橋梁的設(shè)計(jì)荷載

第三章橋梁的設(shè)計(jì)荷載荷載的種類(lèi)、型式、大小的確定是否得當(dāng)，既關(guān)系到橋梁建設(shè)的投資，也關(guān)系到橋梁的安全特點(diǎn)荷載標(biāo)準(zhǔn)并不是一成不變的作用于橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載（及其組合）可能會(huì)越來(lái)越復(fù)雜對(duì)結(jié)構(gòu)行為和材料行為的認(rèn)識(shí)在逐步加深本章內(nèi)容：介紹各類(lèi)荷載及其組合的基本概念和計(jì)算方法，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)荷載取值按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展簡(jiǎn)介（第九章）4/17/20231術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)ü罚┳饔茫ˋction）施加在結(jié)構(gòu)上的一組集中力或分布力（直接作用，或荷載），或引起結(jié)構(gòu)變形的原因（間接作用）永久作用（Permanentaction）可變作用（Variableaction）偶然作用（Accidentalaction）作用代表值（Representativevalueofanaction）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)不同設(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。4/17/20232術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)ɡm(xù)）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（Designreferenceperiod）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析時(shí)，考慮持久設(shè)計(jì)狀態(tài)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)。100年作用標(biāo)準(zhǔn)值（Characteristicvalueofanaction）各種作用的基本代表值，其值可根據(jù)作用在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大值概率分布的某一分位值確定。作用準(zhǔn)永久值（Quasi-permanentvalueofanaction）一種可變作用代表值，作用概率分布的分位值，用于正常使用極限狀態(tài)長(zhǎng)期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)（經(jīng)常出現(xiàn)者）作用頻遇值（Frequentvalueofanaction）一種可變作用代表值，作用概率分布的分位值，用于正常使用極限狀態(tài)短期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)（頻繁出現(xiàn)且量值較大者）4/17/20233作用代表值的取用永久作用－標(biāo)準(zhǔn)值可變作用－根據(jù)不同的極限狀態(tài)分別采用標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值或準(zhǔn)永久值作為其代表值。承載能力極限狀態(tài)－標(biāo)準(zhǔn)值按彈性階段計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度－標(biāo)準(zhǔn)值正常使用狀態(tài)按短期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)－頻遇值頻遇值－標(biāo)準(zhǔn)值乘以頻遇值系數(shù)φ1正常使用狀態(tài)按長(zhǎng)期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)－準(zhǔn)永久值準(zhǔn)永久值－標(biāo)準(zhǔn)值乘以準(zhǔn)永久值系數(shù)φ2偶然作用－標(biāo)準(zhǔn)值4/17/20234第一節(jié)作用分類(lèi)、代表值和作用效應(yīng)組合一、作用分類(lèi)：4/17/20235術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)ɡm(xù)）作用效應(yīng)（Effectofanaction）結(jié)構(gòu)對(duì)所受作用的反應(yīng)，如彎矩、位移等（通過(guò)結(jié)構(gòu)分析得到）作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值（Designvalueofanactioneffect）作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與分項(xiàng)系數(shù)的乘積。分項(xiàng)系數(shù)（Partialsafetyfactor）為保證結(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)，分為作用分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)。作用效應(yīng)組合（Combinationforactioneffects）結(jié)構(gòu)上幾種作用分別產(chǎn)生的效應(yīng)的隨機(jī)疊加作用效應(yīng)組合系數(shù)（Coefficientofcombinationforactioneffects）考慮幾個(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)4/17/20236二、作用效應(yīng)組合作用效應(yīng)組合－各種作用效應(yīng)的取舍以及它們同時(shí)作用的可能性組合原則－以橋梁在施工和運(yùn)營(yíng)時(shí)可能處于最不利的受力狀態(tài)為原則

基本組合方式（公、鐵）：作用效應(yīng)基本組合，即僅考慮主力；作用效應(yīng)偶然組合，即主力與特殊荷載同時(shí)作用；作用短期效應(yīng)組合，即主力與附加力同時(shí)作用；作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合。即主力與附加力同時(shí)作用。4/17/20237術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)ɡm(xù)）作用效應(yīng)基本組合（Fundamentalcombinationforactioneffects）承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)的組合作用效應(yīng)偶然組合（Accidentalcombinationforactioneffects）承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)、一種偶然作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)的組合作用短期效應(yīng)組合（Combinationforshort-termactioneffects）正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用頻遇值效應(yīng)的組合作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合（Combinationforlong-termactioneffects）正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用準(zhǔn)永久值效應(yīng)的組合4/17/20238公路橋涵結(jié)構(gòu)

