荷载与可靠度设计原理

第6章 其 他 荷 载,6.1 温度作用。概述 查阅温度对桥梁结构的影响资料，不难发现由温度影引起的混凝土和预应力混凝土结构开裂甚至坍塌的工程实例。20世纪90年代，现代桥梁进入一个辉煌的发展时期；桥梁跨度不断增大、其结构体系也日益复杂多样。温度效应对桥梁结构的影响更为显著。温度效应对桥梁结构的影响问题己不容忽视。,6.1概述,特别对于大跨度钢斜拉桥 ，由于钢材导热性能好，对温度变化比较敏感，温度影响更为显著。东营黄河公路钢斜拉桥施工时，由日照引起顶、底板温度变化，导致高程变化25cm，由日光侧照引起主梁中线偏移值达5cm之多。南京长江二桥边跨合龙前，由昼夜温差引起的主梁悬臂端挠度变化达24.0cm，轴向伸缩达6cm。特别对于悬臂施工的大跨度钢斜拉桥而言，由于施工工期长、温度变化大，所以温度效应对合理成桥状态与合理施工状态影响较大。,6.2 温度作用,（一）、目前我国公路桥涵设计同通规范JTG D60-20044.3.10条;（二）、公路斜拉桥设计细则（JTG/T D65-01-2007）5.2.5条和8.2.6条进行温度作用的考虑 ；,6.2.1公路桥涵设计同通规范TTG D60-20044.3.10条;,1.桥梁结构常用材料的温度膨胀系数：,6.2.1 公路桥涵设计同通规范TTG D60-20044.3.10条;,2. 计算桥梁结构因均匀温度作用引起外加变形或约束变形时，应从受到约束时的结构温度开始，考虑最高和最低有效温度的作用效应。如缺乏实际调查资料，公路混凝土结构和钢结构的最高和最低有效温度标准值可按表4 . 3 . 1 -2 取用。,6.2.1 公路桥涵设计同通规范TTG D60-20044.3.10条;,6.2.1 公路桥涵设计同通规范TTG D60-20044.3.10条;,3.提供桥梁结构温度梯度参考值。,6.2.2 公路斜拉桥设计细则（JTG/T D65-01-2007）温度作用的考虑 ；,6.2.2 公路斜拉桥设计细则（JTG/T D65-01-2007）5.2.5条和8.2.6条进行温度作用的考虑 ；,（一）影响桥梁结构的温度作用主要有： 1、由季节周期交替引起的温度变化，即温度年变化； 2、由昼夜交替引起的温度变化，即温度日变化；,（一）、影响桥梁结构的温度作用主要有：,3、由于日照不均匀或寒潮作用，造成斜拉桥的主梁表面、局部温度高于或低于主梁内部，斜拉索、主塔及其他构件温度高于或低于整体结构； 4、施工过程中混凝土水化热、钢箱梁的焊接产生的温度场； 5、以及桥梁结构在火灾作用下的局部或整体温度场等等。,工程实例：,山东省济宁市太白楼西路梁济运河大桥主桥为独柱斜塔空间扭面背索钢砼组合斜拉桥，墩、塔、梁固结（如图1.6），其跨径组成为96m+220m=316m。其中边跨主梁为预应力混凝土箱梁，桥塔采用独柱斜塔，主塔全高133.147m(包括装饰性塔冠16 m)，桥面以上塔高118m，桥面以下塔高15.147m。塔身顺桥向偏离铅垂面8，倾向岸侧。主塔采用空心截面，因塔、梁固结，在固结区设7.5m厚的实心段。预应力混凝土箱梁伸过桥塔10.5m，通过1.5m钢混结合段与钢箱梁连接。全桥共设56根斜拉索，根据索力的不同分别采用PES7系列的109211丝不同规格。主塔墩基础采用48根直径1.8米的钻孔灌注桩，主跨的过渡墩采用8根直径1.5米的钻孔灌注桩，C30混凝土。基桩均按摩擦桩设计。主桥桥型布置见图1.6。,一、温度日变化影响,1、温度日变化对钢箱梁合龙控制长度影响；2、温度日变化对成桥线型和成桥内力的影响 ；,1、温度日变化对钢箱梁合龙控制长度影响；,本斜拉桥为钢混组合斜拉桥桥，主跨为钢箱梁，边跨为混凝土箱梁。钢材导热性能好，温度日变化对钢箱主跨侧影响比较敏感。 设计基准温度合龙温度为15, 在设计基准温度下合龙时的钢箱梁标准总长度为210.74m，由于合龙时的温度达不到设计基准温度，分别对温度为25、35、45钢箱梁合龙控制长度进行计算。