第二章相關(guān)設(shè)計(jì)荷載講義

第二章相關(guān)設(shè)計(jì)荷載講義第一節(jié)永久荷載永久荷載：亦稱(chēng)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忽略不計(jì)。永久荷載包括：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。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)：預(yù)加應(yīng)力屬永久荷載；按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)：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?！兑?guī)范》未作明確說(shuō)明。各種永久荷載的取值與計(jì)算，詳見(jiàn)《規(guī)范》條文。

公路橋涵設(shè)計(jì)采用的作用分為永久作用、可變作用和偶然作用三類(lèi).

公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的作用，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行作用效應(yīng)組合，取其最不利效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)：①只有在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的作用，才進(jìn)行其效應(yīng)的組合。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件需做不同受力方向的驗(yàn)算時(shí)，則應(yīng)以不同方向的最不利的作用效應(yīng)進(jìn)行組合。②當(dāng)可變作用的出現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(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)的作用或同時(shí)參與組合概率很小的作用，不考慮其作用效應(yīng)的組合。③施工階段作用效應(yīng)的組合，應(yīng)按計(jì)算需要及結(jié)構(gòu)所處條件而定，結(jié)構(gòu)上的施工人員和施工機(jī)具設(shè)備均應(yīng)作為臨時(shí)荷載加以考慮。組合式橋梁，當(dāng)把底梁作為施工支撐時(shí)，作用效應(yīng)宜分兩個(gè)階段組合，底梁受荷為第一個(gè)階段，組合梁受荷為第二個(gè)階段。④多個(gè)偶然作用不同時(shí)參與組合。第二節(jié)可變荷載

可變荷載設(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。

一、基本可變荷載包括：列車(chē)活載、汽車(chē)或平板掛車(chē)或履帶車(chē)、由列車(chē)活載和汽車(chē)活載引起的沖擊力、曲線(xiàn)上的離心力、由活載引起的土側(cè)壓力。公路橋中的人群荷載。鐵路橋梁的列車(chē)橫向搖擺力等。

（一）列車(chē)活載列車(chē)由機(jī)車(chē)和車(chē)輛組成，機(jī)車(chē)和車(chē)輛類(lèi)型很多，軸重、軸距各異。為規(guī)范設(shè)計(jì)，我國(guó)根據(jù)機(jī)車(chē)車(chē)輛軸重、軸距對(duì)橋梁不同影響及考慮車(chē)輛的發(fā)展趨勢(shì)，制定了中華人民共和國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載圖式。（簡(jiǎn)稱(chēng)“中—活載”）中—活載——160km/h、200km/hZK—活載——250km/h、300km/h以上高速“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(shí)，標(biāo)準(zhǔn)活載計(jì)算圖式可任意截取單線(xiàn)或雙線(xiàn)橋跨：各線(xiàn)均應(yīng)計(jì)入ZK活載作用。多于雙線(xiàn)橋跨：應(yīng)按下列最不利情況考慮：

1）按雙線(xiàn)在最不利位置承受ZK活載，其余線(xiàn)路不承受列車(chē)荷載；

2）所有線(xiàn)路在最不利位置承受75％的ZK活載?？哲?chē)活載按10kN/m計(jì)算?！癦K—活載”分標(biāo)準(zhǔn)活載和特種活載《橋規(guī)》規(guī)定：加載時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)活載計(jì)算圖式可任意截取雙線(xiàn)橋跨：兩線(xiàn)活載之和的90%橫向穩(wěn)定檢算：空車(chē)+最大橫向風(fēng)力為最不利，空車(chē)活載標(biāo)準(zhǔn)值為10kN/m“中—活載”分普通活載和特種活載（二）汽車(chē)、平板掛車(chē)和履帶車(chē)荷載

-舊公路標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)荷載

大量、經(jīng)常出現(xiàn)的汽車(chē)荷載，以車(chē)隊(duì)形式排列。汽—10級(jí)、汽—15級(jí)、汽—20級(jí)、汽—超20級(jí)

驗(yàn)算荷載

偶然、個(gè)別出現(xiàn)的平板掛車(chē)或履帶車(chē)。掛—80、掛—100、掛—120、履帶—50每一車(chē)隊(duì)有一重車(chē)，主車(chē)數(shù)量不限。三、四行車(chē)隊(duì)時(shí)可折減20%和30%，但不小于兩行車(chē)隊(duì)計(jì)算的結(jié)果。

