橋梁工程(路)-4.5-設(shè)計(jì)荷載

第四章 橋梁的設(shè)計(jì)荷載第一節(jié) 規(guī)范中有關(guān)設(shè)計(jì)荷載的規(guī)定橋梁結(jié)構(gòu)根據(jù)其使用功能的不同，除承受結(jié)構(gòu)本身自重和各種附加重力以外，主要承受橋上各種交通荷載，例如汽車荷載、非機(jī)動(dòng)車荷載和人群荷載。而且，鑒于橋梁結(jié)構(gòu)處在自然環(huán)境之中，還要經(jīng)受氣候、水文等各種復(fù)雜因素（外力）的影響。我國現(xiàn)行通規(guī)（JTG D602004）中將作用于橋梁結(jié)構(gòu)的荷載和引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因統(tǒng)稱為作用。作用是施加在結(jié)構(gòu)上的一組集中力或分布力，或引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因，前者稱直接作用，亦稱荷載，后者稱間接作用。一、作用的分類通規(guī)中將作用于橋梁結(jié)構(gòu)的作用分為三類：永久作用、可變作用和偶然作用。1、永久作用永久作用（也稱恒載）是在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值不隨時(shí)間而變化，或其變化值與平均值比較可忽略不計(jì)的作用。永久作用的量值是指其作用位置、大小和方向。作用于橋梁上部結(jié)構(gòu)的永久作用，主要是結(jié)構(gòu)物自重、橋面鋪裝及附屬設(shè)備的重量（人行道板、欄桿、扶手、燈柱等）、長期作用于結(jié)構(gòu)上的人工預(yù)加力以及混凝土收縮和徐變作用、基礎(chǔ)變位作用。作用于橋梁下部結(jié)構(gòu)的永久作用，主要是上部結(jié)構(gòu)傳給支座的永久作用、墩臺(tái)的自重、作用于墩臺(tái)上的土重及土側(cè)壓力、水浮力（水中墩臺(tái)）。2、可變作用可變作用（也稱活載）是在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值隨時(shí)間而變化，或其變化值與平均值比較不可忽略不計(jì)的作用。主要包括汽車荷載及其影響力、自然和人為產(chǎn)生的各種變化力。3、偶然作用偶然作用是在結(jié)構(gòu)使用期間，出現(xiàn)的概率很小，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時(shí)間很短的作用。偶然作用主要是地震作用、船舶或漂流物的撞擊作用、汽車撞擊作用。作 用 分 類 編號(hào)作用分類作用名稱1永久作用結(jié)構(gòu)重力（包括結(jié)構(gòu)附加重力）2預(yù)加力3土的重力4土側(cè)壓力5混凝土收縮和徐變作用6水的浮力7基礎(chǔ)變位作用8可變作用汽車荷載9汽車沖擊力10汽車離心力11汽車引起的土側(cè)壓力12人群荷載13汽車制動(dòng)力14風(fēng)荷載15流水壓力16冰壓力17溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用18支座摩阻力19偶然作用地震作用20船舶或漂流物的撞擊作用21汽車撞擊作用二、作用的計(jì)算只講可變作用的計(jì)算（一）汽車荷載及其影響力1、汽車荷載通規(guī)將汽車荷載分為公路級(jí)和公路級(jí)兩個(gè)等級(jí)，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，橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用車道荷載，橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺(tái)和擋土墻土壓力等的計(jì)算采用車輛荷載，車道荷載與車輛荷載的作用不得疊加。車道荷載的計(jì)算圖式見圖1，車輛荷載的計(jì)算圖式見圖2和圖3。圖1 車道荷載圖2 車輛荷載的立面、平面尺寸（圖中尺寸單位為m，荷載單位為kN）圖3 車輛（車道）荷載橫向布置各級(jí)公路橋涵的汽車荷載等級(jí)和車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值 公路等級(jí)高速公路一級(jí)公路二級(jí)公路三級(jí)公路四級(jí)公路汽車荷載等級(jí)公路級(jí)公路級(jí)均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kNm)10.57.785集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN）5m:180kN50m:360kN5m50m:值采用180kN360kN直線內(nèi)插。5m:135kN50m:270kN5m50m:值采用135kN270kN直線內(nèi)插。注：為橋梁計(jì)算跨徑。計(jì)算剪力效應(yīng)時(shí)，表中集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以1.2的系數(shù)。汽車荷載的加載規(guī)定：車道荷載的縱向加載為均布荷載標(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(hào)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(gè)最大影響線峰值處。橫向分布系數(shù)應(yīng)按設(shè)計(jì)車道數(shù)布置車輛荷載進(jìn)行計(jì)算。車輛荷載的加載見圖2、圖3。汽車荷載的折減規(guī)定：多車道橋梁上的汽車荷載應(yīng)考慮多車道折減，當(dāng)橋涵設(shè)計(jì)車道數(shù)等于或大于2時(shí)，由汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)應(yīng)按通規(guī)規(guī)定的多車道折減系數(shù)進(jìn)行橫向折減，但折減后的效應(yīng)不得小于兩設(shè)計(jì)車道的荷載效應(yīng)。