桥梁设计荷载讲义讲解(84页)

1、本节内容要点：作用的分类和组合各类作用的计算概率极限状态设计法 第3章 桥梁设计荷载一、作用的含义： 直接作用：直接施加于结构上的外力，如车辆、人群、结构自重等，可用“荷载”这一术语来概括。 间接作用：不是以外力形式施加于结构，是间接作用于结构的，它们产生的效应与结构本身的特性、结构所处环境等有关，如地震、基础变位、混凝土收缩和徐变、温度变化等。返回永久作用结构重力（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二、作用的分类 公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用和偶然作用三类。（公路桥梁） 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

2、载风荷载汽车制动力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 船舶或漂流物的撞击作用地震作用汽车撞击作用（铁路桥梁）一、永久作用的含义 指在设计使用年限内其作用的位置、大小和方向不随时间变化，或其变化值与平均值相比可忽略不计的作用（或荷载）。返回返回 包括桥梁结构自重、土侧压力、静水压力及水浮力、预应力混凝土结构的预加力，混凝土收缩和徐变的作用等。 3.1 永久作用二、永久作用的计算1.结构重力 结构物自身重力（包括桥面铺装、附属设施等附加重力），可按照结构物的实际体积乘以材料的容重计算。 公路桥梁结构的自重往往占全部设计荷载的很大部分，采用轻质高强材料对减轻桥梁自重、增

3、大跨越能力有重要意义。2.土侧压力 按其产生的条件，分为静土压力、主动土压力和被动土压力。 主要在桥梁下部结构设计时用到静土压力、主动土压力。土的侧压力计算涉及到结构形式、填料性质、墩台位移和地基变形，还与水文和外加荷载等因素有关。目前按库仑理论推导的公式计算土侧压力。3.水的浮力 水浮力指由地表水或地下水通过地基土壤的孔隙传递给建筑物基础底面的水压力，其值等于建筑物所排开的同等体积的水重。 位于岩石地基上的基础一般被认为是不透水的，可不计水浮力；对于碎石类土、砂类土、粘砂土等透水性地基上的墩台，要考虑水浮力。 对预应力混凝土桥梁结构，预加力在结构正常使用极限状态设计和使用阶段构件应力计算时，

4、应作为永久作用计算其主效应和次效应，计算时应考虑相应阶段的预应力损失，但不计由于偏心距增大所引起的附加效应；在结构承载能力极限状态设计时预加应力不作为作用，而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分，但在连续梁等超静定结构中，仍需考虑预加力的次效应。4.预加力5.混凝土收缩及徐变作用 在外部超静定的混凝土桥、钢和混凝土的组合结构等应考虑混凝土收缩及徐变的作用。混凝土收缩及徐变作用是长期存在并一起作用的。混凝土徐变的计算，可假定徐变变形与混凝土应力呈线性关系并确定适当的徐变系数来进行。混凝土收缩可按结构降温考虑。 基础变位一旦发生，对结构的影响也是长期的。基础变位的影响可按工程实际情况加以分析。6.基础

5、变位作用一、可变作用（活载）的定义 可变作用是指在设计使用年限内其作用位置、大小和方向随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的作用。3.2 可变作用返回1、汽车荷载 汽车荷载分为公路I级和公路II级。 汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载用于桥梁结构的整体计算（例如主梁、主拱和主桁架等的计算）；车辆荷载用于局部加载、涵洞、桥台和挡土墙压力等计算。一、公路桥梁基本可变作用（活载）3.2.1 基本可变作用(1)车道荷载的计算图式示于下图中。车道荷载均布荷载标准值：集中荷载标准值： 当桥梁计算跨径小于等于5m时， 计算跨径大于等于50m时， 计算跨径在5m至50m之间时， 按直线内插求得。

6、 计算剪力效应时，上述集中荷载标准值 应再乘以1.2的系数。公路级车道荷载取值:车道荷载的特点:（1）车道荷载的形式简明。在内力影响线上加载只要已知影响线面积与最大坐标值就可以，加载手续简单，电算和手算工作量均较少；（2）通过车道荷载中的均布荷载加集中荷载的模式可以解决大、中、小不同跨径的活载设计标准，例如均布荷载的集度在某跨径区段可采用跳跃变化以满足不同跨径的要求；（3）车道荷载中的集中荷载可采用双值，以满足弯矩和剪力计算的不同要求； 均布荷载标准值 和集中荷载标准值 按公路级车道荷载的0.75倍采用。公路级车道荷载：(2)车辆荷载： 公路级和公路级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。标准车辆

