第一章 绪论 3 荷载

2020-03-01 148浏览

  • 1.第三节 9:07 桥梁设计荷载 1
  • 2.桥梁结构需安全承受人类活动及环境变化所施 加的影响，这样的影响可统称为“作用” 作用的类型、大小、方式的确定是否得当， 既关系到桥梁安全，也关系到桥梁建设费用 为便于桥梁设计，需要制订相关的作用或荷载 标准，而这些标准并不是一成不变的 综合介绍公路、铁路桥各类作用及其组合的基 本概念和计算原则，实际应用时按规范办理 9:07 2
  • 3.施加在结构上的力 直接作用（荷载） 引起结构外加变形、 约束改变的原因 间接作用 结构内力的反应 结构对所受作用的反应 结构变位的反应 9:07 3
  • 4.作用 公路、铁路桥梁作用分类对比 公 路 桥 梁 永久作用 恒载 可变作用 活载+附加力 偶然作用 特殊荷载 永久 作用 铁 路 桥 梁 可变 作用 偶然 作用 结构使用期 公路桥梁各作用随时间变化的性质（示意） 9:07 4
  • 5.永久作用 结构重力（包括结构附加重力） 预加力 可变作用 汽车离心力 船舶或漂流物的撞击作用 土的重力 汽车引起的土侧压力 土侧压力 人群荷载 混凝土收缩及徐变作用 汽车制动力 水的浮力 风荷载 基础变位作用 流水压力 对公铁两用桥， 如何选择作用及 其大小？ 地震作用 汽车荷载+汽车冲击力 冰压力 9:07 偶然作用 汽车撞击作用 列车脱轨荷载 列车牵引力 列车横向摇摆力 长钢轨纵向水平力 冻胀力 温度（均匀温度和梯度温度）作用 支座摩阻力 5 施工荷载 (铁路桥无此项) 长钢轨断轨力
  • 6.9:07 6
  • 7.铁路桥梁荷载 荷载分类 恒载 主力 荷载名称 荷载分类 荷载名称 结构构件及附属设备自重 制动力或牵引力 预加力 风力 混凝土收缩和徐变影响 土压力 附加力 流水压力 冰压力 静水压力及水浮力 温度变化作用 基础变位影响 冻胀力 列车竖向静活载 列车脱轨荷载 公路活载 船只撞击力 列车竖向动力作用 汽车撞击力 长钢轨纵向水平力 施工临时荷载 离心力 横向摇摆力 活载土压力 人行道荷载 特殊荷载 地震力 长钢轨断轨力
  • 8.公路桥梁荷载 作用分类 永久作用 作用名称 作用分类 作用名称 结构重力 汽车荷载 预加力 汽车冲击力 土的重力 汽车离心力 土侧压力 汽车引起的土压力 混凝土收缩和徐变作用 人群荷载 可变作用 偶然作用 水浮力 汽车制动力 基础变位影响 风荷载 地震作用 流水压力 船只或漂流物撞击作用 冰压力 汽车撞击作用 温度作用
  • 9.作用标准值 用于所有作用 作用频遇值 仅用于可变作用 作用准永久值 频率（概率密度） 足够长观测 期内的数据 拟合曲线 作用频遇值 “频繁出现” 90%概率分位值 作用准永久值 “经常出现” 50%概率分位值 9:07 推算的设计基准期内 最大值概率密度 (部分可变和偶然作用) 作用 准永久值 频遇值 标准值 作用的统计曲线及代表值示意 9
  • 10.9:07 10
  • 11.n 永久作用－标准值 n 可变作用－根据不同的极限状态和组合方式分别采用标 准值、频遇值或准永久值作为其代表值。 Ø Ø 承载能力极限状态－标准值 正常使用极限状态(按短期效应组合设计)－频遇值 • 频遇值－标准值乘以频遇值系数φ1 Ø 正常使用极限状态(按长期效应组合设计)－准永久值 • 准永久值－标准值乘以准永久值系数φ2 Ø 按弹性阶段计算结构强度－标准值 n 偶然作用－标准值 n 铁路桥梁各类荷载－只有“标准值” 9:07 11
  • 12.9:07 12