當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑大于150m時(shí)，應(yīng)按通規(guī)規(guī)定的縱向折減系數(shù)進(jìn)行縱向折減。橋涵設(shè)計(jì)車道數(shù)橋面寬度（m）橋涵設(shè)計(jì)車道數(shù)車輛單向行駛時(shí)車輛雙向行駛時(shí)7.017.010.56.014.0210.514.0314.017.514.021.0417.521.0521.024.521.028.0624.528.0728.031.528.035.08 橫向折減系數(shù) 橫向布置設(shè)計(jì)車道數(shù)（條）2345678橫向折減系數(shù)1.000.780.670.600.550.520.50縱向折減系數(shù)計(jì)算跨徑（m）縱向折減系數(shù)1504000.974006000.966008000.9580010000.9410000.932、汽車沖擊力汽車以較高的速度駛過橋梁時(shí)，橋梁產(chǎn)生的應(yīng)力與變形比大小相等的靜載引起的要大一些，這是應(yīng)為汽車荷載不是慢慢地增加，而是以較快的速度突然加載于橋上，因而使橋梁發(fā)生振動(dòng)。同時(shí)由于橋面不平整、車輪不圓以及發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)等原因，也會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)。這種由于荷載的動(dòng)力作用使橋梁發(fā)生振動(dòng)而造成內(nèi)力加大的現(xiàn)象稱為沖擊作用。也就是說，橋梁不僅承受車輛荷載的重力作用，還受到一種沖擊力。鑒于目前對(duì)沖擊作用還不能從理論上作出符合實(shí)際的精確計(jì)算，只能采用粗糙的近似方法，即以沖擊系數(shù)來計(jì)及荷載的沖擊作用。通規(guī)中規(guī)定：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(tái)，應(yīng)計(jì)算汽車的沖擊作用；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(tái)不計(jì)沖擊力。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)。沖擊系數(shù)結(jié)構(gòu)基頻（Hz）沖擊系數(shù)1.5 Hz0.051.5 Hz14 Hz0.1767ln0.015714 Hz0.45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1.3。3、汽車離心力位于曲線上的橋梁，當(dāng)曲線半徑等于或小于250m時(shí)，應(yīng)計(jì)算汽車荷載引起的離心力。汽車荷載離心力標(biāo)準(zhǔn)值為車輛荷載（不計(jì)沖擊力）標(biāo)準(zhǔn)值乘以離心力系數(shù)，離心力系數(shù)按下式計(jì)算：式中 設(shè)計(jì)速度（kmh），應(yīng)按橋梁所在路線設(shè)計(jì)速度采用； 曲線半徑（m）。計(jì)算多車道橋梁的汽車荷載離心力時(shí)，車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以多車道的橫向折減系數(shù)。離心力的著力點(diǎn)在橋面以上1.2m處（為計(jì)算簡便也可移至橋面上，不計(jì)由此引起的作用效應(yīng)）。4、汽車引起的土壓力汽車荷載引起的土壓力采用車輛荷載加載，并可按下列規(guī)定計(jì)算：車輛荷載在橋臺(tái)或擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側(cè)壓力，可按下式換算成等代均布土層厚度（m）計(jì)算： 式中 布置在面積內(nèi)的車輪的總重力（kN），計(jì)算擋土墻的土壓力時(shí)，車輛荷載應(yīng)按圖35作橫向布置，多車道加載時(shí)，車輪總重力應(yīng)進(jìn)行折減； 橋臺(tái)或擋土墻后填土的破壞棱體長度（m），對(duì)于墻頂以上有填土的路堤式擋土墻，為破壞棱體范圍內(nèi)的路基寬度部分； 土的重力密度（kNm3）； 橋臺(tái)橫向全寬或擋土墻的計(jì)算長度（m），擋土墻可按式1330計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果不應(yīng)超過擋土墻分段長度，擋土墻分段長度小于13m時(shí)，取分段長度，并在該長度內(nèi)按不利情況布置輪重。為擋土墻高度（m），對(duì)墻頂以上有填土的擋土墻，為兩倍墻頂填土厚度加墻高。當(dāng)土層特性無變化，時(shí)，汽車荷載引起的土側(cè)壓力： 式中 計(jì)算土層厚度（m）；其余符號(hào)意義同前。土壓力的著力點(diǎn)自計(jì)算土層底面算起，當(dāng)土層特性有變化或受水位影響時(shí)，宜分層計(jì)算土的側(cè)壓力。計(jì)算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時(shí)，車輪按其著地面積的邊緣向下作角分布。當(dāng)幾個(gè)車輪的壓力擴(kuò)散線相重疊時(shí)，擴(kuò)散面積以最外邊的擴(kuò)散線為準(zhǔn)。5、汽車制動(dòng)力制動(dòng)力是汽車在橋上剎車時(shí)為克服其慣性力而在車輪與路面之間發(fā)生的滑動(dòng)摩擦力。車輪與路面間的摩擦系數(shù)可達(dá)0.5以上，但由于一行汽車不可能同時(shí)剎車，所以制動(dòng)力不等于摩擦系數(shù)乘以橋上全部車道荷載。