桥梁的设计荷载

第三章桥梁的设计荷载第一节荷载组合与分类第二节永久荷载第三节可变荷载第四节偶然荷载第一节作用分类与组合一、作用的定义二、作用的分类三、作用的取值四、作用的代表值取用五、作用效应组合长期以来，我们一般习惯地称所有引起结构反应的原因为“荷载”，这种叫法实际并不科学和确切。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，如果也称“荷载”，容易引起人们的误解。因此，目前国际上普遍地将所有引起结构反应的原因统称为“作用”,而“荷载”仅限于表达施加于结构上的直接作用。一、作用的定义编号作用分类作用名称1永久作用（恒载）结构重力（包括结构附加重力）2预加应力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风荷载14汽车制动力15流水压力16冰压力17温度影响力18支座摩阻力（公路桥）19列车横向摇摆力（铁路桥）20冻胀力（铁路桥）21偶然作用船只或飘流物撞击力22地震力23施工荷载（铁路桥二、作用的分类公路桥涵设计时，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。3偶然作用取其标准值为代表值。三、作用的取值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单位体积的自重（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。可变作用准永久值为可变作用标准值乘以准永久值系数。3偶然作用应根据试验资料，结合工程经验确定其标准值。4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。四、作用的代表值取用五、作用效应组合1.作用效应组合的定义2.作用效应组合的原则3.作用效应组合的分类1.作用效应组合的定义作用效应组合——是指在确定出各种桥梁作用后，需要根据作用特性、桥梁结构特性、施工方法以及桥位处的环境等因素来决定各种作用的取舍以及它们同时作用的可能性。1）只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应的组合。当结构或结构构件需作不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合。2.作用效应组合的原则2）当可变作用的出现对结构或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，结构上的施工人员和施工机具均应作为临时荷载加以考虑。4）多个偶然作用不同时参与组合。5）钢筋混凝土和预应力混凝土结构在进行结构构件的承载能力极限状态设计时，可不考虑混凝土收缩和徐变、温度作用效应参与组合；基础变位作用是否参与组合视具体情况确定；拱桥仍应考虑混凝土收缩和徐变、温度作用效应和基础变位作用的组合。3.作用效应组合的分类1）公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时2）公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时4）公路桥涵结构效应组合表达式3）公路桥涵结构效应组合表达式中各种系数的取值5）注意事项1）公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时（1）基本组合（2）偶然组合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：)(2111QjknjQjcKQQGiKmiGioudSSSS)(211njQjdcdQmiGidoudSSSS（1）基本组合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。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。地震作用标准值及其表达式按《公路工程抗震设计规范》JTJ004规定采用。（2）偶然组合2）公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时（1）作用短期效应组合（2）作用长期效应组合永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：QjknjjmiGiksdSSS111（1）作用短期效应组合永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：QjknjjmiGikldSSS121（2）作用长期效应组合结构重要性系数，按规范表1.0.9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1.1、1.0和0.9；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其值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；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（含本规范第4.3.5条规定的人行道板等局部构件和人行道栏杆上的可变作用效应）的分项系数，取1.4，但风荷载的分项系数取1.1；3）公路桥涵结构效应组合表达式中各种系数的取值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+0.7*（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+0.5*（1.4*人群荷载+1.1*风荷载+1.4*土压力+1.4*汽车制动力）4）公路桥涵结构效应组合表达式各种荷载中，有些是不会同时发生的，如，离心力，风力与列车横向摇摆力或流水压力与冰压力或支座摩阻力与汽车制动力等就不能同时参与组合。