橋梁及設(shè)計(jì)荷載及荷載組合

1、橋梁的設(shè)計(jì)荷載及荷載組合（1） 如圖:一、橋梁的設(shè)計(jì)荷載選定荷載和進(jìn)行荷載分析是比結(jié)構(gòu)分析更為重要的問題。因?yàn)樗P(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)在它的設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)的安全和橋梁建設(shè)費(fèi)用的合理投資。近年來，由于交通量的不斷增加，大型超重車輛的不斷出現(xiàn)，風(fēng)載、地震荷載的重要性愈顯突出等，導(dǎo)致實(shí)際與可能作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載越來越復(fù)雜，這就為橋梁荷載的選定和分析造成了困難，常因初始設(shè)計(jì)荷載選定的滯后，而造成橋梁早期破壞或加固。我國(guó)現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTJ021-85）中，將作用在橋梁上的荷載分為三大類：1永久荷載（恒載） 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，其值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計(jì)的荷載。它包括結(jié)構(gòu)重

2、力、預(yù)加應(yīng)力、土的重力及側(cè)壓力、混凝土收縮及徐變影響力，基礎(chǔ)變位影響力和水的浮力。2可變荷載（活載） 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，其值隨時(shí)間變化，且其變化與平均值相比不可忽略的荷載。按其對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)的影響程度，又分為基本可變荷載和其他可變荷載?；究勺兒奢d包括汽車荷載及其引起的沖擊力，平板掛車（或履帶車）荷載，人群荷載，離心力，以及所有車輛所引起的土側(cè)壓力。其他可變荷載包括汽車制動(dòng)力，風(fēng)力，流水壓力，冰壓力，溫度影響力和支座摩阻力。3偶然荷載 在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，不一定出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)其值很大且持續(xù)時(shí)間較短的荷載，它包括船只或漂浮物撞擊力，地震作用。下面具體講述各種荷載的意義：（一）永久荷載結(jié)構(gòu)物的重力及橋面鋪

3、裝、附屬設(shè)備等外加重力均屬結(jié)構(gòu)重力，可按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際體積或設(shè)計(jì)時(shí)所假定的體積與材料密度計(jì)算。作用在墩臺(tái)上的土重力，土側(cè)壓力可參照公路橋涵通用規(guī)范（JTJ021-85）附錄一、二和公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ024-85）附錄二中規(guī)定計(jì)算。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)加應(yīng)力在結(jié)構(gòu)使用階段設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)作為永久荷載計(jì)算其效應(yīng)，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)階段的預(yù)應(yīng)力損失；在結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)應(yīng)力不作為荷載，而將預(yù)應(yīng)力筋作為普通鋼筋計(jì)入結(jié)構(gòu)抗力?；炷潦湛s、徐變和基礎(chǔ)變位將使超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力，這些力的計(jì)算可根據(jù)公路橋涵通用規(guī)范（JTJ021-85）中有關(guān)規(guī)定計(jì)算。水的浮力對(duì)橋梁墩臺(tái)的影響，當(dāng)墩臺(tái)位于

4、透水性地基上時(shí)，驗(yàn)算墩臺(tái)的穩(wěn)定性，應(yīng)采用設(shè)計(jì)水位浮力，而驗(yàn)算地基應(yīng)力時(shí)，僅考慮低水位時(shí)的浮力或不考慮水的浮力；當(dāng)基礎(chǔ)嵌入不透水性地基上時(shí)，可不考慮水的浮力；當(dāng)不能肯定地基是否是透水時(shí)，應(yīng)以透水和不透水兩種情況分別計(jì)算與其他荷載組合，取其最不利者。可變荷載1基本可變荷載1）公路橋梁汽車荷載（1）公路橋涵通用規(guī)范（JTJ021-85）的規(guī)定：該規(guī)范把大量、經(jīng)常出現(xiàn)的汽車荷載，作為設(shè)計(jì)荷載；把偶然，個(gè)別出現(xiàn)的平板掛車或履帶車作為驗(yàn)算荷載。汽車荷載以汽車車隊(duì)表示，分為汽車-10級(jí)、 汽車-15級(jí)、汽車-20級(jí)、汽車-超20級(jí)四個(gè)等級(jí)。車隊(duì)的縱向排列和橫向布置如圖1-5-1和圖1-5-2所示。荷載級(jí)別的

