橋梁工程第三章橋梁上的作用

1、橋梁工程第三章橋梁上的作用3-1 永久作用 3-2 可變作用3-3 偶然作用3-4 作用效應(yīng)組合- 引起結(jié)構(gòu)反應(yīng)的原因可以按其作用的性質(zhì)分為截然不同的兩類，一類是直接施加于結(jié)構(gòu)上的外力，可用“荷載”這一術(shù)語來概括。另一類是以間接的形式作用于結(jié)構(gòu)上，它們產(chǎn)生的效應(yīng)與結(jié)構(gòu)本身的特性、結(jié)構(gòu)所處環(huán)境等有關(guān)， 目前國(guó)際上普遍地將所有引起結(jié)構(gòu)反應(yīng)的原因統(tǒng)稱為“作用”, 而“荷載”僅限于表達(dá)施加于結(jié)構(gòu)上的直接作用。 作用的定義04橋規(guī)對(duì)于“作用”的定義：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。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)

2、構(gòu)附加重力）2預(yù)加應(yīng)力3土的重力4土側(cè)壓力5混凝土收縮及徐變作用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汽車撞擊作用第一節(jié) 永久作用（恒載)永久作用的定義 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。永久作用的類型 結(jié)構(gòu)重力（包含附加重力） 、預(yù)加應(yīng)力、土的重力、土側(cè)壓力、混凝土收縮及徐變作用、水的浮力和基礎(chǔ)變位。結(jié)構(gòu)重力=結(jié)構(gòu)體積材料容重土壓力分靜土壓力、

3、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要用到前兩者。水浮力是指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）水壓力。其值等于建筑物所排開的同等體積的水重。巖石地基上的基礎(chǔ)一般不考慮水浮力。預(yù)加應(yīng)力在結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)和使用階段構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算時(shí)，當(dāng)視為永久作用；在結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)加力不作為永久作用。混凝土收縮徐變和基礎(chǔ)變位影響力 在外部超靜定結(jié)構(gòu)的混凝土橋梁中，混凝土收縮徐變影響力是長(zhǎng)期存在并起作用的?；A(chǔ)變位一旦發(fā)生，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也是長(zhǎng)期的。第二節(jié) 可變作用一、可變作用的定義 在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值隨時(shí)間變化，且其變化值與平均值比較不可忽略的作用。

4、汽車荷載汽車沖擊力汽車離心力汽車引起的土側(cè)壓力人群荷載汽車制動(dòng)力二、可變作用的類型風(fēng)荷載流水壓力冰壓力溫度(均勻溫度和梯度溫度)作用支座摩阻力舊公路橋規(guī)對(duì)車輛荷載的規(guī)定 把經(jīng)常地、大量出現(xiàn)的汽車排列成車隊(duì)，作為計(jì)算荷載；把偶然、個(gè)別出現(xiàn)的平板車或履帶車作為驗(yàn)算荷載，公路驗(yàn)算荷載只對(duì)跨徑較小的橋梁或局部構(gòu)件起控制作用。驗(yàn)算荷載計(jì)算時(shí)不考慮沖擊力。1. 汽車荷載汽車荷載類型a) 公路級(jí)b)公路級(jí)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)公路級(jí)公路級(jí)公路級(jí)各級(jí)公路橋涵的汽車荷載等級(jí)（新規(guī)范）荷載標(biāo)準(zhǔn)值 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。

5、a) 公路級(jí)車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值：集中荷載（ ) 計(jì)算跨徑小于等于5m時(shí)，180kN 計(jì)算跨徑大于等于50m時(shí)，360kN 計(jì)算跨徑在5至50m之間時(shí)，直線內(nèi)插。 多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，按照最大跨徑為基準(zhǔn)取值。 剪力效應(yīng)應(yīng)再乘以的系數(shù)。 qk = b)公路級(jí)車道荷載 車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值按公路級(jí)汽車荷載的車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值的倍采用.車輛荷載為一輛總重550kN的標(biāo)準(zhǔn)車，公路級(jí)和公路級(jí)汽車荷載采用相同的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值。 加載方式加載就是按最不利原則布置標(biāo)準(zhǔn)荷載，通過結(jié)構(gòu)分析計(jì)算橋梁活載效應(yīng)（內(nèi)力、應(yīng)力和位移、變形等）的最不利值（結(jié)構(gòu)影響線）。車道荷載用于橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算，車輛荷載用于橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、

