第二章设计荷载

1、第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载桥梁设计荷载桥梁设计荷载中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第二章第二章一二三四五2009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载桥梁结构需安全承受人类活动及环境变化所施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加的影响，这样的影响可统称为“作用作用”作用的作用的类型、大小、方式类型、大小、方式的确定是否得当，的确定是否得当，既关系到桥梁安全，也关系到桥梁建设费用既关系到桥梁安全，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为便于桥梁设计，需要制订相关的作用或荷载标准标准，而这些标准

2、并不是一成不变的，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综合介绍公路、铁路桥各类作用及其组合的基本本概念概念和计算原则，实际应用时按和计算原则，实际应用时按规范规范办理办理第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载施加在结构上的施加在结构上的力力引起结构外加变形、引起结构外加变形、约束改变的约束改变的原因原因直接作用（直接作用（荷载荷载）间接作用间接作用结构内力的反应结构内力的反应结构对所受作用的反应结构对所受作用的反应结构变位的反应结构变位的反应第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载永久作用永久作用可变作用可变作用恒载恒载活载活载+附加力附加力偶然作用偶然作用特殊

3、荷载特殊荷载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）铁路桥梁公路桥梁公路、铁路桥梁作用分类对比第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载永久作用永久作用结构重力（包括结构附加重力）结构重力（包括结构附加重力）预加力预加力土的重力土的重力土侧压力土侧压力混凝土收缩及徐变作用混凝土收缩及徐变作用可变作用可变作用汽车荷载汽车荷载+汽车冲击力汽车冲击力汽车离心力汽车离心力汽车引起的土侧压力汽车引起的土侧压力人群荷载人群荷载汽车制动力汽车制动力偶然作用偶然作用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列车牵引力水的浮力水的浮力基

4、础变位作用基础变位作用风荷载风荷载流水压力流水压力冰压力冰压力温度（均匀温度和梯度温度）作用温度（均匀温度和梯度温度）作用支座摩阻力支座摩阻力铁路桥无此项施工荷载列车脱轨荷载长钢轨断轨力列车横向摇摆力长钢轨纵向水平力冻胀力对公铁两用桥，如何选择作用及其大小？2009.112009.11 长沙长沙作用分类作用名称作用分类作用名称永久作用结构重力可变作用汽车荷载预加力汽车冲击力土的重力汽车离心力土侧压力汽车引起的土压力混凝土收缩和徐变作用人群荷载水浮力汽车制动力基础变位影响风荷载偶然作用地震作用流水压力船只或漂流物撞击作用冰压力汽车撞击作用温度作用公路桥梁荷载公路桥梁荷载2009.112009.1

5、1 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载铁路桥梁荷载铁路桥梁荷载荷载分类恒载主力荷载分类附加力特殊荷载荷载名称结构构件及附属设备自重预加力混凝土收缩和徐变影响土压力静水压力及水浮力基础变位影响列车竖向静活载公路活载列车竖向动力作用长钢轨纵向水平力离心力横向摇摆力荷载名称制动力或牵引力风力流水压力冰压力温度变化作用冻胀力列车脱轨荷载船只撞击力汽车撞击力施工临时荷载地震力长钢轨断轨力活载土压力人行道荷载第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载用于所有作用用于所有作用仅用于可变作用仅用于可变作用作用标准值作用标准

6、值作用频遇值作用频遇值作用准永久值作用准永久值作用频遇值作用频遇值作用准永久值作用准永久值2009.112009.11 长沙长沙“频繁出现频繁出现”95%概率分位概率分位“经常出现经常出现”50%概率分位概率分位频率（概率密度）足够长观测期内的数据拟合曲线作用准永久值 频遇值 标准值作用的统计曲线及代表值示意中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系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)第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载n 永久作用标准值n 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 正常使用极限状态(按短期效应组合

7、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”第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载一二三四五第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载uuuuuuu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

8、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土对下部结构的土对下部结构的侧压力侧压力2009.112009.11 长沙长沙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中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系

