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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（Designreferenceperiod）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，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2007-12-274.3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、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Ⅱ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0.93L0≥10000.94800≤L0＜10000.95600≤L0＜8000.96400≤L0＜6000.97150＜L0＜400纵向折减系数计算跨径L0（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JTGD60〉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。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μ5冲击系数μ可按下式计算：当Hz时，μ=0.05当1.5Hz14Hz时，μ=0.1767lnf－0.0157当Hz时，μ=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μ=1.3。1.5ff14f二、冲击力•公路桥梁的人群荷载集度：3kN/m2（L0≤50m），2.5kN/m2（L0≥150m），其间线性内插；城市郊区行人密集地区取上述值的1.15倍；专用人行桥取3.5kN/m2。•人行道板还应以4kN/m2（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（铁路桥）。CVR2127四、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whdwhAWkkkF310五、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－Ⅰ级汽车荷载的制动力标准值不得小于165kN；公路－Ⅱ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，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:T1表示桥面板表面的温度;T2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T2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