桥梁工程第三章桥梁的作用

1、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,action,所有引起结构反应的原因,引起结构外加变形,约束变形的,原因,如基础,变位、混凝土收缩和徐变,温度变化等,直接作用,间接作用,又称为,荷载,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,作,用,直接施加于结构上的外力,如结构重力、车辆、人群等,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,针对不同设

2、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,设计基准期,Design reference period,简单地讲,它就是在确定某些作用,这些作用的最大值概率分布与,时间有关，如风荷载、车辆活载等,的标准值时需要人,为规定的一个基准时间参数。对桥梁结构，设计基准,期通长取,100,年,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

3、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,正常使用极限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,正常使用极限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,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

4、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,在进行桥梁结构,尤其是新型结构,分析时，往往需要预,先估算恒载。通常，当估算的恒载与设计图完成后确定,的恒载之间的差异较小,例如,不超过,3,时，不必修正,设计；否则有必要按设计图重新计算恒载，再次进行结,构分析,4.2,永久作用,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

5、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

6、，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

7、、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,一、汽车荷载,85,年版规范中的汽车活载,一、汽车荷载,2,公路的车辆荷载,一、汽车荷载,公路一,I,级和公路一级汽车,荷载采用相同的车辆荷载标准,值,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,21,3,公路等级与汽车荷载等级的关系,公路,II,级,公路,II,级,公路,II,级,公路,I,级,公路,I,级,汽车荷载等级,四

8、级公路,三级公路,二级公路,一级公路,高速公路,公路等级,一、汽车荷载,各级公路桥涵的汽车荷载等级,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,公路桥涵设计车道数及横向折减系数,车

9、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,0.93,L,0,1000,0.94,800,L,0,1000,0.95,600,L,0,800,0.96,400,L,0,600,0.97,150,L,0,400,纵向折减系数,计算跨径,L,0,m,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

10、,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

11、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,冲击力受线路状态,如道路不平顺,车,辆类型,如机车的偏心轮作用,以及桥梁结构,形式等因素的综合影响,目前还难以在设

12、计,中精确考虑。通常的做法是，在桥梁动载试,验的基础上提出近似计算公式，把动力问题,简化成静力问题来处理,二、冲击力,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,二、冲击力,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

13、,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,0.1767ln,f,0.0157,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,1.3,1.5,f,f,14,f,二、冲击力,公路桥梁的人群荷载集度,3kN/m,2,L,0,50m,2.5kN/m,2,L,0,150m,，其间线性内插；城市郊区行,人,密,集,

14、地,区,取,上,述,值,的,1,1,5,倍,专,用,人,行,桥,取,3.5kN/m,2,人行道板还应以,4kN/m,2,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,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（

15、铁路桥,C,V,R,2,127,四、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,F,wh,横桥向风荷载标准值,kN,W,d,设计基准风压,kN/m,2,k,0,设计风速重现期换算系数,k,1,风载阻力系数,k,3,地形、地理条件系数,wh,d,wh,A,W,k,k,k,F,3,1,0,五、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

16、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,七、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,温度的变化可分为,年平均,均匀温度变化,和,梯度温度,温差,两种情,况,前者表示结构整体在一年中的温度变化,后者表示结构截面上的不同点或不同材料之间的,温度差异，即沿横截面竖向、横向的温度梯度,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,

17、内部将产生温差力,七、温度作用,由日照、骤冷等天气情况引起的温差，则对静定或超静,定的桥梁结构，均可能会产生附加力。例如，由于材料导热,性的差异，在由混凝土桥面板和钢梁组成的简支结合梁中,会因温差在截面土产生附加应力,均匀温度的取值，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,均匀温度的变化值,应自结构合龙时的温度算起,例如，若桥位处最高和最低月平均气温分别为,40,C,和,0,C,而架梁或结构合龙时的温度为,20,C,则均匀温度的变,化幅度为,40,C,而用于计算温度作用效应的均匀温度值为,20,C,对公路桥，计算由温度梯度引起的温度作用效应时,竖向温度梯度,可,采

18、用图所示的曲线,不计及横向温度梯度作用,考虑到结构两侧腹板外的悬臂板较,长，腹板受太阳直接辐射较少，梁底始终不受日照,七、温度作用,图中,T,1,表示桥面板表面的温度,T,2,表示桥面板表面下,100mm,处的温度,它们,的取值依据桥面铺装类型而定,H,为梁高,A,为对应温度梯度曲线上零点与,T,2,间的的结,构高度,按结构类型及梁高取值，例如，当,混凝土结构的梁高大于或等于,400mm,时，取,A=300mm,t,为结合梁中混凝土桥面板的厚度,位于河流中的桥墩会受到流水压力的作用。通常，桥墩,上游,迎水一侧会形成高压区,下游一侧会形成低压区,这种前后压力,差便构成水流对桥墩的压力,流水压力标