6、橋臺(tái)和擋土壓力的計(jì)算。在各計(jì)算項(xiàng)目中車輛荷載和車道荷載的作用效應(yīng)不得疊加。車道荷載的勻布荷載標(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。橫向分布計(jì)算中，需偏心加載時(shí)按設(shè)計(jì)車道數(shù)和規(guī)定的布置方式（圖1-3-3）進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)橋涵設(shè)計(jì)車道數(shù)大于2時(shí)，由于每車道上的汽車活載同時(shí)出現(xiàn)最不利加載的幾率較小，故應(yīng)考慮多車道折減，但折減后的效應(yīng)不應(yīng)小于兩設(shè)計(jì)車道的荷載效應(yīng)。橫向折減系數(shù)表橫向布置車隊(duì)數(shù)2345678橫向折減系數(shù)1.000.780.670.600.550.520.50當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑大于150m時(shí)，應(yīng)考慮計(jì)算荷載效應(yīng)的縱向折減。當(dāng)為多跨

7、連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)按最大跨徑考慮計(jì)算荷載的縱向折減。計(jì)算跨徑L（m）縱向折減系數(shù)計(jì)算跨徑L（m）縱向折減系數(shù)150L400400L600600L8000.970.960.95800L1000L10000.940.93縱向折減系數(shù)表2.汽車沖擊力1）沖擊力的產(chǎn)生 汽車以較高速度駛過橋梁時(shí)，由于橋面不平整、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等原因，會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，從而造成內(nèi)力增大，這種動(dòng)力效應(yīng)稱為沖擊作用。在計(jì)算中引入一個(gè)豎向動(dòng)力效應(yīng)的增大系數(shù)沖擊系數(shù)，汽車荷載的沖擊力為汽車標(biāo)準(zhǔn)荷載乘以沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)計(jì)算采用以結(jié)構(gòu)基頻為指標(biāo)的方法。結(jié)構(gòu)基頻反映了結(jié)構(gòu)的尺寸、類型、建造材料等動(dòng)力特征內(nèi)容，直接體現(xiàn)了沖擊效應(yīng)和橋梁

8、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。 汽車引起的沖擊系數(shù)在之間變化，可按下式計(jì)算： =0.45 2）沖擊系數(shù)的計(jì)算結(jié)構(gòu)基頻就是結(jié)構(gòu)本身最小的那個(gè)固有頻率。一個(gè)連續(xù)體結(jié)構(gòu)原則上有無窮多固有頻率，但我們計(jì)算固有頻率時(shí)，通常將結(jié)構(gòu)離散成有限階數(shù)的進(jìn)行求解，而求出的最低的那個(gè)固有頻率就是結(jié)構(gòu)基頻。結(jié)構(gòu)基頻是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)基頻關(guān)系到是不是易于遭受某種頻率外載荷的共振破壞。注意：重力式墩臺(tái)，填料厚度等于或大于的拱橋、涵洞不計(jì)沖擊力。汽車荷載的局部加載及在T梁、箱梁懸臂板上時(shí)，3.人群荷載當(dāng)橋梁的計(jì)算跨徑小于或等于50m時(shí)，取 2；當(dāng)橋梁的計(jì)算跨徑等于或大于150m時(shí)，取 2；當(dāng)橋梁的計(jì)算跨徑在50m-150m之間時(shí)