履帶車(chē)縱向可考慮多輛行駛，但兩車(chē)凈距不小于50m平板掛車(chē)全橋均以通過(guò)一輛計(jì)算平板掛車(chē)和履帶車(chē)荷載應(yīng)靠中以慢速行駛驗(yàn)算時(shí)，不考慮沖擊力、人群荷載和其它非經(jīng)常作用在橋上的各種外力?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01-2003）汽車(chē)荷載分為公路Ⅰ級(jí)和公路Ⅱ級(jí)兩個(gè)等級(jí)。汽車(chē)荷載由車(chē)道荷載和車(chē)輛荷載組成。車(chē)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(chē)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(chē)輛荷載。車(chē)道荷載與車(chē)輛荷載的作用不得疊加。新規(guī)范車(chē)道荷載的計(jì)算圖式Kq

P

K

多車(chē)道橋梁的汽車(chē)荷載應(yīng)考慮折減。當(dāng)橋涵設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)≥2時(shí)，汽車(chē)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)應(yīng)該按表規(guī)定的多車(chē)道橫向折減系數(shù)進(jìn)行折減，但折減后的效應(yīng)不得小于兩條設(shè)計(jì)車(chē)道的荷載效應(yīng)。（三）沖擊力

車(chē)輛以一定速度過(guò)橋時(shí)，由于動(dòng)力影響，橋梁實(shí)際產(chǎn)生的活載應(yīng)力和變形大于按活載靜重計(jì)算所得的結(jié)果，這種動(dòng)力效應(yīng)常稱(chēng)為沖擊作用。

根據(jù)以往的試驗(yàn)研究成果，構(gòu)成橋梁動(dòng)力影響的因素主要有：列車(chē)以一定速度過(guò)橋時(shí)引起橋跨振動(dòng)；輪對(duì)過(guò)鋼軌接頭時(shí)有沖擊作用；蒸汽機(jī)車(chē)動(dòng)輪上的平衡重在隨動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn)中由于離心力引起的錘擊作用；橋上軌道豎向和橫向不平順引起橋梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；橋頭線(xiàn)路（路面）不平整，車(chē)輪不圓等。

橋梁設(shè)計(jì)時(shí)中以活載靜重乘上動(dòng)力系數(shù)來(lái)反映這種影響。鐵路橋動(dòng)力系數(shù)1+μ

公路橋沖擊系數(shù)μ

動(dòng)力系數(shù)（或沖擊系數(shù)）公式中考慮了不同類(lèi)型橋跨、跨度和加載長(zhǎng)度的影響。鐵路橋動(dòng)力系數(shù)1+μ混凝土梁鋼板梁及鋼桁梁實(shí)腹鋼筋混凝土拱和石砌拱橋空腹鋼筋混凝土無(wú)鉸拱橋和系桿拱橋空腹有鉸拱橋現(xiàn)行鐵路規(guī)范－鐵路橋動(dòng)力系數(shù)1+μ簡(jiǎn)支或連續(xù)鋼橋跨結(jié)構(gòu)和鋼墩臺(tái)

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(dòng)力系數(shù)1+μ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(shí)不計(jì)沖擊力。當(dāng)小于1.0m時(shí)

空腹式鋼筋混凝土拱橋的拱圈和拱肋85規(guī)范公路橋沖擊系數(shù)μ結(jié)構(gòu)種類(lèi)沖擊系數(shù)μ混凝土梁、剛構(gòu)、拱上構(gòu)造、柱式墩石混凝土拱橋的主拱鋼主桁、聯(lián)合梁、橋面系、鋼墩臺(tái)等吊橋的主桁、主索或主鏈、塔架

新的〈通用規(guī)范JTGD60〉規(guī)定，汽車(chē)荷載沖擊力應(yīng)按下列規(guī)定計(jì)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(tái)，應(yīng)計(jì)算汽車(chē)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(tái)不計(jì)沖擊力。

3支座的沖擊力，按相應(yīng)的橋梁取用。

4汽車(chē)荷載的沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值為汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù)μ5沖擊系數(shù)μ可按下式計(jì)算：當(dāng)

