桥梁工程科学创造设计之偶然作用

1、桥梁工程科学创造设计之偶然作用一一 地震作用地震作用 * * 地震区桥梁的设计计算，必须考虑地震力地震区桥梁的设计计算，必须考虑地震力(earthquake (earthquake force)force)。* * 地震力的计算涉及地震理论、结构动力学、工程地质地震力的计算涉及地震理论、结构动力学、工程地质等多方面的知识。等多方面的知识。* * 详细计算方法和结构抗震设计可参见详细计算方法和结构抗震设计可参见公路工程抗震公路工程抗震设计规范设计规范(JTJ004)(JTJ004)和和铁路工程抗震设计规范铁路工程抗震设计规范(GBJ111)(GBJ111)。 地震波传播地震波传播震区地面运动震区

2、地面运动桥梁基础受到强迫运动桥梁基础受到强迫运动桥梁振动。桥梁振动。地震力：指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力地震力：指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力( (地面水平运地面水平运动加速度与结构质量的乘积动加速度与结构质量的乘积) )。 它不仅与地面运动的强烈程度有关，也与结构的动力特性它不仅与地面运动的强烈程度有关，也与结构的动力特性( (频率频率和振型和振型) )有关，还与桥址处的地质情况有关。有关，还与桥址处的地质情况有关。 v地震作用分竖直方向和水平方向，经验表明地地震作用分竖直方向和水平方向，经验表明地震的水平运动是导致结构破坏的主要因素。结震的水平运动是导致结构破坏的主要因素

3、。结构抗震验算时一般只考虑水平地震作用。构抗震验算时一般只考虑水平地震作用。v衡量地震规模的大小一般采用：衡量地震规模的大小一般采用： 震级（震级（magnitude）和烈度（）和烈度（intensity） 震级震级M,表示地震的强弱，一次地震只有一个震级。表示地震的强弱，一次地震只有一个震级。 地震烈度地震烈度I,表示地震引起的地面运动的强烈程度和对工程设施的表示地震引起的地面运动的强烈程度和对工程设施的破坏程度，一次地震有若干个烈度。破坏程度，一次地震有若干个烈度。 地震基本烈度：反映地震本身的剧烈程度。根据水平地震系数地震基本烈度：反映地震本身的剧烈程度。根据水平地震系数Kh(地面最大水

4、平加速度的统计平均值与重力加速度地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度g的比值的比值)加以划分的。加以划分的。 设计烈度：由设计者根据建桥地区的基本烈度、桥梁的重要性、设计烈度：由设计者根据建桥地区的基本烈度、桥梁的重要性、遭破坏后进行修复的难易程度选用的。遭破坏后进行修复的难易程度选用的。 根据根据20012001年版年版中国地震动参数区划图中国地震动参数区划图(GB18306)(GB18306)，采用，采用地震动峰值加速度系数取代地震基本烈度的概念，两者之间的地震动峰值加速度系数取代地震基本烈度的概念，两者之间的关系见表。关系见表。抗震设防的基本要求表述为：抗震设防的基本要求表述为：

5、位于地震动峰值加速度为、和地区的桥涵工程，应进行位于地震动峰值加速度为、和地区的桥涵工程，应进行抗震设计；抗震设计； 位于地震动峰值加速度大于或等于地区的桥涵工程，应进位于地震动峰值加速度大于或等于地区的桥涵工程，应进行专门的抗震研究和设计。行专门的抗震研究和设计。 地震力的计算方法分静力法静力法和动态法动态法1、静力法、静力法 静力法是用一个水平方向作用的等效静止荷载表示地震对结构的作用。 其计算公式如下： iHiiiiiiWkCXgWCXmCP2max02max02 静力法主要使用于刚度较大结构。规范规定：挡土墙、桥台用静力法计算地震力。2、反应谱理论、反应谱理论 动态法主要有反应谱理论反

6、应谱理论和时程分析法时程分析法 反应谱理论是一种简化的动态分析法，又称动静法。桥梁抗震规范主要采用这种方法计算地震力。 对于高墩或特大跨度的桥梁，应同时采用时程分析法，取最不利结果。（1 1）单质点地震力）单质点地震力 max*maxXXmXmPg WkXXXgXmgPhgggmaxmax*max 水平地震系数水平地震系数(地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度g的比值的比值)hk动力放大系数，表示单质点弹性体系在地震作用下的绝对水平加速度与地面最大水动力放大系数，表示单质点弹性体系在地震作用下的绝对水平加速度与地面最大水平加速度的比值，平加速度的

