第三章桥梁上的作用要点课件.ppt

桥梁工程(Bridge Engineering),授课人：杨果岳土木工程与力学学院,第三章 桥梁上的作用,3-1 永久作用 3-2 可变作用3-3 偶然作用3-4 作用效应组合,引起结构反应的原因可以按其作用的性质分为截然不同的两类，一类是直接施加于结构上的外力，可用“荷载”这一术语来概括。另一类是以间接的形式作用于结构上，它们产生的效应与结构本身的特性、结构所处环境等有关， 目前国际上普遍地将所有引起结构反应的原因统称为“作用”, 而“荷载”仅限于表达施加于结构上的直接作用。, 作用的定义,04桥规对于“作用”的定义：,施加在结构上的一组集中力或分布力，或引起结构外加变形或约束变形的原因。前者称直接作用亦称荷载，后者称间接作用。,第一节 永久作用（恒载),永久作用的定义 在结构使用期间，其量值不随时间而变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计的作用。永久作用的类型,结构重力（包含附加重力） 、预加应力、土的重力、土侧压力、混凝土收缩及徐变作用、水的浮力和基础变位。,结构重力=结构体积材料容重土压力分静土压力、主动土压力和被动土压力。桥梁下部结构设计时主要用到前两者。水浮力是指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（由下而上）水压力。其值等于建筑物所排开的同等体积的水重。岩石地基上的基础一般不考虑水浮力。,预加应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，当视为永久作用；在结构承载能力极限状态设计时，预加力不作为永久作用。混凝土收缩徐变和基础变位影响力 在外部超静定结构的混凝土桥梁中，混凝土收缩徐变影响力是长期存在并起作用的。基础变位一旦发生，对结构的影响也是长期的。,第二节 可变作用,一、可变作用的定义,在结构使用期间，其量值随时间变化，且其变化值与平均值比较不可忽略的作用。,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,二、可变作用的类型,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,旧公路桥规对车辆荷载的规定,把经常地、大量出现的汽车排列成车队，作为计算荷载；把偶然、个别出现的平板车或履带车作为验算荷载，公路验算荷载只对跨径较小的桥梁或局部构件起控制作用。验算荷载计算时不考虑冲击力。,1. 汽车荷载,汽车荷载类型,a) 公路级,b)公路级,各级公路桥涵的汽车荷载等级（新规范）,荷载标准值 汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。,a) 公路级车道荷载,均布荷载标准值：,集中荷载（ ) 计算跨径小于等于5m时，180kN 计算跨径大于等于50m时，360kN 计算跨径在5至50m之间时，直线内插。 多跨连续结构，按照最大跨径为基准取值。 剪力效应应再乘以1.2的系数。,qk = 10.5kN/m,b)公路级车道荷载,车道荷载标准值按公路级汽车荷载的车道荷载标准值的0.75倍采用.车辆荷载为一辆总重550kN的标准车，公路级和公路级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。, 加载方式,加载就是按最不利原则布置标准荷载，通过结构分析计算桥梁活载效应（内力、应力和位移、变形等）的最不利值（结构影响线）。车道荷载用于桥梁结构的整体计算，车辆荷载用于桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土压力的计算。在各计算项目中车辆荷载和车道荷载的作用效应不得叠加。,车道荷载的匀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。横向分布计算中，需偏心加载时按设计车道数和规定的布置方式（图1-3-3）进行计算。,当桥涵设计车道数大于2时，由于每车道上的汽车活载同时出现最不利加载的几率较小，故应考虑多车道折减，但折减后的效应不应小于两设计车道的荷载效应。,横向折减系数表,当桥梁计算跨径大于150m时，应考虑计算荷载效应的纵向折减。当为多跨连续结构时，整个结构按最大跨径考虑计算荷载的纵向折减。,纵向折减系数表,2.汽车冲击力,1）冲击力的产生,汽车以较高速度驶过桥梁时，由于桥面不平整、发动机振动等原因，会引起桥梁结构的振动，从而造成内力增大，这种动力效应称为冲击作用。在计算中引入一个竖向动力效应的增大系数冲击系数，汽车荷载的冲击力为汽车标准荷载乘以冲击系数,冲击系数计算采用以结构基频为指标的方法。结构基频反映了结构的尺寸、类型、建造材料等动力特征内容，直接体现了冲击效应和桥梁结构之间的关系。 汽车引起的冲击系数在0.050.45之间变化，可按下式计算：,=0.05,=0.45,2）冲击系数的计算,结构基频就是结构本身最小的那个固有频率。一个连续体结构原则上有无穷多固有频率，但我们计算固有频率时，通常将结构离散成有限阶数的进行求解，而求出的最低的那个固有频率就是结构基频。