《桥梁工程》(南京理工版)第1篇第4章 桥梁设计荷载.ppt

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1、第 四 章 Chapter 4 桥 梁 上 的 作 用Action on the Bridge,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,前者为直接作用，也可称荷载；后者为间接作用（不宜称为荷载）新桥规（JTG D62-2004）,施加在结构上的集中力或分布力（如汽车、结构自重等）The force applied on structure:pointed or distributed,Introduction 作用(Action):,引起结构外加变形或约束变形的原因（如地震、基础不均匀沉降、温度变化等）。The factors that cause or c

2、onstrain structural deformation,作用(Action),永久作用(Permanent Action),可变作用(Variable Action),偶然作用(Accidental Action),作用的分类 Classification of the action 按时间的变化情况,按对结构的反应情况（加速度的大小）作用可分为：静态作用(Static Action)动态作用(Dynamic Action),Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,作用代表值

3、（Representative value of an action）结构或构件设计时，针对不同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。,作用标准值（Characteristic value of an action）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。作用准永久值（Quasi-permanent value of an action）一种可变作用代表值，作用概率分布的0.5分位值，用于正常使用极限状态长期效应组合设计（经常出现者）作用频遇值（Frequent value of an action）一种可变作用代表值，作用

4、概率分布的0.95分位值，用于正常使用极限状态短期效应组合设计（频繁出现且量值较大者）,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,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按弹性阶段计算结构强度标准值正常使用状态按短期效应(频遇）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偶然作用标准值,Chapter 4 作用分类 Action on the Bridge,在使用使用期内，其量值不随时间而变化，或其变化值与其

5、平均值相比可以忽略不计的作用。The permanent action varies little in service time,结构物重力 weight of the structure预加应力*prestress土的重力 gravity of the soil 土侧压力 lateral force from the soil 混凝土收缩及徐变作用 shrinkage and creep of concrete基础变位作用 deformation of the foundation水的浮力 buoyancy,4.1永久作用（恒载）Permanent Action,Chapter 4 桥梁上

6、的作用 Action on the Bridge,在结构使用期内，其量值随时间变化，且其变化值与其平均值相比不可以忽略的作用。共11种:,4.2可变作用（活载）Variable action(live load),汽车荷载*Load of the motor 汽车的冲击力*Impact汽车的离心力*Centrifugal force 汽车的制动力*Braking 汽车引起的土侧压力 Lateral force of the soil caused by the motor人群荷载*Load of the pedestrian 风荷载 Wind流水压力 Hydraulic Pressure of

7、 flow冰压力 Pressure of ice温度作用 Temperature effect支座摩阻力 Friction of the bearing,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,汽车荷载 Load of the motor 最主要的可变作用（活载）,NEXT,1)汽车荷载的组成与使用规定,新标准：汽车荷载分为公路-级和公路-级 车道荷载(均布荷载+集中荷载）Load of roadway 车辆荷载 Load of vehicle 车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加（取加载不利者）。桥涵结构的整体计算采用车道荷载，局部加载、横向桥面板、涵洞、桥台

8、台后汽车引起的土压力和挡土墙上汽车引起的土压力等的计算采用车辆荷载。,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,)汽车荷载等级的使用规定,汽车荷载最主要的可变作用（活载）Load of the motor,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,)车道荷载的计算图示 the form of Load of roadway,汽车荷载车道荷载 Load of the motor-Load of roadway,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,)车道荷载的标

9、准值 Standard Load of roadway,均布荷载标准值：10.5kN/m 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。剪力效应应再乘以1.2的系数。公路-级车道荷载的均布荷载的标准值和集中荷载标准值，为公路-级车道的0.75倍。,汽车荷载车道荷载 Load of the motor-Load of roadway,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,)车道荷载的加载方式,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

10、只作用于相应影响线中一个影响线上峰值处。,汽车荷载车道荷载 Load of the motor-Load of roadway,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,)车辆荷载的布置图示与规定：公路级和公路级汽车荷载采用同一车辆荷载标准值。,550kN汽车平面尺寸,汽车荷载车辆荷载 Load of the motor-Load of vehicle,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,7)车辆荷载的技术指标如下表,4.2.1 汽车荷载车辆荷载 Load of the motor-Load of v