7、比值，即以地面最大水平加速度为单位的加速度反应谱即以地面最大水平加速度为单位的加速度反应谱) )（2）多质点系统地震力）多质点系统地震力 多质点系统由于地震引起的复杂振动可以看作自振振型的迭加。 jijjHiijxkWP*njjjjHiziixkWCCP1*二二 船只或漂流物的撞冲作用船只或漂流物的撞冲作用 在通行船舶或有漂流物的河流中，河中墩台需要考虑船舶或漂流物的撞击力(collision impact)。 船舶或漂流物与桥梁结构的碰撞过程十分复杂，其与碰撞时的环境因素(风浪、气候、水流等)、船舶特性(类型、尺寸、速度、装载情况、船体强度和刚度等)、桥梁结构特性(尺寸、形状、材料、质量和抗

8、力等)等有关。 目前，撞击力通常按静力法计算，假定船筏作用于目前，撞击力通常按静力法计算，假定船筏作用于墩的有效动能转化为撞击力墩的有效动能转化为撞击力F F所做的功。所做的功。 铁路规范计算公式为：铁路规范计算公式为：V V船舶或漂流物撞击墩台的速度船舶或漂流物撞击墩台的速度(m(ms)s)；船舶或漂流物驶近方向与墩台撞击点处切线所形成的夹角；船舶或漂流物驶近方向与墩台撞击点处切线所形成的夹角；W W船舶或漂流物重船舶或漂流物重(kN)(kN)；C1C1、C2 C2 船舶或漂流物的弹性变形系数和墩台船舶或漂流物的弹性变形系数和墩台( (砌体材料砌体材料) )的弹性变形的弹性变形系数系数(m(

9、mkN)kN)， 缺乏资料时一般假定缺乏资料时一般假定C1+C2=0.0005C1+C2=0.0005公路桥梁规范按照公路桥梁规范按照“静力法静力法”，并依据，并依据20042004年版年版内河内河通航标准通航标准(GB50139)(GB50139)： 给出了一至七级内河航道上、不同吨位的船舶可能产给出了一至七级内河航道上、不同吨位的船舶可能产生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值。生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值。 对近海通行海轮区域的船舶对近海通行海轮区域的船舶( (吨级从吨级从3000300050000t)50000t)产产生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值，则是根据国内外生的横桥向和顺桥向撞击

10、作用标准值，则是根据国内外研究成果，并经综合分析比较确定的。研究成果，并经综合分析比较确定的。 当桥墩配置了防撞设施时，可不计撞击作用。当桥墩配置了防撞设施时，可不计撞击作用。 三三 汽车撞击作用汽车撞击作用 公路桥梁的某些结构构件公路桥梁的某些结构构件( (如防撞护栏，跨线桥的桥墩等如防撞护栏，跨线桥的桥墩等) )必要必要时可考虑汽车的撞击作用。时可考虑汽车的撞击作用。 汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取1000kN1000kN，在车辆行驶垂直，在车辆行驶垂直方向取方向取500kN500kN，两个方向的撞击力不同时考虑，两个方向的撞击力不同时考虑， 撞击力作用于

11、行车道以上撞击力作用于行车道以上1 12m2m处。处。 对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击标准值予以折减，但折减后的撞击力不应低于上述规定值汽车撞击标准值予以折减，但折减后的撞击力不应低于上述规定值的的1/61/6。四四 施工荷载施工荷载 在桥梁设计中，需考虑到结构在建造、运输、架设安装等施工在桥梁设计中，需考虑到结构在建造、运输、架设安装等施工阶段可能遇到的各种临时荷载，如施工人员、架桥机、挂篮、起吊阶段可能遇到的各种临时荷载，如施工人员、架桥机、挂篮、起吊机具和其他材料或设备的重力。这些施工荷载机具和其他材料

