公路與鐵路橋梁設(shè)計荷(1).ppt

第三章 設(shè)計荷載,第一節(jié) 作用分類和作用代表值 第二節(jié) 永久作用 第三節(jié) 可變作用 第四節(jié) 偶然作用 第五節(jié) 作用效應(yīng)組合,作用(action)：所有引起結(jié)構(gòu)反應(yīng)的原因 按作用的性質(zhì)，可為兩類： 一類是直接施加于結(jié)構(gòu)上的外力，如結(jié)構(gòu)重力、車輛、人群等，稱為“荷載”(Load)； 另一類不是以力的形式施加于結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的效果與結(jié)構(gòu)本身的特性及結(jié)構(gòu)所處環(huán)境等有關(guān)，如基礎(chǔ)變位、混凝土收縮和徐變，溫度變化等,以前習(xí)慣上也稱其為“荷載”，但這種叫法并不確切. 作用效應(yīng)(effect of an action): 結(jié)構(gòu)對所受作用的反應(yīng)，如構(gòu)件承受的彎矩、剪力，結(jié)構(gòu)的位移等，稱為作用效應(yīng)。,本章主要介紹各類作用的基本概念和計算方法. 實際設(shè)計時作用的取值按: 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范(TB10002.12005) 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTG D602004) 的規(guī)定辦理。 對城市橋梁，其荷載標(biāo)準(zhǔn)與公路橋梁類似，可參閱城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)(CJJ77)。,第一節(jié) 作用分類和作用代表值,公路橋梁的作用,按其隨時間變化的性質(zhì)，分為: 永久作用(permanent action) 可變作用(variable action) 偶然作用(accidental action) 永久作用: 習(xí)慣上稱為恒載(deadload)，是指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可忽略不計的作用，如結(jié)構(gòu)重力。 可變作用: 指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比有不可忽略的作用，如汽車、列車、人群荷載(習(xí)慣上稱為活載，live load)。 偶然作用: 指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的作用，如地震力。,第一節(jié) 作用分類和作用代表值,鐵路橋梁: 習(xí)慣于按作用性質(zhì)和發(fā)生的幾率來進行分類，將橋梁作用分為: 主力(對應(yīng)于公路橋的永久作用和一部分可變作用)、 附加力(對應(yīng)于不包含在主力中的其他的可變作用) 特殊荷載(對應(yīng)于偶然作用)。 我國公路、鐵路橋梁的設(shè)計作用(荷載)分類分別見表31和表32。比較兩表，盡管公路、鐵路規(guī)范對各種作用的分類及名稱有所不同，但基本上大同小異。,表31 公路橋梁作用分類表,第一節(jié) 作用分類和作用代表值,需要注意的是: 有些作用是設(shè)計鐵路橋所特有的，如列車橫向搖擺力、牽引力等； 有些作用僅在一本規(guī)范中列出，如公路規(guī)范中的支座摩阻力，但在按另一本規(guī)范設(shè)計橋梁時，可視情況加以采用。 另外，在設(shè)計公鐵兩用橋時，目前的設(shè)計實踐是：在鐵路荷載的基礎(chǔ)上，增加公路橋全部活載的75；但對僅承受公路活載的構(gòu)件，應(yīng)計及全部公路活載。,第一節(jié) 作用分類和作用代表值,作用代表值包括作用標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值和準(zhǔn)永久值。 作用標(biāo)準(zhǔn)值:為各種作用的基本代表值，其值可根據(jù)作用在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大值概率分布的某一分位值確定。 作用頻遇值:是可變作用的一種代表值，其可根據(jù)在足夠長的觀測期內(nèi)作用任意時點概率分布的0.95分位值確定。 作用準(zhǔn)永久值:是可變作用的另一種代表值，其可根據(jù)在足夠長的觀測期內(nèi)作用任意時點概率分布的0.5(或略高于0.5)分位值確定。,第一節(jié) 作用分類和作用代表值,我國公路橋涵基于極限狀態(tài)法，設(shè)計時對不同的作用采用不同的代表值。對永久作用和偶然作用，采用標(biāo)準(zhǔn)值。對可變作用，根據(jù)不同的極限狀態(tài)和組合方式采用標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值或準(zhǔn)永久值。 