钢箱梁不同温度下的合龙长度见表3.1。,本斜拉桥合龙时间为2009年9月7日，正处于夏季最炎热的时期，根据施工监控人员在施工工地现场实测温度数据，钢箱梁的昼夜最低温度为26，最高温度为49.3。并结合上述的计算分析结果可见，温度日变化对钢箱梁斜拉的合龙控制长度有较显著影响，施工监控中应给与充分考虑，并尽量避免白天合龙。,2、温度日变化对成桥线型和成桥内力的影响 ；,根据公路斜拉桥设计细则（JTG/T D65-01-2007）的规定，考虑温度作用时，应根据当地具体情况，结构使用的材料和施工条件等因素计算由温度引起的结构效应。,2、温度日变化对成桥线型和成桥内力的影响 ；,混凝土材料的热传导性能较差，温度的日变化可以引起混凝土箱梁内外较大温度差，而钢材具有较好的导热性能，钢箱梁相对混凝土箱梁温度场分布相对较均匀。为了更近似的在有限元计算中模拟实际温度影响，仅对边跨侧混凝土箱梁顶板施加温度荷载。 根据本斜拉桥的实际情况选择两个工况。 工况一：边跨侧混凝土箱梁顶板升温20； 工况二：边跨侧混凝土箱梁顶板降温10。,1）在工况一下，主梁竖向位移、主梁弯矩、斜拉索索力变化值见图 （工况二数值相反）,通过对工况一、二的分析可见，对边跨、主跨跨中主梁的竖向位移影响相对较小，最大竖向位移为7.5mm；对靠近塔梁固结处主梁的弯矩影响较敏感，最大弯矩为65897kNm；,2、温度年变化影响,对体系温差，钢结构可按当地最高和最低气温确定;混凝土结构可按当地平均最高和最低气温确定，气温变化值应自结构合拢时的温度起算。根据本斜拉桥的两个工况： 工况三：混凝土箱梁、主塔整体升温20，钢箱梁、斜拉索整体升温30； 工况四：混凝土箱梁、主塔整体降温25，钢箱梁、斜拉索整体降温33。,1）在工况三下，主梁竖向位移、主梁弯矩、斜拉索索力变化值见图 ,工况四下变化形态相反。,通过对工况三、四的分析可见，对主梁主跨跨中竖向位移影响相对较小，最大竖向位移为26mm；对靠近塔梁固结处主梁的弯矩影响较敏感，最大弯矩为20989 kNm；对空间扭索面的边跨斜拉索索力变化值相对较显著，最大索力变化值为119kN。,3斜拉索与主塔、主梁的温差影响,在实际工程中斜拉索温度分布并不均匀，但由于导热性能很好，温度梯度并不大，且斜拉索的柔度较大，所以索内的温度分布不均匀对其受力影响较小。故忽略其影响，在计算中将斜拉索内的温度视为均匀分布。 斜拉索截面积较小且索内钢绞线的导热性能很好,导致斜拉索的温度变化量与主塔、主梁产温度变化量并不一致，在同一基准温度下，最终将产生斜拉索与主塔、主梁之间的温差。,3斜拉索与主塔、主梁的温差影响,根据本斜拉桥的实际情况选择两个工况进行计算分析，研究斜拉索与主塔、主梁的温差影响对结构的影响。 工况五：斜拉索与主塔、主梁温差15； 工况六：斜拉索与主塔、主梁温差-15。,1）在工况五下，主梁竖向位移、主梁弯矩、斜拉索索力变化值见图,对工况五、六的分析，对主梁主跨跨中竖向位移影响相对较显著，最大竖向位移为56mm；对边跨跨中、靠近塔梁固结处的主梁弯矩影响较敏感，最大弯矩为31915 kNm；对空间扭索面的边跨斜拉索索力变化值相对较显著，最大索力变化值为153N。,4主塔温梯度影响,在进行计算分析主塔温度梯度对斜拉桥结构的影响时，考虑本斜拉桥的实际情况，选择主塔塔身横桥向温度梯度进行研究，由于本斜拉桥在横桥向是对称结构，所以选择一个温度梯度工况进行计算。工况七：主塔塔身沿横桥向5温度梯度。,主塔塔身沿横桥向的温度梯度，对主塔横桥向变位影响较显著，最大横向位移5.8cm；对主梁的竖向位移影响微小，最大竖向位移2mm；对空间扭索面的侧斜拉索索力变化差值较显著，最大索力差值为143kN, 对空间扭索面边跨侧混凝土箱梁左右两侧竖向挠度差较显著，最大挠度差值为3.7cm,6.2 变形作用不均匀沉降,1、连续梁或超静定结构体系的不均匀沉降问题；2、简支梁通常不考虑；,6.2 变形作用不均匀沉降,从设计角度来讲, 应该以基础的沉降计算值为准。