12、或设备的重力。这些施工荷载(siteload)(siteload)的数值及的数值及其对结构的影响可视具体情况分析。其对结构的影响可视具体情况分析。 第五节第五节 作用效应组合作用效应组合 作用效应组合(combination of action effects) 为了保证桥梁结构的安全和适用,需要根据作用的特性、桥梁结构的特性、施工方法以及桥位处的环境等因素，针对结构的不同状况、不同安全等级、不同设计或验算内容，确定各种作用效应的取舍以及各种作用效应对结构的共同效果(叠加值)，即作用效应组合. 组合总原则： 作用效应组合应只涉及结构上可能同时出现的作用效应组合应只涉及结构上可能同时出现的作用效

13、应，并以桥梁在施工或运营时可能处于最作用效应，并以桥梁在施工或运营时可能处于最不利受力状态为原则。不利受力状态为原则。 对铁路桥和公路桥，由于目前所采用的设计方对铁路桥和公路桥，由于目前所采用的设计方法不同，故作用效应组合的表达形式也不同法不同，故作用效应组合的表达形式也不同 铁路桥设计仍采用容许应力法。基本的组合方式有三种：铁路桥设计仍采用容许应力法。基本的组合方式有三种： 主力：主力： 表表3.23.2中的恒载与活载的组合；中的恒载与活载的组合； 主力主力+ +附加力：附加力： 表表3.23.2中的恒载、活载及附加力的组合；中的恒载、活载及附加力的组合； 主力主力+ +特殊荷载：表特殊荷载

14、：表3.23.2中的恒载、活载及特殊荷载的组合。中的恒载、活载及特殊荷载的组合。注意：注意：组合中的恒载等并不是表中所列的所有恒载项，而是其中需要组合中的恒载等并不是表中所列的所有恒载项，而是其中需要参加组合的一项或几项；对活载、附加力、特殊荷载，也是如此。参加组合的一项或几项；对活载、附加力、特殊荷载，也是如此。仅考虑主力与一个方向仅考虑主力与一个方向( (横桥向或顺桥向横桥向或顺桥向) )的附加力组合。的附加力组合。铁路桥的荷载组合是各项荷载效应的直接叠加。铁路桥的荷载组合是各项荷载效应的直接叠加。上述、也适用于公路桥。上述、也适用于公路桥。 在表31及表32所列的各种作用中，有些作用是不

15、会同时发生的!,就不可同时参与组合.例如:离心力、风力与列车横向摇摆力;流水压力与冰压力;支座摩阻力与汽车制动力等就不可同时参与组合。另外，基于最不利原则，当某项可变作用对结构产生有利影响时，该项作用不参与组合。 施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑。组合式桥梁，当把底梁作为施工支撑时，作用效应宜分两个阶段组合，底梁受荷为第一个阶段，组合梁受荷为第二个阶段。 多个偶然作用不同时参与组合。公路桥公路桥两种极限状态两种极限状态: :按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，

16、取其最不利效应组合进行设计。作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计。三种设计状况：三种设计状况： 1 1 持久状况持久状况 指桥涵使用过程中长期承受结构重力、汽车荷载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，要求对设想的结构所有功能进等作用的状况。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态和正常使用极限状态设行设计，即应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。计。 2 2 短暂状况短暂状况 指桥涵施工过程中承受临时性作用的状况。在指桥涵施工过程中承受临时性作用的状况。在该状况下，仅要求进行承载能力极限状态设计，必要时才进该状况下，仅要

17、求进行承载能力极限状态设计，必要时才进行正常使用极限状态设计。行正常使用极限状态设计。 3 3 偶然状况偶然状况 指桥涵使用过程中可能偶然遭受的地震等状况指桥涵使用过程中可能偶然遭受的地震等状况。在该状况下，仅要求进行承载能力极限状态设计，不需要。在该状况下，仅要求进行承载能力极限状态设计，不需要进行正常使用极限状态设计。进行正常使用极限状态设计。 在按持久状况承载能力极限状态设计时，按照结构可能破在按持久状况承载能力极限状态设计时，按照结构可能破坏的严重程度，将公路桥涵划分为三个设计安全等级，见表。坏的严重程度，将公路桥涵划分为三个设计安全等级，见表。根据不同等级，拟定相应的结构重要性系数与

