3 公梁结构的作用

1、第一篇 总 论0 概述1 基本概念、专业术语与发展历程2 桥梁总体规划与设计程序3 公路桥梁结构的作用1概述永久作用可变作用偶然作用作用效应组合3 公路桥梁结构的作用2一、概述（一、概述（1）桥梁设计计算桥梁设计计算作用在桥梁上的作用在桥梁上的广义荷载是什广义荷载是什么？变化规律如么？变化规律如何？最大量值是何？最大量值是多少？多少？这些作用使桥梁这些作用使桥梁各构件产生什么各构件产生什么样的内力效应？样的内力效应？此内力效应的分此内力效应的分布规律如何？布规律如何？这些内力效应与这些内力效应与构件的抗力相比构件的抗力相比如何？构件、结如何？构件、结构安全度如何？构安全度如何？满足规范的最低满

2、足规范的最低要求吗？要求吗？3回顾 什么是极限状态？结构整体或结构局部达到不适合继续使用的特殊状态。 什么是承载能力极限状态？对应于结构或构件达到最大承载能力，或产生不适于继续承载变形的极限状态。 包括： 结构倾覆、失稳、变成几何可变体系 ；构件达到极限强度、疲劳强度而破坏，或产生较大的几何变形等。什么是正常使用极限状态？对应于结构或构件达到正常使用和耐久性的各项规定限制的极限状态。 包括结构及构件外观变形过大、开裂、局部破坏、振动过大等。4抗力抗力rr=sr结构抗力结构抗力s作用效应作用效应简单说来，就是要求简单说来，就是要求z=r-s0的概率大于一个给的概率大于一个给定的值，以保障结定的值

3、，以保障结构运营安全。构运营安全。荷载效应荷载效应s结构所处状态结构所处状态r1r2z2z1s2s15 结构抗力结构抗力r结构构结构构件承受内力和变形的能件承受内力和变形的能力，它是结构材料性能、几何参数等的函数。力，它是结构材料性能、几何参数等的函数。 作用作用f施施加在结构上的集中力或分布力，加在结构上的集中力或分布力，或引起结构外加变形或约束的原因，它分为直或引起结构外加变形或约束的原因，它分为直接作用和间接作用。接作用和间接作用。 作用效应作用效应s结构对所受作用的反应，包括结构对所受作用的反应，包括结构或结构或者构件的内力、变形等。者构件的内力、变形等。一、概述（一、概述（2）结构设

4、结构设计原理计原理建筑结建筑结构构/桥梁桥梁工程工程/地地下工下工程程6作用（荷载）确定的重要性作用（荷载）确定的重要性两个典型实例两个典型实例 英国福斯湾海峡铁路桥，英国福斯湾海峡铁路桥，1890年建成，悬臂钢桁架桥（用年建成，悬臂钢桁架桥（用钢量钢量54000t），跨度），跨度521.3m，受，受1879年英国泰湾桥风毁事件的影响，年英国泰湾桥风毁事件的影响，设计建造时非常保守，将风荷载设计值大大提高至设计建造时非常保守，将风荷载设计值大大提高至2.68kn/m2（ 该地区目前风荷载取值不超过该地区目前风荷载取值不超过1kn/m2，我国台风登陆地区一般我国台风登陆地区一般采用采用11.2k

5、n/m2 ），），虽然安全地服役至今虽然安全地服役至今，但在建成同时，有，但在建成同时，有人估计用钢量是实际所需的人估计用钢量是实际所需的5倍。倍。 英国英国severn桥，桥，1966年建成，第一座采用扁平年建成，第一座采用扁平流线型钢箱流线型钢箱梁作为加劲梁的悬索桥，跨度梁作为加劲梁的悬索桥，跨度305+988+305m，由于过低地，由于过低地估计货运汽车重量，建成不久后难以适应运输需求，不得估计货运汽车重量，建成不久后难以适应运输需求，不得不进行荷载等级提升，虽然耗时不进行荷载等级提升，虽然耗时7年（年（19851992）、耗费）、耗费巨大、千方百计地提高了荷载适应性，但无法避免主缆安巨

