桥梁设计荷载

1、桥梁设计荷载1 第三章第三章 桥梁设计作用桥梁设计作用 桥梁设计荷载2 桥毁录像 测试实验 桥梁设计荷载3 引起结构反应的原因可以按其作用的性质分为 截然不同的两类： 一类是施加于结构上的外力，如车辆、人群、 结构自重等，它们是直接施加于结构上的，可 用“荷载”这一术语来概括。 另一类不是以外力形式施加于结构，它们产 生的效应与结构本身的特性、结构所处环境等 有关，如地震、基础变位、混凝土收缩和徐变、 温度变化等，它们是间接作用于结构的 国际上普遍地将所有引起结构反应的原 因统称为“作用作用” 桥梁设计荷载4 现行桥规将“作用”定义为施 加在结构上的一组集中力或分布力， 或引起结构外加变形或约

2、束变形的原 因。前者称为直接作用直接作用，亦称荷载，后 者称为间接作用间接作用。 桥梁设计荷载5 第一节 作用的分类和代表值 结构作用的分类方法有多种： 1、按时间的变异性和出现的可能性，作用 可以分为三类： 永久作用、可变作用和偶然作用。这种分类 是结构上作用的基本分类。 永久作用是经常作用的其数值不随时间变化 或变化微小的作用； 可变作用的数值是随时间变化的； 偶然作用的作用时间短暂，且发生的机率很 小。 桥梁设计荷载6 2、按照空间位置的变异性，可以分为两类 1）固定作用：在结构空间位置上具有固定位置的 作用，但其量值是随机的，如结构重力、固定的设 备等。 2）自由作用：在结构空间一定范

3、围内可以改变位 置的作用，如汽车荷载、人群荷载等。 3、按照结构的反应，可以分为两类 1）静态作用：在结构上不产生加速度或产生的加 速度可以忽略不计的作用，如结构自重等。 2）动态作用：在结构上产生不可忽略的加速度的 作用，如汽车荷载、地震作用等。 桥梁设计荷载7 作 用 分 类 1 2 3 4 5 6 7 永久作用 结构重力（包括结构附加重力） 预加力 土的重力 土侧压力 混凝土收缩及徐变作用 水的浮力 基础变位作用 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 可变作用 汽车荷载 汽车冲击力 汽车离心力 汽车引起的土侧压力 人群荷载 汽车制动力 风荷载 流水压力 冰压力 温

4、度（均匀温度和梯度温度）作用 支座摩阻力 19 20 21 偶然作用 地震作用 船舶或漂流物的撞击作用 汽车撞击作用 桥梁设计荷载8 桥规对桥梁设计作用的相关术语描述如下： 作用代表值：结构或结构构件设计时，针对不同设计目的 所采用的各种作用规定值，它包括作用标准值、准永久值和频遇 值等。 作用标准值：作用的标准值是结构或结构构件设计时，采 用的各种作用的基本代表值，它是结构设计的主要参数。反映了 作用在设计基准期内（公路桥涵结构的设计基准期为100年）随时 间的变异，并按其在设计基准期内的最大概率分布的某一分位值 确定。 作用频遇值：结构或构件按正常使用极限状态短期效应组 合设计时，采用的一

5、种可变作用代表值，其值可根据在足够长观 测期内作用任意时点概率分布的0.95分位值确定。 作用准永久值：结构或构件按正常使用极限状态长期效应组 合设计时，采用的另一种可变作用代表值，其值可根据在足够长 观测期内作用任意时点概率分布的0.5（或略高于0.5）分位值确定。 作用效应：结构对所受作用的反应，如由作用产生的结构或 构件的轴力、弯矩、扭矩、位移、应力、裂缝等。 桥梁设计荷载9 第二节 永久作用 永久作用是在结构使用期间，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。 永久作用采用标准值作为代表值。永久 作用的标准值，对结构重力（包括结构 附加重力），可按结构构件的设计

6、尺寸 与材料的重力密度计算确定。 桥梁设计荷载10 永久作用主要有以下内容： 一、结构重力一、结构重力 二、预加力二、预加力 三、混凝土收缩及徐变作用三、混凝土收缩及徐变作用 四、其它永久作用四、其它永久作用 作用于墩台上的土的重力、土侧压力以 及水浮力对水中结构部分的作用；基础 变位影响力等。 桥梁设计荷载11 第三节 可变作用 可变作用是在结构使用期间，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。 可变作用应根据不同的极限状态分别采用取 标准值、频遇值和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作为可变作用的代表 值。正常使用极限状

