第三章桥梁的作用

第三章桥梁的作用第三章桥梁的作用第一节规范中有关作用的规定一、作用分类、代表值1．作用分类公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用和偶然作用三类。编号作用分类作用名称１永久作用结构重力（包括结构附加重力）２预加力３土的重力４土侧压力５混凝土收缩及徐变作用６水的浮力７基础变位作用８可变作用汽车荷载９汽车冲击力10汽车离心力11汽车引起的土侧压力12人群荷载13汽车制动力14风荷载15流水压力16冰压力17温度（均匀温度和梯度温度）作用18支座摩阻力19偶然作用地震作用20船舶或漂流物的撞击作用21汽车撞击作用2．作用代表值公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代表值。1）永久作用应采用标准值作为代表值。2）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作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。3）偶然作用取其标准值作为代表值。3．作用代表值的取用作用的代表值按下列规定取用：1）永久作用的标准值，对结构自重（包括结构附加重力），可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定。2）可变作用的标准值应按本规范有关章节中的规定采用。可变作用频遇值为可变作用标准值乘以频遇值系数ψ1。可变作用准永久值为可变作用标准值乘以准永久值系数ψ2。3）偶然作用应根据调查、试验资料，结合工程经验确定其标准值。作用的设计值规定为作用的标准值乘以相应的作用分项系数。二、永久作用定义;在结构使用期内，其量值不随时间变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计的作用称为永久作用。结构自重及桥面铺装、附属设备等附加重力均属结构重力，结构重力标准值可按表3.2.1所列常用材料的密度计算。表3.1.2常用材料的重力密度材料种类重力密度（KN/m3）材料种类重力密度（KN/m3）钢、铸钢78.5浆砌片石23.0铸铁72.5干砌块石或片石21.0锌70.5沥青混凝土23.0—24.0铅114.0沥青碎石22.0黄铜碎（砾）石21.0青铜填土17.0—18.0钢筋混凝土或预应力混凝土25.0—26.0填石19.0—20.0混凝土或片石混凝土24.0石灰三合土、石灰土17.5浆砌块石或料石24.0—25.0预加力在结构进行正常使用极限状态设计和使用阶段构件应力计算时，应作为永久作用计算其主效应和次效应，并计入相应阶段的预应力损失，但不计由于预加力偏心距增大引起的附加效应。在结构进行承载能力极限状态设计时，预加力不作为作用，而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分，但在连续梁等超静定结构中，仍需考虑预加力引起的次效应。1．土的重力及土侧压力计算土的重力及土侧压力按下列规定计算：1）静土压力的标准值可按下列公式计算：（3-1-1）（3-1-2）（3-1-3）式中ej——任一高度h初的静土压力强度（kN/m2）；ξ——压实土的静土压力系数；γ——土的重力密度（kN/m3）；φ——土的内摩擦角（°）；h——填土顶面至任一点的高度（m）；H——填土顶面至基底高度（m）；Ej——高度H范围内单位宽度的静土压力标准值（kN/m）。在计算倾覆和滑动稳定时，墩、台、挡土墙前侧地面以下不受冲刷部分土的侧压力可按静土压力计算。2）主动土压力的标准值可按下列公式计算（图3-1-1）：（1）当土层特性无变化且无汽车荷载时，作用在桥台、挡土墙前后的主动土压力标准值可按下式计算：（3-1-4）（3-1-5）式中E——主动土压力标准值（kN）；γ——土的重力密度（kN/m3）；B——桥台的计算宽度或挡土墙的计算长度（m）；H——计算土层高度（m）；β——填土表面与水平面的夹角，当计算台后或墙后的主动土压力时，β按图1（a）取正值；当计算台前或墙前主动土压力时；β按图1（b）取负值；α——桥台或挡土墙背与竖直面的夹角，俯墙背（如图1）时为正值，反之为负值；δ——台背或墙背与填土间的摩擦角，可取δ=φ/2。主动土压力的着力点自计算土层底面起，C=H/3。