9、第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载附属结构（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，二期恒载受力结构（梁）的受力结构（梁）的自重自重，一期恒载，一期恒载墩台自重墩台自重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第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载常用材料的重力密度第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载一二三四五第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载u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

10、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。第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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2009.112009.11 长沙长沙局部构件局部构件

11、结构整体结构整体中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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2009.112009.11 长沙长沙0.8*UIC中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系等级等级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

12、-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第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载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）第第2 2章章 桥

13、梁设计荷载桥梁设计荷载C型车型车B型车型车A型车型车第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载某中低速磁浮试验线（举例）某中低速磁浮试验线（举例）uuu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)根据车型确定活载图式及大小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级公路I级公路I级公路II级公路II级公路II级第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载荷载等级荷载等级分为公路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车道荷载基于现场测定及作用效应对比分析确定的虚拟荷载，用

14、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第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载P PK K180180 kNkN，L LK K55 m mP PK K360360 kNkN，L LK K5050 m mP PK K值采用直线内插法确定，值采用直线内插法确定，5 5 m mL LK K5050 m m 时，时，计算剪力效应时，计算剪力效应时，P PK K应乘以系数应乘以系数 1.21.2q qK K10.510.5 kN/mkN/m公路公路IIII级的均布荷载标准值级的

15、均布荷载标准值 q qK K和集中荷和集中荷载标准值载标准值 P PK K均按公路均按公路级车道荷载的级车道荷载的0.750.75 倍考虑倍考虑中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系公路I级PK公路I级qK公路II级PK和qK行车道？车道荷载车道荷载一座桥梁一座桥梁的车道荷的车道荷载的加载载的加载倍数由设倍数由设计车道数计车道数决定决定2009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载车辆荷载的立面布置车辆荷载的平面尺寸单位：kN，m第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载车辆荷载的横向布置（单位：m）车辆荷载的横向布置示例第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 规

16、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。设计车道数横向折减系数21.0030.7840.6750.6060.5570.5280.50第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载对铁路桥梁的主要构件：uuu单线：不考虑折减双线：取双线标准活载之和的90

17、%（0.9）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，不考虑折减对公铁两用桥，如何折减？计算跨径L0（m）纵向折减系数150L04000.97400L06000.96600L08000.95800L010000.94L010000.93第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载折减理由折减理由：制定车道荷载标准时，调查统计重车居多并呈拥挤状态，随：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着跨度的增加，实际情况会有所缓解跨径取值跨径取值：对多跨连续结构，按最大计算跨径（主跨）进行纵向折减：对多跨连续结构，按最大计算跨径（主

18、跨）进行纵向折减铁路桥梁铁路桥梁：无此规定。对超大跨度桥梁，由于列车长度的限制，铁路活：无此规定。对超大跨度桥梁，由于列车长度的限制，铁路活载效应占总的荷载效应的比重则会逐步减小载效应占总的荷载效应的比重则会逐步减小2009.112009.11 长沙长沙 系系 系 加载较为繁琐，可采用等代荷载等代荷载（或称换算均布荷载换算均布荷载）取代。第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载加载加载就是按最不利原则最不利原则布置车辆活载，通过结构分析计算桥梁活载效应（内力和变位）的最不利值。均布荷载，可任意截取，同号影响线满布一般做法一般做法先计算结构内力及位移影响线影响线，然后布载布载并加载加载。对均布荷

19、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）公路车辆荷载公路车辆荷载和铁路中活载加载铁路中活载加载使用轮系荷载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 荷载第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载现象结构振动比静活载原因线路车辆结构结构动力结构动力学分析学分析简化：简化：冲击力冲击力冲击系数冲击系数（ ）动力问题简化为