结构基频是一个非常重要的数据。结构基频关系到是不是易于遭受某种频率外载荷的共振破坏。注意：重力式墩台，填料厚度等于或大于0.5m的拱桥、涵洞不计冲击力。汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上时，=0.3,3.人群荷载,当桥梁的计算跨径小于或等于50m时，取 3.0kN/m2；当桥梁的计算跨径等于或大于150m时，取 2.5kN/m2；当桥梁的计算跨径在50m-150m之间时，线性内插计算。对跨径不等的连续结构，以最大计算跨为准。城市郊区行人密集区一般取上述值得1.15倍。专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5kN/m2。,4. 离心力,汽车离心力指车辆在弯道行使时伴随产生的惯性力，它以水平力的形式作用于结构上，是弯桥横向受力与抗扭设计计算要考虑的主要因素。,1）离心力的产生,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。离心力标准值为汽车荷载（不计冲击力）标准值乘以离心力系数C，C值按下式计算：,2）离心力的计算,式中：V设计行车速度(km/h)R曲线半径（m),5.汽车引起的土侧压力 采用车辆荷载加载，土侧压力按下式换算成等代均布土层厚度h计算,6. 汽车制动力,汽车制动力是指车辆在减速或制动时，为克服车辆惯性力而在路面与车辆之间产生的滑动摩擦力。 一个设计车道上制动力标准值规定为布置在加载长度上计算的总重的10%，但公路-I级不得小于165kN,公路-II级不得小于90kN。,7. 风荷载,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。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。风压分为顺风向和横风向；顺风向的风压分为平均风压和脉动风压，横风向还会有周期风压。,风荷载计算： 平均风压 静力计算方法 脉动风压 随机振动理论计算 周期风压 动力计算04公路桥规规定风荷载是在基本风速的基础上，考虑脉动风压的影响，再乘以风荷载阻力系数和地形条件系数取得，最终转化为静力作用。,位于河流中的桥墩会受到流水压力的作用。通常桥墩上游迎水一侧会形成高压区，下游一侧会形成低压区。前后的压力差便构成水流对桥墩的压力。流水压力与水流流速、桥墩的截面形状、圬工粗糙率和形态等有关。当流速大于10m/s时，还要考虑水流的动力作用。,8. 流水压力,V设计流速K桥墩形状系数A桥墩阻水面积,9 冰压力,位于冰凌河流或水库的桥梁墩台，应根据当地的具体情况及墩台的结构形式考虑冰荷载的作用；规范给出公式（竖向前棱的桥墩）：,Fi冰压力标准值 ； m桩或墩迎冰面形状系数Ci冰温系数； b桩或墩迎冰面投影宽度t计算冰厚，可取实际调查的最大冰厚Rik冰的抗压强度标准值。,10. 温度作用,温度作用指因温度的变化而引起的结构变形和次内力。 温度的变化可分为（年平均）气温变化（均匀温度）和温差（梯度温度）两种情况，均匀温度变化将导致桥梁纵向长度的变化，这种变化收到约束时就会引起温度次内力。梯度温度主要因太阳辐射，它使结构沿高度方向形成非线性的温度变化，导致构件截面产生自应力，当这种变化受到约束时同样会引起次内力。计算结构的均匀温度效应，应自结构物合龙时温度算起。,11. 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，计算公式为：,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，按支座种类取值。,F =W,第四节 偶然作用,偶然作用在结构使用期间出现的概率很小，一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。偶然作用包括地震作用、船舶或漂流物撞击力和汽车撞击作用。偶然作用破坏力大，相应桥梁应进行抗震和防撞设计。,一、地震力 地震作用是指强烈的地面运动所引起的结构惯性力（加速度与质量的乘积）。它是随机变化的动力荷载，其值大小决定于地震强烈程度和结构的动力特性（频率和阻尼）以及结构或杆件的质量。 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。,地震作用分为竖直方向和水平方向，但经验表明，地震的水平运动是导致结构破坏的主要因素，结构抗震验算时，一般主要考虑水平地震作用 。地震设防要求以地震时地面最大水平加速度的统计值即地震动峰值加速度确定。 0.1g 抗震设计 0.4g 专门的抗震研究和设计 0.05g 简易设防,二、船只或飘流物的撞击力,船只或漂流物撞击力在有可能的条件下，应采用实测资料或模拟撞击试验进行计算，并依此进行防撞设计。04桥规根据航道等级、船舶吨位定出的撞击作用标准值，在缺乏实际调查资料时可参考采用。,三、汽车撞击作用汽车撞击力标准值在行驶方向取1000kN，与之垂直方向取为500kN，两个方向不同时考虑。