6、大、千方百计地提高了荷载适应性，但无法避免主缆安全性能的降低。全性能的降低。7 解放之前，我国没有设计规范，桥梁设计主要由外国公司承解放之前，我国没有设计规范，桥梁设计主要由外国公司承担，设计标准套用国外（英美规范居多）规范；担，设计标准套用国外（英美规范居多）规范； 从上世纪五十年代以来，我国在借鉴前苏联规范、欧美规范的从上世纪五十年代以来，我国在借鉴前苏联规范、欧美规范的基础上，先后基础上，先后 6次修订公路桥梁次修订公路桥梁设计荷载标准，具体为设计荷载标准，具体为（车队（车队荷载模式：若干主车和一辆重车荷载模式：若干主车和一辆重车 , 名称中数字为主车重量名称中数字为主车重量 t） 19

7、54年：年： 汽汽-6、汽、汽 -8、汽、汽 -10、汽、汽-13、汽、汽 - 18； 1956年：年： 增加了增加了 3种验算荷载：种验算荷载： 拖拖 -30、拖、拖-60、拖、拖 -80； 1967年：年： 汽汽 -10、汽、汽-15、汽汽-26； 履带履带- 50、拖车、拖车- 60、拖车、拖车- 100； 1972年：年： 汽汽- 10、汽、汽-15、汽、汽- 20；履带；履带- 50、挂车、挂车- 80、挂车、挂车- 100； 1981年：年： 汽车汽车-10级、汽车级、汽车-15级、级、汽车汽车 -20级、汽车级、汽车 - 超超20级级 ; 履带履带- 50、挂车挂车- 80、挂车

8、、挂车 - 100、挂车、挂车 - 120； 2003年：公路年：公路级、公路级、公路级级 ；作用（荷载）确定的重要性作用（荷载）确定的重要性我国公路桥规回顾我国公路桥规回顾8汽 车汽汽- 1 0 级车 - 1 5 级车 - 2 0 级汽车 -超 2 0 级9 在现役桥梁中，设计荷载为汽 20占多数； 目前，据不完全统计，我国公路桥梁 63万座，因设计荷载等级偏低、交通日益拥堵、超重超载车辆日益增多 ，现役桥梁 “小马拉大车 ”现象的普遍存在需要采取运营荷载限制措施的桥梁约占 1/10 ； 与美国等国规范相比，我国公路桥梁荷载标准明显偏低，汽20车辆荷载效应设计值仅为美国aashto的 68、

9、英国bs5400的 60 。设计作用（尤其是活荷载）确定是一个非常复杂的技术经济问题，既要考虑安全、又要考虑经济；既要满足当前需求、又要为将来留有足够的发展余地。作用（荷载）确定的重要性我国公路桥规回顾（续）10 作用分类作用分类按作用方式按作用方式分类分类直接作用直接作用： 施加在结构上的荷载，如自重，汽车荷载等施加在结构上的荷载，如自重，汽车荷载等间接作用间接作用：引起结构外加变形和约束变形的原因。：引起结构外加变形和约束变形的原因。 作用分类作用分类按性质分类按性质分类永久作用、可变作用永久作用、可变作用 、偶然作用、偶然作用一、概述（一、概述（3） 讨论：为什么以前的规范将外界施加在结

10、构上的影响称为讨论：为什么以前的规范将外界施加在结构上的影响称为“荷载（荷载（lord）”，新规范称之为，新规范称之为“作用（作用（action）”，那个更，那个更为恰当准确？二者有何区别？为什么？为恰当准确？二者有何区别？为什么？11作用代表值作用代表值：代表作用大小的数值，它采用数理统计方法、：代表作用大小的数值，它采用数理统计方法、根据工程经验加以确定（实际作用具有随机性、离散性）；根据工程经验加以确定（实际作用具有随机性、离散性）；作用代表值包括作用作用代表值包括作用标准值、频遇值和准永久值；标准值、频遇值和准永久值；一、概述（一、概述（4）作用标准值作用标准值pb：各种作用的可各种作

