04桥梁设计荷载-西南交通大学李亚东

第一届全国《桥梁工程》教学研讨会示范课三二四一五桥梁结构需安全承受人类活动及环境变化所施加的影响，这样的影响可统称为“作用”作用的类型、图式、大小的选定是否得当，既关系到桥梁安全，也关系到桥梁建设费用为便于桥梁设计，需要制订相关的作用或荷载标准，而这些标准并不是一成不变的综合介绍公路、铁路桥各类作用及其组合的基本概念和计算原则，实际应用时按规范办理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（荷载）间接作用结构对所受作用的反应结构内力的反应结构变位的反应永久作用恒载可变作用活载+附加力偶然作用特殊荷载永久作用偶然作用可变作用使用期作用公路桥梁各作用随时间变化的性质（示意）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时间变化，且变化值与平均值相比不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永久作用结构重力（包括结构附加重力）预加力土的重力土侧压力混凝土收缩及徐变作用水的浮力基础变位作用可变作用汽车荷载+汽车冲击力汽车离心力汽车引起的土侧压力人群荷载汽车制动力风荷载流水压力冰压力温度（均匀温度和梯度温度）作用支座摩阻力偶然作用地震作用船舶或漂流物的撞击作用汽车撞击作用列车牵引力列车横向摇摆力冻胀力施工荷载铁路桥无此项列车脱轨荷载长钢轨断轨力长钢轨纵向水平力对公铁两用桥，如何选择作用及其大小？作用标准值作用频遇值针对所有作用仅针对可变作用作用准永久值作用频遇值作用准永久值“频繁出现”95%概率分位“经常出现”50%概率分位准永久值作用频率频遇值作用的统计曲线及代表值示意足够长观测期内的数据拟合曲线标准值推算的设计基准期内最大值概率密度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正常使用状态按短期效应组合设计－频遇值•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按弹性阶段计算结构强度－标准值偶然作用－标准值铁路桥梁荷载－只有“标准值”三一四二五作用于桥梁上部结构的恒载－结构自身重力和附属设备等外加重力作用在桥梁下部结构的恒载－由支座传递下来的上部结构的重力、墩台自身重力、土压力和水压（浮）力等结构重力＝结构体积×材料容重（重力密度）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（自下而上的）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在检算结构的使用性能时，预加力当视为恒载；在检算结构的承载能力时，预加力不作为恒载，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，混凝土收缩及徐变作用的影响是长期存在的。基础变位一旦发生，其对结构的影响也是长期的11受力结构（梁）的自重，一期恒载附属结构（铺装、护栏等）附加的重量，二期恒载土对下部结构的侧压力超静定结构中基础变位会产生附加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预加力，视为恒载或结构抗力的一部分墩台自重常用材料的重力密度在确保结构安全的前提下，减小结构自重是设计目标之一。一二四三五•车辆活载—桥梁承受的机动交通活载•铁路桥－列车活载；•公路桥－各类汽车活载；•公铁两用桥－列车活载+汽车活载•标准活载—设计统一采用的车辆活载（车辆活载的种类繁多，故需对车辆活载进行调查分析和综合概括，并按照安全、适用和经济的原则加以规范确定）•静活载—不包含冲击力的车辆活载。•发展情况：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。•中－活载（模拟荷载）由普通活载与特殊活载组成，适用于标准轨距1435mm的干线铁路•地方窄轨（轨距762mm）的标准，与中－活载图式相同但数值大幅减少•专用铁路的活载标准，结合具体情况确定局部构件结构整体•考察实际运行的列车及其发展趋势，中－活载标准已不适用。（2000年前蒸汽机车已停运，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。•我国高速铁路列车活载标准：ZK活载0.8*UIC等级I级II级III级IV级V级系统类型高运量地铁大运量地铁中运量轻轨次中运量轻轨低运量轻轨适用车辆类型A型车B型车C-Ⅰ、Ⅲ型车C-Ⅱ型车现代有轨电车最大客运量（单向小时人次）4.5-7.5万3.0-5.5万1.0-3.0万0.8-2.5万0.6-1.0万线路形态隧道为主隧道为主地面或高架地面为主地面路用情况专用专用专用隔离或少量混用混用为主车辆宽度（m）3.02.82.62.62.6最大轴重（t）161411109最大时速（km/h）80～10080807045～60轨距（mm）14351435143514351435列车最多车辆编组6～86～84～62～42城市轨道交通技术等级表（共V级）《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）A型车B型车C型车某中低速磁浮试验线（举例）•参照《中低速磁浮交通设计规范》(征求意见稿)•根据车型确定活载图式及大小•注意三种不同的作用状态荷载等级——分为公路－I级、公路II级，其选用与公路等级有关汽车荷载——由车道荷载和车辆荷载组成，两者的作用不得叠加车道荷载——基于现场测定及作用效应分析确定的虚拟荷载，用于桥梁结构的整体计算，公路－I级和公路II级采用不同的车道荷载车辆荷载——适用于结构局部加载、涵洞、桥台等情况的车辆模拟荷载，公路－I级和公路II级采用相同的车辆荷载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－I级公路－II级公路－II级公路－II级车道荷载•PK＝360kN，LK≤5m•PK＝180kN，LK≥50m•PK值采用直线内插法确定，5m＜LK＜50m时，•计算剪力效应时，PK应乘以系数1.2公路－I级PK•qK＝10.5kN/m公路－I级qK•公路—II级的均布荷载标准值qK和集中荷载标准值PK均按公路—Ⅰ级车道荷载的0.75倍考虑公路－II级PK和qK行车道一座桥梁的车道荷载的加载倍数由设计车道数决定车辆荷载的立面布置车辆荷载的平面尺寸单位：kN，m车辆荷载的横向布置（单位：m）车辆荷载的横向布置示例规定：对双车道以上的公路桥，需要考虑车道荷载的多车道横向折减。