11、ehicle,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,8)车道荷载或车辆荷载的横向布置 transverse distribution of the Load of the motor：横向布置的最大车道数不应超过设计规定的车道数,4.2.1 汽车荷载 Load of the motor,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,9)多车道横向折减系数当横向布置的车道数超过车道时，应按布置的车道数计算后乘以横向折减系数；但不得小于车道计算的结果，否则，以车道计算的结果为准。车道数 2 3 4 5 6 7

12、8横向折减系数 1.00 0.78 0.67 0.60 0.55 0.52 0.5,4.2.1 汽车荷载 Load of the motor,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,10)纵向折减系数的规定,施加于长跨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的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。,表 纵向折减系数,4.2.1 汽车荷载 Load of the motor,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,4.2.2

13、汽车冲击力（冲击系数）Impact caused by motor(Coefficient of impact),NEXT,汽车荷载的冲击力产生原因 Cause考虑的方法 How to take into account of the impact?如何计算 How to calculate the action?,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,)冲击力与结构的自振频率有关 Impact is related with the frequency of the structure,冲击系数可按下式计算:,汽车冲击力（冲击系数）Impact

14、 caused by motor(Coefficient of impact),Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,BACK,人群,3kN/m2 2.5kN/m2,人群荷载横向布置,kurb缘石,Width of the sidewalk 人行道宽,0.75kN/m,1.0kN/m,3kN/m2 2.5kN/m2,4.2.3 人群荷载 Load of the pedestrian,50m-计算跨径-150m,人行道板还应以4kN/m2的荷载进行检算，人群作用于栏杆上的水平推力按0.75kN/m考虑，作用于立柱和扶手的竖向力按1.0kN/m考虑。,Chap

15、ter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,人群荷载标准值的规定:,1、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.2、城市郊区行人密集区一般取上述值得1.15倍。3、专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5KN/m2。,4.2.3 人群荷载 Load of the pedestrian,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,1）汽车的离心力曲线桥梁且曲线

16、半径250m如何计算,4.2.4 其他 Other live loads,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,BACK,车辆荷载的离心力Centrifugal action作用方向及作用点 direction and location,A,A,A-A,R,4.2.4 其他 Other live loads,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,BACK,桥规规定：制动力的标准值为布置在加载长度上计算总重力的10%，但公路-1级的制动力的标准值不得小于165KN；公路-2级的制动力的标准值不得小于90KN；多车道时，制

17、动力为上述计算值进行横向折减（2-2；3-2.34；4-2.64）。,2）汽车制动力 Braking of motor,1.2m,固定支座处,滑动支座处,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,BACK,桥规仅对中、小跨径桥梁的平均风压做了规定，对大跨桥梁一般要进行专门的抗风设计和研究 作用于桥梁结构的风荷载应按顺桥向和横桥向分别计算，并且仅取一个方向的风荷载参与荷载效应组合,风产生的效应,3）风荷载 Load of Wind,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,4.2.4 其他,NEXT,4)温度作用（次内力）：均匀

18、温度和梯度温度,温度影响力指因温度的变化而引起的结构变形和附加力。温度的变化可分为（年平均）气温变化和温差两种情况，前者可说明结构在一年中的温度变化，后者则可解释为结构截面上的不同点或不同构件之间的温差。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。,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,4.2.4 其他,NEXT,4)温

19、度作用（次内力）：均匀温度的计算 从结构合龙时的温度算起，考虑最高和最低有效温度的作用效应。有效温度的标准值见下表,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,NEXT,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,均匀温度的取值，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；均匀温度的变化值，应自结构合龙时的温度算起。例如，若桥位处最高和最低月平均气温分别为+40和0，而架梁或结构合龙时的温度为+20，则均匀温度的变化幅度为40，而用于计算温度作用效应的均匀温度值为+20。,4.2.4 其他,NEXT,4)温度

20、作用（次内力）：梯度温度效应的计算,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,不计及横向温度梯度作用:考虑到结构两侧腹板外的悬臂板较长，腹板受太阳直接辐射较少，梁底始终不受日照。,4.2.4 其他,NEXT,4)温度作用（次内力）：梯度温度效应的计算,计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时，可采用竖向温度梯度曲线，其桥面板表面的最高温度T1规定于表。对混凝土结构，当梁高H小于400mm时，图中A=H-100（mm）；梁高H不小于400mm时，A=300mm。对带混凝土桥面板的钢结构，A=300mm。t为结合梁中混凝土桥面板的厚度。,Chapter 4 桥梁上的作

