静重乘上动力系数来反映这种影响。 铁路桥动力系数 1+ 公路桥冲击系数 动力系数（或冲击系数）公式中考虑了不同类型桥跨、跨度和加载长度的影响。,铁路桥动力系数 1+,混凝土梁,钢板梁及钢桁梁,实腹钢筋混凝土拱和石砌拱桥,空腹钢筋混凝土无铰拱桥和系杆拱桥,空腹有铰拱桥,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,85规范 公路桥冲击系数 ,混凝土梁、刚构、拱上构造、 柱式墩石,混凝土拱桥的主拱,钢主桁、联合梁、桥面系、 钢墩台等,吊桥的主桁、主索或主链、 塔架,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。 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。,4）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）乘以离心力率,离心力率,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,5）人群荷载,公路桥人群荷载一般规定为3kN/m2， 城市、郊区行人密集处可为3.5kN/m2。,（2）其他可变荷载 包括：制动力或牵引力、风力、温度力、流水压力、水压力和施工荷载等。,对铁路桥梁，人行道荷载归为其他可变荷载。,1）制动力,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。,公路桥规规定：,鉴于车辆不可能全部同时刹车,1或2车道桥，制动力按一行汽车车队总重量的 10%，但不得小于一辆重车重量的30%。 4车道桥为上述数值的两倍。,制动力按计算长度内列车竖向静活载标准值的15%计算，牵引力按加载长度等于或小于30m内列车静活载标准值的30%计算，按控制者设计。 当设计桥墩台时，上述制动力和牵引力按10%和15%计算，按控制者设计。 当制动力与离心力同时计算时，制动力或牵引力按列车竖向静活载标准值的5%计算。 双线按一线计，多线按两线计。,铁路桥规规定：,2）风力,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：,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。 桥规规定：结构温度变形受外约束影响引起的温度力按结构平均温度计算。由于这种温度变化持续时间较长，对于混凝土结构在温度变化产生内力同时，混凝土徐变作用使温度影响力减小。可用折减弹性模量考虑，去受压弹性模量的0.6倍（公路0.7倍）。,3）温度力,4）铁路桥上人行道荷载,铁路人行道桥只考虑巡道和维修人员通行，维修时放置钢轨、枕木、道碴等。 道碴桥面：离梁中心线2.45m内按10kPa计； 2.45m以外按4kPa。 活载分项系数取1.4。 明桥面：按4kPa计，活载分项系数取1.1。 人行道板还应按竖向集中活载1.5kN检算。 设计主梁时人行道活载不与列车活载同时计算。,5）施工荷载,施工荷载是指结构在施工过程中承受的荷载。 包括：自重、人群、架桥机、风载、温度力、吊机或其他机具的荷载及在构件制造、运送、吊装时作用于构件上的临时荷载。,3.3 偶然荷载,偶然荷载指船只或漂流物（排筏等）撞击力和地震荷载。,3.3.1 地震力,地震作用分竖直方向和水平方向，经验表明地震的水平运动是导致结构破坏的主要因素。结构抗震验算时一般只考虑水平地震作用。 地震力大小的决定因素有：地面运动的强烈程度、结构的动力特性、结构的质量等。 基本烈度：反映地震本身的剧烈程度。 设计烈度：是由设计者选用的。,地震力的计算方法分静力法和动态法,静力法是用一个水平方向作用的等效静止荷载表示地震对结构的作用。 其计算公式如下：,静力法主要使用于刚度较大结构。 规范规定：挡土墙、桥台用静力法计算地震力。,3.3.2 静力法,动态法主要有反应谱理论和时程分析法 反应谱理论是一种简化的动态分析法，又称动静法。 桥梁抗震规范主要采用这种方法计算地震力。,对于高墩或特大跨度的桥梁，应同时采用时程分析法，取最不利结果。,3.3.3 反应谱理论,（1）单质点地震力,（2）多质点系统地震力,多质点系统由于地震引起的复杂振动可以看作自振振型的迭加。,3.3.4 撞击力,船只或漂流物撞冲力： 撞击力按静力法计算，假定船筏作用于墩的有效动能转化为撞击力F所做的功。其计算公式为：,3.4 荷载组合,3.4.1 荷载组合,总原则： 凡存在的永久荷载任一项，均应进行组合； 凡可能出现的基本可变荷载项，除个别情况外应进行组合； 纵向力与横向力不同时组合； 对其他可变荷载的组合，根据同时作用的可能性，规范具体规定了某种荷载组合时，哪些荷载不同时参与组合。,组合：一种或几种永久荷载基本可变荷载；（主要设计组合） 组合：一种或几种永久荷载基本可变荷载一种或几种其他可变荷载；（附加设计组合） 组合：一种或几种永久荷载施工荷载一种或几种其他可变荷载相组合； （施工验算组合） 组合：一种或几种永久荷载基本可变荷载船撞力（偶然组合） 组合：一种或几种（结构重力预应力土压力）地震力（偶然组合） 最不利荷载组合控制设计的最不利的工况。,根据桥规，对承载能力极限状态和正常使用极限状态，可以归纳出以下四类荷载效应组合：,3.4.2极限状态设计法,将要采用的铁路桥规是以结构可靠性理论为基础，采用分项系数表达的概率极限状态设计法。