20、静力问题Yd maxYj max =的效应大荷载试验冲击作用冲击作用分析手段确定确定 ab + L =铁路桥梁结构刚度公路桥梁结构基频当当f 1.5Hz时，时， 0.05当当1.5Hz f 14Hz时，时， 0.1767f0.0157当当f 14Hz时，时， 0.45EIcmc2l 2f =13 .6162l 2f1 =举例简支梁桥竖弯基频EIc 连续梁桥竖弯基频（对正弯矩及剪力）mc更趋合理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+）第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载铁路桥梁明桥面：4kN/m2。铁路桥梁道砟桥面：距离梁中心2.45m以内的人行道，取10 kN/

21、m2；距离梁中心2.45m以外的人行道，取4 kN/m2。公路桥梁人群荷载集度：3kN/m2（L0 50m）， 2.5kN/m2（L0150m），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1.5 kN（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。第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载离心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。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。离心力的大小离心力的大小车辆活载（不计冲击力）乘以车辆

22、活载（不计冲击力）乘以离心力系数离心力系数C CC C值按下式计算：值按下式计算：C =式中式中V V设计行车速度（设计行车速度（km/hkm/h）；）；R R曲线半径（曲线半径（m m）。）。离心力的着力点离心力的着力点在桥面以上在桥面以上1.2m1.2m处（公路桥）或轨顶面上处（公路桥）或轨顶面上2m2m处（铁路处（铁路桥）。桥）。V 2127RF = k k k W AFwh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）第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载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

23、面积（m2）（与构造有关）Tay Bridge 1879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wh 0 1 3 d wh公路桥梁抗风设计规范k0 设计风速重现期换算系数（与桥梁重要性有关）铁路桥风荷载计算类同Volga River bridge 2010第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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

24、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？第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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

25、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） 计算公式：第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 现象位于河流中的桥墩（台）会受到流水压力的作用。 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 流水（洪水）会加剧基底冲刷，或诱发泥石流，导致桥梁

26、灾害。V 22g和形态等有关。P = KA德阳石亭江铁路桥，2010中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系四川崇州市怀远大桥，20102009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载西安灞河铁路桥 2002成都华阳通济桥 2010中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系四川安县先林大桥 2010河南栾川伊河桥 20102009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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（

27、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Fi = mCtbtRik第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载一二三四五第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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

28、的主要自然灾害（涉及面广，破坏严重）。汶川地震：百花大桥2009.112009.11 长沙长沙汶川地震：小渔洞大桥汶川地震汶川地震造成国省干线造成国省干线10余座桥梁彻底垮塌，余座桥梁彻底垮塌，670座桥梁严重受损。座桥梁严重受损。中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系gmax = khW第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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

29、以大于（或小于）建桥地区的基本烈度。，2001年起，采用烈度的描述：水平地震系数 kh = & gmax g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）地震基本烈度0.050.050.100.150.200.300.40地震基本烈度与地震动峰值加速度系数的对应关系W &gF = m& gmax =&F = khW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/TB02-01-2008） 城市桥梁抗震设计规范（城市桥梁抗震设计规范（CJJ166-201

30、1）铁路工程抗震设计规范（铁路工程抗震设计规范（GB 50111-2006 ）第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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WC1 +C2 V sin内河：静力法（假定全部动能转化为静力功） F = v 铁路桥：计算公式；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，2010第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设

31、计荷载第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载美国阳光高架桥，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1987年4月新桥开通？第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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 1 000 kN，在车辆行驶垂直方向取 500 kN，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 1.2 m 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。四川内宜高速货车撞垮天桥2011.082009.112009.11 长沙长沙水泥罐车撞伤京珠高

32、速（湖南）桥梁 2009.04中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载一二三四五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第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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（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

33、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恒载活载特殊荷载第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载铁路桥的荷载组合方式铁路桥的荷载组合方式说明说明 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。第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载公路桥采用基于结构可靠性理论的极限状态设计方法，分别按承载能力极限状态承载能力极限状态和正常使用极限

34、状态正常使用极限状态进行作用效应组合。根据不同种类的作用及其对桥涵的影响、桥涵所处的环境条件，考虑以下三种设计状况三种设计状况：极极限限状状态态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、汽车荷载等作用的状况。在该状况下，应进行承载能力和正常使用极限状态设计。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。在该状况下，仅要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。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。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。设设计计状状况况运营阶段施工阶段偶然情况第第2 2章章