横向折减的理由：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加载位置布置的，而实际交通情况并非如此。横向折减的方式：总的车道荷载×横向折减系数横向折减系数的含义：在多车道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，不同车道上的车道荷载同时处于最不利位置的可能性大小。横向折减系数的大小：与设计的车道数有关。设计车道数2345678横向折减系数1.000.780.670.600.550.520.50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，不考虑折减对公铁两用桥，如何折减？计算跨径L0（m）纵向折减系数150＜L0＜4000.97400≤L0＜6000.96600≤L0＜8000.95800≤L0＜10000.94L0≥10000.93制订理由：制定车道荷载标准时，调查统计重车居多并呈拥挤状态，随着跨度的增加，实际情况会有所缓解跨径取值：对多跨连续结构，按最大计算跨径（主跨）进行纵向折减铁路桥梁：无此规定。对超大跨度桥梁，铁路活载效应占总效应的比重则会逐步减小加载——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（内力和变位）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，为荷载集度与对应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。车道荷载加载——布载时，应将其中的均布荷载qK（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PK只布置在相应影响线中的一个影响线最大峰值处。（例子）公路车辆荷载和铁路中－活载加载——使用轮系荷载直接加载并通过试算（穷举法）的方法找出最不利值。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。均布荷载，可任意截取，同号影响线满布集中荷载，置于影响线峰值上冲击作用现象结构振动比静活载的效应大原因线路车辆结构结构动力学分析简化：冲击力冲击系数（1+）确定铁路桥梁Lba11公路桥梁动力问题简化为静力问题结构刚度结构基频当f＜1.5Hz时，＝0.05当1.5Hz≤f≤14Hz时，＝0.1767f－0.0157当f＞14Hz时，＝0.45maxjmaxd1YYcc22mEIlfcc212616.13mEIlf举例简支梁桥竖弯基频连续梁桥竖弯基频（对正弯矩及剪力）荷载试验更趋合理分析手段铁路桥梁明桥面：4kN/m2。铁路桥梁道砟桥面：距离梁中心2.45m以内的人行道，取10kN/m2；距离梁中心2.45m以外的人行道，取4kN/m2。公路桥梁人群荷载集度：3kN/m2（L0≤50m），2.5kN/m2（L0≥150m），其间线性内插；城市郊区行人密集地区取上述值的1.15倍。专用人行桥：3.5kN/m2。人行道板：以4kN/m2（公）或1.5kN（铁）的荷载进行检算。栏杆：按0.75kN/m考虑水平推力。立柱和扶手：按1.0kN/m考虑竖向力。离心力－车辆行驶在曲线线路上时，因速率方向变化而引起的横向水平力。离心力的大小－车辆活载（不计冲击力）乘以离心力系数CC值按下式计算：式中V——设计行车速度（km/h）；R——曲线半径（m）。离心力的着力点－在桥面以上1.2m处（公路桥）或轨顶面上2m处（铁路桥）。RVC1272空气运动形成风，当风受到桥梁阻碍时，桥梁就承受到风压（荷载）。对大跨柔性斜拉桥、悬索桥以及高塔高墩等，尤其需要考虑风荷载。顺风向风压和横风向风压顺风向风压：平均风压（静力，简化）和脉动风压（动力，仿真）公路桥横桥向风荷载按下式计算Fwh——横桥向风荷载标准值（kN）Wd——设计基准风压（kN/m2）（由基本风速和风压推算）k0——设计风速重现期换算系数（与桥梁重要性有关）k1——风载阻力系数（与结构有关）k3——地形、地理条件系数（与环境有关）Awh——结构横向迎风面积（m2）（与构造有关）whdwhAWkkkF310TayBridge1879TacomaNarrows1940VolgaRiverbridge2010公路桥梁抗风设计规范铁路桥风荷载计算类同车辆制动力（或牵引力）是指车辆在刹车时（或启动时）为克服车辆的惯性力（或阻力）而在路面或轨道与车轮之间发生的滑动摩擦力。制动力或牵引力是墩台设计的重要水平荷载，是作用在桥上的纵向水平力，但两者的作用方向相反。采用简化办法进行计算。对铁路桥，规定列车制动力或牵引力按竖向静活载的重力的10%计算，其作用点在轨顶以上2m处。公路桥梁中只考虑制动力。一个设计车道上的制动力为车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%，同向行驶双车道：两倍；同向行驶三车道：2.34倍；同向行驶四车道：2.68倍。对双向车道的公路桥，取值是否合理？温度作用－因气温的变化而引起的结构变形和附加力。温度的变化：(年)均匀温度和梯度温度(温差)。–均匀温度对静定和超静定结构的影响–梯度温度对静定和超静定结构的影响均匀温度的变化幅度：按桥梁所在地区的气温条件（一般取当地最高和最低月平均气温）确定，变化幅度自结构合龙时的温度算起。公路桥竖向梯度温度的变化曲线，见图。铁路