通規(guī)中規(guī)定：一個(gè)設(shè)計(jì)車道上由汽車荷載產(chǎn)生的制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值為車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在加載長度上計(jì)算的總重力的10%計(jì)算，但公路級(jí)汽車荷載的制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值不得小于165kN；公路級(jí)汽車荷載的制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值不得小于90kN。同向行駛雙車道的汽車荷載制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值為一個(gè)設(shè)計(jì)車道制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值的兩倍；同向行駛?cè)嚨罏橐粋€(gè)設(shè)計(jì)車道的2.34倍；同向行駛四車道為一個(gè)設(shè)計(jì)車道的2.68倍。制動(dòng)力的方向就是行車方向，其著力點(diǎn)在橋面以上1.2m處，計(jì)算墩臺(tái)時(shí)，可移至支座鉸中心或支座底座面上；計(jì)算剛構(gòu)橋、拱橋時(shí)，制動(dòng)力的著力點(diǎn)可移至橋面上，但不計(jì)因此而產(chǎn)生的豎向力和力矩。設(shè)有板式橡膠支座的簡支梁、連續(xù)橋面簡支梁或連續(xù)梁排架式柔性墩臺(tái)，應(yīng)根據(jù)支座與墩臺(tái)的抗推剛度的剛度集成情況分配和傳遞制動(dòng)力。設(shè)有固定支座、活動(dòng)支座（滾動(dòng)或擺動(dòng)支座、聚四氟乙烯板支座）的剛性墩臺(tái)傳遞的制動(dòng)力按表12采用，每個(gè)活動(dòng)支座傳遞的制動(dòng)力，其值不應(yīng)大于其摩阻力，當(dāng)大于摩阻力時(shí)，按摩阻力計(jì)算。（二）人群荷載設(shè)有人行道的橋梁，在以汽車荷載計(jì)算內(nèi)力時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮人行道上人群荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值按以下規(guī)定采用：1、當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑50m時(shí)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.0 kNm2；當(dāng)150m時(shí)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.5 kNm2；當(dāng)50m150m時(shí)，可由線性內(nèi)插得到人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于不等跨的連續(xù)結(jié)構(gòu)，以最大計(jì)算跨徑為準(zhǔn)。2、城鎮(zhèn)郊區(qū)行人密集地區(qū)的公路橋梁，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值取上述規(guī)定值的1.15倍。3、專用人行橋梁,人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.5 kNm2。4、人群荷載在橫向應(yīng)布置在人行道的凈寬度內(nèi)，在縱向施加于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利荷載效應(yīng)的區(qū)段內(nèi)。5、人行道板（局部構(gòu)件）可以一塊板為單元，按標(biāo)準(zhǔn)值4.0 kNm2的均布荷載計(jì)算。6、計(jì)算人行道欄桿時(shí)，作用在欄桿立柱頂上的水平推力標(biāo)準(zhǔn)值取0.75 kNm；作用在欄桿扶手上的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值取1.0 kNm。注意：人群荷載是以均布荷載的形式施加于結(jié)構(gòu)的，其取值與橋梁結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。第二節(jié) 作用效應(yīng)組合（荷載組合）一、按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)基本組合： （1）或 （2）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)及設(shè)計(jì)安全等級(jí) 表1橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)特大橋、重要大橋一級(jí)1.1大橋、中橋、重要小橋二級(jí)1.0小橋、涵洞三級(jí)0.9可變作用效應(yīng)的組合系數(shù) 表2作 用 組 合永久作用 + 汽車荷載 + 人群荷載（或其他一種可變作用）0.8永久作用 + 汽車荷載+ 二種可變作用（除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）0.7永久作用+ 汽車荷載+ 三種可變作用（除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）0.6永久作用+ 汽車荷載+ 四種（及多于四種）可變作用（除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）0.5偶然組合：永久作