11、用的可能出现的最不利值。能出现的最不利值。作用频遇值作用频遇值pn ：可变作用的代表值，一般按概率分布的可变作用的代表值，一般按概率分布的0.95分位值确定。分位值确定。作用准永久值作用准永久值py ：可变作用通常情可变作用通常情况下的代表值。况下的代表值。opn pb p概率密度函数概率密度函数f pfpn=0.95popyf p概率密度函数概率密度函数fpy=0.512在进行桥梁结构或构件设计时，需针对不同设计目的采用规在进行桥梁结构或构件设计时，需针对不同设计目的采用规定的各种作用值。定的各种作用值。极限状态不同、代表值也会不同。极限状态不同、代表值也会不同。设计基准期设计基准期 (de

12、sign reference period)简单地讲，它就是在确定某些作用简单地讲，它就是在确定某些作用(这些作用的最大值概率分这些作用的最大值概率分布与时间有关，如风荷载、车辆活载等布与时间有关，如风荷载、车辆活载等)的标准值时需要人为规的标准值时需要人为规定一个基准时间参数。对桥梁结构，设计基准期通常取定一个基准时间参数。对桥梁结构，设计基准期通常取100年。年。注意注意! 设计基准期设计基准期使用寿命。使用寿命。一、概述（一、概述（5）13概述永久作用可变作用偶然作用作用效应组合3 公路桥梁结构的作用14二、二、 永久作用永久作用永久作用永久作用在设计基准期内不变或变化可忽略不计的作用，

13、也称在设计基准期内不变或变化可忽略不计的作用，也称之为恒载，之为恒载，恒载效应占总效应的比例在恒载效应占总效应的比例在404095%95%（跨度越大、（跨度越大、比例越高，反之亦然）比例越高，反之亦然）， 主要是指结构本身自重主要是指结构本身自重、以及与、以及与结构紧密相关的环境（土、水）所产生的荷载。结构紧密相关的环境（土、水）所产生的荷载。预加力预加力在在进行正常使用极限状态设计时被视为作进行正常使用极限状态设计时被视为作用；在进行承载能力极限状态设计时当做抗力。用；在进行承载能力极限状态设计时当做抗力。 讨论：对预应力为什么这样规定？理由是什么讨论：对预应力为什么这样规定？理由是什么?1

14、5编号编号作用名称作用名称1结构重力（包括结构附加重力）结构重力（包括结构附加重力）2预加力预加力3土的重力土的重力4土侧压力土侧压力5混凝土收缩及徐变作用混凝土收缩及徐变作用6水的浮力水的浮力7基础变位作用基础变位作用16概述永久作用可变作用偶然作用作用效应组合3 公路桥梁结构的作用17编号编号作用名称作用名称1汽车荷载汽车荷载2汽车冲击力汽车冲击力3汽车离心力汽车离心力4汽车引起的土侧压力汽车引起的土侧压力5人群荷载人群荷载6汽车制动力汽车制动力7风荷载风荷载8流水压力流水压力/冰压力冰压力9温度（均匀温度和梯度温度）作用温度（均匀温度和梯度温度）作用10支座摩阻力支座摩阻力可变作用：在设

15、计基准期内随时间变化的作用，也称之为活载可变作用：在设计基准期内随时间变化的作用，也称之为活载及其附加荷载。及其附加荷载。三、三、 可变作用可变作用181、汽车荷载：汽车荷载：最主要最主要的可变作用、随着汽车工业的发的可变作用、随着汽车工业的发展而不断提高，展而不断提高， (习惯上称为活载，习惯上称为活载，live load)，其产生的效其产生的效应占总效应的应占总效应的560%（跨度越大、比例越小，反（跨度越大、比例越小，反之亦然）；之亦然）； 等级等级公路公路-高速公路、一级公路，二级公路（重载多高速公路、一级公路，二级公路（重载多且作为干线时）且作为干线时）公路公路-级级二级、三级和四级

