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第四章桥梁的设计作用 荷载 本章讲解内容要点 作用的分类和作用代表值永久作用可变作用偶然作用作用效应组合 第四章桥梁的设计作用 荷载 作用 作用于桥梁结构的荷载和引起结构外加变形或约束变形的原因统称为作用 施加在结构上的力 引起结构外加变形 约束变形的原因 直接作用 间接作用 又称为 荷载 Action 作用效应 结构对所受作用的反应 结构内力的反应 结构位移的反应 轴力 弯矩 剪力 扭矩 ActionEffect 作用 第四章桥梁的设计作用 荷载 作用的种类 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 4 1作用分类和作用代表值 4 1 1作用分类 作用代表值 作用标准值 作用频遇值 作用准永久值 仅针对可变作用 针对所有作用 三个代表 针对不同设计目的时所采用的作用的规定值 不同情况下的代表值 频繁出现 95 概率分位 经常出现 50 概率分位 作用频遇值 作用准永久值 低折扣 按标准值的7折使用 高折扣 按标准值的4折使用 4 1 2作用的代表值 作用代表值 Representativevalueofanaction 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 作用标准值 Characteristicvalueofanaction 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 permanentvalueofanaction 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 足够长的观测期内作用频遇值 Frequentvalueofanaction 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 足够长的观测期内设计基准期 Designreferenceperiod 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 与寿命的关系 4 1 2作用的代表值 永久作用 标准值可变作用 根据不同的极限状态和组合方式分别采用标准值 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 4 1 3作用代表值的取用 4 2永久作用 概念 永久作用 在结构使用期间 其量值不随时间而变化 或其变化值与平均值比较可忽略不计的作用 位置 大小 方向 4 2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 4 2永久作用 受力结构 梁 自身的重量 一期恒载 附属结构 铺装 护栏等 附加的重量 二期恒载 土对下部结构的侧压力及重力 超静定结构中基础变位会产生内力 混凝土的收缩徐变会产生变形 超静定结构中还会产生内力 4 2永久作用 结构重力 结构体积与材料容重 重力密度 的乘积在确保结构安全的前提下 减小结构自重是设计的目标 4 2永久作用 位于水中的构造均会受到水的浮力作用 水的浮力 4 2永久作用 预应力 4 3可变作用 概念 可变作用 在结构使用期间 其量值随时间变化 且其变化值与平均值比较不可忽略的作用 位置 大小 方向 2007 12 27 4 3可变作用 一 汽车荷载车辆活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 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 一 汽车荷载 1 公路的车道荷载 集中荷载 移动 布于影响线峰值上 均布荷载 同号影响线满布 一 汽车荷载 85年版规范中的汽车活载 2 公路的车辆荷载 一 汽车荷载 2 公路的车辆荷载 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 车辆荷载的横向布置 一 汽车荷载 2 公路的车辆荷载 车辆荷载的横向布置示例 一 汽车荷载 2007 12 27 22 3 公路等级与汽车荷载等级的关系 一 汽车荷载 对双车道以上的公路桥 需要考虑汽车荷载的多车道横向折减 横向折减的含义是 在多车道 或多线 桥梁上行驶的汽车荷载使桥梁结构产生某种最大作用效应时 不同车道上的汽车荷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 但在桥梁设计中 为方便计 各个车道上的汽车荷载都是按最不利位置布置的 因此 就应根据上述可能性的大小对总的汽车荷载 或其作用效应 进行折减 4 汽车荷载的横向及纵向折减 一 汽车荷载 4 车辆荷载的横向及纵向折减 一 汽车荷载 公路桥涵设计车道数及横向折减系数 车道荷载的加载倍数由设计车道数决定 行车道 一 汽车荷载 公路桥梁上汽车荷载的纵向折减 一 汽车荷载 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 应按上表进行纵向折减 对多跨连续结构 如连续梁桥 按主跨进行全桥折减 公路桥梁上汽车荷载的纵向折减 一 汽车荷载 5 汽车荷载的加载 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 一般做法 先计算结构内力及位移影响线 然后布载并加载 对均布荷载 加载为荷载集度与同号区段影响线面积的乘积 