35、桥梁设计荷载桥梁设计荷载在按持久状况+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，根据不同等级，拟定相应的结构重要性系数结构重要性系数与作用效应组合设计值作用效应组合设计值相乘公路桥涵结构的设计安全等级及结构重要性系数桥涵结构分类特大桥，重要大桥大桥，中桥，重要小桥小桥，涵洞2009.112009.11 长沙长沙设计安全等级一级二级三级结构重要性系数 01.11.00.9中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载作用效应基本组合作用效应基本组合承载能力极限状态设计时，永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合作用效应

36、偶然组合作用效应偶然组合承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用标准值效应、一种偶然作用标准值效应的组合作用短期效应组合作用短期效应组合正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合作用长期效应组合作用长期效应组合正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应的组合作用标准值效应作用标准值效应作用设计值效应作用设计值效应作用频遇值效应作用频遇值效应作用分项系数标准值效应作用分项系数标准值效应频遇值系数标准值效应频遇值系数标准值效应作用准永久值效应作用准永久值效应准永久值系数标准值效应准永久值系数标准值效应不不同同的的作作用用效效应应组组合合方

37、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永久作用可变作用可变作用偶然作用偶然作用持久持久短暂短暂偶然偶然承载承载能力能力极限极限状态状态基本组合基本组合设计值效应设计值效应设计值效应设计值效应偶然组合偶然组合标准值效应标准值效应某种代表值效某种代表值效应应标准值效标准值效应应正常正常使用使用极限极限状态状态短期效应组短期效应组合合标准值效应标准值效应频遇值效应频遇值效应长期效应组长期效应组合合标准值效应标准值效应准永久值效应准永久值效应强度计算组强度计算

38、组合合标准值效应标准值效应标准值效应标准值效应第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载作用效应组合的不同方式及与设计状况的关系作用效应组合的不同方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第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载永久作用设计值效应可变作用（汽车）设计值效应其他可变作用设计值效应结构重要性系数作用组合系数作用效应组合设计值永久作用标准值效应可变作用（汽车）标准值效应其他可变作用标准值效应汽车荷载效应（计入冲击力）作用分项系数Q1=1.4自重恒载效应作用分项系数G1=1.2温度作用效应作用组合系数c=0.

39、8,0.7,0.6,0.5作用分项系数Qj=1.4举例作用分项系数第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载可变作用/频遇值效应永久作用/标准值效应自重恒载效应可变作用频遇值系数1=0.7可变作用/标准值效应汽车荷载（不计冲击力）中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系短期效应组合设计值举例2009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载可变作用/准永久值效应可变作用准永久值系数2=0.4可变作用/标准值效应汽车荷载（不计冲击力）中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系永久作用/标准值效应自重恒载效应长期效应组合设计值举例2009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章

40、 桥梁设计荷载桥梁设计荷载正常使用极限状态，持久状况或短暂状况正常使用极限状态，持久状况或短暂状况作用效应组合设计值永久作用/标准值效应可变作用/标准值效应举例2009.112009.11 长沙长沙汽车荷载（计冲击力）吊机荷载（乘以1.15系数）中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系自重恒载效应自重恒载效应持久状况持久状况短暂状况短暂状况第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载滑坡滑坡泥石流泥石流滚石滚石海洋环海洋环境作用境作用第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载本章小结本章小结1.1.公路、铁路桥梁荷载分类公路、铁路桥梁荷载分类2.2.铁路主要活载和公路汽车荷载铁路主要活载和公路汽车荷载3

41、.3.制动力和离心力制动力和离心力4.4.温度作用温度作用5.5.地震响应的计算方法地震响应的计算方法6.6.公路和铁路荷载组合的异同公路和铁路荷载组合的异同第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载桥梁设计荷载桥梁设计荷载中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第二章第二章一二三四五2009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载桥梁结构需安全承受人类活动及环境变化所施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加的影响，这样的影响可统称为“作用作用”作用的作用的类型、大小、方式类型、大小、方式的确定是否得当，的确定是否得当，既关系到桥梁安全，