7、荷载采用原桥规汽车超20级荷载中总重为550kN的加重车。 车辆荷载以一辆标准车表示，其纵、平面尺寸示于图1-3-2，主要技术指标规定于表1-3-2 。图1-3-2 车辆荷载的纵、平面尺寸车辆荷载在每个设计车道上布置一辆单车。车辆荷载的主要技术指标项 目单位技术指标车辆重力标准值550前轴重力标准值30中轴重力标准值2120后轴重力标准值2140轴 距m3+1.4+7+1.4轮 距m1.8前轮着地宽度及长度m0.30.2中、后轮着地宽度及长度m0.60.2车辆外形尺寸（长宽）m152.5车辆荷载的作用: 除了以上谈及的用于局部加载等的作用外，车辆荷载还用于荷载横向分布的计算。图1-3-3 车辆

8、荷载横向布置0.51.81.31.82.50.62.5车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。（3）汽车荷载的有关规定如下：汽车荷载分为公路I级和公路II级两个等级。各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合下表规定：公路等级高速、一级公路二、三、四级公路汽车荷载等级 公路级公路级注：二级公路为干线公路且重型车辆多时，其桥涵的设计可采用公路级汽车荷载。 四级公路上重型车辆少时，其桥涵设计所采用的公路级车道荷载的效应可乘以0.8的折减系数，车辆荷载的效应可乘以0.7的折减系数。 汽车荷载等级车道荷载横向分布系数应按设计

9、车道数布置车辆荷载进行计算。桥涵设计车道数应符合下表规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应按表格规定的多车道折减系数进行折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。 桥涵设计车道数行 车 道 宽 度 W（m）桥涵设计车道数车辆单向行驶时车辆双向行驶时W6.06.0W10.510.5W14.014.0W17.517.5W21.021.0W24.524.5W28.028.0W31.56.0W14.014.0W21.021.0W28.028.0W35.012345678横向折减系数横向布置设计车道数345678横向折减系数0.780

10、.670.600.550.520.50注：两车道不作折减。大跨径桥梁上的汽车荷载应考虑纵向折减。当桥梁计算跨径L150m时，应按表格规定的纵向折减系数进行折减。当为多跨连续结构时，整个结构均应按最大计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。计算跨径L（m）纵向折减系数计算跨径L（m）纵向折减系数150L400400L600600L8000.970.960.95800L1000L10000.940.93 纵向折减系数（1）冲击力的产生 活载以一定的速度在桥上行驶时，会使桥梁发生振动，产生动力作用。这种动力作用会使桥梁的内力和变形较静活载作用时大。这种现象就统称为冲击作用。2. 冲击力（2）荷载冲击力的

11、计算 通常的做法是：在桥梁动载试验的基础上提出近似计算公式，把动力问题简化为静力问题来处理。公路桥规称为冲击系数(3) 汽车冲击力计算规定（新版本04桥规） 1）钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工拱桥等上部构造和钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车的冲击作用。 2）填料厚度（包括路面厚度）等于大于0.5m的拱涵以及重力式墩台不计冲击力。 3）支座的冲击力，按相应的桥梁取用。 4）汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数。 冲击系数可按下式计算：式中 结构基频（ ）。 汽车局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用1.3。 简支梁桥结构的基频可按下列

12、公式计算：式中 结构的计算跨径 ； 结构材料的弹性模量 ； 结构跨中截面的截面惯性矩 ； 结构跨中处的单位长度量 ； 结构跨中处延米结构重力 ； 重力加速度 。(4)结构的基频计算:连续梁桥结构的基频可按下列公式计算： 计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时，采用 ；计算连续梁的冲击力引起的负弯矩效应时采用 。3.汽车离心力 （1）离心力的产生 当车辆行驶在曲线线路上时，因方向变化而引起的径向水平力。（2）汽车离心力的计算 当弯道桥的曲线半径等于或小于250m时，应计算汽车荷载引起的离心力。 汽车荷载离心力标准值为车辆荷载(不计冲击力)标准值乘以离心力系数C计算。 C值按下式计算：式中

