西南交通大学-桥梁工程概论-P03第三章设计作用(荷载)

1第三章桥梁的设计作用（荷载）¾本章内容：介绍各类作用及其组合的基本概念和计算方法，实际设计时作用的取值按《铁路桥涵设计基本规范》和《公路桥涵设计通用规范》计算。¾参考：结构设计方法的发展简介（第十章）1第一节作用分类和作用代表值第二节永久作用第三节可变作用第四节偶然作用本章主要内容第五节作用效应组合第三章知识点进入教学进入教学进入教学2结构逻辑关系教学进入教学进入教学桥梁的设计作用作用与荷载作用施加在结构上的力引起结构外加变形、约束改变的原因直接作用间接作用又称为“荷载”引言3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桥梁的设计作用作用与荷载z作用的种类、型式、大小的确定是否得当，既关系到桥梁建设的投资，也关系到桥梁的安全。z特点：–荷载标准并不是一成不变的–作用于桥梁结构上的荷载（及其组合）可能会越来越复杂–对结构行为和材料行为的认识在逐步加深引言4桥梁的设计作用第一节作用分类和作用代表值恒载活载主力附加力特殊荷载（铁路）桥梁荷载一、作用分类：表3-1和3－2第一节作用分类和代表值5恒载活载•作用（Action）施加在结构上的一组集中力或分布力（直接作用，或荷载），或引起结构变形的原因（间接作用）–永久作用（Permanentaction）–可变作用（Variableaction）–偶然作用（Accidentalaction）桥梁的设计作用一、作用的分类第一节作用分类和代表值永久作用结构使用期内量值不变或变化很小的作用结构使用期内量值随结构重力预应力收缩徐变基础变位汽车荷载汽车冲击力土的重力及侧压力水的浮力汽车离心力结构附属部分的重力6可变作用偶然作用结构使用期内量值随时间变化，且变化值与平均值比可忽略的作用结构使用期内发生概率很小，但出现后影响很大、持续时间又很短的作用地震作用船、车撞击作用汽车冲击力人群荷载风荷载温度作用汽车离心力流水（冰）压力汽车制动力汽车产生的土压力2桥梁的设计作用二、作用的代表值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第一节作用分类和代表值7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折使用桥梁的设计作用二、作用代表值•作用代表值（Representativevalueofanaction）结构或构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作用规定值，包括作用标准值、准永久值和频遇值。•作用标准值（Characteristicvalueofanaction）各种作用的基本代表值，其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。•作用准永久值（Quasi-permanentvalueofanaction）一种可变作用代表值，作用概率分布的0.5分第一节作用分类和代表值8位值，用于正常使用极限状态长期效应组合设计（经常出现者）足够长的观测期内•作用频遇值（Frequentvalueofanaction）一种可变作用代表值，作用概率分布的0.95分位值，用于正常使用极限状态短期效应组合设计（频繁出现且量值较大者）足够长的观测期内•设计基准期（Designreferenceperiod）在进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状态下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。100年，与寿命的关系桥梁的设计作用三、作用代表值的取用•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–正常使用状态按短期效应组合设计－频遇值第一节作用分类和代表值9•频遇值－标准值乘以频遇值系数φ1–正常使用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φ2•偶然作用－标准值•铁路桥梁－“标准值”返回桥梁的设计作用第二节永久作用•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•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第二节永久作用10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。桥梁的设计作用第二节永久作用第二节永久作用受力结构（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11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。桥梁的设计作用第二节永久作用第二节永久作用12¾结构重力＝结构体积与材料容重（重力密度）的乘积¾在确保结构安全的前提下，减小结构自重是设计的目标。3桥梁的设计作用第二节永久作用第二节永久作用13位于水中的构造均会受到水的浮力作用水的浮力桥梁的设计作用第二节永久作用第二节永久作用预应力14返回桥梁的设计作用第三节可变作用一、车辆活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，并按照第三节可变作用15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。