按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的基本組合結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，承載能力極限狀態(tài)下作用基本組合的效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值第i個(gè)永久作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)第i個(gè)永久作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值汽車(chē)荷載效應(yīng)（含沖擊力、離心力）的分項(xiàng)系數(shù)汽車(chē)荷載效應(yīng)（含沖擊力、離心力）的標(biāo)準(zhǔn)值除汽車(chē)荷載效應(yīng)外的其他可變作用效應(yīng)的組合系數(shù)除汽車(chē)荷載效應(yīng)、風(fēng)荷載外的其他第j個(gè)可變作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)除汽車(chē)荷載效應(yīng)外的其他第j個(gè)可變作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值4/17/20239公路橋涵結(jié)構(gòu)

按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的短期組合第一項(xiàng)：作用短期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值第二項(xiàng)：永久作用標(biāo)準(zhǔn)值（不乘系數(shù)）第三項(xiàng)：可變作用效應(yīng)的頻遇值的組合第j個(gè)可變作用效應(yīng)的頻遇值系數(shù)4/17/202310公路橋涵結(jié)構(gòu)

按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的長(zhǎng)期組合第一項(xiàng)：作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值第二項(xiàng)：永久作用標(biāo)準(zhǔn)值（不乘系數(shù)）第三項(xiàng)：可變作用效應(yīng)的準(zhǔn)永久值的組合第j個(gè)可變作用效應(yīng)的準(zhǔn)永久值系數(shù)4/17/202311其他可變荷載不同時(shí)組合表（公路）編號(hào)荷載名稱(chēng)不與該荷載同時(shí)參與組合的荷載號(hào)15汽車(chē)制動(dòng)力流水壓力，冰壓力，支座摩阻力16流水壓力汽車(chē)制動(dòng)力，冰壓力17冰壓力汽車(chē)制動(dòng)力，流水壓力19支座摩阻力汽車(chē)制動(dòng)力4/17/202312第二節(jié)

永久作用作用于橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載－結(jié)構(gòu)的重力和附屬設(shè)備等外加重力；作用在橋梁下部結(jié)構(gòu)的恒載－由支座傳遞的上部結(jié)構(gòu)的重力、墩臺(tái)本身的重力、土壓力和水壓（?。┝Φ?。結(jié)構(gòu)重力＝結(jié)構(gòu)體積與材料容重（重力密度）的乘積土的重力及土側(cè)壓力計(jì)算涉及結(jié)構(gòu)型式、填料性質(zhì)、墩臺(tái)位移和地基變形，也與氣象、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(guò)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；對(duì)位于碎石類(lèi)土、砂類(lèi)土、粘砂土等透水性地基上的墩臺(tái)，需在設(shè)計(jì)中考慮水浮力。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，在檢算結(jié)構(gòu)的使用性能（如混凝土應(yīng)力）時(shí)，預(yù)加應(yīng)力當(dāng)視為恒載；在檢算結(jié)構(gòu)的承載能力（如抗彎強(qiáng)度）時(shí)，預(yù)加應(yīng)力不作為恒載，但把預(yù)應(yīng)力鋼筋視為結(jié)構(gòu)抗力的一部分，但在連續(xù)梁等超靜定結(jié)構(gòu)中，仍需考慮其次效應(yīng)。在外部超靜定的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)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，其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也是長(zhǎng)期的。4/17/202313第三節(jié)

可變作用一、車(chē)輛、人群活載（一）車(chē)輛活載

車(chē)輛荷載指橋梁承受的機(jī)動(dòng)交通活載。對(duì)鐵路橋，指列車(chē)活載；對(duì)公路橋，指汽車(chē)、掛車(chē)、履帶車(chē)等。車(chē)輛荷載的種類(lèi)繁多，因此，需要對(duì)車(chē)輛荷載進(jìn)行調(diào)查分析和綜合概括，并按照安全、適用和經(jīng)濟(jì)的原則，確定出設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)活載。對(duì)于不包括沖擊效應(yīng)的車(chē)輛活載，可稱(chēng)之為靜活載。4/17/202314鐵路中－活載我國(guó)鐵路活載標(biāo)準(zhǔn)的情況是：20年代開(kāi)始自行制訂鐵路建筑標(biāo)準(zhǔn)，1938年公布中華活載標(biāo)準(zhǔn)，1951年制訂了中－Z活載標(biāo)準(zhǔn)，1975年對(duì)中－Z活載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，形成目前所用的中－活載標(biāo)準(zhǔn)。4/17/202315國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）活載圖式

