第1篇第3章 桥梁上作用

第一篇总论 第三章桥梁上的作用 第一节永久作用第二节可变作用第三节偶然作用第四节作用效应组合 内容提要 作用是引起桥涵结构反应的各种原因的统称 它分为两大类 一类是直接施加于结构上的外力 例如车辆 结构自重等 另一类是以间接的形式作用于结构上 例如地震 混凝土收缩徐变等 它们产生的效应与结构本身的特征有关 习惯地用 荷载 这一术语来概括引起桥涵结构反应的所有原因 公路桥涵设计通用规范 JTGD60 2004 全面采用 作用 这一术语 而 荷载 仅表示施加于结构上的直接作用 第一节永久作用 永久作用 指在结构使用期间 其量值不随时间而变化 或其变化值与平均值相比可以忽略不计的作用 永久作用包括 结构重力 预加应力 土的重力 土侧压力 混凝土收缩及徐变作用 混凝土收缩及徐变作用和基础变位作用等七种 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 预应力结构 第二节可变作用 可变作用 是指在结构使用期间 其量值随时间变化 且其变化值与平均值相比不可忽略的作用 可变作用包括 汽车荷载 汽车荷载的冲击力 离心力 制动力和引起的土侧压力 人群荷载 风荷载 流水压力 冰压力 温度作用和支座摩阻力等十一种 一 汽车荷载 汽车荷载分为公路 I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 车辆荷载为一辆总重550kN的标准车 公路桥涵设计通用规范 JTGD60 2004 1 荷载标准值 公路 I级 公路 II级 均布荷载标准值 集中荷载标准值 公路 级车道荷载的均布荷载标准值qK和集中荷载标准值PK按公路 级车道荷载的0 75倍采用 公路 级和公路 级汽车荷载采用相同的车辆荷载 车辆荷载主要技术指标 2 加载方式 车道荷载用于桥梁结构的整体计算车辆荷载用于桥梁结构的局部加载 纵向折减系数 横向折减系数 二 汽车冲击力 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 桥梁动力影响因素 车辆以一定速度过桥时引起桥跨振动 车轮对伸缩缝 变形缝接头时有冲击作用 桥面上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 引入一个竖向动力效应的增大系数 冲击系数 来计及汽车荷载的冲击作用 汽车荷载的冲击力即为汽车荷载标准值乘以冲击系数 三 人群荷载 当计算跨径l 50m时 人群荷载标准值为3 0kN m2 当l 150m时 人群荷载标准值为2 5kN m2 当l在50 150m之间时 可由线性内插得到人群荷载标准值 对跨径不等的连续结构 以最大计算跨径为准 城镇郊区行人密集地区的公路桥梁 人群荷载标准值取上述规定值的1 15倍 专用人行桥梁 人群荷载标准值为3 5kN m2 人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内 在纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内 计算人行道栏杆时 作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取0 75kN m 作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1 0kN m 四 其它可变作用 1 汽车离心力 离心力是车辆在弯道行驶时所伴随产生的惯性力 它以水平力的形式作用于结构上 是弯桥横向受力与抗扭设计计算所要考虑的主要因素 当弯道桥梁的曲线半径等于或小于250m时 需考虑汽车荷载的离心力作用 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 式中 v 设计速度 按桥梁所在公路等级规定采用 以km h计r 曲线半径 以m计 2 汽车引起土侧压力 汽车引起的土压力采用车辆荷载加载 车辆荷载作用在桥台台背或路堤挡土墙上 将引起台背填土或挡土墙后填土的破坏棱体对桥台或挡土墙的土侧压力 此类土侧压力可按下式换算成等代均布土层厚度h计算 式中 土的容重 以kN m3计 B 桥台的计算宽度或挡土墙的计算长度 以m计 l0 桥台或挡土墙后填土的破坏棱体长度 以m计 G 布置在B l0面积内的车辆车轮重力 以kN计 3 汽车制动力 汽车制动力是指车辆在减速或制动时 为克服车辆的惯性力而在路面与车辆之间产生的滑动摩擦力 它作用于桥跨结构上的方向与行车方向一致 一个设计车道上的汽车制动力标准值 为布置在加载长度上计算的总重力的10 但公路 I级汽车制动力标准值不得小于165kN 公路 II级不得小于90kN 多车道时要考虑横向折减 同向行驶双车道的汽车制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的两倍 同向行驶三车道为一个设计车道的2 34倍 同向行驶四车道为一个设计车道的2 68倍 制动力的作用点在设计车道桥面以上1 2m处 平均风压和脉动风压 4 风荷载 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 横桥向风荷载按下式计算 