对于有两种或两种以上的可变荷载参与组合情况，引入荷载效应组合系数对荷载标准值进行折减。 荷载效应设计值一般计算式和归纳为：,（1）一般组合算式,（2）桥跨结构荷载分项系数或组合安全系数,可在相应的表格中查出。,公路桥涵结构设计应考虑结构上可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计： 只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应的组合。当结构或结构构件需做不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合。 当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响时，该作用不应参与组合。实际不可能同时出现的作用或同时参与组合概率很小的作用,考虑其作用效应的组合。 施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑。组合式桥梁，当把底梁作为施工支撑时，作用效应宜分两个阶段组合，底梁受荷为第一个阶段，组合梁受荷为第二个阶段。 多个偶然作用不同时参与组合。,1）按承载能力极限状态设计时的组合,公路桥涵结构的承载能力极限状态设计，按照可能出现的作用，将其分为两种作用效应组合，即基本组合和偶然组合。 基本组合：永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合，这种组合用于结构的常规设计，是所有公路桥涵结构都应该考虑的。作用设计值为作用的标准值乘以相应的分项系数。 偶然组合：永久作用标准值、可变作用代表值和一种偶然作用标准值的效应组合，视具体情况，也可不考虑可变作用效应参与组合。作用效应偶然组合用于结构在特殊情况下的设计，所以不是所有公路桥涵结构都要采用的，一些结构也可采取构造或其他预防措施来解决。,通用规范JTG D60规定，公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合： 1 基本组合 永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为：,2 偶然组合 永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的效应分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。地震作用标准值及其表达式按现行公路工程抗震设计规范规定采用。,公路桥涵结构的设计安全等级,注：本表所列特大、大、中桥等系按通用规范JTGD60表1.0.11中的单孔跨径确定，对多跨不等跨桥梁，以其中最大跨径为准；本表冠以“重要”的大桥和小桥，系指高速公路和一级公路上、国防公路上及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。,2）按正常使用极限状态设计时的效应组合,在公路桥梁结构中，对于需要进行正常使用极限状态设计的结构，需要考虑可变作用的短期效应组合和长期效应组合，其可变作用代表值采用频遇值和准永久值。众所周知，正常使用极限状态设计仅涉及结构构件的抗裂，裂缝宽度和挠度，其结构可靠度要比承载能力极限状态低得多。 可变作用的频遇值是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值，但它比可变作用的标准值小，实际上由标准值乘以小于1.0的频遇值系数1得到。 可变作用的准永久值是指在结构上经常出现的作用取值，但它比可变作用的频遇值又要小一些，实际上是由标准值乘以小于1的准永久值系数2的得到。 通用规范JTG D62规定，公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合；,1 作用短期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为： 2 作用长期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：,第4章 桥梁材料,4.1钢材 4.2混凝土,4.1 钢材,4.1.1 结构钢材 4.1.2 钢筋,H型钢,钢结构常用钢材,其他型钢 工字钢、槽钢、圆钢、角钢等,钢材的分类,4.1.1钢材按化学成分分类 钢材是以铁为主要元素，含碳量为0.02%-2.06%，并含有其他元素的合金材料。 1.碳素钢 低碳钢：C0.25% 中碳钢：C=0.25%0.6% 高碳钢：C0.6%,2.合金钢 低合金钢：合金元素5% 中合金钢：合金元素5%10% 高合金钢：合金元素10% 2.1.2按品质（杂质含量）分类 普通钢：S0.050%；P0.045% 优质钢：S0.035%；P0.035% 高级优质钢： S0.025%；P0.025% 特级优质钢： S0.015%；P0.025% 2.1.3按冶炼时脱氧程度分类 沸腾钢；镇静钢；半镇静钢；特殊镇静钢。,建筑钢材的主要技术性能,钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。 2.2.1抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的性能。