第四章 活载效应分析

第4章活载效应分析大跨度桥梁设计本章的主要内容4.1基本可变作用4.2荷载横向分布系数计算4.3可变作用分析4.4荷载组合§4.1基本可变作用基本可变作用也称为活载，一般指汽车作用和人群作用。4.1.1汽车荷载（《公路工程技术标准（JTJ001-97）》）旧规范4个等级：汽车10级、汽车15级、汽车20级和汽车超20级计算荷载——把经常地、大量出现的汽车排列形成的车队，对一般桥梁设计起控制作用。验算荷载——偶然地、个别出现的平板挂车或履带车，只对较小跨径的桥梁或局部构件起控制作用。500kN履带车（简称履带50），可多辆，间距50m挂80、挂100和挂120，按一辆计算旧规范汽车车队纵向排列汽车的平面尺寸及横向布置平板挂车和履带车荷载新规范中不再考虑。§4.1基本可变作用4.1.1汽车荷载（《公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2015）》）新规范公路-Ⅰ级公路汽车荷载的分级公路-Ⅱ级车道荷载汽车荷载车辆荷载集中荷载均布荷载§4.1基本可变作用4.1.1汽车荷载新规范公路-Ⅰ级车道荷载均布荷载标准值：10.5kN/m集中荷载：计算跨径小于等于5m时，270kN计算跨径大于等于50m时，360kN计算跨径在5至50m之间时，直线内插。剪力效应应再乘以1.2的系数。§4.1基本可变作用4.1.1汽车荷载新规范公路-Ⅱ级车道荷载其均布荷载标准值和集中荷载标准值，应取公路-Ⅰ级汽车荷载的车道荷载标准值的0.75倍。车道均布荷载标准值应满布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相应影响线中一个最大影响线峰值处。§4.1基本可变作用4.1.1汽车荷载新规范车辆荷载公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级车辆荷载均采用一辆总重为550kN的标准车。§4.1基本可变作用汽车荷载的选用根据桥梁所在公路等级选用。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4.1.1汽车荷载新规范§4.1基本可变作用4.1.2汽车荷载布载规定车辆的布置——按桥梁宽度确定车道数§4.1基本可变作用4.1.2汽车荷载布载规定横向折减系数——车道数2，应考虑车道折减。但折减后效应≥2车道的荷载效应。纵向折减系数——计算跨径150m，应考虑纵向折减。多跨连续结构，按最大跨折减。§4.1基本可变作用4.1.3汽车冲击力车辆活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。冲击力受线路状态、车辆类型以及桥梁结构的型式和跨度等因素的综合影响，目前还难以精确考虑，只能在桥梁动载试验的基础上提出近似计算公式。在设计中，引入冲击系数（1+）。当竖向活载包括冲击力时，系指将静活载乘以冲击系数。§4.1基本可变作用4.1.3汽车冲击力冲击系数μ可按下式计算：§4.1基本可变作用4.1.3汽车冲击力简支梁桥的基频f的计算公式连续梁桥的基频f的计算公式连续梁冲击力引起的正弯矩和剪力效应时，采用f1，负弯矩采用f2。§4.1基本可变作用4.1.3汽车冲击力双塔斜拉桥的竖向弯曲基频f的计算公式无辅助墩有辅助墩单跨简支悬索桥的竖向弯曲基频f的计算公式§4.1基本可变作用4.1.4人群荷载公路桥梁的人群荷载一般取3kN/m2，城市、郊区行人密集地区一般取3.5kN/m2；人群荷载应与汽车荷载同时考虑，但不与验算荷载同时计算。人行道可以一块板为单元，按标准值4.0kN/m2的均布荷载计算。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。§4.2荷载横向分布系数计算荷载横向分布系数的概念它是反映荷载横向分布程度的参数，表示某根主梁所承担的最大荷载是轴重的倍数。§4.2荷载横向分布系数计算荷载横向分布系数的影响因素梁位荷载类型荷载位置梁的横向刚度§4.2荷载横向分布系数计算荷载横向分布系数的影响因素桥梁横向刚度对荷载横向分布系数的影响：§4.2荷载横向分布系数计算荷载横向分布系数的计算方法横向分布的规律与结构横向连结刚度关系密切，目前常用的荷载横向分布计算方法主要有：梁格系模型：（1）杠杆原理法（2）偏心压力法（修正的偏心压力法）（3）铰接板（梁）法（4）刚接梁法平板模型：（5）比拟正交异性板法（G-M法）适用性：不同条件简支梁桥的荷载横向分布计算§4.2荷载横向分布系数计算4.2.1等效简支梁变换法例题：三跨等截面连续梁，计算第二跨的横向分布系数，则将第二跨等效为简支梁，然后利用简支梁的横向分布计算理论，求出P=1作用于第二跨跨中时的挠度。