9、，線性內(nèi)插計(jì)算。對(duì)跨徑不等的連續(xù)結(jié)構(gòu)，以最大計(jì)算跨為準(zhǔn)。城市郊區(qū)行人密集區(qū)一般取上述值得倍。專用人行橋梁，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2。4. 離心力 汽車離心力指車輛在彎道行使時(shí)伴隨產(chǎn)生的慣性力，它以水平力的形式作用于結(jié)構(gòu)上，是彎橋橫向受力與抗扭設(shè)計(jì)計(jì)算要考慮的主要因素。1）離心力的產(chǎn)生 當(dāng)彎道橋的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。離心力標(biāo)準(zhǔn)值為汽車荷載（不計(jì)沖擊力）標(biāo)準(zhǔn)值乘以離心力系數(shù)C，C值按下式計(jì)算：2）離心力的計(jì)算 式中：V設(shè)計(jì)行車速度(km/h)R曲線半徑（m)5.汽車引起的土側(cè)壓力 采用車輛荷載加載，土側(cè)壓力按下式換算成等代均布土層厚度h計(jì)算 6. 汽車制動(dòng)力 汽車制

10、動(dòng)力是指車輛在減速或制動(dòng)時(shí)，為克服車輛慣性力而在路面與車輛之間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力。 一個(gè)設(shè)計(jì)車道上制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定為布置在加載長(zhǎng)度上計(jì)算的總重的10%，但公路-I級(jí)不得小于165kN,公路-II級(jí)不得小于90kN。7. 風(fēng)荷載當(dāng)風(fēng)以一定速度運(yùn)動(dòng)并受到橋梁的阻礙時(shí)，橋梁就承受風(fēng)壓。分析橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、和穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)荷載的影響。對(duì)大跨度的斜拉橋和懸索橋以及高聳的橋塔和橋墩，風(fēng)力的影響更大。風(fēng)壓分為順風(fēng)向和橫風(fēng)向；順風(fēng)向的風(fēng)壓分為平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓，橫風(fēng)向還會(huì)有周期風(fēng)壓。風(fēng)荷載計(jì)算： 平均風(fēng)壓 靜力計(jì)算方法 脈動(dòng)風(fēng)壓 隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算 周期風(fēng)壓 動(dòng)力計(jì)算04公路橋規(guī)規(guī)定風(fēng)荷載是在基本風(fēng)速的

11、基礎(chǔ)上，考慮脈動(dòng)風(fēng)壓的影響，再乘以風(fēng)荷載阻力系數(shù)和地形條件系數(shù)取得，最終轉(zhuǎn)化為靜力作用。位于河流中的橋墩會(huì)受到流水壓力的作用。通常橋墩上游迎水一側(cè)會(huì)形成高壓區(qū)，下游一側(cè)會(huì)形成低壓區(qū)。前后的壓力差便構(gòu)成水流對(duì)橋墩的壓力。流水壓力與水流流速、橋墩的截面形狀、圬工粗糙率和形態(tài)等有關(guān)。當(dāng)流速大于10m/s時(shí)，還要考慮水流的動(dòng)力作用。8. 流水壓力V設(shè)計(jì)流速K橋墩形狀系數(shù)A橋墩阻水面積9 冰壓力位于冰凌河流或水庫(kù)的橋梁墩臺(tái)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況及墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式考慮冰荷載的作用；規(guī)范給出公式（豎向前棱的橋墩）：Fi冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值 ； m樁或墩迎冰面形狀系數(shù)Ci冰溫系數(shù)； b樁或墩迎冰面投影寬度t計(jì)算冰厚，可