我國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范仍基于容許應(yīng)力法，其各類荷載的代表值相當(dāng)于上述標(biāo)準(zhǔn)值，沒有規(guī)定頻遇值和準(zhǔn)永久值。,第一節(jié) 作用分類和作用代表值,設(shè)計基準(zhǔn)期(design reference period) 簡單地講，它就是在確定某些作用(這些作用的最大值概率分布與時間有關(guān)，如風(fēng)荷載、車輛活載等)的標(biāo)準(zhǔn)值時需要人為規(guī)定的一個基準(zhǔn)時間參數(shù)。對橋梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計基準(zhǔn)期通長取100年。 注意! 設(shè)計基準(zhǔn)期使用壽命。,第二節(jié) 永久作用,永久作用：亦稱恒載，在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)其值不隨時間變化，或其變化與平均值相比忽略不計的作用。 其作用位置、大小和方向一般是固定不變的. 永久作用包括：結(jié)構(gòu)自重、橋上附加恒載（橋面、人行道及附屬設(shè)備）、作用于結(jié)構(gòu)上的土重及土側(cè)壓力、基礎(chǔ)變位影響力、水浮力、混凝土收縮和徐變的影響力等。,結(jié)構(gòu)重力的標(biāo)準(zhǔn)值，可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸和材料的重力密度計算確定。 在進行橋梁結(jié)構(gòu)(尤其是新型結(jié)構(gòu))分析時，往往需要預(yù)先估算恒載。通常，當(dāng)估算的恒載與設(shè)計圖完成后確定的恒載之間的差異較小(例如，不超過3)時，不必修正設(shè)計；否則有必要按設(shè)計圖重新計算恒載，再次進行結(jié)構(gòu)分析。,土壓力(earth pressure)按其產(chǎn)生的條件，分為: 靜止土壓力 主動土壓力 被動土壓力 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要用到前兩者。土的側(cè)壓力計算涉及結(jié)構(gòu)型式、填料性質(zhì)、墩臺位移和地基變形，也與水文和外加荷載等因素有關(guān)。,水浮力 指由地表水或地下水通過地基土壤的孔隙而傳遞給建筑物基礎(chǔ)底面的(由下而上的)水壓力，其值等于建筑物所排開的同等體積的水重。 一般，位于巖石地基上的基礎(chǔ)被認為是不滲水的，可不計水浮力；對位于碎石類土、砂類土、黏砂土等透水性地基上的墩臺，需在設(shè)計中考慮水浮力,預(yù)加應(yīng)力(對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)) 按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時：預(yù)加應(yīng)力屬永久作用； 按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時：預(yù)加應(yīng)力不作為荷載，而將預(yù)應(yīng)力筋作為結(jié)構(gòu)抗力的一部分。 但在超靜定結(jié)構(gòu)中，由預(yù)加力引起的次內(nèi)力應(yīng)屬永久荷載。規(guī)范未作明確說明。,混凝土收縮(shrinkage)及徐變(creep)作用 對外部超靜定的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)以及鋼一混組合橋梁結(jié)構(gòu)，混凝土收縮(shrinkage)及徐變(creep)作用是長期存在的。 混凝土徐變影響的計算可依據(jù)混凝土應(yīng)力與徐變變形呈線性關(guān)系的假定進行分析。 混凝土收縮系數(shù)和徐變系數(shù)的確定，按照公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(JTG D62-2004)和鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(TB 10002.3-2005)中的規(guī)定計算。,基礎(chǔ)變位 對超靜定橋梁結(jié)構(gòu)，由于地基壓密等原因，其墩臺基礎(chǔ)可能發(fā)生變位(沉降)?；A(chǔ)變位對結(jié)構(gòu)的影響也是長期的，其作用效應(yīng)可依據(jù)工程實際情況，按最終位移量分析計算。,第三節(jié) 可變作用,可變作用 指在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，其量值隨時間變化，且其變化與平均值相比有不可忽略的作用，如汽車、列車、人群荷載(習(xí)慣上稱為活載，live load),一、車輛活載 車輛活載指橋梁承受的機動荷載。 