（2）当土层特性无变化但有汽车荷载作用时，作用在桥台、挡土墙后的主动土压力标准值在β=0°时可按下式计算：（3-1-6）式中h——汽车荷载的等代均布土层厚度（m）。主动土压力的着力点自计算土层底面起，。（3）当β=0°时，破坏棱体破裂面与竖直线间夹角θ的正切值可按下式计算：（3-1-7）式中ω=α+δ+φ。3）当土层特性有变化或受水位影响时，宜分层计算土的侧压力。4）土的重力密度和内摩擦角应根据调查或试验确定，当无实际资料时，可按照规范表4.2.1和现行的《公路桥涵地基与基础设计规范》采用。5）承受土侧压力的柱式墩台，作用在柱上的土压力计算宽度，按下列规定采用（图2）：（1）当li≦D时，作用在每根柱上的土压力计算宽度按下式计算：（3-1-8）式中b——土压力计算宽度（m）；D——柱的直径或宽度（m）；li——柱间净距（m）；n——柱数。（2）当liD时，应根据柱的直径或宽度来考虑柱间空隙的折减。当D≦1.0cm时，作用在每一柱上的土压力计算宽度可按下式计算：（3-1-9）当D1.0cm时，作用在每一柱上的土压力计算宽度可按下式计算：（3-1-10）6）压实填土重力的竖向和水平压力强度标准值，可按下式计算：竖向压力强度（3-1-11）水平压力强度（3-1-12）式中γ——土的重力密度；h——计算截面至路面顶的高度；λ——侧压系数。2．水的浮力基础地面位于透水性地基上的桥梁墩台，当验算稳定时，应考虑设计水位的浮力；当验算地基应力时，可仅考虑低水位的浮力，或不考虑水的浮力。基础嵌入不透水性地基的桥梁墩台不考虑水的浮力。作用在桩基承台底面的浮力，应考虑全部底面积。对桩嵌入不偷水地基并灌注混凝土封闭者，不应考虑桩的浮力，在计算承台底面浮力时应扣除桩的截面面积。当不能确定地基是否漏水时，应以透水或不透水两种情况与其他作用结合，取其最不利者。3．混凝土收缩及徐变作用外部超静定的混凝土结构、钢和混凝土的组合结构等应考虑混凝土收缩及徐变的作用。混凝土的收缩应变和徐变系数可按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62）的规定计算。混凝土徐变的计算，可假定徐变与混凝土应力呈线性关系。计算圬工拱圈的收缩作用效应时，如考虑徐变影响，作用效应可乘以0.45折减系数。三、可变作用定义：在结构使用期内，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称为可变作用。以下简要介绍桥梁设计中常用的车辆荷载及其影响力和人群荷载，有关其他可变作用的详细计算方法，可查阅《桥规》的相应条文。1、车道荷载公路桥涵设计时，汽车荷载的计算图式、荷载等级及其标准值、加载方法和纵横向折减等应符合下列规定：1）汽车荷载分为公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级两个等级。2）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。桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台、和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载和车道荷载的作用不得叠加。3）各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合表3-1-1的规定。二级公路为干线公路且重型车辆多时，其桥涵的设计可采用公路-Ⅰ级汽车荷载。四级公路上重型车辆少时，其桥涵设计所采用的公路-Ⅱ级车道荷载的效应可乘以0.8的折减系数，车辆荷载的效应可乘以0.7的折减系数。表3.1.3各级公路桥涵设计的汽车荷载等级公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路汽车荷载等级公路—Ⅰ级公路—Ⅰ级公路—Ⅱ级公路—Ⅱ级公路—Ⅱ级4）车道荷载的计算图式见图3。（1）公路—Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为qK=10.5kN/m；集中荷载标准值按以下规定选取：桥梁计算跨径小于或等于5m时，PK=180kN；桥梁计算跨径等于或大于时50m，PK=360kN；桥梁计算跨径在5m~50m之间时，PK值采用直线内插求得。计算剪力效应时，上述集中荷载标准值PK应乘以1.2的系数。