[PPT]桥梁工程设计荷载超全讲解（57页 配图丰富）

1、三二四一五第二章 桥梁设计荷载一 概述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、大小、方式的确定是否得当，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交通部：公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）铁道部：铁路桥涵设计基本规范（TB10002.199） 作用（荷载）及作用效应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 作用

2、的分类永久作用 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作用的分类（公路）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

3、小？ 铁路桥梁荷载荷载分类荷载名称荷载分类荷载名称恒载结构构件及附属设备自重附加力制动力或牵引力预加力风力混凝土收缩和徐变影响流水压力土压力冰压力静水压力及水浮力温度变化作用基础变位影响冻胀力主力列车竖向静活载特殊荷载列车脱轨荷载公路活载船只撞击力列车竖向动力作用汽车撞击力长钢轨纵向水平力施工临时荷载离心力地震力横向摇摆力长钢轨断轨力活载土压力人行道荷载公路桥梁荷载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

4、力汽车撞击作用温度作用作用的代表值（大小）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“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（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)作用代表值的取用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

5、系数2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各类荷载只有“标准值”三一四二五二 永久作用 恒载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

6、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受力结构（梁）的自重，一期恒载附属结构（铺装、护栏等）的附加重力，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常用材料的重力密度一二四三五三 可变作用 车辆活载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

7、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。铁路列车活载：中活载发展情况：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结构整体 铁路列车活载：UIC活载与高铁活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。（20

8、00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-、型车C-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（

9、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）城市轨道交通活载城市轨道交通技术规范（GB50490-2009）城市轨道交通活载（轮系荷载）A型车B型车C型车磁浮交通活载某中低速磁浮试验线（举例）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汽车荷载荷载等级分为公路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对

10、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级公路汽车荷载：车道荷载车道荷载公路I级PKPK360kN，LK5mPK180kN，LK50mPK值采用直线内插法确定，5mLK50m时，计算剪力效应时，PK应乘以系数1.2公路I级qKqK10.5kN/m公路II级PK和qK公路II级的均布荷载标准值qK和集中荷载标准值PK均按公路级车道荷载的0.75

11、倍考虑行车道？一座桥梁的车道荷载的加载倍数由设计车道数决定公路汽车荷载：车辆荷载车辆荷载的立面布置车辆荷载的平面尺寸单位：kN，m公路汽车荷载：车辆荷载（续）车辆荷载的横向布置（单位：m）车辆荷载的横向布置示例公路车道荷载的横向折减规定：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：

12、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铁路中活载的横向折减对铁路桥梁的主要构件：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？公路车道荷载的纵向折减计算跨径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，随着跨度的增加，实际情况会有所缓解

13、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，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车辆活载的加载加载就是按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。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

14、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（）确定铁路桥梁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， 0.1767f0.0157当f 14Hz时， 0.45车辆活载的冲击力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，

15、车辆活载总效应为标准值（1+）人群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/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。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。离心力的大小车辆活

16、载（不计冲击力）乘以离心力系数C C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）。风荷载空气运动形成风，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） k3

17、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） Tay Bridge 1879Tacoma Narrows 1940Volga River bridge 2010公路桥梁抗风设计规范 铁路桥风荷载计算类同 制动力或（列车）牵引力车辆制动力（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

18、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（

19、尺寸单位：mm）流水压力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。 德阳石亭江铁路桥，2010四川崇州市怀远大桥，2010 流水压力（洪水灾害）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冰压力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

20、流而下、撞击桥墩而）产生的动压力；由于风及水流作用于（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一二三四五四 偶然作用 地震作用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

21、震：百花大桥汶川地震：小渔洞大桥汶川地震造成国省干线10余座桥梁彻底垮塌，670座桥梁严重受损。地震作用（续）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

22、.300.40地震基本烈度地震基本烈度与地震动峰值加速度系数的对应关系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（JTG/T B02-01-2008） 城市桥梁抗震设计规范（CJJ166-2011）铁路工程抗震设计规范（GB 50111-2006 ）船舶或漂流物的撞击作用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：计算公式；公路桥：给定标准值近海（海湾海峡）：综合确定标准值

23、（公路桥）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 公路桥船舶撞击作用标准值 船舶的撞击作用（事故）1987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 汽车撞击作用桥梁护栏，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。 四川内宜高速货车撞垮天桥2

24、011.08水泥罐车撞伤京珠高速（湖南）桥梁 2009.04一二三五四五 作用效应组合 概述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 铁路桥梁荷载组合（1）主力组合（2）主+附组合（3）主+特殊荷载组合恒载活载恒载活载附加力恒载活载特殊荷载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

25、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 公路桥梁作用效应组合（1）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和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：1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 指桥涵施工过程中承受

26、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 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。极限状态设 计 状 况运营阶段施工阶段偶然情况 公路桥梁作用效应组合（2）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与作用效应组合设计值相乘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 公路桥梁作用效应组合（3）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