對鐵路橋，指列車； 對公路橋，主要指汽車。 車輛活載的種類繁多，因此，需要對車輛活載進行調(diào)查分析和綜合概括，并按照安全、適用和經(jīng)濟的原則，制訂出設(shè)計采用的標(biāo)準(zhǔn)值。,1 列車活載,列車由機車和車輛組成，機車和車輛類型很多，軸重、軸距各異。 為規(guī)范設(shè)計，我國根據(jù)機車車輛軸重、軸距對橋梁不同影響及考慮車輛的發(fā)展趨勢，制定了中華人民共和國鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載圖式。 （簡稱“中活載”） 中活載160km/h、200km/h ZK活載250km/h、300km/h以上高速,橋規(guī)規(guī)定： 加載時，標(biāo)準(zhǔn)活載計算圖式可任意截取 雙線橋跨：兩線活載之和的90% 橫向穩(wěn)定檢算：空車+最大橫向風(fēng)力為最不利，空車活載標(biāo)準(zhǔn)值為10kN/m,“ZK活載”分標(biāo)準(zhǔn)活載和特種活載,高速暫行規(guī)定： 加載時，標(biāo)準(zhǔn)活載計算圖式可任意截取 單線或雙線橋跨：各線均應(yīng)計入ZK活載作用。 多于雙線橋跨：應(yīng)按下列最不利情況考慮： 1）按雙線在最不利位置承受ZK活載，其余線路不承受列車荷載； 2）所有線路在最不利位置承受75的ZK活載。 空車活載按10kN/m計算。,“ZK活載”分標(biāo)準(zhǔn)活載和特種活載,1 汽車荷載 -舊公路規(guī)范1989版,設(shè)計荷載 大量、經(jīng)常出現(xiàn)的汽車荷載，以車隊形式排列。 汽10級、汽15級、汽20級、汽超20級,驗算荷載 偶然、個別出現(xiàn)的平板掛車或履帶車。 掛80、掛100、掛120、履帶50,原公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)模式是根據(jù)20世紀60年代我國公路交通荷載的實際情況，經(jīng)過相當(dāng)長時期的分析、研究和修正確定的。從近40年的應(yīng)用情況看，標(biāo)準(zhǔn)（97）車輛荷載的模式及其分級基本上是合理的，能適應(yīng)我國公路建設(shè)發(fā)展的需要，但也存在一些不盡合理之處，如采用車隊荷載模式在橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計時計算非常繁瑣、車隊荷載在不同跨徑的結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的效應(yīng)的連貫性不夠合理、標(biāo)準(zhǔn)荷載的級差不盡合理等，同時，采用車隊荷載模式，容易造成設(shè)計采用的車輛荷載是實際運營中允許如此載質(zhì)量的車輛在公路上行駛的錯誤觀念。,1 汽車荷載 -新公路規(guī)范 通用規(guī)范JTG D62規(guī)定,1 汽車荷載分為公路I級和公路II級兩個等級。 2 汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。 車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。 3 橋梁結(jié)構(gòu)的整體計算采用車道荷載； 4 橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計算采用車輛荷載，車輛荷載與車道荷載的作用不得疊加。,新規(guī)范 車道荷載的計算圖式,公路I級車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為: =10.5kN/m；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值按以下規(guī)定選?。?橋梁計算跨徑小于或等于5m時， =180kN； 橋梁計算跨徑等于或大于50m時， =360kN； 橋梁計算跨徑在5m50m之間時， 值采用直線內(nèi)插求得。 計算剪力效應(yīng)時，上述集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值 應(yīng)乘以1.2的系數(shù)。 公路II級車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值 和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值 按公路I級車道荷載的0.75倍采用。 車道荷載的均布標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號影響線上；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值只作用于相應(yīng)影響線中一個最大影響線峰值處。