42、也关系到桥梁建设费用既关系到桥梁安全，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为便于桥梁设计，需要制订相关的作用或荷载标准标准，而这些标准并不是一成不变的，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综合介绍公路、铁路桥各类作用及其组合的基本本概念概念和计算原则，实际应用时按和计算原则，实际应用时按规范规范办理办理第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载施加在结构上的施加在结构上的力力引起结构外加变形、引起结构外加变形、约束改变的约束改变的原因原因直接作用（直接作用（荷载荷载）间接作用间接作用结构内力的反应结构内力的反应结构对所受作用的反应结构对所受作

43、用的反应结构变位的反应结构变位的反应第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载永久作用永久作用可变作用可变作用恒载恒载活载活载+附加力附加力偶然作用偶然作用特殊荷载特殊荷载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）铁路桥梁公路桥梁公路、铁路桥梁作用分类对比第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载永久作用永久作用结构重力（包括结构附加重力）结构重力（包括结构附加重力）预加力预加力土的重力土的重力土侧压力土侧压力混凝土收缩及徐变作用混凝土收缩及徐变作用可变作用可变作用汽车荷载汽车荷载+汽车冲击力汽车冲击力汽车离心力汽车离心力汽车引起的土侧压力汽车引起的土侧压力人群荷

44、载人群荷载汽车制动力汽车制动力偶然作用偶然作用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列车牵引力水的浮力水的浮力基础变位作用基础变位作用风荷载风荷载流水压力流水压力冰压力冰压力温度（均匀温度和梯度温度）作用温度（均匀温度和梯度温度）作用支座摩阻力支座摩阻力铁路桥无此项施工荷载列车脱轨荷载长钢轨断轨力列车横向摇摆力长钢轨纵向水平力冻胀力对公铁两用桥，如何选择作用及其大小？2009.112009.11 长沙长沙作用分类作用名称作用分类作用名称永久作用结构重力可变作用汽车荷载预加力汽车冲击力土的重力汽车离心力土侧压力汽车引起的土压力混凝土收缩和徐变作用人群

45、荷载水浮力汽车制动力基础变位影响风荷载偶然作用地震作用流水压力船只或漂流物撞击作用冰压力汽车撞击作用温度作用公路桥梁荷载公路桥梁荷载2009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载铁路桥梁荷载铁路桥梁荷载荷载分类恒载主力荷载分类附加力特殊荷载荷载名称结构构件及附属设备自重预加力混凝土收缩和徐变影响土压力静水压力及水浮力基础变位影响列车竖向静活载公路活载列车竖向动力作用长钢轨纵向水平力离心力横向摇摆力荷载名称制动力或牵引力风力流水压力冰压力温度变化作用冻胀力列车脱轨荷载船只撞击力汽车撞击力施

46、工临时荷载地震力长钢轨断轨力活载土压力人行道荷载第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载用于所有作用用于所有作用仅用于可变作用仅用于可变作用作用标准值作用标准值作用频遇值作用频遇值作用准永久值作用准永久值作用频遇值作用频遇值作用准永久值作用准永久值2009.112009.11 长沙长沙“频繁出现频繁出现”95%概率分位概率分位“经常出现经常出现”50%概率分位概率分位频率（概率密度）足够长观测期内的数据拟合曲线作用准永久值 频遇值 标准值作用的统计曲线及代表值示意中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系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)第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载n

47、 永久作用标准值n 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”第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载一二三四五第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载uuuuuuu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）

48、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土对下部结构的土对下部结

49、构的侧压力侧压力2009.112009.11 长沙长沙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中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载附属结构（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，二期恒载受力结构（梁）的受力结构（梁）的自重自重，一期恒载，一期恒载墩台自重墩台自重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第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载常用材料的重力密度第第2

50、2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载一二三四五第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载u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。第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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