16、公路二级、三级和四级公路 组成组成车道荷载车道荷载均布均布+集中；结构整体计算集中；结构整体计算时采用；时采用；车辆荷载车辆荷载 单车荷载；结构局部计算时采用；单车荷载；结构局部计算时采用；三、三、 可变作用可变作用注意：二者的效应不能叠加！注意：二者的效应不能叠加！19计算跨径（m）pk公路-级时公路-级时5m1800.75180=13550m3600.75360=270汽车荷载等级公路-级公路-级q （kn/m）k10.50.7510.5=7.875 车道荷载计算图及标准值车道荷载计算图及标准值注：注：1）桥梁计算跨径在）桥梁计算跨径在5m50 m之间时，之间时，pk值采用直线内插；值采用

17、直线内插；2）计算）计算剪力剪力效应时，表中效应时，表中pk值应值应乘以乘以1.2的系数。的系数。20 车辆荷载：车辆荷载： 计算图及标准值计算图及标准值（550kn550kn重车）重车）30120120140140注：注：1、车辆荷载的主要技术指标见相关图表；、车辆荷载的主要技术指标见相关图表；2、公路、公路-、公路、公路-级采用相同标准值。级采用相同标准值。21设计车道数2345678横向折减系数1.000.780.670.600.550.520.50 汽车荷载折减汽车荷载折减横向折减原因：横向每一车队同时出现最大荷载的概率横向折减原因：横向每一车队同时出现最大荷载的概率随车道数增加而减小

18、。随车道数增加而减小。纵向折减原因：桥跨越长，全桥达到高密度和重载的概纵向折减原因：桥跨越长，全桥达到高密度和重载的概率越小，跨度率越小，跨度 150m时，纵向折减。时，纵向折减。纵向折减系数纵向折减系数 ：0.930.97方法：多跨连续结构时，按最大计算跨径考虑。方法：多跨连续结构时，按最大计算跨径考虑。注：折减后的效应不得小于两条车道荷载产生的效应！注：折减后的效应不得小于两条车道荷载产生的效应！222、汽车冲击力汽车冲击力?原因：原因： 桥面不平整桥面不平整 车轮不圆车轮不圆 发动机抖动发动机抖动桥梁振动桥梁振动效应比静载时大效应比静载时大这种动力效应称为冲击力这种动力效应称为冲击力?冲

19、击力冲击力=(1+)（汽车荷载）（汽车荷载）冲击系数冲击系数?影响影响的主要因素：的主要因素： 结构阻尼结构阻尼材料（自重增大，材料（自重增大，减小）减小）连接方式（刚度增大，连接方式（刚度增大，减小）减小）跨径（跨径增大，跨径（跨径增大，减小）减小） 与桥梁结构的基频与桥梁结构的基频f 有关有关0.05f1.5hz=0.1767lnf -0.01570.451.5hz f14hzf14hz23 f 的计的计算：常用有限元法，也可简单地按算：常用有限元法，也可简单地按f=100/l来估算来估算 =0的情况：的情况：重力式墩台重力式墩台填料厚填料厚0.5m的拱、涵洞的拱、涵洞 = 0.3的情况：

20、的情况：局部加载局部加载在在t梁、箱梁悬臂板加载梁、箱梁悬臂板加载24v离心力离心力=c（车辆（车辆荷载）（不计冲击力）荷载）（不计冲击力）离心力系数离心力系数2127 rc 3、汽车离心力汽车离心力r250m时时,要考虑。要考虑。离心力离心力或或原因：弯道行驶原因：弯道行驶桥面桥面作用位置：作用位置：离心力离心力1.2m（简化计算）（简化计算）254 4、汽车引起的土侧压力、汽车引起的土侧压力 计算原理：等代土层代替汽车荷载计算原理：等代土层代替汽车荷载 计算桥台计算桥台(或挡土墙或挡土墙)后填土破坏棱体对桥台后填土破坏棱体对桥台(或挡土墙或挡土墙) gbl 0 的土侧压力的土侧压力h 土的