19、准值与桥墩的截面形状、表面粗糙率、水流流速,和形态等有关，其计算公式为,八,流水压力、冰压力和支座摩阻力,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,件及墩台的结构型式，考虑冰荷载的作用,冰荷载可分为以下几种,河流流冰,因顺流而下、撞击桥墩而,产生的动压力,由于风及水流作用于,常在水库内形成的,大面积冰层产生,的静压力,冰覆盖层受温度影响膨胀,且受到约束,时产生的静压力,冰堆整体推移产生的静压力,与大面积冰层的情况类似,冰层因水位升降产生的竖向作用力,桥梁结构受冰部位宜采用实体结构。对位于强烈流冰河流中,的桥墩，其迎冰面宜做成圆弧形、多边形或尖角,影响冰压力的自然因素众多且试验资料欠

20、缺,应结合工,程具体分析,八,流水压力、冰压力和支座摩阻力,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，计算公式为,W,F,式中,W,作用于活动支座上由上部结构重力产生的效应,对直桥,指竖向反力；对弯桥,还包括径向反力,支座的摩擦系数，其根据支座种类取值；例如，对直,接与混凝土面接触的板式橡胶支座,0.30,八,流水压力、冰压力和支座摩阻力,44,八,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

21、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,地震区桥梁的设计计算，必须考虑地震力,earthquake force,地震力的计算涉及地震理论、结构动力学、工,程地质等多方面的知识,详细计算方法和结构抗震设计可参见公路工,程抗震设计规范,JTJ004,和铁路工程抗

22、震设计,规范,GBJ111,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,地震波传播,震区地面运动,桥梁基础受到强迫运动,桥梁振动,地震力：指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力,地面水平运,动加速度与结构质量的乘积,它不仅与地面运动的强烈程度有关，也与结构的动力特性,频率,和振型,有关，还与桥址处的地质情况有关,二、地震力的考虑,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,二、地震力的考虑,二、地震力的考虑,二、地震力的考

23、虑,三、船舶撞击力的考虑,1,撞击力计算,在通行船舶或有漂流物的河流中，河中墩台需要考虑船舶,或漂流物的撞击力,collision impact,船舶或漂流物与桥梁结构的碰撞过程十分复杂，其与碰,撞时的环境因素,风浪、气候、水流等,船舶特性,类型、尺,寸、速度、装载情况、船体强度和刚度等,桥梁结构特性,尺寸、形状、材料、质量和抗力等,等有关,公路桥梁规范按照“静力法”，并依据,2004,年版内河,通航标准,GB50139,给出了一至七级内河航道上、不同吨位的船舶可能产,生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值,对近海通行海轮区域的船舶,吨级从,3000,50000t,产,生的横桥向和顺桥向撞击作用标准

24、值，则是根据国内外,研究成果，并经综合分析比较确定的,当桥墩配置了防撞设施时，可不计撞击作用,三、船舶撞击力的考虑,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,Sunshine Skyway Bridge, FL USA,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

25、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

26、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,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,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,4.5,作用效应组合,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,作用设计值效应,作用设计值效应作用标准

27、值效应作用效应分项系数,作用效应,Effect of an action,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,Design value of an action effect,作用标,准值效应与,分项系数,的乘积,分项系数,Partial safety factor,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,1,组合中的相关术语解释,4.5,作用效应组合,2,公路桥梁作用效应组合方法,作用效应基本组合,Fundam

28、ental combination for,action effects,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,Accidental combination for,action effects,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,Combination for short-term,action effects,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,Combination for long-term,actio

29、n effects,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,2,作用效应组合的不同方法,4.5,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,m,i,n,j,Qjk,Qj,c,k,Q,Q,Gik,Gi,ud,S,S,S,S,1,2,1,1,0,0,0,结构重要性系数,1.1,1.0,0.9,S,ud,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,S,Gik,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,S,Q1k,汽车荷载效应（含冲击力、离心力）的标准值,c,除汽

30、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,S,Qjk,除汽车荷载效应外的其他第,j,个可变作用效应的标准值,A,承载力极限状态下，作用效应的基本组合,4.5,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,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,1.4,4.5,作用效应组合,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