18、作用效应组合值根据不同等级，拟定相应的结构重要性系数与作用效应组合值相乘。相乘。 一一 按承载能力极限状态设计时的作用按承载能力极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合（或荷载）效应组合 公路桥涵结构的承载能力极限状态设计，按照可能出现的公路桥涵结构的承载能力极限状态设计，按照可能出现的作用，将其分为两种作用效应组合，作用，将其分为两种作用效应组合，即基本组合和偶然组合。 作用效应的基本组合是指永久作用设计值效应与可变作作用效应的基本组合是指永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合。这种组合用于结构的常规设计，是所有用设计值效应的组合。这种组合用于结构的常规设计，是所有公路桥涵结构都应该考虑

19、的。作用设计值为作用的标准值乘以公路桥涵结构都应该考虑的。作用设计值为作用的标准值乘以相应的分项系数。相应的分项系数。 作用效应的偶然组合是指永久作用标准值、可变作用代作用效应的偶然组合是指永久作用标准值、可变作用代表值和一种偶然作用标准值的效应组合，视具体情况，也可不表值和一种偶然作用标准值的效应组合，视具体情况，也可不考虑可变作用效应参与组合。作用效应偶然组合用于结构在特考虑可变作用效应参与组合。作用效应偶然组合用于结构在特殊情况下的设计，所以不是所有公路桥涵结构都要采用的，一殊情况下的设计，所以不是所有公路桥涵结构都要采用的，一些结构也可采取构造或其他预防措施来解决。些结构也可采取构造或

20、其他预防措施来解决。 通用规范通用规范JTG D60JTG D60规定，公路桥涵结构按承规定，公路桥涵结构按承载能力极载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合： 1 1 基本组合基本组合 永久作用的永久作用的设计值设计值效应与可变作用效应与可变作用设计值设计值效应相组合，其效应组合表达式为：效应相组合，其效应组合表达式为： 或或 0ud0GiGikQ1Q1KQjQjk12mncijSSSS0ud0GidQ1dcQjd12mnijSSSS承载能力极限状态下基本组合的作用效应组合设计值；承载能力极限状态下基本组合的作用效应组合设计值；结构重要性系数，对应于设计安全等级一级、二级和三级的桥涵

21、，结构重要性系数，对应于设计安全等级一级、二级和三级的桥涵，分别取分别取1.11.1，1.01.0和和0.90.9；第第i i个永久作用效应的分项系数；个永久作用效应的分项系数；分别为第分别为第i i个永久作用效应的标准值和设计值；个永久作用效应的标准值和设计值；汽车荷载效应汽车荷载效应( (含冲击力、离心力含冲击力、离心力) )的分项系数；的分项系数；分别为汽车荷载效应分别为汽车荷载效应( (含冲击力、离心力含冲击力、离心力) )的标准值和设计值；的标准值和设计值；除汽车荷载效应除汽车荷载效应( (含冲击力、离心力含冲击力、离心力) )、风荷载外的其他第、风荷载外的其他第j j可变作可变作用

22、效应的分项系数；用效应的分项系数；除汽车荷载效应除汽车荷载效应( (含冲击力、离心力含冲击力、离心力) )外的其他第外的其他第j j个可变作用效应个可变作用效应的标准值和设计标准值和设计值；的标准值和设计标准值和设计值；除汽车荷载效应除汽车荷载效应( (含冲击力、离心力含冲击力、离心力) )外的其他可变作用效应的组合外的其他可变作用效应的组合系数；系数；由于若干个独立可变作用效应同时出现的概率较小，故采用由于若干个独立可变作用效应同时出现的概率较小，故采用这一系数对这些作用效应的组合予以折减，它随着可变作用项数的这一系数对这些作用效应的组合予以折减，它随着可变作用项数的增加而减少。增加而减少。

23、 0ud0GiGikQ1Q1KQjQjk12mncijSSSS0ud0GidQ1dcQjd12mnijSSSSuds0GiQidGik、ss1QdQk、Qss11QjQjdQjk、ssc 2 2 偶然组合偶然组合 永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。种偶然作用标准值效应相组合。 偶然作用的效应分项系数取；偶然作用的效应分项系数取； 与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。料和工程经验取用适当的代表值。 地震作用标准值及其表达式按现行地震作用标准值及其表达式按现行公路工程抗公路工程抗震设计规范震设计规范规定采用。规定采用。 偶然组合用于结构在特殊情况下偶然组合用于结构在特殊情况下( (如地震如地震) )的设计，不的设计，不是所有公路桥梁都要采用。是所有公路桥梁都要采用。二正常使用极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合二正常使用极限