第一篇第三章-桥梁上的作用(修改)-09级教学

1 第三章桥梁上的作用 第一篇总论 2 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 3 第三章桥梁上的作用 序言1 作用的定义 是引起桥涵结构反应的各种原因的统称 2 作用的确定与选用 种类 型式 大小 须考虑以下因素作用的种类 型式 大小的确定是否得当 既关系到桥梁的安全 也关系到桥梁建设的投资桥梁设计基准使用期内结构总体的正常使用主要承重结构与局部受力构件强度储备的合理性对长 短桥跨的不同影响 4 第三章桥梁上的作用 序言3 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 5 第三章桥梁上的作用 序言4 按其作用的性质不同分类直接作用 是直接施加于结构上的外力 例如车辆 结构自重等间接作用 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5 按随时间的变化情况分类永久作用可变作用偶然作用 6 第三章桥梁上的作用 序言6 按照对结构的反应分类静态作用动态作用7 89规范 一直用 荷载 这一术语来概括引起桥涵结构反应的所有原因 永久作用称为恒载 将可变作用中对桥涵结构影响程度较大的几种称为活载 按新规范 荷载仅表示施加于结构上的直接作用 7 第一节永久作用 1 定义 在结构使用期内 量值不随时间变化或其变化值与平均值相比可以忽略不计的作用 2 主要类型结构自重 桥面铺装及附属设施 土的重力土侧压力预加应力混凝土收缩徐变影响基础变位影响水的浮力等 8 第一节永久作用 3 计算结构自重 桥面铺装及附属设施 G V g土的重力 G V g土侧压力 见规范预加应力 两种典型的计算方法混凝土收缩徐变影响 见规范基础变位影响 手算或者电算 考虑多种不同组合水的浮力 见规范 9 第一节永久作用 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 10 第二节可变作用 1 定义 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 2 主要类型汽车荷载汽车冲击力汽车离心力汽车引起的土侧压力汽车制动力人群荷载风荷载流水压力冰压力温度 均匀温度和梯度温度 作用支座摩阻力 11 第二节可变作用 汽车荷载汽车荷载等级 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车道荷载 均布荷载 集中荷载 用于桥梁结构的整体计算车辆荷载 一辆标准车 用于桥梁结构的局部加载 12 车道荷载的标准值 计算剪力效应时 集中荷载标准值PK应乘以1 2的系数 第二节可变作用 13 车辆荷载 一辆总重550kN的标准车 第二节可变作用 14 加载方式的实例 一个三跨连续梁中跨跨中最大正弯矩布载方式的确定加载方式 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 第二节可变作用 15 各级公路的汽车荷载等级 第二节可变作用 16 桥涵设计车道数 第二节可变作用 17 多车道汽车荷载的横向折减 第二节可变作用 18 大跨度桥梁上汽车荷载的纵向折减 对多跨连续结构 按最大计算跨径进行纵向折减 第二节可变作用 19 2 汽车冲击力冲击作用 冲击系数 的基本概念汽车以较高速度驶过桥梁时 由于桥面不平整 发动机震动等原因 会引起桥梁结构的振动 从而造成内力增大 这种动力效应称为冲击作用 在计算中采用静力学的方法来考虑 即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 第二节可变作用 20 2 汽车冲击力冲击系数 的计算当f 1 5Hz时 0 05当1 5Hz f 14Hz时 0 1767f 0 0157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例如 简支梁的计算公式 第二节可变作用 21 2 汽车冲击力 冲击力可以不予考虑的情况重力式墩台不计冲击力填料厚度 包括路面厚度 等于或大于0 5m的拱桥 涵洞不计冲击力 当汽车荷载的局部加载及在T梁 箱梁悬臂板上时 0 3 第二节可变作用 22 3 人群荷载取值当l0 50m时 人群荷载标准值为3 0kN m2 当l0 150m时 人群荷载标准值为2 5kN m2 