对集中荷载 为荷载大小与对应影响线纵坐标值的乘积 对公路车道荷载 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 对公路车辆荷载 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 一 汽车荷载 汽车荷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的近似计算公式 在设计中 引入冲击系数 冲击力标准值等于汽车荷载标准值乘以冲击系数 二 冲击力 公路桥根据桥梁结构的动力特性来确定冲击力 桥梁结构的自振频率 基频 可综合反映出结构尺寸 类型 材料等动力特性内容 直接表达了冲击系数与桥梁结构之间的关系 无论建桥材料和结构类型 尺寸 跨度是否差别 只要结构的基频相同和荷载条件相同 冲击系数就基本相同 当f 1 5Hz时 0 05当1 5Hz f 14Hz时当f 14Hz时 0 45f为结构基频 Hz 按有限元分析或简化公式计算 的表达式 二 冲击力 公路桥梁的人群荷载集度 3kN m2 L0 50m 2 5kN m2 L0 150m 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 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 三 人群荷载 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 当曲线半径等于或小于250m时 应计算汽车荷载引起的离心力 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 9 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 四 离心力 当风以一定速度运动并受到桥梁阻碍时 桥梁就承受到风压 对大跨度的斜拉桥 悬索桥以及高耸的桥塔和桥墩等 尤其如此 顺风向风压和横风向风压公路桥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 五 风荷载 汽车制动力是指车辆在制动时为克服车辆的惯性力 或阻力 而在路面与车轮之间发生的滑动摩擦力 制动力是墩台设计的重要荷载 是作用在桥上的纵向水平力 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 但公路 级汽车荷载的制动力标准值不得小于165kN 公路 级不小于90kN 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 六 汽车制动力 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 年平均 均匀温度变化和梯度温度 温差 均匀温度变化的幅度 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 公路桥采用的竖向梯度温度变化曲线 见图各种材料的线膨胀系数 可按设计规范采用 七 温度作用 七 温度作用 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 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 八 流水压力 冰压力和支座摩阻力 39 八 流水压力 冰压力和支座摩阻力 八 流水压力 冰压力和支座摩阻力 4 4偶然荷载 概念 偶然作用 在结构使用期间出现的概率很小 一旦出现 其值很大且持续时间很短的作用 4 4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的强迫运动 并导致整个桥梁的振动 所谓地震力 主要指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力 加速度与质量的乘积 它不仅地面运动的强烈程度有关 也与结构的自身动力特性 频率和振型 有关 还与桥梁所在处的地质情况有关 船只或漂流物的撞击力汽车的撞击作用 一 偶然作用 荷载 的分类 二 地震力的考虑 震级 里氏 Richter 地震的强弱 最大8 9级 唐山7 8级 烈度 麦氏 Mercalli 地震对地面结构的破坏程度 分为12级 基本烈度 桥梁的设计作用 二 地震力的考虑 第四节偶然作用 汶川大地震共造成24条高速公路受损 161条国省干线受损 8618条乡村公路受损 6140座桥梁受损 156条隧道受损 桥梁的设计作用 二 地震力的考虑 第四节偶然作用 桥梁的设计作用 二 地震力的考虑 第四节偶然作用 桥梁的设计作用 二 地震力的考虑 第四节偶然作用 桥梁的设计作用 三 船舶撞击力的考虑 1 撞击力计算 第四节偶然作用 桥梁的设计作用 三 船舶撞击力的考虑 第四节偶然作用 桥梁的设计作用 三 船舶撞击力的考虑 1954年9月 1971年第二座桥开通 1987年4月新桥开通 1980年5月9号被一空货轮撞击 死35人 防撞措施 第四节偶然作用 SunshineSkywayBridge FLUSA 2 防撞措施 消能及阻尼作用 4 5作用效应组合 结构上几种作用分别产生的效应的叠加 一 作用效应组合 二 作用效应组合的原则 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 必需考虑各种作用效应的取舍以及它们同时作用的可能性 