12、取實(shí)際調(diào)查的最大冰厚Rik冰的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。10. 溫度作用 溫度作用指因溫度的變化而引起的結(jié)構(gòu)變形和次內(nèi)力。 溫度的變化可分為（年平均）氣溫變化（均勻溫度）和溫差（梯度溫度）兩種情況，均勻溫度變化將導(dǎo)致橋梁縱向長(zhǎng)度的變化，這種變化收到約束時(shí)就會(huì)引起溫度次內(nèi)力。梯度溫度主要因太陽輻射，它使結(jié)構(gòu)沿高度方向形成非線性的溫度變化，導(dǎo)致構(gòu)件截面產(chǎn)生自應(yīng)力，當(dāng)這種變化受到約束時(shí)同樣會(huì)引起次內(nèi)力。計(jì)算結(jié)構(gòu)的均勻溫度效應(yīng)，應(yīng)自結(jié)構(gòu)物合龍時(shí)溫度算起。11. 支座摩阻力 支座摩阻力是上部結(jié)構(gòu)由溫度等引起的變位而產(chǎn)生的，其作用方向與上部結(jié)構(gòu)的變位方向相反作用點(diǎn)在支座處，計(jì)算公式為： W作用于活動(dòng)支座處由上部結(jié)構(gòu)

13、重力產(chǎn)生的效應(yīng)；支座的摩擦系數(shù)，按支座種類取值。F =W第四節(jié) 偶然作用偶然作用在結(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。偶然作用包括地震作用、船舶或漂流物撞擊力和汽車撞擊作用。偶然作用破壞力大，相應(yīng)橋梁應(yīng)進(jìn)行抗震和防撞設(shè)計(jì)。一、地震力 地震作用是指強(qiáng)烈的地面運(yùn)動(dòng)所引起的結(jié)構(gòu)慣性力（加速度與質(zhì)量的乘積）。它是隨機(jī)變化的動(dòng)力荷載，其值大小決定于地震強(qiáng)烈程度和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性（頻率和阻尼）以及結(jié)構(gòu)或桿件的質(zhì)量。 由于地震波在土中傳播，使震區(qū)發(fā)生地面運(yùn)動(dòng)橋梁基礎(chǔ)首先受到外加的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，并導(dǎo)致整個(gè)橋梁的振動(dòng)。地震作用分為豎直方向和水平方向，但經(jīng)驗(yàn)表明，地震的水平運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)

14、破壞的主要因素，結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算時(shí)，一般主要考慮水平地震作用 。地震設(shè)防要求以地震時(shí)地面最大水平加速度的統(tǒng)計(jì)值即地震動(dòng)峰值加速度確定。 0.1g 抗震設(shè)計(jì) 0.4g 專門的抗震研究和設(shè)計(jì) 0.05g 簡(jiǎn)易設(shè)防二、船只或飄流物的撞擊力船只或漂流物撞擊力在有可能的條件下，應(yīng)采用實(shí)測(cè)資料或模擬撞擊試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，并依此進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)。04橋規(guī)根據(jù)航道等級(jí)、船舶噸位定出的撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值，在缺乏實(shí)際調(diào)查資料時(shí)可參考采用。三、汽車撞擊作用汽車撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值在行駛方向取1000kN，與之垂直方向取為500kN，兩個(gè)方向不同時(shí)考慮。作用于行車道上處，直接分布在撞擊涉及的構(gòu)件上。對(duì)于設(shè)有防撞設(shè)施的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可視防撞設(shè)施的

15、防撞能力，對(duì)汽車撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值予以折減，但折減后的汽車撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)低于上述規(guī)定值的1/6。第四節(jié) 作用效應(yīng)組合公路橋涵結(jié)構(gòu)采用以可靠度理論為基礎(chǔ)的極限概率設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)體系規(guī)定了橋涵結(jié)構(gòu)的兩種極限狀態(tài)： 承載能力的極限狀態(tài)（體現(xiàn)橋涵結(jié)構(gòu)的安全性） 正常使用的極限狀態(tài)（體現(xiàn)適用性和耐久性）所謂極限狀態(tài)，是指整體結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的某一特定狀態(tài)，超過這一狀態(tài)界限結(jié)構(gòu)或構(gòu)件 就不再能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求 。根據(jù)橋梁在施工和使用過程中面臨的不同情況，橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為持久狀況、短暫狀況和偶然狀況。持久狀況系指橋涵建成后承受自重、汽車荷載等持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的狀況；短暫狀況系指橋涵施工過程中承受臨時(shí)性作用的狀