7、态按短期效应（频遇） 组合设计时，应采用频遇值作为可变作用的 代表值；按长期效应（准永久）组合设计时， 应采用准永久值作为可变作用的代表值。 桥梁设计荷载12 可变作用 种类 一、汽车荷载一、汽车荷载 车辆荷载 车道荷载 =140KN=22.5KN/m =37.5KN/m M Q 图 1-4-6 城 A级 车 道 荷 载 桥梁设计荷载13 横隔梁、行车道板、桥台或挡土墙后土压力的 计算应采用车辆荷载。 主梁、主拱和主桁架等的计算应采用车道荷载。 进行桥梁结构计算时不得将车辆荷载和车道荷 载的作用叠加。 桥梁设计荷载14 v公路汽车荷载 公路汽车荷载等级 公路级汽车荷载 公路级汽车荷载 公路荷载

8、 城市道路荷载 公路级、级车辆荷载： 标准载重汽车采用五轴式货车加载，总重550kN 桥梁设计荷载16 桥梁设计荷载17 车道荷载应按均布荷载加一个集中荷载 计算。 公路级、级车道荷载： K q P K 桥梁设计荷载18 公路级 均布荷载标准值qk=10.5kN/m 跨径50m 集中荷载Pk=360kN 550之间内插 公路级 按公路公路级的0.75倍 桥梁设计荷载19 车辆的布置按桥梁宽度确定车道数 桥面净宽 W(m) 车辆单向行驶时车辆双向行驶时 横向布置车队数 W7.01 7.0W10.57.0W14.02 10.5W14.03 14.0W17.514.0W21.04 17.5W21.0

9、5 21.0W24.521.0W28.06 24.5W28.07 28.0W31.528.0W35.08 桥梁设计荷载20 车辆荷载的折减 横向折减系数 横向布置 车队数 345678 横向折减 系数 0.780.670.600.550.520.50 纵向折减系数 计算跨径 L(m)纵向折减系数计算跨径 L(m)纵向折减系数 150L4000.97800L10000.94 400L6000.96L10000.93 600L8000.95 桥梁设计荷载21 v城市道路汽车荷载 城市汽车荷载等级 城级汽车荷载 城级汽车荷载 汽车荷载： 车辆荷载 车道荷载 城级车辆荷载： 标准载重汽车采用五轴式货车

10、加载，总重700kN 3 .6 m6 .0 m7 .2 m 1 8 .0 m 3.0m 车 轴 编 号12345 轴 重 （ K N ） 轮 重 （ K N ） 总 重 （ 7 0 0 K N ） 6 0 3 0 1 4 0 7 0 2 0 0 1 0 0 1 6 0 8 0 1 4 0 7 0 1.2m 0.6m 1.8m 0.25m0.25m 0.6m0.6m 0.6m 图 1 - 4 - 4 城 A 级 标 准 车 辆 纵 、 平 面 布 置 城级车辆荷载： 标准载重汽车应采用三轴式货车加载，总重300kN 车轴编号123 轴重（K N ） 轮重（K N ） 总重（3 0 0 K N ）

11、 6 0 3 0 1 2 0 6 0 1 2 0 6 0 1 . 2 m 0.6m1.8m 0.25m 0.6m 0.6m 图1 - 4 - 5 城B 级标准车辆纵、平面布置 3 . 6 m 4 . 8 m 0.25m 0 . 2 5 m 桥梁设计荷载24 城级车道荷载和城级车道荷载应按均 布荷载加一个集中荷载计算。 均布荷载和集中荷载的标准值应按桥梁的跨径 确定。 跨径2-m 城级 计算弯矩，车道荷载的均布荷载标准值 qM=22.5kN/m； 计算剪力，均布荷载标准值qQ=37.5kN/m 集中荷载P=140kN 城、B级车道荷载 桥梁设计荷载25 城B级 计算弯矩，车道荷载的均布荷载标准值