当l0在50m 150m之间时 可由线性内插得到人群荷载标准值 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 第二节可变作用 23 3 人群荷载布载方式横向布置在人行道净宽内纵向布置 最不利布载位置人行道板应以4kN m2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 第二节可变作用 24 4 其他可变作用 1 汽车离心力定义 汽车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 当弯道桥梁的曲线半径等于或小于250m时 需考虑车辆的离心力作用 计算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值按下式计算式中V 设计行车速度 km h R 曲线半径 m 第二节可变作用 25 汽车离心力注意 计算多车道桥梁的汽车荷载离心力时 应考虑横向折减系数 计算曲线长度大于150m的桥梁的离心力时 应计入纵向折减系数 离心力的着力点在桥面以上1 2m 为计算简便 也可移至桥面上 不计由此引起的竖向力和力矩 第二节可变作用 26 4 其他可变作用 2 汽车引起土侧压力定义 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 计算 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 第二节可变作用 27 4 其他可变作用 3 汽车制动力定义 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 计算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 制动力的作用点在设计车道桥面以上1 2m处 在计算墩台时 可移至支座中心 第二节可变作用 28 第二节可变作用 4 其他可变作用 4 风荷载定义 当风以一定的速度向前运动遇到结构物阻碍时 结构就会承受风压 分类及其计算 顺风向 横风向 平均风压 静力计算的方法 脉动风压 随机振动理论 周期风压 动力计算 脉动风压 随机振动理论 平均风压 静力计算的方法 29 4 其他可变作用 4 风荷载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 第二节可变作用 30 4 其他可变作用 5 流水压力和冰压力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 桥墩的迎水面易做成圆弧形或尖端形 以减少流水和流冰压力 第二节可变作用 31 4 其他可变作用 6 温度作用温度作用指因温度的变化而引起的结构变形和附加力 温度的作用分类气温变化对静定和超静定结构的影响不同 第二节可变作用 均匀温差 年温差 的影响 梯度温差 日照温差 的影响 32 有效温度标准值 注 表中 内数值适用于昆明 南宁 广州 福州地区 年温差气温变化的幅度 可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 各种材料的线膨胀系数 可按设计规范采用 6 温度作用 第三章第二节可变作用 33 4 其他可变作用 6 温度作用梯度温差 日照温差 的影响正温差梯度温度反温差梯度温度砼结构和带砼桥面板的钢结构的竖向反温差为正温差的 0 5倍 第二节可变作用 34 4 其他可变作用 7 支座摩阻力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 第二节可变作用 35 5原公路桥涵设计可变作用 公路桥涵设计通用规范 JTJ021 89 基本可变荷载 桥梁的使用荷载 车辆 人群 由车辆间接引起的荷载 1 车辆荷载按照各种车辆统计值确定的轴重及轴距 按出现的几率分为 计算荷载 验算荷载 第二节可变作用 36 计算荷载 车列荷载 汽车 10级 汽车 15级 汽车 20级 汽车超 20级一列车队中可以有多辆车全桥可以有多列车队 37 验算荷载 履带 50 挂车 80 挂车 100和挂车 120全桥只允许布置一辆 38 车辆荷载的选用及布载规定车辆的选用 按公路的等级车辆的布置 按桥梁宽度确定车道数车辆荷载的折减 39 2 人群荷载公路桥涵3kN m2 城市郊区3 5kN m2人群荷载只与计算荷载同时考虑人行道板 