Hz時(shí)， μ=0.05

當(dāng)1.5Hz14Hz時(shí)，μ=0.1767lnf－0.0157

當(dāng)

Hz時(shí)， μ=0.45

式中，f為結(jié)構(gòu)基頻（Hz）。

6汽車(chē)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。

橋梁結(jié)構(gòu)的基頻反映了結(jié)構(gòu)的尺寸、類(lèi)型、建筑材料等動(dòng)力特性?xún)?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(lèi)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(chē)荷載下，就能得到基本相同的沖擊系數(shù)。（四）離心力

車(chē)輛在曲線(xiàn)上運(yùn)行產(chǎn)生離心力。公路橋上離心力較小，當(dāng)曲線(xiàn)半徑等于或小于250m時(shí)，才考慮離心力的作用。離心力等于車(chē)輛荷載（不計(jì)動(dòng)力效應(yīng)）乘以離心力率離心力率對(duì)鐵路荷載C不應(yīng)大于0.15。離心力作用點(diǎn)：鐵路軌頂以上2m，公路橋面以上1.2m（五）人群荷載公路橋人群荷載一般規(guī)定為3kN/m2，城市、郊區(qū)行人密集處可為3.5kN/m2。二、其他可變荷載

包括：制動(dòng)力或牽引力、風(fēng)力、溫度力、流水壓力、水壓力和施工荷載等。對(duì)鐵路橋梁，人行道荷載歸為其他可變荷載。（一）制動(dòng)力

制動(dòng)力是車(chē)輛減速或制動(dòng)時(shí)的慣性力。

方向：與行車(chē)方向一致。牽引力是車(chē)輛起動(dòng)或加速時(shí)車(chē)輛與路面（或鋼軌）間作用的摩阻力。方向：與行車(chē)方向相反。作用點(diǎn)：鐵路軌頂以上2m，公路橋面以上1.2m。但在計(jì)算墩臺(tái)時(shí)移至支座中心處，不計(jì)因此而產(chǎn)生的豎向力和力矩。公路《橋規(guī)》規(guī)定：鑒于車(chē)輛不可能全部同時(shí)剎車(chē)1或2車(chē)道橋，制動(dòng)力按一行汽車(chē)車(chē)隊(duì)總重量的10%，但不得小于一輛重車(chē)重量的30%。

4車(chē)道橋?yàn)樯鲜鰯?shù)值的兩倍。

制動(dòng)力按計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi)列車(chē)豎向靜活載標(biāo)準(zhǔn)值的15%計(jì)算，牽引力按加載長(zhǎng)度等于或小于30m內(nèi)列車(chē)靜活載標(biāo)準(zhǔn)值的30%計(jì)算，按控制者設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)橋墩臺(tái)時(shí)，上述制動(dòng)力和牽引力按10%和15%計(jì)算，按控制者設(shè)計(jì)。當(dāng)制動(dòng)力與離心力同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力或牽引力按列車(chē)豎向靜活載標(biāo)準(zhǔn)值的5%計(jì)算。雙線(xiàn)按一線(xiàn)計(jì)，多線(xiàn)按兩線(xiàn)計(jì)。鐵路《橋規(guī)》規(guī)定：（二）風(fēng)力基本風(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(jì)算基本風(fēng)壓強(qiáng)度。鐵路橫向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度計(jì)算公式：

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?！稑蛞?guī)》規(guī)定：結(jié)構(gòu)溫度變形受外約束影響引起的溫度力按結(jié)構(gòu)平均溫度計(jì)算。由于這種溫度變化持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)在溫度變化產(chǎn)生內(nèi)力同時(shí)，混凝土徐變作用使溫度影響力減小?？捎谜蹨p彈性模量考慮，去受壓彈性模量的0.6倍（公路0.7倍）。（三）溫度力（四）鐵路橋上人行道荷載

鐵路人行道橋只考慮巡道和維修人員通行，維修時(shí)放置鋼軌、枕木、道碴等。道碴橋面：離梁中心線(xiàn)2.45m內(nèi)按10kPa計(jì)；

2.45m以外按4kPa。活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4。明橋面：按4kPa計(jì)，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.1。人行道板還應(yīng)按豎向集中活載1.5kN檢算。設(shè)計(jì)主梁時(shí)人行道活載不與列車(chē)活載同時(shí)計(jì)算。（五）施工荷載