钢材受拉时，在产生应变的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。 低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段： 弹性阶段（OA）、屈服阶段（AB）、强化阶段（BC）和颈缩阶段（CD）。,弹性模量：在弹性阶段，应力和应变的比值为常数称为弹性模量。E=/ 。A点对应的应力称为弹性极限（ p）。 屈服强度：在屈服阶段，外力不增大，而变形继续增加，这时相应的应力称为屈服极限或屈服强度（s ）。 抗拉强度：在应力-应变图上，对应于最高点C的应力称为抗拉强度（ b）。 伸长率、断面收缩率,2.2.2冲击韧性 钢材的冲击韧性越大，抵抗冲击荷载的能力越强。K值与试验温度有关。有些材料常温时冲击韧性不低，破坏时却呈现脆性破坏。 2.2.3耐疲劳性 受交变荷载反复作用时，钢材在应力低于屈服强度的情况下突然发生脆性破坏的现象，称为疲劳破坏。 钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。实际测量长以2106次应力循环为基准。,2.2.4工艺性能 1.冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示。钢材冷弯时的弯曲角度越大，d/ 越小，表示冷弯性能越好。 2.焊接性能 钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。,2.4.2时效处理 冷加工处理后的钢筋，在常温下存放15-20d，或加热至100-200后保持一定时间（2-3h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性进一步降低，弹性模量则基本恢复，这个过程称为时效处理。 时效处理有两种方法： （1）自然时效：在常温下存放15-20d。适宜于低强度钢筋。 （2）人工时效：加热至100-200后保持一定时间（2-3h）。适宜于高强度钢筋。,2.4.3热处理（略） 2.5土木工程常用金属材料的性质及应用 2.5.1建筑常用钢种 1.碳素结构钢 （1）牌号及表示方法 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 例 “Q235-A.F” （2）碳素结构钢技术性能与应用 表2-3化学成分 表2-4力学性能 表2-5工艺性能,Q195-强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于扎制薄板和盘条。 Q215-基本与Q195相同，强度稍高，大量用作管坯、螺栓。 Q235-强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也较好，大量用于制作钢筋、型钢和钢板。 Q255-强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性差，主要用作铆接或拴接结构，以及钢筋混凝土的配筋。,2.优质碳素结构钢 大部分为镇静钢，对有害杂质含量控制严格，质量稳定，综合性能好，但成本较高。 31个牌号，如“10F” “45Mn ” “30”。 性能主要取决于含碳量。含碳量越高，强度高，但塑性和韧性降低。 3045主要用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓等，45用作预应力混凝土锚具。 6580用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,3.低合金高强度结构钢 （1）牌号 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 例 “Q345B” （2）技术性能与应用 表2-6化学成分 表2-7力学性能 低合金高强度结构钢与碳素结构钢相比，具有较高的强度，综合性能好。可节约用钢20%30%，对减轻结构自重有利。 主要用于扎制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和混凝土结构中，特别适用于各种重要结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。,2.5.2钢结构用钢 1.热扎型钢 钢结构常用型钢：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢。 型钢规格标记，如“H340*250*9*14” “T248*199*9*14” “L40*5” 2.冷弯薄壁型钢 （1）结构用冷弯空心型钢（方型F、矩形J） （2）通用冷弯开口型钢（角钢、槽钢等） 3.棒材、钢管和板材,2.5.3混凝土结构用钢 钢筋混凝土结构的钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成。 1.热扎钢筋 建筑工程用量最大的钢材品种之一，主要用于钢筋砼结构和预应力砼结构的配筋。 热扎光圆钢筋HPB235 H(Hot rolled),P(Plain),B(Bars)。 热扎带肋钢筋HRB335、HRB400、HRB500 H(Hot rolled),R(Ribbed),B(Bars)。,HPB23