桥梁设计荷载西南交通大学李亚东精品PPT课件

1、 2011年10月15日n李亚东主编：桥梁工程概论西南交大出版社，2001年第一版，2006年第二版n西南交通大学桥梁工程概论专业课程于2009年入选为国家级精品课程和国家级网络精品课程，即“双精品课程”。n高等教育“十一五”国家级规划教材，2006年荣获第七届全国高校出版社优秀畅销书二等奖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偶然作用可变作用结构使用期作用公路桥梁各作用随时间变化的性质（示意）公路、铁路桥梁作用分类对比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

2、平力作用标准值作用频遇值用于所有作用仅用于可变作用作用准永久值作用频遇值作用准永久值准永久值作用频率（概率密度）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(部分可变和偶然作用)n永久作用标准值n可变作用根据不同的和分别采用标准值、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极限状态(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1正常使用极限状态(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2按弹性阶段计算结构强度标准值n偶然作用标准值n铁路桥梁各类荷载只有“标准值”u桥梁上部结构的恒载结构自身重力

3、和附属设备等外加重力u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u结构重力结构体积材料容重（重力密度）u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u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u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u在外部超静定的混凝土桥梁

4、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12受力结构（梁）的受力结构（梁）的自重自重，一期恒载一期恒载附属结构（铺装、护栏等）的附属结构（铺装、护栏等）的附加重力附加重力，二期恒载二期恒载土对下部结构的土对下部结构的侧压力侧压力超静定结构中超静定结构中基础变位基础变位会产生附加内力会产生附加内力混凝土的混凝土的收缩徐变收缩徐变会产生变形，会产生变形，超静定结构中还会产生内力超静定结构中还会产生内力预加力预加力，视为恒载或，视为恒载或结构抗力的一部分结构抗力的一部分墩台自重墩台自重常用材料的重力密度u车辆活载桥梁承受的机动交通活载铁路桥列车活载；

5、公路桥各类汽车活载；公铁两用桥列车活载+汽车活载u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）u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1435 mm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局部构件结构整体结构整体 考察实际运行的列车及其发展趋势，中活载标准

6、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等级等级I级级II级级III级级IV级级V级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适用车辆类型A型车型车B型车型车C-、型车型车C-型车型车现代有轨电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

7、离或少量混用混用为主车辆宽度（车辆宽度（m）3.02.82.62.62.6最大轴重（最大轴重（t）161411109最大时速（km/h）801008080704560轨距（mm）14351435143514351435列车最多车辆编组686846242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型车型车B型车型车C型车型车某中低速某中低速磁浮试验线磁浮试验线（举例）（举例）u参照高速磁浮交通设计规范、 中低速磁浮交通设计规范(征求意见稿)u根据车型确定活载图式及大小u注意三种不同的作用状态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

8、公路I级公路I级公路II级公路II级公路II级行车道？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

9、.780.670.600.550.520.50对铁路桥梁的主要构件：u单线：不考虑折减u双线：取双线标准活载之和的90%（0.9）u三线及以上者：取各线标准活载之和的80%（0.8）对仅承受局部活载的构件，不考虑折减计算跨径L0（m）纵向折减系数150 L04000.97400 L0 6000.96600 L0 8000.95800 L0 10000.94L0 10000.93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结构动力学分析简化：冲击力冲击系数铁路桥梁Lba公路桥梁动力问题简化为静力问题结构刚度结构基频max jmax dYYcc22mEIlfcc21261

10、6.13mEIlf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冲击力标准值为车辆活载标准值冲击系数，车辆活载总效应为标准值（1+）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得出） 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）

11、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） whdwhAWkkkF310Tay Bridge 1879Tacoma Narrows 1940Volga River bridge 2010 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

12、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。 温度作用因气温的变化而引起的结构变形及附加力。 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。 铁路桥的竖向、横向梯度温度曲线 各种材料的线膨胀系数，按规范取值。公路桥梁竖向梯度温度（尺寸单位：mm） 现象位于河流中的桥墩（台）会受到

13、流水压力的作用。 原因桥墩上游迎水一侧会形成高压区，下游一侧会形成低压区。这种前后压力差便构成水流对桥墩的压力。 特点流水压力标准值与桥墩的截面形状、表面粗糙率、水流流速和形态等有关。 计算公式： 流水（洪水）会加剧基底冲刷，或诱发泥石流，导致桥梁灾害。 gVKAP22德阳石亭江铁路桥，2010四川崇州市怀远大桥，2010成都华阳通济桥 2010西安灞河铁路桥 2002四川安县先林大桥 2010河南栾川伊河桥 2010 位于冰凌河流或水库的桥梁墩台，应根据当地冰凌的具体条件及墩台的结构形式，考虑冰压力的作用。 冰压力分类： 河流流冰（因顺流而下、撞击桥墩而）产生的动压力； 由于风及水流作用于（