以1 2kN集中竖向力作用在一块板上进行验算计算栏杆 水平推力0 75kN m 作用在栏杆柱顶 竖向力1kN m 作用在上部扶手 40 3 其它影响力汽车冲击力 公路桥涵设计通用规范 JTJ021 89 规定冲击系数与桥型及跨径有关 跨径越大冲击系数越小 计算方法以跨径为基准 41 离心力曲线桥梁半径小于250米时应计算汽车荷载的离心力汽车 平板挂车或履带车引起的土侧压力 计算桥台时使用 42 新旧规范的比较 1 比较新旧两种汽车荷载标准可知 整体上 公路 I级标准荷载基本保持汽车 超20级的荷载水平 公路 II级标准荷载基本保持汽车 20级的荷载水平 但局部有所提高 第二节可变作用 43 2 修订原汽车荷载标准的原因是基于以下几点 相比车道荷载 车队形式的汽车荷载设计计算工作量要大很多 由于车队的直接表现形式为间断性的集中荷载 随着结构计算跨径的增加 结构内力的增加呈间断和小幅跳跃式 从而客观地造成不同的结构或不同跨径的结构具有不同的安全度水平 44 原规范中标准汽车荷载的级差不明显 汽车 20级与汽车 15级标准荷载在大多数常规结构的设计后经济指标的差异在5 以内 而汽车 超20级与汽车 20级标准荷载的级差也不明显 由于上述两级标准荷载的差异具体体现在车队的加重车上 当结构较长 跨径较大或结构加载长度较长时 加重车的影响在逐步减小 45 对于原规范的汽车标准中的验算荷载 在大多数情况下 验算荷载不控制设计 即使验算荷载的荷载效应组合值大于汽车车队的计算荷载的效应组合值 两者的差距并不大对验算荷载的作用 原规范还允许适度地降低安全度验算荷载车辆通过桥梁时 即具体布载时受到许多控制因素的限制 故真正由验算荷载控制桥涵结构设计的情况并不多 因而验算荷载被取消 其影响间接反映在汽车荷载标准中 46 6城市桥梁设计可变作用 城市桥梁设计荷载标准 CJJ77 98 与现行的公路桥涵设计规范相近 但具体的一些取值或是计算方法有些差别 第二节可变作用 47 定义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 类型地震作用船舶或漂流物撞击力汽车撞击作用施工荷载 第三节偶然作用 48 图为各种原因造成的事故数量 从图中可以看出以下规律 地震造成的塌桥事故最多 占到了1 5还多 其次是设计失误 最少的是故意破坏 人为因素共造成281起塌桥事故 自然因素共造成起221塌桥事故 49 智利地震造成桥梁垮塌 50 地震力定义地震作用主要是指地震时强烈的地面运动所引起的结构惯性力 它是随机变化的动力荷载 其值的大小决定于地震强烈程度和结构的动力特性 频率与阻尼等 以及结构或杆件的质量 分类地震作用分竖直方向与水平方向 但经验表明 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 一般主要考虑水平地震作用 地震设防分类抗震设防要求以地震时地面最大水平加速度的统计值即地震动峰值加速度确定 地震动峰值加速度为0 10g以上地区的公路桥涵 应进行抗震设计 大于或等于0 40g地区的公路桥涵 应进行专门的抗震研究和设计 小于或等于0 05g地区的公路桥涵 除有特殊要求外 可采用简易设防 第三节偶然作用 51 地震力的计算烈度 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水平地震系数 计算方法 静力法 反应谱理论 动态时程分析地震力的计算 反应谱理论 静力法 第三节偶然作用 52 船只或漂流物撞击力 撞击力计算规范模拟试验实测资料防撞措施 消能及阻尼作用 第三节偶然作用 53 九江大桥9人遇难 54 金塘大桥4人遇难 55 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 防撞措施 消能及阻尼作用 和结构设计时予以考虑 第三节偶然作用 56 汽车撞击作用 第三节偶然作用 57 第四节作用效应组合 1基本概念 1 两个极限状态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 58 2 三个设计状况桥涵结构设计分为持久状况 短暂状况和偶然状况三种设计状况 持久状况系指桥涵建成后承受自重 汽车荷载等持续时间很长的状况 短暂状况为桥涵施工过程中承受临时性作用的状况 偶然状况是在桥涵使用过程中可能偶然出现的状况 每个工况需做的极限设计规定持久状况必须进行承载能力和正常使用两种极限状态设计 