,公路一I級和公路一級汽車荷載采用相同的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值,車輛活載折減 多車道橋梁的汽車荷載應(yīng)考慮折減。 橫向折減的含義是：在多車道(或多線)橋梁上行駛的車輛活載使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生某種最大作用效應(yīng)時，不同車道上的車輛活載同時處于最不利位置的可能性大小。顯然，車道數(shù)越多，可能性(即同時出現(xiàn)最不利加載的幾率)越小。 當(dāng)橋涵設(shè)計車道數(shù)2時，汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng) 應(yīng)該按規(guī)定的多車道橫向折減系數(shù)進行折減，但折減后的效應(yīng)不得小于兩條設(shè)計車道的荷載效應(yīng)。,大跨徑公路橋梁上的車道荷載，還應(yīng)考慮縱向折減。 這是因為：在制訂車道荷載標(biāo)準(zhǔn)時，采用了自然堵塞的車間間距；在確定荷載大小時，采用了重車居多的調(diào)查資料。但對大跨徑橋梁，隨著跨徑的增加，實際通行車輛出現(xiàn)上述情況就會逐步緩解。因此，需對汽車荷載(或其效應(yīng))按跨度進行折減。規(guī)范規(guī)定：當(dāng)橋梁計算跨徑大于150m時，應(yīng)按表3.5進行縱向折減。對多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)(如連續(xù)梁橋)，按主跨進行全橋折減。,4 車輛活載的加載,二 沖擊力,車輛以一定速度過橋時，由于動力影響，橋梁實際產(chǎn)生的活載應(yīng)力和變形大于按活載靜重計算所得的結(jié)果，這種動力效應(yīng)常稱為沖擊作用。,為簡化設(shè)計，引入沖擊系數(shù)(大于1)來反映車輛活載的動力影響(即采用靜力學(xué)的方法，用沖擊系數(shù)乘以車輛重力)。,橋梁結(jié)構(gòu)的基頻反映了結(jié)構(gòu)的尺寸、類型、建筑材料等動力特性內(nèi)容，它直接反映了沖擊系數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。 不管橋梁的建筑材料、結(jié)構(gòu)類型是否有差別，也不管結(jié)構(gòu)尺寸與跨徑是否有差別，只要橋梁結(jié)構(gòu)的基頻相同，在同樣條件的汽車荷載下，就能得到基本相同的沖擊系數(shù)。,新的 通用規(guī)范JTG D60規(guī)定，汽車荷載沖擊力應(yīng)按下列規(guī)定計算： 1 鋼橋、鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋、圬工拱橋等上部構(gòu)造和鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座及鋼筋混凝土柱式墩臺，應(yīng)計算汽車的沖擊作用。 2 填料厚度（包括路面厚度）等于或大于0.5m的拱橋、涵洞以及重力式墩臺不計沖擊力。 3 支座的沖擊力，按相應(yīng)的橋梁取用。 4 汽車荷載的沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值為汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù) 5 沖擊系數(shù)可按下式計算： 當(dāng) Hz時， =0.05 當(dāng)1.5Hz 14Hz時，=0.1767lnf0.0157 當(dāng) Hz時， =0.45 式中， f 為結(jié)構(gòu)基頻（Hz）。 6 汽車荷載的局部加載及在T梁、箱梁懸臂板上的沖擊系數(shù): 采用=0.3。,計算沖擊力引起的連續(xù)梁正彎矩效應(yīng)和剪力效應(yīng)時，采用f1； 計算負彎矩效應(yīng)時，采用f2 。,現(xiàn)行鐵路規(guī)范鐵路橋動力系數(shù) 1+,簡支或連續(xù)鋼橋跨結(jié)構(gòu)和鋼墩臺,鋼與鋼筋混凝土板構(gòu)成的結(jié)合梁,現(xiàn)行鐵路規(guī)范鐵路橋動力系數(shù) 1+,鋼筋混凝土的、混凝土的、石砌的橋跨結(jié)構(gòu)及涵洞、剛架橋，其頂上填土厚度1.0m（從軌底算起）時不計沖擊力。當(dāng)小于1.0m時,空腹式鋼筋混凝土拱橋的拱圈和拱肋,三 人群荷載,四 離心力,車輛在曲線上運行產(chǎn)生離心力。公路橋上離心力較小，當(dāng)曲線半徑等于或小于250m時，才考慮離心力的作用。 離心力等于車輛荷載（不計動力效應(yīng)）乘以離心力系數(shù)(率),離心力系數(shù)(率),對鐵路荷載C不應(yīng)大于0.15。