考察我國(guó)目前實(shí)際運(yùn)行的列車(chē)及其發(fā)展趨勢(shì)，可以看出，1975年制訂的中－活載標(biāo)準(zhǔn)已不太適用。例如，蒸汽機(jī)車(chē)已停止生產(chǎn)，內(nèi)燃和電力機(jī)車(chē)得到廣泛應(yīng)用；貨車(chē)的重載軸重時(shí)常高于機(jī)車(chē)的軸重。根據(jù)這些情況可以認(rèn)為，我國(guó)新的列車(chē)活載標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）制訂的活載標(biāo)準(zhǔn)較為一致。目前，荷載修訂工作仍在進(jìn)行之中。4/17/202316公路汽車(chē)荷載汽車(chē)荷載等級(jí)－公路－I級(jí)、公路II級(jí)汽車(chē)荷載由車(chē)道荷載和車(chē)輛荷載組成，兩者的作用不得疊加（取加載不利者）車(chē)道荷載：均布荷載＋集中荷載，用于橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算加載：均布荷載滿(mǎn)布于同號(hào)影響線區(qū)域，集中荷載只作用在相應(yīng)影響線中的一個(gè)最大峰值處4/17/202317公路等級(jí)與汽車(chē)荷載等級(jí)的關(guān)系公路等級(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(chē)荷載等級(jí)公路－I級(jí)公路－I級(jí)公路－II級(jí)公路－II級(jí)公路－II級(jí)4/17/202318橋涵設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)車(chē)道荷載的加載倍數(shù)由設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)決定行車(chē)道4/17/202319多車(chē)道汽車(chē)荷載的橫向折減設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)（條）橫向折減系數(shù)21.030.7840.6750.6060.5570.5280.504/17/202320鐵路中－活載的折減對(duì)鐵路橋梁的主要構(gòu)件：?jiǎn)尉€活載不考慮折減雙線活載取雙線標(biāo)準(zhǔn)活載之和的90%三線及三線以上者取各線標(biāo)準(zhǔn)活載之和的80%對(duì)僅承受局部活載的構(gòu)件則不考慮折減。4/17/202321大跨度橋梁上汽車(chē)荷載的縱向折減計(jì)算跨徑L0（m）縱向折減系數(shù)150＜L0＜4000.97400≤L0＜6000.96600≤L0＜8000.95800≤L0＜10000.94L0≥10000.93對(duì)多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，按最大計(jì)算跨徑進(jìn)行縱向折減4/17/202322車(chē)輛荷載的立面、平面尺寸4/17/202323車(chē)輛荷載的橫向布置車(chē)輛荷載用于橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺(tái)等公路－I級(jí)和公路－II級(jí)汽車(chē)荷載采用相同的車(chē)輛荷載車(chē)道荷載橫向分布系數(shù)應(yīng)按設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)如圖布置車(chē)輛荷載進(jìn)行計(jì)算4/17/202324（二）沖擊力車(chē)輛活載以一定的速度在橋上行駛時(shí)，會(huì)使橋梁發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力作用。這種動(dòng)力作用會(huì)使橋梁的內(nèi)力和變形較靜活載作用時(shí)大。這種現(xiàn)象就稱(chēng)之為沖擊作用。沖擊作用的大小采用沖擊力來(lái)加以衡量。沖擊力與結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)（剛度越小，對(duì)動(dòng)荷載的緩沖作用越強(qiáng)），目前根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及橋梁動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果提出基于結(jié)構(gòu)基頻的近似計(jì)算公式。在設(shè)計(jì)中，引入沖擊系數(shù)（1+）。當(dāng)豎向活載包括沖擊力時(shí)，系指將汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù)（1+）4/17/202325的表達(dá)式鐵路橋梁：公路橋梁：當(dāng)f＜時(shí)，＝當(dāng)1.5Hz≤f≤14Hz時(shí)，＝f－當(dāng)f＞14Hz時(shí)，＝f為結(jié)構(gòu)基頻（Hz），按有限元分析或簡(jiǎn)化公式計(jì)算4/17/202326（三）人群荷載鐵路橋梁明橋面4kN/m2。鐵路橋梁道碴橋面，距離梁中心米以?xún)?nèi)的人行道，取10kN/m2；距離梁中心米以外的人行道，取4kN/m2。公路橋梁的人群荷載集度：3kN/m2（L0≤50m），2（L0≥150m），其間線性?xún)?nèi)插；城市郊區(qū)行人密集地區(qū)取上述值的倍；專(zhuān)用人行橋取2。人行道板還應(yīng)以4kN/m2（公）或1.5kN（鐵）的荷載進(jìn)行檢算，人群作用于欄桿上的水平推力按考慮，作用于立柱和扶手的豎向力按考慮。4/17/202327（四）離心力