桥梁的设计作用1、铁路列车活载：中－活载•我国铁路活载标准的情况是：20年代开始自行制订铁路建筑标准，1938年公布中华活载标准，1951年制订了中－Z活载标准，1975年对中－Z活载标准进行修订，形成目前所用的中－活载标准。第三节可变作用16桥梁的设计作用1、铁路列车活载：中－活载第三节可变作用17桥梁的设计作用国际铁路联盟（UIC）活载图式考察我国目前实际运行的列车及其发展趋势，可以看出，1975年制订的中－活载标准已不太适用。例如，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。根据这些情况可以认为，我国新的列车活载标准应与国际铁路联盟（UIC）制订的活载标准较为一致。目前，荷载修订工作仍在进行之中。高速列车标准：0.8倍UIC第三节可变作用18工作仍在进行之中。高速列车标准：0.8倍UIC4桥梁的设计作用2、公路汽车荷载•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第三节可变作用19桥梁的设计作用（1）公路的车道荷载第三节可变作用集中荷载，移动，布于影响线峰值上均布荷载，同号影响线满布20桥梁的设计作用85年版规范中的汽车活载第三节可变作用21桥梁的设计作用（2)公路的车辆荷载第三节可变作用22车辆荷载的平面布置车辆荷载的立面布置桥梁的设计作用（2)公路的车辆荷载第三节可变作用23•车辆荷载用于桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台等•公路－I级和公路－II级汽车荷载采用相同的车辆荷载•车道荷载横向分布系数应按设计车道数如图布置车辆荷载进行计算车辆荷载的横向布置桥梁的设计作用（2)公路的车辆荷载第三节可变作用24车辆荷载的横向布置示例5桥梁的设计作用（3)公路等级与汽车荷载等级的关系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级第三节可变作用¾对双线（及以上）的铁路桥和双车道以上的公路桥，需要考虑车辆活载的多车道横向折减。25¾横向折减的含义是：在多车道（或多线）桥梁上行驶的车辆活载使桥梁结构产生某种最大作用效应时，不同车道上的车辆活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，各个车道上的车辆活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车辆活载（或其作用效应）进行折减。桥梁的设计作用（4)车辆荷载的横向及纵向折减第三节可变作用26桥梁的设计作用公路桥涵设计车道数及横向折减系数行车道第三节可变作用27车道荷载的加载倍数由设计车道数决定桥梁的设计作用铁路中－活载的折减•对铁路桥梁的主要构件：–单线活载不考虑折减–双线活载取双线标准活载之和的90%–三线及三线以上者取各线标准活载之和的80%对仅承受局部活载的构件则不考虑折减第三节可变作用28–对仅承受局部活载的构件则不考虑折减。桥梁的设计作用公路桥梁上汽车荷载的纵向折减计算跨径L0（m）纵向折减系数150＜L0＜4000.97400≤L0＜6000.96600≤L0＜8000.95800≤L＜1000094第三节可变作用29800≤L0＜10000.94L0≥10000.93对多跨连续结构，按最大计算跨径（主跨）进行纵向折减桥梁的设计作用公路桥梁上汽车荷载的纵向折减第三节可变作用306桥梁的设计作用4、车辆活载的加载•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。第三节可变作用31•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。•对公路车辆荷载和铁路中—活载，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。对中—活载，当采用手工计算时，直接使用轮系荷载加载较为繁琐，可采用等代荷载（或称换算均布荷载）取代。桥梁的设计作用二、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。•冲击力与结构的刚度有关（刚度越小，对动荷第三节可变作用32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（1+μ）。当竖向活载包括冲击力时，系指将汽车荷载标准值乘以冲击系数（1+μ）•（1+μ）的一般表达式：maxjmaxd1YY=+μ桥梁的设计作用二、冲击力•铁路桥–根据桥梁结构的刚度来确定冲击力。一般而言，桥梁跨径越大、刚度越小，结构对动荷载的缓冲作用越强，即冲击作用越弱。因此，可以近似认为冲击力与计算跨径成反比。此方法计算简便，但不尽合理。•公路桥根据桥梁结构的动力特性来确定冲击力桥梁结构的自振频Lba++=+11μ第三节可变作用μ的μ的33–根据桥梁结构的动力特性来确定冲击力。桥梁结构的自振频率（基频）可综合反映出结构尺寸、类型、材料等动力特性内容，直接表达了冲击系数与桥梁结构之间的关系。无论建桥材料和结构类型、尺寸、跨度是否差别，只要结构的基频相同和荷载条件相同，冲击系数就基本相同。–当f＜1.5Hz时，μ＝0.05–当1.5Hz≤f≤14Hz时，μ＝0.1767f－0.0157–当f＞14Hz时，μ＝0.45f为结构基频（Hz），按有限元分析或简化公式计算的表达式的表达式桥梁的设计作用三、人