16、況；偶然狀況系指橋涵使用過程中可能出現(xiàn)的狀況在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注橋涵結(jié)構(gòu)的兩種極限狀態(tài)（承載能力和正常使用），同時(shí)也也應(yīng)考慮其在施工和使用過程中的三種設(shè)計(jì)狀況（持久、短暫和偶然）。持久狀況承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)短暫狀況承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)（必要時(shí)）偶然狀況承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為三個(gè)安全等級(jí)，不同的橋涵應(yīng)根據(jù)所具有的功能、作用及其重要性將具有不同的重要性系數(shù) 橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全等級(jí)橋涵結(jié)構(gòu)特大橋、重要大橋大橋、中橋、重要小橋小橋、涵洞設(shè)計(jì)安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)結(jié)構(gòu)重要系數(shù)01.11.00.9可變作用不同時(shí)組合表作用名稱及編號(hào) 不同時(shí)參與組合的作

17、用及編號(hào)13 汽車制動(dòng)力 15 流水壓力、16 冰壓力、18 支座摩阻力15 流水壓力13 汽車制動(dòng)力、 16 冰壓力16 冰壓力 13 汽車制動(dòng)力、 15 流水壓力18 支座摩阻力 13 汽車制動(dòng)力應(yīng)當(dāng)根據(jù)作用重要性的不同和同時(shí)作用的可能性進(jìn)行適當(dāng)組合；可變作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利影響時(shí)，該作用不應(yīng)參與組合，實(shí)際不可能同時(shí)出現(xiàn)或同時(shí)參與組合概率很小的作用，按下表的規(guī)定不考慮其作用效應(yīng)組合。荷載的取值基本術(shù)語1.作用代表值：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同于設(shè)計(jì)目的所采用的各種作用規(guī)定值，包括作用標(biāo)準(zhǔn)值、準(zhǔn)永久值和頻遇值。2.作用標(biāo)準(zhǔn)值：結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，采用的各種作用的基本代表值，其值可根據(jù)作用

18、在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大值概率分布的某一分位值確定。3.設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析時(shí)，考慮持久設(shè)計(jì)狀況下各項(xiàng)基本變量與時(shí)間關(guān)系所采用的基準(zhǔn)時(shí)間參數(shù)。4.作用頻遇期：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在按正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)時(shí)，采用的一種可變作用代表值，其值可根據(jù)在足夠長(zhǎng)觀測(cè)期內(nèi)作用任意點(diǎn)概率分布的分位值確定。5.作用準(zhǔn)永久值：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在按正常使用極限狀態(tài)短長(zhǎng)期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)時(shí)，采用的另一種可變作用代表值，其值可根據(jù)在足夠長(zhǎng)觀測(cè)期內(nèi)作用任意點(diǎn)概率分布的（或略高于）分位值確定。6.作用效應(yīng)：結(jié)構(gòu)對(duì)所作用的反應(yīng)，如彎矩、位移等。7.作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值：作用標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)與作用分項(xiàng)系數(shù)的乘積。8.分項(xiàng)系數(shù)：為保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的可靠度而在設(shè)計(jì)表達(dá)式中采用的系數(shù)，分作用分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)。9.作用效應(yīng)組合：結(jié)構(gòu)上幾種作用分別產(chǎn)生的效應(yīng)的隨機(jī)疊加。10.結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：對(duì)不同安全等級(jí)的結(jié)構(gòu)，為使其具有規(guī)定的可靠度而采用的系數(shù)。11.作用效應(yīng)組合系數(shù)：在作用效應(yīng)組合中，由于幾個(gè)獨(dú)立可變作用效應(yīng)最不利值同時(shí)出現(xiàn)的概率較小而對(duì)作用采用的折減系數(shù)。公路橋涵設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)不同的作用應(yīng)采用不同的代表值。