13、： 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，为计算方便也可移至桥面上，不计由此引起的作用效应。 计算多车道桥梁的汽车荷载离心力时，车辆荷载标准值应乘以横向折减系数。4. 人群荷载（新规范） （1）公路桥人群荷载标准值按下列规定采用： 1）当桥梁计算跨径L50m时，人群荷载标准值为3.0 ；当桥梁计算跨径L150m时，人群荷载标准值为2.5 ；当桥梁计算跨径在50m和150m之间时，可由线性内插得到人群荷载标准值。对跨径不等的连续结构，以最大计算跨径为准。 城市郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述规定值的1.15倍。 专用人行桥梁，人群荷载

14、标准值3.5 。 2）人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使主梁产生最不利荷载效应的区段内。 3）人行道板（局部构件）可以一块板为单元，按标准值为4.0 的均布荷载。 4）计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取0.75kN/m；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1.0kN/m。二、城市桥梁基本可变作用1.汽车荷载汽车荷载车辆荷载车道荷载（1）车道荷载城-A级汽车荷载城-B级汽车荷载P、qk 依据计算跨径确定计算弯矩q采用标准值qM，计算剪力q采用qQ.车道荷载计算取值表跨径/m城-A级城-B级qMqQPqMqQP2L2022.537.514019.025.0130

15、20L15010.015.03009.511160（2）车辆荷载60KN140KN140KN200KN160KN城-A车辆荷载城-B车辆荷载（3）车道折减系数横向布置设计车道数123456横向折减系数1.001.000.800.670.600.552.冲击系数车道荷载车辆荷载3.人群荷载人行道板（局部构件）按人群荷载集度5KN/m2或1.5KN的竖向集中力分别计算加载长度L20m城市桥梁专用人行桥加载长度L20m城市桥梁专用人行桥 1、列车活载 列车活载采用中华人民共和国铁道部标准活载（简称中活载）。 中活载象征性的模拟列车载重的情况，普通活载左边5个集中荷载相当于一台机车的重量，其后一段30

16、m长的均布荷载大致与两台煤水车及另一台机车相当；最右侧的均布荷载表示列车的车辆载重，其长度不限。 对跨度很短的桥，往往由3个轴重所组成的特种荷载控制设计。 我国制定新的列车活载标准应与国际铁路联盟（UIC）制定的活载标准一致。三、铁路桥梁基本可变荷载中一活载图式双线桥跨结构中主要杆件及墩台的列车竖向活载设计值为两线之和的90%检算桥梁横向稳定时，空车时最大横向风力为不利，标准值采用10KN/m2 列车动力效应列车竖向活载包括列车竖向动力作用，该列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数（1+），其动力系数应按系列公式计算简支或连续的钢桥跨结构和钢墩台：钢与砼板的结合梁 铁路桥规用（1+）表示动

17、力系数钢筋砼、砼、石砌的桥跨结构及涵洞、刚架桥其顶上填土厚度h1m时，不计列车竖向动力作用空腹式钢筋砼拱桥的拱圈和拱肋铁路离心力着力点作用于轨顶2m，C不应大于0.153 列车离心力计算4 人群荷载老规范：设计人行道板时，考虑维修时堆放道碴，离梁中心线2.45m按10KPa，2.45m以外按4KPa。新规范：道碴桥面和明桥面的人行道4.0KPa 人行道板按1.5KN检算，栏杆水平推力按0.75KN/m,立柱和扶手按1.0KN集中检算 1、列车活载四、高速铁路桥梁基本可变荷载列车竖向活载采用ZK活载，并符合下列规定：对于单线或双线的桥涵结构，各线均应计入ZK活载作用；对于多于两线的桥涵结构，按下