参照相关设计规范要求进行组合 依据 方法 目的 公路桥采用基于结构可靠性理论的极限状态设计方法 应考虑结构可能同时出现的作用 分别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 三 公路桥梁作用效应组合 1 组合中的相关术语解释 承载能力极限状态 正常使用极限状态 A 设计中结构的状态 4 5作用效应组合 三种设计状况 持久状况指桥涵使用过程中长期承受结构重力 汽车荷载等作用的状况 在该状况下 应进行承载能力和正常使用极限状态设计 短暂状况指桥涵施工过程中承受临时性作用的状况 在该状况下 仅要求进行承载能力极限状态设计 必要时才进行正常使用极限状态设计 偶然状况指桥涵使用过程中可能偶然遭受的地震等状况 在该状况下 仅要求进行承载能力极限状态设计 不需要进行正常使用极限状态设计 持久状况 短暂状况 偶然状况 运营阶段 施工阶段 偶然情况 B 设计的状况 4 5作用效应组合 1 组合中的相关术语解释 桥梁的设计作用 在按持久状况承载能力极限状态设计时 按照结构可能破坏的严重程度 将公路桥涵划分为三个设计安全等级 根据不同等级 拟定相应的结构重要性系数与作用效应组合值相乘 第五节作用效应组合 C 结构重要性系数 1 组合中的相关术语解释 以标准跨径确定 桥梁的设计作用 D 作用效应 作用标准值效应 作用频遇值效应 作用准永久值效应 四种效应描述 作用设计值效应 作用设计值效应 作用标准值效应 作用效应分项系数 作用效应 Effectofanaction 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 Designvalueofanactioneffect 作用标准值效应与分项系数的乘积 分项系数 Partialsafetyfactor 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 对公路桥 作用分项系数是显式的 在作用组合时采用 抗力分项系数是隐式的 包含在材料强度取值中 第五节作用效应组合 1 组合中的相关术语解释 桥梁的设计作用 2 公路桥梁作用效应组合方法 作用效应基本组合 Fundamentalcombinationforactioneffects 承载能力极限状态设计时 永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合作用效应偶然组合 Accidentalcombinationforactioneffects 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 Combinationforshort termactioneffects 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 Combinationforlong termactioneffects 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 第五节作用效应组合 2 作用效应组合的不同方法 桥梁的设计作用 2 公路桥梁作用效应组合方法 2 作用效应组合的不同方法 基本组合 偶然组合 短期状态组合 长期状态组合 设计方法 承载能力极限状态 正常使用极限状态 永久作用 可变作用 偶然作用 组合内容和方法 组合名称 应力计算组合 设计值效应 设计值效应 标准值效应 标准值效应 某种代表值 标准值效应 标准值效应 标准值效应 频遇值效应 准永久值效应 标准值效应 第五节作用效应组合 桥梁的设计作用 公路桥涵按承载能力极限状态设计时的基本组合 0 结构重要性系数 1 1 1 0 0 9Sud 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值 Gi 第i个永久作用效应的分项系数SGik 第i个永久作用效应的标准值 Q1 汽车荷载效应 含冲击力 离心力 的分项系数SQ1k 汽车荷载效应 含冲击力 离心力 的标准值 c 除汽车荷载效应外的其他可变作用效应的组合系数 Qj 除汽车荷载效应外的其他第j个可变作用效应的分项系数SQjk 除汽车荷载效应外的其他第j个可变作用效应的标准值 第五节作用效应组合 A 承载力极限状态下 作用效应的基本组合 桥梁的设计作用 第五节作用效应组合 公路桥涵按承载能力极限状态设计时的基本组合 基本效应组合设计值 UltimatebearingcapacityDesign 永久作用标准值效应 可变作用汽车标准值效应 举例 汽车荷载 计冲击 可变作用汽车以外标准值效应 作用分项系数 Q1 1 4 自重恒载效应 作用分项系数 G1 1 2 永久作用设计值效应 可变作用 汽车 设计值效应 温度效应 组合系数 c 0 8 0 7 0 6 0 5 作用分项系数 Qj 1 4 桥梁的设计作用 公路桥涵按正常使用极限状态设计时的短期组合 第一项 作用短期效应组合的设计值第二项 m个永久作用的标准值效应 不乘系数 组合第三项 n个可变作用效应的频遇值效应组合第j个可变作用效应的频遇值系数 第五节作用效应组合 B 正常使用极限状态下 作用短期效应组合 短期效应组合设计值 ShortDesign 永久作用 标准值效应 可变作用 标准值效应 可变作用频遇值系数 可变作用 频遇值效应 举例 自重恒载效应 1 0 7 汽车荷载 不计冲击 桥梁的设计作用 公路桥涵按正常使用极限状态设计时的长期组合 第一项 作用长期效应组合的设计值第