12、 qM=19.0kN/m； 计算剪力，均布荷载标准值qQ=25.0kN/m 集中荷载P=130kN 桥梁设计荷载26 城级车道荷载 城B级车道荷载 =140KN=22.5KN/m =37.5KN/m M Q 图1-4-6 城A级车道荷载 =130KN=19.0KN/m =25.0KN/m M Q 图1-4-7 城B级车道荷载 桥梁设计荷载27 跨径m-150m 城级 计算弯矩，qM=10.0kN/m 计算剪力，qQ=15.0kN/m 集中荷载P=300kN 车道数等于或大于4条时，计算弯矩不乘 增长系数。计算剪力乘增长系数1.25。 桥梁设计荷载28 城B级 计算弯矩，qM=9.5kN/m 计

13、算剪力，qQ=11.0kN/m 集中荷载P=160kN 车道数等于或大于4条时，计算弯矩不乘增长 系数。计算剪力乘增长系数1.30。 桥梁设计荷载29 城级车道荷载 城B级车道荷载 图1-4-8 城A级车道荷载 =300KN =10.0KN/m =15.0KN/m M Q 图1-4-9 城B级车道荷载 =160KN =9.5KN/m =11.0KN/m M Q 桥梁设计荷载30 车道荷载的横向布置： 每车道为3m宽均布 或等效荷载车轮集中力形式布置 横向轮距同公路桥梁 设计车道数目与行车道总宽度，车道数的横 向折减：按城市桥梁设计荷载标准 （CJJ 7798）的有关规定执行。 桥梁设计荷载31

14、 二、汽车冲击力 冲击作用：车辆以较高速度驶过桥梁时， 由于桥面不平整、车轮不圆、发动机抖 动等原因， 使桥梁结构引起振动。 冲击系数：1+ Hzf5 . 1 05. 0 HzfHz145 . 1 0157. 0ln1767. 0f Hzf14 45. 0 f结构(自振频率 )基频（Hz） 桥梁设计荷载32 三、汽车离心力三、汽车离心力 离心力是一种伴随着车辆在弯道行驶时 所产生的惯性力，其以水平力的形式作 用于桥梁结构，是弯桥横向受力与抗扭 设计计算所考虑的主要因素。 弯道桥的曲线半径等于或小于250m时， 应计算汽车荷载引起的离心力。 离心力标准值为车辆荷载标准值乘以离 心力系数C计算。

15、R V C 127 2 桥梁设计荷载33 四、汽车引起的土侧压力四、汽车引起的土侧压力 汽车荷载引起的土压力采用车辆荷载加 载，并按下列规定计算： 车辆荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏 棱体上引起的土侧压力，可按下式换算 成等代均布土层厚度h（m）计算： 0 Bl G h 桥梁设计荷载34 六、汽车制动力 制动力：汽车在桥上刹车时，为克服其惯性力而在 车轮与路面之间发生的滑动摩擦力。 一个车道上的制动力标准值按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。 多车道的长桥要按跨度和车道数

16、 折减。 制动力的着力点在桥面以上1. 2m处，计算墩台时， 可移至支座铰中心或支座底座面上。 桥梁设计荷载35 六、人群荷载 计算跨径小于或等于50m时，人群荷载标准值为 计算跨径大于50m，人群荷载标准值为 计算跨径在50m150m之间时，可由线性内插 城市郊区行人密集地区一般为上述规定值的 1.15倍 专用人行桥梁，人群荷载标准值为 2 3mkN 2 2.5kN m 2 3.5kN m 桥梁设计荷载36 七、风荷载七、风荷载 风对结构作用的计算有三个不同的方面： 对于顺风向的平均风压，采用静力计算 方法； 对于顺风向(或横风向)的脉动风，则应按 随机振动理论计算； 对于横风向的周期性风力

17、，产生横风向 振动，偏心时还产生扭转振动，通常作 为确定荷载对结构进行动力计算。 桥梁设计荷载37 八、温度（八、温度（均匀温度和梯度温度）均匀温度和梯度温度） 作用作用 均匀温度作用：均匀温度作用：温度变化导致梁体纵向均匀地位 移，当结构的位移受到约束时会引起温度次内力。 计算均匀温度作用引起外加变形时，应从结 构受到约束（架梁或结构合龙）时的结构温度作 为起点，计算结构最高和最低有效温度的作用效 应。 梯度温度作用梯度温度作用 ：太阳辐照作用下，使梁体沿高度 方向形成非线性的温度梯度，导致结构产生次应 力 桥梁设计荷载38 1）在进行结构承载能力极限状态和正常使用极限状 态设计时，应根据当