離心力是指車(chē)輛行駛在曲線線路上時(shí)，因速率方向變化而引起的橫向水平力。離心力的大小等于車(chē)輛活載（不計(jì)沖擊力）乘以離心力系數(shù)C，C值按下式計(jì)算 （3-4）式中V——設(shè)計(jì)行車(chē)速度（km/h）；

R——曲線半徑（m）。離心力的著力點(diǎn)在橋面以上處（公路橋）或軌頂面上2m處（鐵路橋）。4/17/202328二、其他可變作用（一）風(fēng)荷載平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓

橫橋向風(fēng)荷載按下式計(jì)算

Fwh——橫橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN）

Wd——設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓（kN/m2）k0——設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)k1——風(fēng)載阻力系數(shù)k3——地形、地理?xiàng)l件系數(shù)鐵路橋風(fēng)壓計(jì)算見(jiàn)教材4/17/202329（二）車(chē)輛制動(dòng)力或（列車(chē)）牽引力

車(chē)輛制動(dòng)力（或牽引力）是指車(chē)輛在剎車(chē)時(shí)（或啟動(dòng)時(shí)）為克服車(chē)輛的慣性力而在路面或軌道與車(chē)輪之間發(fā)生的滑動(dòng)摩擦力。制動(dòng)力或牽引力是墩臺(tái)設(shè)計(jì)的重要荷載，是作用在橋上的縱向水平力，但兩者的作用方向恰好相反。采用簡(jiǎn)化辦法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)鐵路橋梁，規(guī)定列車(chē)制動(dòng)力或牽引力按豎向靜活載的重力的10%計(jì)算，其作用點(diǎn)一般在軌頂以上2m處。公路橋梁中只考慮制動(dòng)力。一個(gè)設(shè)計(jì)車(chē)道上的制動(dòng)力為車(chē)道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在加載長(zhǎng)度上計(jì)算的總重力的10%，同向行駛雙車(chē)道：兩倍；同向行駛?cè)?chē)道：倍；同向行駛四車(chē)道：倍。

4/17/202330（三）溫度影響力溫度影響力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：（年平均）氣溫變化和溫差。氣溫變化對(duì)靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的影響溫差對(duì)靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的影響氣溫變化的幅度，可按橋梁所在地區(qū)的氣溫條件（一般取當(dāng)?shù)刈罡吆妥畹驮缕骄鶜鉁兀┐_定；氣溫變化值，應(yīng)自結(jié)構(gòu)合龍時(shí)的溫度算起。各種材料的線膨脹系數(shù)，可按設(shè)計(jì)規(guī)范采用。4/17/202331（四）列車(chē)橫向搖擺力由于軌道不平等原因，列車(chē)在行進(jìn)中會(huì)發(fā)生左右搖擺，產(chǎn)生一種橫橋向的水平力。這種橫向搖擺力很難準(zhǔn)確計(jì)算，現(xiàn)規(guī)定其作用于軌頂面，數(shù)值為。因橫向搖擺力的取值與豎向活載有一比例，故一般不再檢算空車(chē)荷載的橫向搖擺力。另外，橫向搖擺力應(yīng)與橫向風(fēng)力進(jìn)行比較，取其大者參與荷載組合。4/17/202332（五）流水壓力、冰壓力和支座摩阻力位于河流中的橋墩會(huì)受到流水壓力的作用

位于冰凌河流或水庫(kù)的橋梁墩臺(tái)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)乇璧木唧w條件及墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，考慮冰荷載的作用。（公路橋梁）

支座上的摩阻力是因上部結(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：4/17/202333第四節(jié)

偶然荷載偶然荷載－地震荷載、船只或漂流物（如