3桥梁结构设计方法

任务2.1：桥梁建设程序与设计内容任务2.2：桥梁设计作用任务2.3：桥梁结构设计方法任务2.4：桥梁结构图纸识读任务2.5：钢筋混凝土材料性能单元2桥梁设计初步一、结构的功能要求1、结构的功能要求安全性适用性耐久性一、结构的功能要求安全性结构在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用，其中包括荷载引起的内力、振动过程中的恢复力以及由外加变形（如超静定结构的支座沉降）、约束变形（如温度变化或混凝土收缩引起的构件变形受到的约束）所引起的内力。结构在设计规定的偶然事件发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，不发生倒塌或连续破坏。一、结构的功能要求适用性结构在正常使用时具有良好的工作性能，不发生过大的变形或宽度过大的裂缝，不产生影响正常使用的振动。耐久性结构在正常维护下具有足够的耐久性能，不发生钢筋锈蚀和混凝土的严重风化等现象。所谓足够的耐久性能，系指结构在规定的工作环境中，在预定时期内，其材料性能的恶化不会导致结构出现不可接受的失效概率。从工程概念上讲，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。一、结构的功能要求1、结构的功能要求——安全性、适用性、耐久性这些功能要求概括起来称为结构的可靠性。即结构在规定的时间内（设计基准期），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用维护）完成预定功能（安全性、适用性和耐久性）的能力。显然，增大结构设计的余量，如加大结构构件的截面尺寸或钢筋数量，或提高对材料性能的要求，总是能够增加或改善结构的安全性、适应性和耐久性要求，但这将使结构造价提高，不符合经济的要求。因此，结构设计要根据实际情况，解决好结构可靠性与经济性之间的矛盾。既要保证结构具有适当的可靠性，又要尽可能降低造价，做到经济合理。一、结构的功能要求2、设计基准期所谓设计基准期，是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数。《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T50283—1999）规定：桥梁结构取100年的设计基准期。设计基准期表示在这个时间域内结构的失效概率是有效的。结构的设计基准期虽与结构使用寿命有联系，但不等同。当结构使用年限超过设计基准期后，表明结构的失效概率将会比设计时的预期值大，但并不等于结构丧失功能或报废。二、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二、极限状态设计法1、承载能力极限状态：这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形或变位的状态。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如滑动、倾覆等）；（2）结构构件或连接处因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不能继续承载；（3）结构转变成机动体系；（4）结构或结构构件丧失稳定(如柱的压屈失稳等）；承载能力极限状态涉及结构的安全问题，可能导致人员伤亡和大量财产损失，所以必须具有较高的可靠度（安全度）或较低的失效率概率。《桥规》（JTGD62—2004）规定：承载能力极限状态，应根据桥涵破坏可能产生的后果的严重程度，划分为以下三个安全等级进行设计：公路桥涵结构的设计安全等级安全等级破坏后果设计可靠度桥涵类型一级很严重最高特大桥、重要大桥二级严重中等大桥、中桥、重要小桥三级不严重较低小桥、涵洞二、极限状态设计法2、正常使用极限状态。正常使用极限状态以弹性理论或弹塑性理论为基础，主要进行以下三方面的验算：应力限制变形限制裂缝宽度限制二、极限状态设计法3、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：持久状况：短暂状况：偶然状况：二、极限状态设计法3、三种设计状况持久状况：桥涵建成后承受自重、车辆荷载等持续时间很长的状况。该状况桥涵应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。短暂状况：桥涵施工过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。偶然状况：在桥涵使用过程中偶然出现的如罕遇地震的状况。该状况下的桥涵仅作承载能力极限状态设计。4、作用效应及结构抗力1）作用效应及作用效应设计值作用效应是指结构对所受作用的反应，如弯矩、扭矩、位移等。作用效应设计值是指作用标准值效应与作用分项系数的乘积，分作用分项系数和抗力分项系数两类。2）结构抗力结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力，如构件的承载力、刚度、抗裂度等。影响结构抗力的主要因素是材料性能（材料的强度、变形模量等物理力学性能）、几何参数（截面形状、面积、惯性矩等）以及计算模式的精确性等。考虑到材料性能的变异性、几何参数及计算模式精确性的不确定性，所以由这些因素综合而成的结构抗力也是随机变量。三、我国公路桥涵设计规范规定的计算原则◎组合的基本原则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。