短暂状况一般只作承载能力极限状态设计 必要时才作正常使用极限状态设计 偶然状况要求作承载能力极限状态设计 不考虑正常使用极限状态设计 第四节作用效应组合 59 3 三个安全等级 一级 二级 三级 4 作用效应组合三原则各种作用并非同时作用于桥涵上 因此应当根据作用重要性的不同和同时作用的可能性进行适当组合 以确定安全合理的作用效应的组合值 可变作用的出现对结构产生有利影响时 该作用不应参与组合 实际不可能同时出现或同时参与组合概率很小的作用 第四节作用效应组合 60 5 代表值 永久作用应采用标准值作为代表值 可变作用应根据不同的极限状态分别采用标准值 频遇值或准永久值作为其代表值 承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构强度时应采用标准值为可变作用的代表值 正常使用极限状态按短期效应 频遇 组合设计时 应采用频遇值为可变作用的代表值 按长期效应 准永久 组合设计时 应采用准永久值为可变作用的代表值 偶然作用取其标准值为代表值 第四节作用效应组合 61 2 承载能力极限状态理论基础承载能力极限状态设计是以塑性理论为基础 其设计原则即 荷载效应最不利组合的设计值与重要性系数的乘积 必须小于或等于结构抗力的设计值 组合内容 采用标准值为代表值 基本组合为永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合 第四节作用效应组合 62 2 承载能力极限状态组合内容 采用标准值为代表值 基本组合为永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合偶然组合为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 多个偶然作用不同时参与组合 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 也可以不考虑可变作用参加组合 第四节作用效应组合 63 举例说明 一座桥梁的作用效应及其组合 设计荷载 永久作用 一期恒载二期恒载基础变位砼收缩 徐变可变作用 汽车荷载人群荷载温度作用 整体均匀温差 局部温差 风荷载 极限风速 运营风速 横桥向 顺桥向偶然作用 地震作用 反应谱 时程分析船舶撞击作用 64 荷载组合 组合一 恒载 徐变 收缩 汽车 人群组合二 恒载 徐变 收缩 汽车 人群 温度 沉降组合三 恒载 徐变 收缩 汽车 人群 顺桥向风 有车 温度组合四 恒载 徐变 收缩 风 无车 温度组合五 恒载 徐变 收缩 地震组合六 恒载 徐变 收缩 满布人群荷载组合七 恒载 徐变 收缩 船撞力 结构验算 严格执行有关设计规范和标准 举例说明 一座桥梁的作用效应及其组合 65 正常使用极限状态设计是以弹性理论或弹塑性理论为基础 涉及构件的抗裂 裂缝宽度和挠度三个方面的验算 3正常使用极限状态 a 限制应力 b 短期作用效应下的变形 c 各种作用效应组合下的裂缝宽度 第四节作用效应组合 66 第四节作用效应组合 3正常使用极限状态组合内容其作用效应组合有两种 短期效应组合和长期效应组合 短期效应组合为永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合 即对应于短暂状况的设计要求 其组合表达式为长期效应组合为永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合 即对应于持久状况的设计要求 其表达式为 67 第四节作用效应组合 两个注意事项 结构构件需要进行弹性阶段截面应力计算时 各作用的分项系数及组合系数均可取1 各项应力限至则根据各类规范采用验算结构的抗倾覆 滑动稳定时 稳定系数 摩擦系数及各作用的分项系数根据不同结构按相关规范确定 68 第四节作用效应组合 4本节小结四种作用组合 承载能力极限状态 正常使用极限状态 基本组合 偶然组合 短期效应组合 长期效应组合 69 补充内容 70 1 2 恒荷载 1 4 汽车荷载1 2 恒荷载 1 4 汽车荷载 0 8 1 4 人群荷载1 2 恒荷载 1 4 汽车荷载 0 8 1 4 人群荷载 1 1 风荷载 1 2 恒荷载 1 4 汽车荷载 0 6 1 4 人群荷载 1 1 风荷载 1 4 土压力 1 2 恒荷载 1 4 汽车荷载 0 6 1 4 人群荷载 1 1 风荷载 1 4 土压