施工荷載是指結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中承受的荷載。

包括：自重、人群、架橋機(jī)、風(fēng)載、溫度力、吊機(jī)或其他機(jī)具的荷載及在構(gòu)件制造、運(yùn)送、吊裝時(shí)作用于構(gòu)件上的臨時(shí)荷載。第三節(jié)偶然荷載

偶然荷載指船只或漂流物（排筏等）撞擊力和地震荷載。（一）

船只或漂流物撞沖力撞擊力按靜力法計(jì)算，假定船筏作用于墩的有效動(dòng)能轉(zhuǎn)化為撞擊力F所做的功。其計(jì)算公式為：(二)地震力

地震作用分豎直方向和水平方向，經(jīng)驗(yàn)表明地震的水平運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的主要因素。結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算時(shí)一般只考慮水平地震作用。地震力大小的決定因素有：地面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)的質(zhì)量等。基本烈度：反映地震本身的劇烈程度。設(shè)計(jì)烈度：是由設(shè)計(jì)者選用的。地震力的計(jì)算方法分靜力法和動(dòng)態(tài)法1、靜力法

靜力法是用一個(gè)水平方向作用的等效靜止荷載表示地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。其計(jì)算公式如下：靜力法主要使用于剛度較大結(jié)構(gòu)。規(guī)范規(guī)定：擋土墻、橋臺(tái)用靜力法計(jì)算地震力。2、反應(yīng)譜理論

動(dòng)態(tài)法主要有反應(yīng)譜理論和時(shí)程分析法

反應(yīng)譜理論是一種簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)分析法，又稱(chēng)動(dòng)靜法?！稑蛄嚎拐鹨?guī)范》主要采用這種方法計(jì)算地震力。

對(duì)于高墩或特大跨度的橋梁，應(yīng)同時(shí)采用時(shí)程分析法，取最不利結(jié)果。（1）單質(zhì)點(diǎn)地震力

（2）多質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)地震力

多質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)由于地震引起的復(fù)雜振動(dòng)可以看作自振振型的迭加。

第四節(jié)荷載組合（一）荷載組合

總原則：凡存在的永久荷載任一項(xiàng)，均應(yīng)進(jìn)行組合；凡可能出現(xiàn)的基本可變荷載項(xiàng)，除個(gè)別情況外應(yīng)進(jìn)行組合；縱向力與橫向力不同時(shí)組合；對(duì)其他可變荷載的組合，根據(jù)同時(shí)作用的可能性，規(guī)范具體規(guī)定了某種荷載組合時(shí)，哪些荷載不同時(shí)參與組合。

1、一種或幾種永久荷載與基本可變荷載相組合；2、一種或幾種永久荷載與基本可變荷載與一種或幾種其他可變荷載相組合；3、一種或幾種永久荷載與施工荷載與一種或幾種其他可變荷載相組合；4、一種或幾種永久荷載與基本可變荷載與一種偶然荷載相組合。最不利荷載組合－控制設(shè)計(jì)的最不利的工況。

根據(jù)《橋規(guī)》，對(duì)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，可以歸納出以下四類(lèi)荷載效應(yīng)組合：（二）一般組合算式與橋跨結(jié)構(gòu)荷載組合系數(shù)

將要采用的鐵路《橋規(guī)》是以結(jié)構(gòu)可靠性理論為基礎(chǔ)，采用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。對(duì)于有兩種或兩種以上的可變荷載參與組合情況，引入荷載效應(yīng)組合系數(shù)對(duì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行折減。

荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值一般計(jì)算式和歸納為：（1）一般組合算式（2）橋跨結(jié)構(gòu)荷載分項(xiàng)系數(shù)或組合安全系數(shù)可在相應(yīng)的表格中查出。

公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的作用，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行作用效應(yīng)組合，取其最不利效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)：

①只有在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的作用，才進(jìn)行其效應(yīng)的組合。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件需做不同受力方向的驗(yàn)算時(shí)，則應(yīng)以不同方向的最不利的作用效應(yīng)進(jìn)行組合。②當(dāng)可變作用的出現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(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)的作用或同時(shí)