作用于行车道上1.2m处，直接分布在撞击涉及的构件上。对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击力标准值予以折减，但折减后的汽车撞击力标准值不应低于上述规定值的1/6。,第四节 作用效应组合,公路桥涵结构采用以可靠度理论为基础的极限概率设计方法，该设计体系规定了桥涵结构的两种极限状态： 承载能力的极限状态（体现桥涵结构的安全性） 正常使用的极限状态（体现适用性和耐久性）所谓极限状态，是指整体结构或构件的某一特定状态，超过这一状态界限结构或构件 就不再能满足设计规定的某一功能要求 。,根据桥梁在施工和使用过程中面临的不同情况，桥涵结构设计分为持久状况、短暂状况和偶然状况。持久状况系指桥涵建成后承受自重、汽车荷载等持续时间很长的状况；短暂状况系指桥涵施工过程中承受临时性作用的状况；偶然状况系指桥涵使用过程中可能出现的状况,在桥梁设计中应关注桥涵结构的两种极限状态（承载能力和正常使用），同时也也应考虑其在施工和使用过程中的三种设计状况（持久、短暂和偶然）。,持久状况,承载能力极限状态设计,正常使用极限状态设计,短暂状况,承载能力极限状态设计,正常使用极限状态设计,（必要时）,偶然状况,承载能力极限状态设计,公路桥涵结构设计分为三个安全等级，不同的桥涵应根据所具有的功能、作用及其重要性将具有不同的重要性系数,桥涵结构的设计安全等级,可变作用不同时组合表,应当根据作用重要性的不同和同时作用的可能性进行适当组合；可变作用对结构产生有利影响时，该作用不应参与组合，实际不可能同时出现或同时参与组合概率很小的作用，按下表的规定不考虑其作用效应组合。,荷载的取值,基本术语1.作用代表值：结构或结构构件设计时，针对不同于设计目的所采用的各种作用规定值，包括作用标准值、准永久值和频遇值。2.作用标准值：结构或结构构件设计时，采用的各种作用的基本代表值，其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。3.设计基准期：进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。,4.作用频遇期：结构或构件在按正常使用极限状态短期效应组合设计时，采用的一种可变作用代表值，其值可根据在足够长观测期内作用任意点概率分布的0.95分位值确定。5.作用准永久值：结构或构件在按正常使用极限状态短长期效应组合设计时，采用的另一种可变作用代表值，其值可根据在足够长观测期内作用任意点概率分布的0.5（或略高于0.5）分位值确定。6.作用效应：结构对所作用的反应，如弯矩、位移等。7.作用效应设计值：作用标准效应与作用分项系数的乘积。,8.分项系数：为保证所设计的结构具有规定的可靠度而在设计表达式中采用的系数，分作用分项系数和抗力分项系数。9.作用效应组合：结构上几种作用分别产生的效应的随机叠加。10.结构重要性系数：对不同安全等级的结构，为使其具有规定的可靠度而采用的系数。11.作用效应组合系数：在作用效应组合中，由于几个独立可变作用效应最不利值同时出现的概率较小而对作用采用的折减系数。,公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代表值。 1. 永久作用应采用标准值作为代表值。 2. 可变作用应根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值或准永久值作为其代表值。 3.偶然作用取其标准值为代表值。 4.作用的设计值规定为作用的标准值乘以相应的作用分项系数,一、承载能力极限状态,承载能力的极限状态的设计以塑性理论为基础，其设计原则即0 结构重要系数，对应于设计安全等级一级、二级和三级分别去1.1、1.0和0.9，抗震设计不考虑； S 作用效应的组合设计值； R 构件承载力设计值。,承载能力极限状态下由两种作用效应组合：基本组合和偶然组合。1）基本组合 基本组合为永久作用设计值与可变作用设计值效应相结合，其组合表达式为,基本组合中各类作用效应可归结为三个部分：,永久作用效应；主导的可变作用效应，通常为汽车荷载效应；可变作用效应的补充部分：以组合系数予以折减，组合的作用效应越多折减越大。,2）偶然组合,偶然组合为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，多种偶然作用不同时参与组合。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,也可以不考虑参加组合。,二、正常使用极限状态,正常使用极限状态设计是以弹性理论或弹塑性理论为基础，涉及构件的抗裂、裂缝宽度和挠度三个方面的验算。其作用效应组合有两种：短期效应组合和长期效应组合。,1）短期效应组合（短暂状况） 永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：,频遇值系数,2）长期效应组合（持久状况）,永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：,准永久值系数,