各类荷载及其组合发生的机率也是不同的，恒载和活载是经常发生的，其它可变荷载发生的机率较小，偶然荷载发生的机率就更小。对于发生机率小的荷载，如仅在桥梁建造过程中出现的施工荷载，就不必给予过多的安全储备，因此为使桥梁设计安全、经济对不同的荷载组合，结构的安全储备也应不同。实际中处理的方法是：按不同的荷载组合，调整荷载安全系数或材料容许应力值。对组合I，安全系数或容许应力的调整有限：对组合II和组合III，调整量可放宽。5）注意事项第二节永久作用（恒载）一、永久作用（恒载）的定义二、永久作用的类型三、永久作用的计算一、永久作用（恒载）的定义永久作用（恒载）——作用位置和大小、方向固定不变的荷载。（二）桥梁下部结构的恒载：由支座传递下来的结构重力、墩台本身的重力、土压力及水浮力等。（一）桥梁上部结构的恒载：结构重力、附属设备等外加力。二、永久作用的类型1.结构重力2.土压力3.水浮力4.预加力5.混凝土收缩徐变影响力三、永久作用的计算结构重力=结构体积×材料容重1.结构重力注意：在进行桥梁结构分析时，通常需要预先估计恒载，当估算的恒载与最终的设计恒载之间的差距不超过5%时，不必修正设计；否则，需重新进行结构分析。2.土压力按其产生的条件，分为静土压力、主动土压力和被动土压力。桥梁下部结构设计时主要用到静土压力、主动土压力。土的侧压力计算涉及到结构形式、填料性质、墩台位移和地基变形，还与水文和外加荷载等因素有关。目前按库仑理论推导的公式计算土侧压力。3.水浮力水浮力指由地表水或地下水通过地基土壤的孔隙传递给建筑物基础底面的水压力，其值等于建筑物所排开的同等体积的水重。位于岩石地基上的基础一般被认为是不透水的，可不计水浮力；对于碎石类土、砂类土、粘砂土等透水性地基上的墩台，要计考虑水浮力。对预应力混凝土桥梁结构，预加力在结构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，计算时应考虑相应阶段的预应力损失，但不计由于偏心距增大所引起的附加效应；在结构承载能力极限状态设计时预加应力不作为作用，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，仍需考虑预加力的次效应。4.预加力5.混凝土收缩徐变影响力在外部超静定结构的混凝土桥梁中，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，对结构的影响也是长期的。混凝土收缩徐变的计算可按结构降温考虑，混凝土徐变影响的计算可依据混凝土应力预徐变变形呈直线关系的假定并确定适当的徐变系数来进行，基础变位的影响可按工程实际情况加以分析。第三节可变作用一、可变作用（活载）的定义二、可变作用（活载）的类型一、可变作用（活载）的定义可变作用是指在设计使用年限内其作用位置、大小和方向随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的作用。1.车辆荷载2.冲击力3.人群荷载4.离心力5.风荷载6.车辆制动力和（列车）牵引力7.温度作用8.列车横向摇摆力（铁路）9.流水压力10.冰压力11.支座摩阻力二、可变作用（活载）的类型1.车辆荷载（1）列车荷载（铁路）（2）公路汽车荷载（3）标准荷载的折减（5）标准荷载的等级选定（4）标准荷载加载（1）列车活载列车活载采用中华人民共和国铁道部标准活载（简称中——活载）见图3-1。中——活载象征性的模拟列车载重的情况，普通活载左面5个集中荷载相当于一台机车的重量，其右侧一段30m长的均布荷载大致与两台煤水车及另一台机车相当；最右侧的均布荷载表示列车的车辆载重，其长度不限。对跨度很短的桥，往往由3个轴重所组成的特种荷载控制设计。对专用线上的铁路桥梁，如矿区铁路桥梁，其活载标准当根据实际情况确定，并在设计中加以说明。由于蒸汽机车已停止生产，内燃和电力机车得到广泛应用；货车的重载轴重时常高于机车的轴重。我国制定新的列车活载标准应与国际铁路联盟（UIC）制定的活载标准一致。目前修订工作正在进行。见图3-2（2）公路车辆荷载1）概述2）公路车辆荷载的类型3）新旧规范公路车辆荷载的类型4）标准汽车荷载模式5）车队荷载标准模式的主要不足之处汽车车队分为汽车-10级、汽车-15级、汽车-20级汽车-超20级4个等级。汽车车队重由一辆是重车，其余为主车（数量不限）。验算荷载分为500kN履带车（简称履带-50），800kN、1000kN和1200kN平板挂车（简称挂-80、简称挂-100、简称挂-120）等4种。履带车载顺桥向可考虑多辆行驶，但车辆净距不得小于50m；平板挂车则全桥只按一辆车计算。验算荷载不计冲击力。公路车辆荷载是按实际情况（车辆轮轴数目、前后轴间距和轴重，荷载发展趋势等）进行了标准化的活载。将经常地、大量出现的汽车排成车队，作为计算荷载（见图3-3和图3-4）；把偶然的个别出现的平板挂车或履带车作为验算荷载。类似于铁路特种荷载，公路验算荷载也只对较小跨径的桥梁或局部构件起控制作用。1）概述2）公路车辆荷载的类型a)公路—Ⅰ级车道荷载b)公路—Ⅱ级车道荷载c)城市桥梁荷载汽车荷载等级（97标准）新标准汽车—超20级、挂车—120公路—Ⅰ级汽车—20级、挂车—100公路—Ⅱ级汽车—15级、挂车—80汽车—10级、履带—503）新旧规范公路车辆荷载的类型图3-1图3-297标准车队荷载（计算荷载+验算荷载）新标准车道荷载(均布荷载+集中荷载）图3-3+车辆荷载图3-3.1（桥涵结构的整体计算采用车道荷载，局部加载、横向桥面板、涵洞、桥台台后汽车引起的土压力和挡土墙上汽车引起的土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。）4）标准汽车荷载模式1）容易使人误认为标准荷载模式所采用的车辆重力即是实际桥梁上可以通行的车辆，造成公路交通管理上的不便；2）原标准的级差不合理，两级标准之间的荷载水平的级差时大时小；3）计算不便；4）标准荷载在结构上产生的效应不连续；5）与国际先进标准不接轨