14、常在水库内形成的）大面积冰层产生的静压力； 冰覆盖层受温度影响膨胀（且受到约束）时产生的静压力； 冰堆整体推移产生的静压力； 冰层因水位升降产生的竖向作用力。 计算公式： 按桥规办理，但应结合具体情况进行分析iktibtRmCF 地震引起的桥梁振动由于地震波在土中传播，使震区发生地面运动；桥梁基础首先受到外加的强迫运动，并导致整个桥梁的振动。 地震力（作用）主要指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力（加速度与质量的乘积），其大小与地面运动程度、结构动力特性、桥梁所在的地质情况等有关。 震害是桥梁面临的主要自然灾害（涉及面广，破坏严重）。汶川地震：百花大桥汶川地震：小渔洞大桥汶川地震造成国省干线

15、10余座桥梁彻底垮塌，670座桥梁严重受损。 震级：里氏（Richter），地震的强弱（释放能量的大小），最大9.5级（唐山7.8级，汶川8.0级，日本9.0级） 烈度：麦氏（Mercalli），地震对地面结构的破坏程度，分为12级（基本烈度，按地区划分） 设计烈度：抗震设计中所采用的地震基本烈度（小于7度不考虑），可以大于（或小于）建桥地区的基本烈度。 烈度的描述：水平地震系数 ，2001年起，采用地震动峰值加速度系数代替。 地震力计算方法：静力法、反应谱法，动态时程法地震动峰值加速度系数（g）0.050.050.100.150.200.300.40地震基本烈度地震基本烈度与地震动峰值加速度

16、系数的对应关系gkghmax WkgWmFhggmaxmax WkFh由结构基本运动方程沿时间历程进行积分求解结构振动响应的方法公路桥梁抗震设计细则（公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02-01-2008） 城市桥梁抗震设计规范城市桥梁抗震设计规范（CJJ166-2011）铁路工程抗震设计规范（铁路工程抗震设计规范（GB 50111-2006 ） 船舶的撞击作用碰撞过程十分复杂，简化计算 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） 结构特性（尺寸、形状、材料、质量和抗力等） 船舶撞击作用计算 内河：静力法（假定全部动能转化为静力功） 铁路桥：计算

17、公式；公路桥：给定标准值 近海（海湾海峡）：综合确定标准值（公路桥）u漂流物的撞击作用难以预测，计算困难主要针对非通航的河流注意漂流物的阻水作用河南栾川世德吊桥，201021sin CCWVvF1987年4月新桥开通？美国阳光高架桥，1980年5月9号被一货轮撞击，死35人广东九江大桥2007年6月15日撞毁一联引桥，死9人 桥梁护栏，跨线桥桥墩等，需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1000kN，在车辆行驶垂直方向取500kN，两个方向的撞击力不得同时考虑，撞击力作用于行车道以上1.2m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，对汽车撞击标准值予以折减。

18、四川内宜高速货车撞垮天桥201108水泥罐车撞伤京珠高速（湖南）桥梁 200904 作用效应组合各种作用效应的取舍以及作用效应的线性叠加 组合原则 依据：按照相关桥梁设计规范要求进行组合 方法：必需考虑各种作用效应的取舍以及它们同时作用的可能性 目的：找出桥梁在施工和运营时的最不利受力状态荷载名称不与该荷载同时参与组合的荷载汽车制动力流水压力，冰压力，支座摩阻力流水压力汽车制动力，冰压力冰压力汽车制动力，流水压力支座摩阻力汽车制动力（1 1）主力组合）主力组合（2 2）主主+ +附组合附组合（3 3）主主+ +特殊荷载组合特殊荷载组合恒载活载恒载活载恒载活载附加力恒载活载附加力恒载活载特殊荷载

19、恒载活载特殊荷载铁路桥的荷载组合方式铁路桥的荷载组合方式 组合中的恒载等并不是荷载表中所列的所有恒载项，而是其中需要参与组合的一项或几项；对活载、附加力、特殊荷载，也是如此。 仅考虑主力与一个方向（横桥向或顺桥向）的附加力组合。 铁路桥设计基于容许应力法，其荷载组合是各项荷载效应的直接叠加（无分项系数）。 上述前两点也适用于公路桥。说明说明极限状态极限状态设设 计计 状状 况况运营阶段施工阶段偶然情况桥涵结构分类设计安全等级结构重要性系数 特大桥，重要大桥一级1.1大桥，中桥，重要小桥二级1.0小桥，涵洞三级0.9公路桥涵结构的设计安全等级及结构重要性系数0不不同同的的作作用用效效应应组组合合

20、方方式式不不同同的的作作用用效效应应作用效应作用效应组合设计值组合设计值组合结构结构极限极限状态状态作用效应作用效应组合名称组合名称作用及作用效应作用及作用效应设计状况设计状况永久作用可变作用偶然作用持久短暂偶然承载能力极限状态基本组合设计值效应设计值效应偶然组合标准值效应某种代表值效应标准值效应正常使用极限状态短期效应组合标准值效应频遇值效应长期效应组合标准值效应准永久值效应强度计算组合标准值效应标准值效应作用效应组合的不同方作用效应组合的不同方式及与设计状况的关系式及与设计状况的关系只在基本组合中，考虑结构重要性系数、作用分项系数和组合分项系数（1）在偶然组合中，只考虑一种偶然作用作用效应组合设计值永久作用标准值效应可变作用（汽车）标准值效应汽车荷载效应（计入冲击力）其他可变作用标准值效应作用分项系数Q1=1.4自