（2）公路—Ⅱ级车道荷载的均布荷载标准值为qK和集中荷载标准值PK按公路—Ⅰ级车道荷载的0.75倍采用。（3）车道荷载的均布荷载标准值应满步于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于影响线中一个最大影响线峰值处。图3车道荷载5）车辆荷载的立面、平面尺寸见图4，主要技术指标规定于表3.1.4。公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。6）车道荷载横向分布系数应按设计车道数如图5布置车辆荷载进行计算。7）桥涵设计车道数应符合表3.1.4的规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应按表3.1.5规定的多车道折减系数进行折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。表3.1.4桥涵设计车道数桥面宽度W（m）桥涵设计车道数车道单向行驶时车道双向行驶时W7.07.0≤W10.510.5≤W14.014.0≤W17.56.0≤W14.014.0≤W21.0123417.5≤W21.021.0≤W24.524.5≤W28.028.0≤W31.521.0≤W28.028.0≤W35.05678表3.1.5横向折减系数横向布置设计车道数（条）2345678横向折减系数1.000.780.670.600.550.520.508）大跨径桥梁上的汽车荷载应考虑纵向折减。当桥梁计算跨径大于150m时，应按表3.1.6规定的纵向折减系数进行折减。当为多跨连续结构时，整个结构应按最大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。表3.1.5纵向折减系数计算跨径L0（m）纵向折减系数计算跨径L0（m）纵向折减系数150L04000.97800≤L010000.94400≤L06000.96L0≥10000.93600≤L08000.952．车辆荷载的影响力车辆荷载的影响力包括汽车荷载的冲击力、离心力、车辆荷载引起的土侧压力（以上属基本可变荷载）和汽车制动力（属其他可变荷载）。1）汽车荷载的冲击力车辆以较高速度驶过桥梁时，由于桥面不平整、车轮不圆以及发动机抖动等原因，会使桥梁结构引起振动，这种动力效应通常称为冲击作用。在此情况下，汽车荷载（动荷载）对桥梁结构所引起的应力和变形，要比同样大小的静荷载所引起的大。鉴于目前对冲击作用还不能从理论上作出符合实际的精确计算，一般就引出一个荷载增大系数，即冲击系数（μ），来计及荷载的冲击作用。冲击作用是根据在现成桥梁上所做的振动试验结果分析整理出来的，在设计中可按不同结构种类选用相应的冲击系数。冲击系数可按下式计算：当f1.5HZ时，μ=0.05当1.5HZ≤f≤14HZ时，μ=0.1767fln-0.0157（3-1-13）当f14HZ时，μ=0.45式中f——结构基频（HZ）。鉴于结构物上的填料能起缓冲和扩散荷载的作用，故对于拱桥、涵洞以及重力式墩台，当填料厚度（包括路面厚度）等于或大于50cm时，可以不计冲击作用。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。2）汽车荷载的制动力制动力：是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（摩擦系数可达0．5以上）。计算值：对于l个车道上由汽车荷载产生的制动力的标准值为车道荷载在加载长度上计算总重力的10％计算，但公路—Ⅰ级汽车荷载的制动力标准值不得小于165KN；公路—Ⅱ级汽车荷载的制动力标准值不得小于90KN。同向行驶双车道的汽车荷载的制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的两倍；。同向行驶三车道的汽车荷载的制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的2.34倍；同向行驶四车道为一个设计车道制动力标准值的2.68倍的桥梁。制动力的方向：就是行车方向，着力点：在桥面以上1.2m处。在计算墩台时，可移至支座铰中心或支座的底板面上；计算刚架桥、拱桥时，可移至桥面上，但不计因此而产生的竖向力和力矩。各种支座传递的制动力可按《桥规》中有关规定采用。3）离心力位于曲线上的桥梁，当曲率