2、“最不利”原则：对结构的影响是有利的可变作用，不参加组合；3、施工阶段的效应，根据施工的实际情况选择；4、多个偶然作用，不同时组合；作用效应组合编号作用名称不与该作用同时参与组合的作用编号13汽车制动力15、16、1815流水压力13、1616冰压力13、1518支座摩阻力13可变作用不同时组合表1、持久状况承载能力极限状态计算原则◎承载能力极限状态设计时，有两种作用效应组合：1）基本组合永久作用（设计值效应）与可变作用（设计值效应）的组合；2）偶然组合永久作用（标准值效应）与可变作用（某代表值效应）、一种偶然作用（标准值效应）的组合；2、正常使用极限状态计算原则◎正常使用极限状态设计时，有两种作用效应组合：○作用短期效应组合永久作用（标准值效应）与可变作用（频遇值效应）的组合；○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）的组合；作用效应组合基本组合：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：或)(21110QjknjQjcKQQGiKmiGiudSSSS)(2110njQjdcdQmiGidudSSSS作用效应组合作用短期效应组合：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作用效应组合作用长期效应组合。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作用效应组合◎组合系数○所谓组合，并非简单的相加（减）：○根据结构的重要性，以及各个作用效应的各自特点，选择不同的组合系数。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；公路桥涵结构效应组合表达式中各种系数的取值作用效应组合1.2×恒载+1.4×汽车荷载1.2×恒载+1.4×汽车荷载+0.8×1.4×人群荷载1.2×恒载+1.4×汽车荷载+0.7×（1.4×人群荷载+1.1×风荷载）1.2×恒载+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×恒载+1.4×汽车荷载+0.5×（1.4×人群荷载+1.1×风荷载+1.4×压力+1.4×汽车制动力）例题解析计算跨径l=15.5m的钢筋混凝土简支梁，其跨中截面的弯矩标准值为：梁自重作用产生的弯矩标准值MG1k=399.806kN·m；桥面铺装、栏杆、人行道等自重（二期恒载）作用产生的弯矩标准值MG2k=302.715kN·m；汽车荷载作用（计入冲击系数μ=0.352）产生的弯矩标准值MQ1k=726.507×1.352=982.237kN·m；人群荷载作用产生的弯矩标准值MQ2k=21.014kN·m。试进行作用效应组合的计算。解：本示例为针对钢筋混凝土简支梁跨中截面进行弯矩组合设计值计算。1）承载能力极限状态设计时的作用效应基本组合1）承载能力极限状态设计时的作用效应基本组合本例的钢筋混凝土简支梁的安全等级取二级，桥梁结构重要性系数为γ0=1.0。因恒载作用效应对结构承载能力不利，故永久作用效应的分项系数取γG1=1.2；汽车荷载作用效应的分项系数为γQ1=1.4；人群荷载作用效应的分项系数γQ2=1.4。本组合为永久作用与汽车荷载和人群荷载组合，故取人群荷载的组合系数为Ψc1=0.80。承载能力极限状态计算时，作用效应值基本组合的设计值按下式计算为Msd=MGk+Ψ21MQ1k+Ψ22MQ2k）=1.0×（1.2MGk+1.4MQ1k+0.8×1.4MQ2k）=1.0×[1.2×（399.806+302.715）+1.4×982.237+0.8×1.4×21.014]2）按正常使用极限状态设计时的作用效应组合（1）作用短期效应组合根据《公路桥规》规定，这时汽车荷载作用效应应不计入冲击系数，不计冲击系数汽车荷载弯矩标准值为MG1k=726.507kN·m。汽车荷载作用效应的频遇值系数Ψ11=0.7，人群荷载作用效应的频遇值系数Ψ12=1.0。由下式可得到作用短期效应组合设计值为Msd=MGk+Ψ21MQ1k+Ψ22MQ2k）=（399.806+302.715）+0.4×726.507+1.0×21.014）2）按正常使用极限状态设计时的作用效应组合（2）作用长期效应组合汽车荷载作用效应的准永久值系数Ψ21=0.4，人群荷载作用效应的准永久值系数Ψ22=0.4。由下式可得到作用长期效应组合设计值为Msd=MGk+Ψ11MQ1k+Ψ12MQ2k）=（399.806+302.715）+0.4×726.507+0.4×21.014）3、混凝土结构的耐久性设计1）混凝土结构耐久性概念结构的耐久性是指结构在使用环境下，对物理的、化学的以及其他使结构材料性能恶化的各种侵蚀的抵抗能力。在设计混凝土结构时，除了进行承载力计算、变形和裂缝验算外，还必须进行耐久性设计。混凝土结构的耐久性设计实质上是针对影响耐久性能的主要因素提出相应的对策。2）影响混凝土结构耐久性的因素内部因素主要有混凝土的强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种和标号及用量，外加剂、集料的活性等；外部因素则主要有环境温度、湿度、CO2含量、侵蚀性介质等。耐久性不好往往是内部的不完善性和外部的不利因素综合作用的结果，而结构缺陷往往是设计不妥、施工不良引起的，也有因使用维修不当引起的。混凝土结构耐久性问题有：混凝土冻融破坏、碱-集料反应、侵蚀性介质腐蚀、机械磨损、混凝土碳化、钢筋锈蚀等。3、混凝土结构的耐久性设计3）提高耐久性的措施目前对混凝土结构耐久性的研究尚不够深入，关于耐久性的设计方法也不完善，因此，耐久性设计主要采取以下保证措施。（1）划分混凝土结构的环境类别混凝土结构耐久性与结构的工作环境条件有密切的关系。《桥规》（JTGD62—2004）将混凝土结构的使用环境分为四类。（2）规定混凝土保护层厚度《桥规》根据混凝土结构所处的环境条件类别，规定了混凝土保护层的最小厚度。（3）规定裂缝控制等级及其限值裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是钢筋开始锈蚀的主要条件。因此，《桥规》根据钢筋砼结构和预应力砼结构所处的环境条件类别和构件受力特征，规定了裂缝控制等级和最大裂缝宽度限值。（4）规定混凝土的基本要求