51、 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2009.112009.11 长沙长沙局部构件局部构件结构整体结构整体中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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2009.112009.11 长沙长沙0.8*UIC中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系等级等级

52、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

53、组686846242第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载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）第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载C型车型车B型车型车A型车型车第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载某中低速磁浮试验线（举例）某中低速磁浮试验线（举例）uuu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)根据车型确定活载图式及大小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级公路I级公路I级公路II级公路II级公路II级第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载荷载等级荷载等级分为公路I级

54、、公路II级，其选用与公路等级有关汽车荷载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车道荷载基于现场测定及作用效应对比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第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载P PK K180180 kNkN，L LK K55 m mP PK K360360 kNkN，L LK K5050 m mP PK K值采用直线内插法确定，值采用直线内插法确定，5 5 m mL LK K5050 m m 时，时，计算

55、剪力效应时，计算剪力效应时，P PK K应乘以系数应乘以系数 1.21.2q qK K10.510.5 kN/mkN/m公路公路IIII级的均布荷载标准值级的均布荷载标准值 q qK K和集中荷和集中荷载标准值载标准值 P PK K均按公路均按公路级车道荷载的级车道荷载的0.750.75 倍考虑倍考虑中南大学桥梁工程系中南大学桥梁工程系公路I级PK公路I级qK公路II级PK和qK行车道？车道荷载车道荷载一座桥梁一座桥梁的车道荷的车道荷载的加载载的加载倍数由设倍数由设计车道数计车道数决定决定2009.112009.11 长沙长沙第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载车辆荷载的立面布置车辆荷载的

56、平面尺寸单位：kN，m第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载车辆荷载的横向布置（单位：m）车辆荷载的横向布置示例第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载 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。设计车道数横向折减系数21.0030.7840.

57、6750.6060.5570.5280.50第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载对铁路桥梁的主要构件：uuu单线：不考虑折减双线：取双线标准活载之和的90%（0.9）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，不考虑折减对公铁两用桥，如何折减？计算跨径L0（m）纵向折减系数150L04000.97400L06000.96600L08000.95800L010000.94L010000.93第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载折减理由折减理由：制定车道荷载标准时，调查统计重车居多并呈拥挤状态，随：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

58、加，实际情况会有所缓解着跨度的增加，实际情况会有所缓解跨径取值跨径取值：对多跨连续结构，按最大计算跨径（主跨）进行纵向折减：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铁路桥梁：无此规定。对超大跨度桥梁，由于列车长度的限制，铁路活：无此规定。对超大跨度桥梁，由于列车长度的限制，铁路活载效应占总的荷载效应的比重则会逐步减小载效应占总的荷载效应的比重则会逐步减小2009.112009.11 长沙长沙 系系 系 加载较为繁琐，可采用等代荷载等代荷载（或称换算均布荷载换算均布荷载）取代。第第2 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载加载加载就是按最不利原则最不利原则布置车辆活载，通过结构分析计

59、算桥梁活载效应（内力和变位）的最不利值。均布荷载，可任意截取，同号影响线满布一般做法一般做法先计算结构内力及位移影响线影响线，然后布载布载并加载加载。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）公路车辆荷载公路车辆荷载和铁路中活载加载铁路中活载加载使用轮系荷载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 荷载第第2

60、 2章章 桥梁设计荷载桥梁设计荷载现象结构振动比静活载原因线路车辆结构结构动力结构动力学分析学分析简化：简化：冲击力冲击力冲击系数冲击系数（ ）动力问题简化为静力问题Yd maxYj max =的效应大荷载试验冲击作用冲击作用分析手段确定确定 ab + L =铁路桥梁结构刚度公路桥梁结构基频当当f 1.5Hz时，时， 0.05当当1.5Hz f 14Hz时，时， 0.1767f0.0157当当f 14Hz时，时， 0.45EIcmc2l 2f =13 .6162l 2f1 =举例简支梁桥竖弯基频EIc 连续梁桥竖弯基频（对正弯矩及剪力）mc更趋合理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+）第第2