21、重力密度土的重力密度l0 桥台或挡土墙后填土的桥台或挡土墙后填土的 破坏棱体长度破坏棱体长度b 桥台横向全宽或挡土墙桥台横向全宽或挡土墙 的计算长度的计算长度 g 布置在布置在b l0面积内的车轮的总重力面积内的车轮的总重力等代土层等代土层车荷车荷gl0h 破坏棱体破坏棱体265 5、人群荷载、人群荷载3.0 kn/m2计算跨径计算跨径l50m人群荷载人群荷载p0r =2.5 kn/m23.5 kn/m24.0 kn/m2l150m专用人行桥专用人行桥计算人行道板时计算人行道板时 应用应用l=50150m时时, p0r可内插可内插;城市人多时，放大城市人多时，放大1.15倍倍;不等跨连续结构，

22、按最大计不等跨连续结构，按最大计算跨考虑。算跨考虑。276、汽车制动力、汽车制动力制动力制动力t =10%（车道荷载）（车道荷载）一个车道一个车道t 165 kn(公路公路级）级）同向两车道同向两车道t=2（一个车道（一个车道t）同向三车道同向三车道t=2.34 （一个车道（一个车道t）同向四车道同向四车道t=2.68 （一个车道（一个车道t） 墩、台墩、台 刚构、拱刚构、拱 一般计算图一般计算图t桥面桥面1.2mt桥面桥面支座中线支座中线支座底线支座底线28 计算方法计算方法:静力计算静力计算 标准值标准值fwh =k0 k1 k3 wd awh7、风荷载、风荷载 产生原因产生原因:空气流动

23、空气流动 说明说明:顺桥向风荷载不计桥面系顺桥向风荷载不计桥面系;桥墩顺桥向风荷载按迎风面的桥墩顺桥向风荷载按迎风面的70%计算；计算；桥台不计风载；桥台不计风载；大大桥要做动力计算、风洞试验。桥要做动力计算、风洞试验。风速重现期风速重现期阻力阻力地形地形迎风面面积迎风面面积基准风压，见风压基准风压，见风压表，表，0.21kn/m2大跨桥梁重要的设计荷载大跨桥梁重要的设计荷载位移、速度、加速度位移、速度、加速度对结构压力对结构压力29太阳辐射太阳辐射8 8、温度作用、温度作用 均匀温度作用均匀温度作用影响：超静定结构影响：超静定结构大小：与材料、施工等有关大小：与材料、施工等有关原理：原理：

24、t te t0 次内力次内力最高（低）有效温度最高（低）有效温度 梯度温度作用梯度温度作用原理：原理：合拢温度合拢温度次内力次内力梯度温度梯度温度规律：规律：对静定结构产生变形、不产生次内力对静定结构产生变形、不产生次内力对超静定结构产生次内力，不可忽视。对超静定结构产生次内力，不可忽视。温度梯度温度梯度309、支座摩阻力支座摩阻力活动支座摩阻力活动支座摩阻力 ：f w支反力支反力摩擦系数摩擦系数31概述永久作用可变作用偶然作用作用效应组合3 公路桥梁结构的作用32四、偶然作用四、偶然作用定义：定义：设计基准期内不一定出现，但出现时量值很设计基准期内不一定出现，但出现时量值很大、破坏力极强、持