5、數(shù)字表示一輛主車的重量，以噸計(jì)。每級(jí)車隊(duì)中有一輛是重車，其前后都是主車，主車的數(shù)量在計(jì)算跨長(zhǎng)內(nèi)不限。圖1-5-1 各級(jí)汽車的縱向排列（重力單位：KN；尺寸單位：m） 圖1-5-2 各級(jí)汽車的平面尺寸和橫向布置（尺寸單位：m）驗(yàn)算荷載分為800KN、1000KN、和1200KN平板掛車（簡(jiǎn)稱掛車80、掛車100和掛車120）以及履帶500KN（簡(jiǎn)稱履帶50）四種。其縱向排列和橫向布置見圖1-5-3。（2）公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2003)的規(guī)定2003年新頒布的公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于車輛荷載進(jìn)行了新的規(guī)定：取消掛車或履帶車荷載，同時(shí)將汽車荷載分為公路級(jí)和公路級(jí)兩個(gè)等級(jí)，其等級(jí)按照表1-

6、5-1確定。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。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)算圖式如圖1-5-4所示： 公路級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值按以下規(guī)定選?。簶蚝?jì)算跨徑小于或等于5m時(shí)，；橋涵計(jì)算跨徑大于或等于50m時(shí)，；橋涵計(jì)算跨徑大于5m，小于50m時(shí)，采用直線內(nèi)插求得。計(jì)算剪力效應(yīng)時(shí)，上述荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以1.2的系數(shù)。公路級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值，為公路級(jí)車道荷載的0.75倍。車輛荷載：公路級(jí)和公路級(jí)汽車荷載采用

7、相同的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值。車輛荷載布置如圖1-5-5所示。其主要技術(shù)指標(biāo)見表1-5-5。表1-5-2 車輛荷載主要技術(shù)指標(biāo) 車道荷載橫向分布稀疏，應(yīng)按設(shè)計(jì)車道數(shù)如圖1-5-6布置車輛荷載進(jìn)行計(jì)算。汽車外側(cè)車輪的中線，離人行道或安全帶邊緣的距離不得小于0.5m。 圖1-5-6 車輛荷載橫向布置（尺寸單位：m） 當(dāng)橋梁橫向布置車隊(duì)數(shù)等于或大于2時(shí)，由于單向并行通過的機(jī)率較小，應(yīng)考慮計(jì)算荷載效應(yīng)的橫向折減，但折減后的效應(yīng)不得小于用兩條設(shè)計(jì)車道的荷載效應(yīng)。一個(gè)整體結(jié)構(gòu)上的計(jì)算荷載橫向折減系數(shù)見表1-5-3。 當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑大于150 m時(shí)，應(yīng)按表1-5-4考慮車道荷載的縱向折減。橋梁為多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)，整個(gè)

8、結(jié)構(gòu)應(yīng)按最大計(jì)算跨徑的縱向折減系數(shù)進(jìn)行折減。（3）兩種規(guī)范的比較由上述兩種規(guī)范對(duì)車輛荷載的規(guī)定，可以看出1985年的規(guī)定比較符合車輛實(shí)際行駛排列情況，而2003年的規(guī)范對(duì)于車輛荷載從形式上不考慮掛車和履帶車荷載，同時(shí)汽車荷載計(jì)算模式單一化，使得橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算更為簡(jiǎn)便。說明：在具體橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，車輛及人群荷載等荷載布置以最新頒布的設(shè)計(jì)規(guī)范為計(jì)算依據(jù)。2）城市橋梁汽車荷載我國(guó)建設(shè)部1998年制定了城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)（CJJ77-98），該標(biāo)準(zhǔn)適用于城市內(nèi)新建、改建的永久性橋梁與涵洞，高架道路及承受機(jī)動(dòng)車的結(jié)構(gòu)物荷載設(shè)計(jì)。荷載采用兩級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)，即城A級(jí)、城B級(jí)。城A級(jí)總軸重700KN，適用于快速路

9、及主干路。城B級(jí)荷載總軸重300KN，適用于次干路及支路。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：在城市橋梁設(shè)計(jì)中，汽車荷載可分為車輛荷載和車道荷載。車輛荷載主要用于橋梁的橫隔梁，行車道板，橋臺(tái)或擋土墻后土壓力的計(jì)算。車道荷載主要用于橋梁的主梁，主拱和主桁架等的計(jì)算。當(dāng)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不得將車輛荷載與車道荷載的作用疊加。（1）車輛荷載：城A級(jí)和城B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛，平面布置見圖1-5-7及圖1-5-8。圖1-5-7 城-A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛縱、平面布置 圖1-5-8 城-B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛縱、平面布置（2）車道荷載：城A級(jí)和城B級(jí)車道荷載應(yīng)按均布荷載加一個(gè)集中荷載P計(jì)算，其縱橫向布置見（圖1-5-9a，b）。圖中，表示彎矩效應(yīng)計(jì)算時(shí)采用的