但在一般小桥的设计过程中,我们并没有去计算基础的沉降值。只是采用了一个假定值10mm,这个值应该是比较大了。,6.2 变形作用不均匀沉降,理由如下： 从一般的连续梁设计软件中，支座沉降值是一个相对值，而不是绝对值。而我在做一些小基础的设计过程中，沉降值一般都在5mm左右，而相对差值就更小了。在一座小桥的长度范围之内，地质情况应该差别不多，而桥墩的基础沉降差值也很小，在这中情况下支座沉降的考虑应该是很偏于安全的。 大跨的连续梁等，应该采用计算基础沉降值，或设计基础时控制其沉降量，使其在我们采用的基础沉降值范围之内。,6.2 变形作用不均匀沉降,于这个问题，还没有一本规范进行统一的规定。目前不同的软件计算时采用不同的数值，或是说是不同设计院有不同的取值。对于我自己的经验： 1、用桥博、MIDAS计算时，一般建议：对于大桥，基础较差时采用15mm；跨径较小的桥、基础较好的，采用10mm。 2、中交二院的程序，一般都是取15mm 3、其他程序一般取10mm 4、还有一点，不同程序对于不均匀沉降是有不同考虑的，所以除了输入沉降的数值外，还需要多列出几种不同情况（就是不同的支座沉降组合）来比较，这样才可以做到比较全面。,6.3汽车引起的其他作用。,6.3.1汽车制动力汽车制动力是汽车在桥上刹车时为克服汽车的惯性力在车轮与路面之间产生的滑动摩擦力。公路桥涵设计通用规范把经常、大量出现的汽车荷载排列成车队形式，作为设计荷载。但事实上，在桥上车队同时刹车的概率极小，制动力的取值仅为摩擦系数乘以桥上成队车辆重力的一个部分。,汽车制动力的具体计算：,1)一个设计车道上制动力标准值=规范规定的车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10计算，但公路-级汽车荷载的制动力标准值不得小于165KN ；公路-级汽车荷载的制动力标准值不得小于90KN 。2)同向行驶双车道的汽车荷载制动力标准值为一个车道制动力标准值的2 倍；同向行驶三车道的汽车荷载制动力标准值为一个车道制动力标准值的2 . 34 倍；3)同向行驶四车道的汽车荷载制动力标准值为一个车道制动力标准值的2 . 68 倍。,汽车制动力作用方向、位置,制动力的方向为车行驶方向，其作用点在车辆的竖向重心线与桥面以上1.2m高处水平线的交点。 在计算墩台时，可移至支座中心处(铰或滚轴中心)或滑动、橡胶、摆动支座的底板面上， 在计算刚架桥、拱桥时，可移至桥面上，但不计由此而产生的力矩。,汽车制动力传递、分配,设有固定支座、活动支座（滚动或摆动支座、聚四氟乙烯板支座）的刚性墩台传递的制动力，按表2-5 的规定采用。每个活动支座传递的制动力，其值不应大于大于其摩阻力。当大于摩阻力时，按摩阻力计算。注：计算制动力时，不考虑冲击系数。,6.3.2汽车荷载冲击力,车辆在桥面上高速度行驶时，由于桥面不平整或车轮不圆或发动机抖动等多种原因，都会引起车体上下振动。车辆在动载作用下产生的应力和变形要大于在静载作用下产生的应力和变形。 目前对冲击作用尚不能从理论上作出符合实际的详细计算，一般可根据试验和实测结果或近似地将汽车荷载乘以冲击系数来计及车辆的冲击作用，即采用静力学的方法考虑荷载增大系数来反映动力作用。,6.3.2汽车荷载冲击系数的具体计算,1、填料厚度（包含路面厚度）大于等于0.5m的拱桥、涵洞、重力是墩台不计冲击力；2、汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁的悬臂板上的冲击系数采用1.3。,6.3.3汽车荷载离心力,位于曲线上的桥梁，当曲线半径等于或小于250m时，汽车应考虑离心力的作用。 离心力应作用在汽车的重心上