25、续时间较短的作用。大、破坏力极强、持续时间较短的作用。偶然作用种类偶然作用种类：地震作用；：地震作用；船舶或漂流物的撞击作用；船舶或漂流物的撞击作用；汽车撞击作用。汽车撞击作用。地震作用地震作用 ： 抗震设计规范：抗震设计规范：公路工程抗震设计规范公路工程抗震设计规范 地震动加速度峰值（简化）：地震动加速度峰值（简化）：6度烈度、按度烈度、按7度设防，峰值加速度度设防，峰值加速度0.1g7度烈度、按度烈度、按8度设防，峰值加速度度设防，峰值加速度0.2g8度烈度、按度烈度、按9度设防，峰值加速度度设防，峰值加速度0.4g33船舶、漂流物撞击作用船舶、漂流物撞击作用 精确计算困难（一般按规范计算

26、，特殊重要桥梁进行精确计算困难（一般按规范计算，特殊重要桥梁进行专题研究计算）专题研究计算） 规范规定规范规定wvgtf 物重物重流速流速撞击时间（按撞击时间（按1s计）计）船舶撞击力：查表船舶撞击力：查表漂流物撞击力：漂流物撞击力：加速度加速度标准值标准值34车撞击力车撞击力必要时可考虑必要时可考虑标准值（参考国外）标准值（参考国外）1.2m作用影响范围：直接分布于撞击涉及的作用影响范围：直接分布于撞击涉及的构件上构件上500 kn1000 kn35概述永久作用可变作用偶然作用作用效应组合3 公路桥梁结构的作用 36五、作用效应组合五、作用效应组合 公路桥梁设计方法公路桥梁设计方法 ：以：以

27、概率理论概率理论 为基础的为基础的极限状态法极限状态法，采用采用分项系数分项系数的设的设计表达式计表达式 。 极限状态：极限状态： 承载能力极限状态；承载能力极限状态；正常使用极限状态正常使用极限状态各种作用不一定同时出现，各种作用不一定同时出现，且出现的几率也相差较大且出现的几率也相差较大强调结构安全、但也应强调结构安全、但也应适度考虑经济造价因素适度考虑经济造价因素作用效应组合作用效应组合37 三种设计状况三种设计状况持久状况（使用阶段持久状况（使用阶段状况）：状况）：指桥涵使用过程中指桥涵使用过程中长期承受结构重力、汽车荷载等作用的状况。在该状况下，要长期承受结构重力、汽车荷载等作用的状

28、况。在该状况下，要求对设想的结构所有功能进行设计，即应进行承载能力极限状求对设想的结构所有功能进行设计，即应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。态和正常使用极限状态设计。短暂状况（施工阶段状况）：短暂状况（施工阶段状况）：只进行承载能力极限只进行承载能力极限状态计算（时间短），必要时才作正常使用极限状态的计算。状态计算（时间短），必要时才作正常使用极限状态的计算。偶然状况（偶然出现的状况）：偶然状况（偶然出现的状况）： 只进行承载能力极只进行承载能力极限状态计算（保证主要承重结构不丧失承载能力，或只发生局限状态计算（保证主要承重结构不丧失承载能力，或只发生局部破坏）。部破坏）。38按承

29、载能力极限状态按承载能力极限状态（强度）（强度）设计的作用效应组合设计的作用效应组合采用两种作用效应组合。采用两种作用效应组合。 基本组合基本组合 ：永久作用设计值效应永久作用设计值效应 + 可变作用设计值效应可变作用设计值效应sud 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值 0 结构重要性系数结构重要性系数 gi 第第i个永久作用效应的个永久作用效应的分项系数分项系数sgik 第第i个永久作用效应的个永久作用效应的标准值标准值sq1k 汽车荷载效汽车荷载效应的标准值应的标准值 q1 汽车荷载效应的分项系汽车荷载效应的分项系 数数 qj 在作用效应组合中除汽车荷载效应、风荷载外的其他第在作用效应组合中除汽车荷载效应、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数个可变作用效应的分项系数sqjk 在作用效应组合中除汽车荷载效应外的其他第在作用效应组合中除汽车荷载效应外的其他第j个可变作用效应的标准值个可变作用效应的标准值 c 在作用效在作用效应组合中除汽车荷载效应外的其他可