  • 13.9:07 Ø 桥梁上部结构的恒载－结构自身重力和附属设备等外加重力 Ø 桥梁下部结构的恒载－由支座传递下来的上部结构的重力、墩台自身 重力、土压力和水压（浮）力等 Ø 结构重力＝结构体积×材料容重（重力密度） Ø 土的重力及土侧压力－计算涉及结构型式、填料性质、墩台位移和地 基变形，也与气象、水文和外加荷载等因素有关 Ø 水浮力－指由地表水或地下水通过地基土壤的孔隙而传递给建筑物基 础底面的（自下而上的）水压力；对位于碎石类土、砂类土、粘砂土 等透水性地基上的墩台，需在设计中考虑水浮力 Ø 在检算结构的使用性能时，预加力当视为恒载；在检算结构的承载能 力时，预加力不作为恒载，但把预应力钢筋视为结构抗力的一部分， 但在连续梁等超静定结构中，仍需考虑其次效应 Ø 在外部超静定的混凝土桥梁结构中，混凝土收缩及徐变作用的影响是 长期存在的。基础变位一旦发生，其对结构的影响也是长期的 13
  • 14.附属结构（铺装、护栏等）的附加重力，二期恒载 受力结构（梁）的自重，一期恒载 墩台自重 混凝土的收缩徐变会产生变形， 超静定结构中还会产生内力 预加力，视为恒载或 结构抗力的一部分 土对下部结构的侧压力 9:07 超静定结构中基础变位会产生附加内力 14
  • 15.常用结构材料的重力密度 9:07 15
  • 16.9:07 16
  • 17.u 车辆活载—桥梁承受的机动交通活载 Ø Ø Ø 铁路桥－列车活载； 公路桥－各类汽车活载； 公铁两用桥－列车活载+汽车活载 标准活载—设计统一采用的车辆活载（车辆活 载的种类繁多，故需对车辆活载进行调查分析 和综合概括，并按照安全、适用和经济的原则 加以规范确定） u 静活载—不包含冲击力的车辆活载。 u 9:07 17
  • 18.• 发展情况：1938年公布中 华活载标准，1951年制订 了中－Z活载标准，1975年 对中－Z活载标准进行修订 ，形成目前所用的中－活 载标准。 • 中－活载（模拟荷载）由 普通活载与特殊活载组成， 适用于标准轨距1435 mm的 干线铁路 • 地方窄轨（轨距762mm）的 标准，与中－活载图式相 同但数值大幅减少 • 专用铁路的活载标准，结 合具体情况确定 9:07 局部构件 18 结构整体
  • 19.• 考察实际运行的列车及其发展趋势，中－活载标准已不适 用。（2000年前蒸汽机车已停运，内燃和电力机车得到广 泛应用；货车的重载轴重时常高于机车的轴重） • 我国新的列车活载标准应与国际铁路联盟（UIC）制订的 活载标准较为一致。 • 我国高速铁路列车活载标准：ZK活载 0.8*UIC 9:07 19
  • 20.铁路桥梁荷载图式 Code for Design on Railway Bridge and Culvert (TB 10002-2017), China 9:07 20 《桥梁工程》 第一章 总论-2 20
  • 21.荷载等级——分为公路－I级、公路II级，其选用与公路等级有关 汽车荷载——由车道荷载和车辆荷载组成，两者的作用不得叠加 车道荷载——基于现场测定及作用效应对比分析确定的虚拟荷载，用于 桥梁结构的整体计算，公路－I级和公路II级采用不同的车道荷载 车辆荷载——适用于结构局部加载、涵洞、桥台等情况的车辆模拟荷载， 公路－I级和公路II级采用相同的车辆荷载 公路等级 汽车荷载等级 9:07 高速公路 公路－I级 一级公路 二级公路 公路－I级 公路－I级 （15规范） 公路－II级 （04规范） 21 三级公路 四级公路 公路－II级 公路－II级
  • 22.车道荷载 公路－I级PK • PK＝270kN，LK≤5m • PK＝360kN，LK≥50m • PK值采用直线内插法确定，5m＜LK＜ 50m时， • 计算剪力效应时，PK应乘以系数1.2 公路－I级qK • qK＝10.5kN/m 公路－II级 PK和qK 一座桥梁 的车道荷 载的加载 倍数由设 计车道数 决定 9:07 行车道？ 22 • 公路—II级的均布荷载标准值qK和集中荷 载标准值PK均按公路—Ⅰ级车道荷载的 0.75倍考虑