21、用 Action on the Bridge,混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温差（降温）为正温差乘以-0.5。,偶然作用是在设计使用期内不一定出现，但一旦出现，其持续时间很短而数值很大的作用。偶然作用会对结构的安全产生非常大的影响。An Accidental Action is such an action that it occurs with uncertainty.If it occurs,it would lasts for a very short time but with great effects on the structure,even results

22、in the failure of the structure.,地震作用 Earthquake：地震动峰值加速度大于0.10g的地区应做抗震设计船只或漂流物的撞击力 Bump of the boat or float：大小与航道等级有关汽车撞击作用 Bump of the motor：1000KN（行驶方向）500KN（垂直方向）,4.3偶然作用 Accidental Action,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,船只或漂流物的撞击力给桥梁产生的破坏实例。One typical case of the bridge failure resulted

23、 from the bump of the boat,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,船只或漂流物的撞击力给桥梁产生的破坏实例-九江大桥,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,湛江海湾大桥在国际上首次创造性地提出了柔性吸能防撞装置方案，提出了“大撞不倒、中撞可修、小撞不坏”的桥梁三级防撞理论。该防撞装置设计为双浮箱、自浮式结构型式，由防撞外浮箱、内浮箱和柔性吸能防撞圈构成，可使撞击力减小至6000吨以下，不仅可以削弱船舶撞击的能量，保护桥墩，而且对船舶和防撞装置本身也具有保护功能。,Chapter 4 桥梁上的作

24、用 Action on the Bridge,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,本方案主要是在中央桥墩路面以上0125cm范围设置防撞砂桶，将桥墩包围并在防撞桶上部70120cm范围内粘贴红白相间的高强级反光膜，在防撞桶上部5190cm范围设置黄黑相间高强级铝基反光膜。防撞砂桶主要是保护桥墩易受撞击部位，在受到撞击时吸收并分散冲击力，有效的保护桥墩。反光膜主要是在一定距离内警告并引导驾驶员不要撞击构筑物。通过反光膜与防撞砂桶的结合，能很好的避免桥墩受到撞击或撞坏，达到治标又治本的效果。,不同类型的防撞装置,Chapter 4 桥梁上的作用 Action

25、 on the Bridge,桥涵结构的设计理论 Design theory for the bridge structureA）容许应力法 allowance stress method弹性理论为基础B）极限状态法 ultimate state method考虑材料的弹塑性性能的可靠度理论：承载能力极限状态和正常使用极限状态,4.4作用效应组合 Effect Combination of the actions,4.4.1设计方法回顾 Review of the design method,前述的各种作用并不是在所有时期内同时出现的，因此将不同作用效应进行合理组合是必要的。All the a

26、ctions will not always occur and will not occur in the same time.So to find combination of different action is necessary.,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,极限状态是指整体结构或构件的某一特定状态，超过这一状态限界，结构或构件就不能满足设计规定的某一功能要求。The ultimate state is the specific state for the structure or its component that when be

27、yond the state border,the structure or its component would not satisfy the function set by the design code.可靠性：承载能力极限状态安全性（强度、稳定、疲劳）正常使用极限状态适用性和耐久性（扰度、抗裂和裂缝宽度）,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,4.4.1设计方法回顾 Review of the design method,4.4作用效应组合 Effect Combination of the actions,根据桥涵在施工和使用过程中面临的不同

28、情况，桥涵设计分为3种设计状况：1）持久状况（持续时间长的作用）：必须进行两种极限状态设计 2）短暂状况（临时作用）：一般只作承载能力极限状态设计 3）偶然状况（偶然作用）：只作承载能力极限状态设计,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,4.4作用效应组合 Effect Combination of the actions,4.4.1设计方法回顾 Review of the design method,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

29、表值。承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构强度时应采用标准值为可变作用的代表值。正常使用极限状态按短期效应（频遇）组合设计时，应采用频遇值为可变作用的代表值；按长期效应（准永久）组合设计时，应采用准永久值为可变作用的代表值。3.偶然作用取其标准值为代表值。,作用的取值,4.4 作用效应组合 Effect Combination of the actions,设计方法回顾 Review of the design method,1、永久作用的标准值，对结构自重（包括结构附加重力），可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重（重力密度）计算确定。2、可变作用的标准值应按规范规定采用。可变作用频