18、列最不利情况考虑；a.按两条线路在最不利位置承受ZK活载，其余线路不承受列车活载；b.所有线路在最不利位置承受75%的ZK活载。ZK标准活载图式ZK特种活载图式设计加载，活载图式可以任意截取。对多符号影响线，在同符号影响线各区段进行加载，异符号影响线分下列两种情况考虑：a.异号影响线区段长度不大于15m可不加活载b.大于15m，按空车静活载10kN/m加载； 空车检算各部分构件时，按10kN/M计算；桥墩结构或桥台应按实际施工及养护可能进行检算。2、冲击力列车竖向静活载乘以动力系数1+系数取值桥跨结构为加载长度5 1.50涵洞及结构顶面有填土的承重结构，当顶面填土厚He3m，不计列车动力作用，

19、当He3m按下式计算计算实体墩台、基础和土压力，不计动力系数支座动力系数的计算公式，应采用相应的桥跨结构动力系数1+ 车辆制动力或（列车牵引力）是指车辆在刹车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。 制动力或牵引力时墩台设计计算的重要荷载，是作用在桥上的纵向水平力，但两者的方向相反。 1. 制动力汽车制动力作用点一般在桥面以上1.2m处。列车制动力作用点一般在轨顶以上2m处3.2.2 其他可变作用 （1）汽车荷载制动力可按下列规定计算和分配： 汽车荷载制动力按同向行驶的汽车荷载（不计冲击力）计算，并应按本规范表4.3.1-5的规定，以使桥梁墩台产生最不利纵向力

20、的加载长度进行纵向折减。 一个设计车道上由汽车荷载产生的制动力标准值按本规范第4.3.1条规定的车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%计算，但公路级汽车荷载不得小于165kN；公路级汽车荷载不得小于90kN。同向行驶双车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的两倍；同向行驶三车道为一个设计车道的2.34倍；同向行驶四车道为一个设计车道的2.68倍。（2）列车制动力的计算： 制动力或牵引力按列车竖向静活载的10%计算。但当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，制动力或牵引力按列车竖向静活载的7%计算。 双线桥应采用一线的制动力或牵引力；三线及以上的桥梁，应采用两线的制动力或牵

21、引力。 桥头破坏棱体范围内的列车活载所产生的制动力或牵引力不予计算。 制动力或牵引力作用在轨顶以上2m处，但计算桥墩台时移至支座中心处，计算台顶活载的制动力或牵引力时移至轨底，计算刚架结构时移至横杆中线处，均不计移动作用点所产生的竖向力或力矩。 采用特种活载时，不计算制动力或牵引力。2.风荷载(1)概述(2)风力的计算 分析桥梁结构的强度、刚度和稳定性时，应考虑风荷载的影响。对大跨度的斜拉桥和悬索桥以及高耸的桥塔和桥墩，风力的影响更大。 当风以一定速度运动并受到桥梁的阻碍时，桥梁就承受风压。风压分为顺风向和横风向； 顺风向的风压可视为平均风压或脉动风压。采用静力计算方法处理平均风压对结构的影响

22、；对脉动风压，要按随机振动理论进行分析。(1)概述风力可按以下方法计算： 风力是风压与迎风面积的乘积。(2)风力的计算: 风力指大风吹到桥跨结构、桥墩台和列车时所产生的风压力。方向与桥梁轴线垂直的风力称横向风力；方向与桥梁轴线一致的风力称纵向风力。其计算与桥跨结构所处地区的风压强度与受风面积有关。风荷载计算公式:K1风载阻力系数。K2考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数。该系数反映出风压随地形、地理条件（一般地区、谷地、山口、沿海海面等）的不同变化而变化的特征；取值视实际情况而定。K3地形地理条件系数。W0基本风压值（kN/m2)。一般参照全国基本风压分布图取值；Awh横向迎风面积

23、m2，按桥跨结构各部分的实际尺寸计算；3. 温度影响力 对静定结构，气温的变化通常只会导致结构的伸长或缩短；在超静定结构中，由于气温的变化引起的变形受到约束，导致结构产生相应的附加力。 由于日照、骤冷等天气情况引起的温差对静定结构或超静定结构均可能产生附加力。 气温变化的幅度，可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。气温变化值，应自结构合龙时的温度算起。4.支座摩阻力 支座摩阻力是上部结构由温度等引起的变位而产生的，其作用方向与上部结构的变位方向相反作用点在支座处。支座摩阻力标准值按下式计算： F =W W作用于活动支座处由上部结构重力产生的效应；支座的摩擦系数，按支