§4.2荷载横向分布系数计算4.2.1等效简支梁变换法再取一等效简支梁，其跨径与连续梁计算跨径相同，其换算刚度为，相应的挠度为。根据刚度等效，即，可得等效简支梁换算惯性矩的换算系数§4.2荷载横向分布系数计算4.2.1等效简支梁变换法也可取等效简支梁的刚度不变，计算等效跨径。即取代替公式中的l，得出等效简支梁跨度的换算系数§4.2荷载横向分布系数计算4.2.1等效简支梁变换法等效刚度系数可查表得到，则可算出等效跨度系数。等效简支梁法适应于多梁式连续梁桥的荷载横向分布系数的计算，如简支转连续的小箱梁、T梁等。§4.2荷载横向分布系数计算4.2.1等效简支梁变换法例题：P98§4.2荷载横向分布系数计算4.2.2增大系数法增大系数法是计算箱形梁桥横向分布系数的一种经验方法。将桥跨偏心荷载，分解为对称荷载及扭转荷载。由于约束扭转，断面翘曲受到约束而产生正应力，一般为桥跨结构对称荷载产生的正应力的15%左右，故得到箱梁各肋分布荷载为：§4.2荷载横向分布系数计算4.2.2增大系数法计算箱梁截面剪力是，考虑翘曲扭转剪应力约占弯曲剪应力的5%，故得到箱梁各肋之剪力荷载为：§4.2荷载横向分布系数计算4.2.2增大系数法例题：某预应力混凝土连续梁桥，截面采用单箱单室截面，二车道布载。当按整体箱梁分析时，荷载横向分布为：§4.2荷载横向分布系数计算4.2.2增大系数法例题：某预应力混凝土连续梁桥，截面采用单箱单室截面，二车道布载。当按梁肋分析时，单肋的荷载横向分布为：§4.3可变作用分析4.3.2影响线加载在求得结构内力影响线后，就可以对影响线进行加载，求得可变作用下各截面的最大、最小内力。车道荷载加载。计算截面正效应时，将集中力作用在影响线最大值处，将均布荷载作用在正的影响区域内。计算截面负效应时，将集中力作用在影响线最小值处，将均布荷载作用在负的影响区域内。§4.3可变作用分析4.3.2影响线加载在求得结构内力影响线后，就可以对影响线进行加载，求得可变作用下各截面的最大、最小内力。人群荷载为均布荷载，则将均布荷载作用在正的影响区域或负的影响区域即可得到人群荷载的最大值、最小值。§4.3可变作用分析4.3.2影响线加载单列车在该截面上引起的截面弯矩的最大值、最小值：人群荷载在该截面上引起的截面弯矩的最大值、最小值：§4.3可变作用分析4.3.2影响线加载对于桥梁整体结构的汽车效应，还应考虑荷载横向分布系数、汽车冲击系数、车道横向折减系数、纵向折减系数等，则：将桥梁各截面得到的内力最大值、最小值分布连线，则得到桥梁结构的活载包络图。§4.4荷载组合永久荷载（恒载）基本可变荷载其他可变荷载可变荷载偶然荷载（公路）桥梁荷载§4.4荷载组合§4.4荷载组合作用效应结构对所受作用的反应，如弯矩、扭矩、位移等。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。分项系数为保证所设计的结构具有规定的可靠度而在设计表达式中采用的系数，分作用分项系数和抗力分项系数两大类。§4.4荷载组合承载能力极限状态下，作用效应的基本组合：)(2111QjknjQjcKQQGiKmiGioudSSSS§4.4荷载组合正常使用极限状态下，作用短期效应组合：QjknjjmiGiksdSSS111§4.4荷载组合正常使用极限状态下，作用长期效应组合：QjknjjmiGikldSSS121§4.4荷载组合正常使用极限状态下，持久状况应力效应组合：§4.4荷载组合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）公路桥涵结构效应组合表达式：§4.4荷载组合对超静定结构的荷载组合，一般要进行两次，第一次荷载组合是不包含预应力效应的组合，仅用于结构尺寸拟定后的预应力估算设计。待预应力钢筋配筋完成后，应分析预应力效应引起的附加内力，进行二次组合，用于结构安全验算。回顾本节内容，思考以下5个问题：1、车道荷载包括哪些内容？2、汽车冲击力怎么计算？3、简支梁横向分布系数的主要计算方法？连续梁桥横向分布系数的计算方法？4、车道荷载在影响线上的加载方式？5、正常使用极限状态设计时，有哪几种效应组合？