30、遇值为可变作用标准值乘以频遇值系数。可变作用准永久值为可变作用标准值乘以准永久值系数3、偶然作用应根据试验资料，结合工程经验确定其标准值。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,作用的代表值取用,4.4.1 设计方法回顾 Review of the design method,Definition:,作用效应组合是指在确定出各种桥梁作用后，需要根据作用特性、桥梁结构特性、施工方法以及桥位处的环境等因素来决定各种作用的取舍以及它们同时作用的可能性。,4.4 作用效应组合 Effect Combination of the actions,1）只有在结构上可能同时出现的作用，才进

31、行其效应的组合。当结构或结构构件需作不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合。2）当可变作用的出现对结构或构件产生有利影响时，该作用不应参与组合。3）施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具均应作为临时荷载加以考虑。4）多个偶然作用不同时参与组合。5）钢筋混凝土和预应力混凝土结构在进行结构构件的承载能力极限状态设计时，可不考虑混凝土收缩和徐变、温度作用效应参与组合；基础变位作用是否参与组合视具体情况确定；拱桥仍应考虑混凝土收缩和徐变、温度作用效应和基础变位作用的组合。,作用效应组合的原则 The principles of the

32、 Effect Combination of the actions,4.4 作用效应组合 Effect Combination of the actions,基本组合和偶然组合承载能力极限状态下的组合：,永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为：,（1）基本组合 Primary Combination,4.4 作用效应组合 Effect Combination of the actions,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,结构重要性系数，按规范表1.0.9规定的结构设计安全等级采用。对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取

33、1.1、1.0和0.9；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其值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；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（含本规范第4.3.5条规定的人行道板等局部构件和人行道栏杆上的可变作用效应）的分项系数，取1.4，但风荷载的分项系数取1.1；,4.4.2 承载能力极限状态下的组合：基本组合和偶然组合,4.4 作用效应组合 Effect Combination

34、 of the actions,（1）基本组合 Primary Combination,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,1.2恒荷载+1.4 汽车荷载1.2 恒荷载+1.4 汽车荷载+0.8 1.4 人群荷载1.2 恒荷载+1.4 汽车荷载+0.7（1.4 人群荷载+1.1 风荷载）1.2 恒荷载+1.4 汽车荷载+0.6（1.4 人群荷载+1.1 风荷载+1.4 土压力）1.2 恒荷载+1.4 汽车荷载+0.5（1.4 人群荷载+1.1 风荷载+1.4 土压力+1.4 汽车制动力）,基本组合表达式（举例解释）,（1）基本组合 Primary Com

35、bination,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。地震作用标准值及其表达式按公路工程抗震设计规范JTJ004规定采用。,4.4.2承载能力极限状态下的组合：偶然组合 Accidental Combination,4.4 作用效应组合 Effect Combination of the actions,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,4.4.3 正常使用极限状态下的组合：短期效应组合和长期效应组合,永久作用标

36、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：,（1）作用短期效应组合,4.4 作用效应组合 Effect Combination of the actions,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,4.4.3正常使用极限状态下的组合：长期效应组合,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：,（2）作用长期效应组合,4.4 作用效应组合 Effect Combination of the actions,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,恒荷载+0.7 汽车荷载（不计冲击力）恒荷

37、载+0.7 汽车荷载（不计冲击力）+1.0 人群荷载,短期效应组合表达式：,4.4.3 正常使用极限状态组合（举例解释）,恒荷载+0.4 汽车荷载（不计冲击力）恒荷载+0.4 汽车荷载（不计冲击力）+0.4 人群荷载,长期效应组合表达式：,4.4 作用效应组合 Effect Combination of the actions,注意：,各种荷载中，有些是不会同时发生的，如:冰压力与流水压力、汽车制动力支座摩阻力与汽车制动力等就不能同时参与组合。各类荷载及其组合发生的机率也是不同的，恒载和活载是经常发生的，其它可变荷载发生的机率较小，偶然荷载发生的机率就更小。对于发生机率小的荷载，如仅在桥梁建造过程中出现的施工荷载，就不必给予过多的安全储备，因此为使桥梁设计安全、经济，对不同的荷载组合，结构的安全储备也应不同。实际中处理的方法是：按不同的荷载组合，调整荷载安全系数或材料容许应力值。,Chapter 4 桥梁上的作用 Action on the Bridge,本章回顾 Review,桥梁作用的种类永久作用（种）可变作用（汽车荷载、冲击力、人群荷载）偶然作用作用效应组合（4种。基本组合、短期效应组合）,