24、座种类取值。二、船只或飘流物的撞击力一、地震力三、汽车的撞击力 3.3 偶然作用返回 地震力是指强烈的地面运动引起结构自身的惯性力（加速度与质量的乘积）。它不仅与地面运动的强烈程度有关，也与结构的动力特性有关，还与桥梁所在处的地质情况有关。一、地震力竖直方向水平方向（导致结构破坏的主要原因）地震作用 地震时地面最大水平加速度统计值 （地震动峰值加速度）1.0g 进行抗震设计4.0g 专门的抗震设计和研究0.05g 除特殊要求外，采用简易设防二、船舶或漂流物的撞击力 海轮撞击作用的标准值规定船舶装载量DWT(t)300050007500100002000030000横桥向撞击作用(kN）1960

25、02540031000358005070062100顺桥向撞击作用(kN）98001270015500179002535031050二桥梁结构必要时需考虑汽车的撞击作用： 汽车撞击荷载在规定车辆行驶方向取1000kN；在车辆行驶垂直方向取500kN，两个方向的撞击荷载不同时考虑，撞击荷载作用于行车道以上1.2m处，直接分布于撞击涉及的构件上。一. 作用效应分类 3.4 作用效应组合 各种荷载并非同时作用于桥梁上，应当根据各种荷载重要性的不同和同时作用的可能性进行适当的组合，按分项系数的设计表达式进行设计。 承载能力极限状态正常使用极限状态公路、铁路M计按不利的荷载组合，某截面将出现最大弯矩值M

26、j截面所能承受的最大弯矩限制应力短期荷载下的变形各种荷载组合下的裂缝宽度1 作用效应组合的分类(1)公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时体现结构的安全性，以塑性理论为基础。基本组合：永久作用的标准效应与可变作用设计值效应 （结构的常规设计)偶然组合:永久作用的标准效应与可变作用某种代表值效应 （结构特殊情况下的设计）二、公路荷载效应组合 应采用以下两种作用效应组合： (1) 基本组合。永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式应满足为：式中： 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值； 结构重要性系数，按表1-3-10规定的结构设计安全等级采用。对应于设计安全等级一

27、级、二级和三级分别取不小于1.1、1.0和0.9； 公路桥涵结构的安全等级 表1-3-10安全等级桥涵类型结构重要性系数一级特大桥、重要大桥1.1二级大桥、中桥、重要小桥1.0三级小桥、涵洞0.9第i个永久作用效应分项系数，按下表采用； 永久作用效应的分项系数 表1-3-11编号作用类别永久作用效应分项系数对结构的承载能力不利时对结构的承载能力有利时1混凝土和圬工结构重力（包括结构附加重力）1.21.0钢结构重力（包括结构附加重力）1.11.22预加力1.21.03土的重力1.20.94土侧压力1.41.05混凝土收缩及徐变作用1.01.06水的浮力1.01.07基础变位作用混凝土和圬工结构0

28、.50.5钢结构1.01.0注：本表编号1中，当钢桥采用钢桥面板时，永久作用效应分项系数取1.1；当采用混凝土桥面板时，取1.2。 第i个永久作用效应的标准值； 汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项系数，取 =1.4。当某个可变作用在效应组合中超过汽车荷载效应时，则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽车荷载的分项系数；对专为承受某作用而设置的结构或装置，设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值； 汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准值； 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数，取 =1.4，但风荷载的分项系数取 =1； 在

29、作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他第j个可变作用效应的标准值； 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他可变作用效应的组合系数。当永久作用与汽车荷载和人群荷载（或其他一种可变作用）组合时，人群荷载（或其他一种可变作用）的组合系数0.80； 当除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外尚有两种其他可变作用参与组合时，其组合系数取 =0.70，有三种可变作用参与组合时，其组合系数取 =0.60，有四种及多于四种的可变作用参与组合时，取 =0.50。设计弯桥时，当离心力与制动力同时参与组合时，制动力标准值或设计值按70%取用。（2）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1.0；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。(二)公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时以弹性理论或弹塑性理论为基础，涉及构件的应力、抗裂、裂缝宽度和挠度四个方面验算。短期效应：永久作用标准值与可变作用频遇值长期效应：永久作用标准值与可变作用准永久值限制应力短期荷载下的变形各种荷载组合下的裂