18、地具体情况、结构物使用的材料 和 施工条件等因素考虑由温度作用而引起的结构效应。 各 种结构构的线膨胀系数规定于表1-3-7 。 线膨胀系数 结构种类线膨胀系数（以摄氏度计） 钢结构 混凝土和钢筋混凝土及预应力混凝土结构 混凝土预制块砌体 石砌体 0.000012 0.000010 0.000009 0.000008 表1-3-7 桥梁设计荷载39 2）计算桥梁结构因均匀温差作用引起外加变形或约束变形时，应从 结构受到约束时的平均温度开始，考虑最高温度和最低温度的作用 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1-3-8取用。 公路桥梁结构的有效温度标准

19、值（） 注：气候分区按下列规定：严寒地区，最冷月平均温度低于-10；寒冷地区， 最冷月平均温度低于010；温热地区，最冷月平均温度高于0。气候分区中温 热地区包括温和地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区。 气候分区 钢桥面板钢桥混凝土桥面板钢桥混凝土、石桥 最高最低最高最低最高最低 严寒地区46-5339-3935-29 寒冷地区48-3041-2238-15 温热地区48-2342-1738-11 表1-3-8 桥梁设计荷载40 3）计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时，可采用图1-3-4所 示的竖向梯温度曲线，其桥面板表面的最高规定于表1-3-9 。对混 凝土结构，当梁高H小于400mm时，图

20、中A=H-100（mm）；梁高H不 小于400mm时，A=300mm. 混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温 差为正温差乘以-0.5。 竖向日照温差计算的温度基数 T1 ()T2（） 混凝土铺装256.7 50mm沥青混凝土铺装层206.7 100mm沥青混凝土铺装层145.5 100mmA T1 T2 上部结构高度H 图1-3-4竖向梯度温度 表1-3-9 桥梁设计荷载41 九、支座摩阻力、流水压力及冰压力九、支座摩阻力、流水压力及冰压力 上部结构有相对于支座运动动的趋势， 支座对梁体产生一个反向的力，即支 座摩阻力。 支座摩阻力可按下式计算： 摩阻力的大小取决于上部构造自重

21、的 大小、支座类型以及材料等。 另外，在设计墩台时，尚需考虑流水 压力或冰压力 WF 桥梁设计荷载42 偶然作用在设计使用期内出现概率较小，但一旦出 现，其持续时间较短而数值很大。 包括地震作用、船只或漂流物的撞击作用以及汽车 撞击作用。 一、地震作用一、地震作用 地震作用主要是指地震时强烈的地面运动引 起的结构惯性力，它是随机变化的动力作用，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。 第四节 偶然荷载 桥梁设计荷载43 地震作用分竖直方向与水平方向，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，一般主要考虑水平地震作用。 桥规

22、是以地震动峰值加速度描述地震作用的影 响。地震动峰值加速度为0.10g，0.15g，0.20g， 0.30g地区的公路桥涵，应进行抗震设计。 地震动峰值加速度大于或等于0.40g地区的公路 桥涵，应进行专门的抗震研究和设计。 桥梁设计荷载44 对于单自由度体系的地震力的计算式可表 达为： 这就是结构在地震时的最大惯性力，它以 静力荷载的形式表达。根据规范算得结构 的地震力后，可采用一般的静力学方法计 算结构的内力与变形。 重要的桥梁工程，必须进行场地地震安全 性评价，确定抗震设防要求后进行抗震设 计。 g a a g S Pc Wck WcmgcmS g 桥梁设计荷载45 二、船舶或漂流物的撞

23、击作用二、船舶或漂流物的撞击作用 跨越江、河、海湾的桥梁，必须考虑船舶或漂 流物对桥梁墩台的偶然作用。 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、船舶特性、桥梁结构 因素及驾驶员的反应时间等因素有关。 对可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，应根据 桥墩的自身抗撞击能力、桥墩的位置和外形、 水流流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速 度等因素作桥墩防撞设施的设计。 桥梁设计荷载46 三、汽车的撞击作用三、汽车的撞击作用 桥梁结构必要时可考虑汽车的撞击作用。 汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取 1000kN，在车辆行驶垂直方向取500kN， 两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力 作用