10、均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，表示剪力效應(yīng)計(jì)算時(shí)采用的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，均布荷載和集中荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可按表1-5-5取值。車道荷載的單向布載寬度應(yīng)為3.0m，為簡(jiǎn)化橋梁橫向影響線的計(jì)算，車道荷載應(yīng)按照（圖1-5-c ）所示的等效荷載車輪集中力形式布置。當(dāng)設(shè)計(jì)車道數(shù)目大于2時(shí)，應(yīng)計(jì)入車道的橫向折減系數(shù)。加載車道位置應(yīng)選在結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生最不利的荷載效應(yīng)之處。表1-5-5 車道荷載的均布荷載和集中荷載標(biāo)準(zhǔn) 注：在計(jì)算剪力時(shí)，當(dāng)跨徑大于20m小于150m，且車道數(shù)等于或大于4條，城A級(jí)，城B級(jí)車道荷載應(yīng)分別乘以1.25，1.30增長(zhǎng)系數(shù)。3）人群荷載 根據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2003)，設(shè)有人行道的公路橋梁，

11、當(dāng)用汽車荷載計(jì)算時(shí)，應(yīng)同時(shí)計(jì)入人行道上的人群荷載。當(dāng)橋梁跨徑小于或等于50 m時(shí)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.0 KN/m2；當(dāng)橋梁跨徑等于或大于150 m時(shí)，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.5KN/m2；橋涵計(jì)算跨徑大于50m，小于150m時(shí)，可采用直線內(nèi)插求得。對(duì)于跨徑不等的連續(xù)結(jié)構(gòu)，采用最大計(jì)算跨徑的人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值。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)值為上述標(biāo)準(zhǔn)值的1.15倍。專用人行橋梁，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3. 5 KN/m2。城市橋梁在計(jì)算人行道板、局部構(gòu)件的人群荷載時(shí)，應(yīng)按5KN/m2的均布荷載或1.5KN的豎向集中力分別計(jì)算，取其不利者。當(dāng)計(jì)算梁、桁架、拱及其他大跨結(jié)構(gòu)的人群荷載，需根據(jù)加載

12、長(zhǎng)度及人行道寬度來確定，參見城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)（CJJ77-98），且在任何情況下不得小于2.4KN/m2。在設(shè)計(jì)欄桿時(shí)，對(duì)于公路橋梁作用在欄桿立柱頂上的水平推力一般采用0.75KN/m；作用在欄桿扶手上的豎向力一般采用1KN/m；對(duì)于城市橋梁由于人流量較大，作用在欄桿扶手上的活載，其豎向活載采用1.2KN/m，水平向外荷載采用1.0KN/m。兩者應(yīng)分別考慮，不得同時(shí)作用。4）汽車沖擊力沖擊作用車輛以一定速度在橋上行駛，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，會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)引起振動(dòng)，致使橋梁產(chǎn)生的應(yīng)力與變形比相應(yīng)的靜載引起的要大，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

13、為沖擊作用。沖擊系數(shù)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，一般根據(jù)在現(xiàn)代橋梁上所做的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果而近似地以汽車荷載增大系數(shù)，即沖擊系數(shù)來計(jì)算荷載的沖擊影響。表1-5-6列出了公路鋼筋混凝土和石砌橋梁的沖擊系數(shù)值。沖擊系數(shù)1+是隨跨徑或荷載長(zhǎng)度的增大而減小的，當(dāng)在表列數(shù)值之間時(shí)，可用直線內(nèi)插法求得。表1-5-6 鋼筋混凝土、混凝土和磚石砌橋涵的沖擊力城市橋梁值可按下列公式計(jì)算：對(duì)于車道荷載 （1-5-1）式中： 跨徑（m），當(dāng)對(duì)于車輛荷載=0.6686-0.3032log （1-5-2）但的最大值不得超過0.4。鑒于結(jié)構(gòu)物上填料能起緩沖和擴(kuò)散的作用，故對(duì)于拱橋，涵洞及重力式墩臺(tái)，當(dāng)填料厚度（包括路的厚度）等于或大于0.5m時(shí)，可不計(jì)沖擊力。5）離心力橋規(guī)中規(guī)定：當(dāng)彎道橋的半徑等于或小于250 m時(shí)，應(yīng)計(jì)算離心力。離心力為車輛荷載（不計(jì)沖擊力）乘以離心力系數(shù)C，離心力系數(shù)由下式計(jì)算：（1-5-3）式中：V計(jì)