5 流水压力和冰压力 位于河流中的桥墩会受到流水和流冰的压力 规范给出的流水压力以水流速度作基准 并考虑桥墩迎水面形状的影响得到 当流速大于10m s时 还应考虑水流的动力作用因素 规范给出的流冰压力计算公式适用于通常的河流流冰情况 它以冰体破碎极限强度作基准建立起来的 流水压力和流冰压力的大小均与桥墩的形状相关 桥墩的迎水 冰 面宜做成圆弧形或尖端形 以减小流水压力和流冰压力 温度变化将在结构中产生变形和影响力 它的大小应根据当地的具体情况 结构物所使用的材料和施工条件等因素计算确定 温度作用包括均匀温度和梯度温度两种影响 均匀温度为常年气温变化 这种温变将导致桥梁纵向长度的变化 当这种变化受到约束时就会引起温度次内力 梯度温度主要因太阳辐射而来 它使结构沿高度方向形成非线性的温度变化 导致结构产生次内力 6 温度作用 7 支座摩阻力 W 作用于活动支座上由上部结构重力产生的效应 支座摩擦系数 五 原公路桥涵设计可变作用 1 车辆荷载 公路桥涵设计通用规范 JTJ021 89 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 公路桥涵设计通用规范 JTJ021 89 规定的计算冲击系数的方法采用以跨径为基准 钢筋混凝土及预应力混凝土 砖石及混凝土桥涵的冲击系数 钢桥的冲击系数见规范相应表格 对于重力式墩台 或结构物上的填料 包括路面厚度 等于或大于50cm时 也可以不计冲击作用 2 汽车冲击力 人群荷载一般取为3kN m2 城市郊区行人密集地区可为3 5kN m2 城市桥梁应根据具体情况另行规定 当人行道板为钢筋混凝土板时 还应以1 2kN集中竖向力作用在一块板上进行验算 计算栏杆时 人群作用于栏杆上的水平推力规定为0 75kN m 施力点在栏杆柱顶 人群作用于扶手的竖向力规定为1 0kN m 施力点在上部扶手 3 人群荷载 六 城市桥梁设计可变作用 城市桥梁设计荷载标准 CJJ77 98 1 车辆荷载 汽车荷载等级可划分为 城 A级汽车荷载和城 B级汽车荷载 思考题 1 桥梁的作用有哪几种 分别是怎么定义的 2 04规范汽车荷载标准值是如何取值的 第三节偶然荷载 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叫偶然作用 一 船只或漂流物撞冲力 船只或漂流物撞击力在有可能的条件下 应采用实测资料或模拟撞击试验进行计算 并藉此进行防撞设施的设计 桥规JTG D60 中根据航道等级 船舶吨位定出的撞击作用标准值 当缺乏实际调查资料时可参考采用 SunshineSkywayBridge FLUSA 1954年9月 1987年4月新桥开通 1980年5月9号被一空货轮撞击 死35人 二 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 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 设计烈度 抗震设计中所采用的地震基本烈度 小于7度不考虑 可以大于 或小于 建桥地区的基本烈度地震力计算方法 静力法 反应谱理论 动态时程分析 三 汽车撞击作用 汽车撞击力标准值在行驶方向取1000kN 与之垂直方向取为500kN 两个方向的不同时考虑 其作用于行车道上1 2m处 直接分布于撞击涉及的构件上 对于设有防撞设施的结构构件 可视设施的防撞能力予以折减 但折减后不应低于上述取值的1 6 第四节作用效应组合 公路桥涵结构采用以可靠度理论为基础的概率极限状态设计法设计 该设计体系规定了桥涵结构的两种极限状态 承载能力极限状态和正常使用极限状态 所谓极限状态 是指整体结构或构件的某一特定状态 超过这一状态界限结构或构件就不再能满足设计规定的某一功能要求 承载能力极限状态设计着重体现桥涵结构的安全性 正常使用极限状态设计则体现适用性和耐久性 它们共同反映出设计的基本原则 只有每项设计都符合相关规范的两类极限状态的要求 才能所设计的桥涵达到其全部预定功能 一种或几种永久作用与基本可变作用相组合 一种或几种永久作用与基本可变作用与一种或几种其他可变作用相组合 一种或几种永久作用与施工作用与一种或几种其他可变作用相组合 一种或几种永久作用与基本可变作用与一种偶然作用相组合 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作用效应组合 一 承载能力极限状态 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 作用效应的基本组合是指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 作用效应的偶然组合是指永久作用标准值 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 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 1 基本组合 2 偶然组合 公路桥涵结构的设计安全等级 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 二 正常使用极限状态 在公路桥梁结构中