24、于行车道以上1.2m处，直接分布于 撞击涉及的构件上。 桥梁设计荷载47 第五节 极限状态设计法 公路桥涵结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态 进行设计。 一、承载能力极限状态一、承载能力极限状态 承载能力极限状态是对应于结构或其构件达到最大承载能 力或出现不适于继续承载的变形的状态。具体来说可以分 成如下几种状态： 1、整个结构或其一部分作为刚体而失去平衡（如倾覆、滑 移等）； 2、结构构件或其连接因达到其材料极限强度而破坏； 3、结构转变成机动体系； 4、结构或构件丧失稳定性（如柱的压屈失稳等）； 5、结构或构件由于材料疲劳而导致破坏； 6、由于材料的塑性或徐变变形过大，或由于截面开

25、裂而引 起过大的几何变形等，致使结构或构件不再能继续承载和 使用（例如拱顶严重下挠，引起拱轴线偏离过大等）。 桥梁设计荷载48 二、正常使用极限状态二、正常使用极限状态 正常使用极限状态是对应于桥涵结构或其 构件达到正常使用或耐久性的某项限值的 状态。正常使用极限状态以弹性理论或弹 塑性理论为基础，主要进行以下三个方面 的验算： 应力限制： 变形限制： 裂缝宽度限制： d ffd d 桥梁设计荷载49 三、三种设计状况三、三种设计状况 公路桥涵应根据不同种类的作用（或荷载）及其 对桥涵的影响、桥涵所处的环境条件，考虑以下 三种设计状况，并对其进行相应的极限状态设计。 1、持久状况。桥涵建成后承

26、受自重、汽车荷载等 持续时间很长的状况。该状况下的桥涵应进行承 载能力极限状态和正常使用极限状态设计。 2、短暂状况。桥涵施工工程中承受临时性作用的 状况。该状况下的桥涵仅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。 3、偶然状况。在桥涵使用过程中可能偶然出现的 状况。该状况下的桥涵仅作承载能力极限状态设 计。 桥梁设计荷载50 第六节 作用效应组合 一、作用效应组合一、作用效应组合 桥梁结构通常要同时承受多种作用的作用，在进 行结构设计时，应考虑结构上可能同时出现的作 用，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。 1. 只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其

27、效应的组合。 2. 当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利 影响时，该作用不应参与组合。 3. 施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结 构所处条件而定 4. 多个偶然作用不同时参与组合。 桥梁设计荷载51 二、按承载能力极限状态设计时的组合二、按承载能力极限状态设计时的组合 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。 1. 基本组合 基本组合是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： m i n j QjkQjckQQGikGiud SSSS 12 1100 001 12 mn udGidQ dcQjd i

28、j SSSS 或 桥梁设计荷载52 式中： 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值； 结构重要性系数，按表1-3-24规定的结构设计安全等级采 用。对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取不小 于1.1、1.0和0.9； 12 () mn oudoGiGiKQlQlKcQjQjk ij SSSSR ud S o 公路桥涵结构的安全等级 表1-3-24 o 安全等级桥涵类型结构重要性系数 一级特大桥、重要大桥1.1 二级大桥、中桥、重要小桥1.0 三级小桥、涵洞0.9 Gi 第i个永久作用效应的分项系数，按表1-3-11的规定采用； 12 () mn oudoGidQldcQjd ij

29、SSSSR 桥梁设计荷载53 永久作用效应的分项系数 表1-3-25 编 号 作用类别 永久作用效应分项系数 对结构的承载能力 不利时 对结构的承载能 力有利时 1 混凝土和圬工结构重力 （包括结构附加重力） 1.2 1.0 钢结构重力（包括结构附加重力）1.11.2 2预加力1.21.0 3土的重力1.20.9 4土侧压力1.41.0 5混凝土收缩及徐变作用1.01.0 6水的浮力1.01.0 7 基础变 位作用 混凝土和圬工结构0.50.5 钢结构1.01.0 注：本表编号1中，当钢桥采用钢桥面板时，永久作用效应分项系数取1.1；当 采用混凝土桥面板时，取1.2。 桥梁设计荷载54 第i个

30、永久作用效应的标准值； 汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项 系数，取 =1.4。当某个可变作用在效应组合中超过汽车 荷载效应时，则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽 车荷载的分项系数；对专为承受某作用而设置的结构或装置， 设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值； 汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准 值； 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击 力、离心力）、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项 系数，取 =1.4，但风荷载的分项系数取 =1.1； GiK S lQ kQ S l Qj Qj Qj 12 () mn oudoGiGiKQlQlKcQjQjk ij SSSSR 桥梁设计荷载55 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、 离心力）外的