,離心力作用點： 鐵路軌頂以上2m，公路橋面以上1.2m,五 風(fēng)荷載,五 風(fēng)荷載,公路規(guī)范規(guī)定：取平坦空曠地面、離地面10m高、重現(xiàn)期為100年的10min平均最大風(fēng)速，為橋梁所在地區(qū)的設(shè)計基本風(fēng)速，記為V10(單位：m/s)，該風(fēng)速可按規(guī)范取值并經(jīng)實地調(diào)查核實后采用。注意V10是根據(jù)離地面10m高處的數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計得到的，在實用中，根據(jù)結(jié)構(gòu)計算高度修正 ,高度Z處的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速記為Vd(m/s)，,基本風(fēng)壓W0,設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)壓Wd,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速,K0-設(shè)計風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，因重現(xiàn)期長短與基本風(fēng)壓有關(guān)，故該系數(shù)體現(xiàn)出構(gòu)的重要性；對于單孔跨徑指標(biāo)為特大橋和大橋的橋梁(見表1.1)，取1.0；對其他橋梁，取0.90；對正在施工的橋梁，取0.75；當(dāng)橋梁位于臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)時，可根據(jù)實際情況適當(dāng)提高k0值； K1-風(fēng)載阻力系數(shù)，該系數(shù)反映出風(fēng)壓與結(jié)構(gòu)本身的體型、尺寸比的關(guān)系；其值主要隨構(gòu)件(桁架、橋墩和橋塔)的截面類型和尺寸等而變； K3-地形、地理條件系數(shù)；該系數(shù)反映出風(fēng)壓隨地形、地理條件的不同而變化的特征；對一般地區(qū)，取1.0；對山間盆地或谷地，取0.750.85；對峽谷口或山口，取1.201.4。,對于順橋向的風(fēng)荷載，規(guī)定如下： 對下承式桁架橋，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按其橫橋向風(fēng)壓的40乘以桁架迎風(fēng)面積計算； 對橋墩，按其橫橋向風(fēng)壓的70乘以橋墩迎風(fēng)面積計算； 對于斜拉橋、懸索橋的橋塔，按其橫橋向風(fēng)壓乘以橋塔迎風(fēng)面積計算。,對比上述計算，鐵路橋梁的風(fēng)荷載計算大體相同，但相對簡單,基本風(fēng)壓值,橋規(guī)規(guī)定，取平坦空曠地區(qū)、離地面高10m、重現(xiàn)期為100年的10min的平均最大風(fēng)速計算基本風(fēng)壓強度。,鐵路橫向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)強度計算公式：,K1風(fēng)荷載阻力系數(shù)；K2陣風(fēng)分布系數(shù) K3地形、地理條件系數(shù),六 車輛制動力和(列車)牽引力,制動力 是車輛減速或制動時的慣性力。 方向： 與行車方向一致。 牽引力 是車輛起動或加速時車輛與路面 （或鋼軌）間作用的摩阻力。 方向： 與行車方向相反。 作用點：鐵路軌頂以上2m， 公路橋面以上1.2m。 但在計算墩臺時移至支座中心處，不計因此而產(chǎn)生的豎向力和力矩。,對鐵路橋，規(guī)定列車制動力或牽引力按作用在橋跨范圍內(nèi)的列車豎向靜活載的10計算，但當(dāng)其與離心力或沖擊力同時計算時，則按列車豎向靜活載的7取值。 對雙線橋，只采用一線的制動力或牽引力； 對三線或三線以上的橋，只采用二線制動力或牽引力； 對多線橋，在計算制動力或牽引力不考慮列車活載的橫向折減。,公路只考慮制動力,汽車荷載制動力按同向行駛的汽車荷載(不計沖擊力)計算，并考慮縱向折減，以使橋梁墩臺產(chǎn)生最不利縱向力的方式進行加載.,溫度作用指因溫度的變化而引起的結(jié)構(gòu)變形和附加力。 溫度的變化可分為: (年平均)均勻溫度變化和梯度溫度(溫差)兩種情況： 前者表示結(jié)構(gòu)整體在一年中的溫度變化； 后者表示結(jié)構(gòu)截面上的不同點或不同材料之間的溫度差異，即沿橫截面豎向、橫向的溫度梯度。 超靜定結(jié)構(gòu)存在多余約束，熱脹冷縮將產(chǎn)生內(nèi)力或支座反力。 靜定和超靜定結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)不同部位溫度不同，內(nèi)部將產(chǎn)生溫差力。,七 溫度作用,對靜定結(jié)構(gòu): 均勻溫度作用通常只會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的伸長或縮短，不產(chǎn)生溫度附加力； 超靜定結(jié)構(gòu):