  • 23.车辆荷载的 立面布置 车辆荷载的 平面尺寸 单位：kN，m 9:07 23
  • 24.车辆荷载的横向布置（单位：m） 车辆荷载的横向布置示例 9:07 24
  • 25.¨ 规定：对双车道以上的公路桥，需要考虑车道荷载的多车 道横向折减。 ¨ 横向折减的理由：在桥梁设计中，为方便计，各个车道上 的车辆活载都是按最不利加载位置布置的，而实际交通情 况并非如此。 ¨ 横向折减的方式：总的车道荷载×横向折减系数 ¨ 横向折减系数的含义：在多车道桥梁上行驶的车辆活载使 桥梁结构产生某种最大作用效应时，不同车道上的车道荷 载同时处于最不利位置的可能性大小。 ¨ 横向折减系数的大小：与设计的车道数有关。 9:07 设计车道数 2 3 4 5 6 7 8 横向折减系数 1.00 0.78 0.67 0.60 0.55 0.52 0.50 25
  • 26.Ø 对铁路桥梁的主要构件： u 单线：不考虑折减 u 双线：取双线标准活载之和的90%（0.9） u 三线及以上者：取各线标准活载之和的80%（0.8） Ø 对仅承受局部活载的构件，不考虑折减 对公铁两用桥， 如何折减？ 9:07 26
  • 27.折减理由：制定车道荷载标准时，调查统计重车居多并呈拥挤状态，随 着跨度的增加，实际情况会有所缓解 跨径取值：对多跨连续结构，按最大计算跨径（主跨）进行纵向折减 铁路桥梁：无此规定。对超大跨度桥梁，由于列车长度的限制，铁路活 载效应占总的荷载效应的比重则会逐步减小 9:07 计算跨径L0（m） 纵向折减系数 150＜ L0＜400 0.97 400≤ L0 ＜600 0.96 600≤ L0 ＜800 0.95 800≤ L0 ＜1000 0.94 L0 ≥1000 0.93 27
  • 28.现象 冲击作用 分析 手段 结构动力 学分析 更趋合理 动力问题简化为静力问题 简化： 冲击力 冲击系数 （ ） Yd max Y j max 铁路桥梁 公路桥梁 结构基频  确定 当1.5Hz ≤ f ≤ 14Hz时， ＝0.1767f－0.0157 当f＞ 14Hz时， ＝0.45 举例 结构振动 线路 比静活载 车辆 的效应大 结构 荷载试验 a  bL 结构刚度 f  当f ＜1.5Hz时， ＝0.05 原因  2l 2 EI c mc 13.616 f1  2l 2 简支梁桥竖弯基频 EI c 连续梁桥竖弯基频 （对正弯矩及剪力） mc 冲击力标准值为车辆活载标准值×冲击系数，车辆活载总效应为标准值×（1+） 9:07 28
  • 29.铁路桥梁明桥面：4kN/m2。 铁路桥梁道砟桥面：距离梁中心2.45m以内的人行道，取10 kN/m2； 距离梁中心2.45m以外的人行道，取4 kN/m2。 公路桥梁人群荷载集度：3kN/m2（L0 ≤50m）， 2.5kN/m2 （L0≥150m），其间线性内插；城市郊区行人密集地区取上述值的 1.15倍。 专用人行桥：3.5kN/m2。 人行道板：以4kN/m2 （公）或1.5 kN（铁）的荷载进行检算。 栏杆：按0.75kN/m考虑水平推力。 立柱和扶手：按1.0kN/m考虑竖向力。 9:07 29
  • 30.离心力－车辆行驶在曲线线路上时，因速率方向变化而引起的横向水平力。 离心力的大小－车辆活载（不计冲击力）乘以离心力系数C C值按下式计算： 式中 V2 C 127 R V——设计行车速度（km/h）；R——曲线半径（m）。 离心力的着力点－在桥面以上1.2m处（公路桥）或轨顶面上2m处（铁路桥）。 9:07 30
  • 31.¨ ¨ ¨ ¨ ¨ 空气运动形成风，当风受到桥梁阻碍时，桥梁就承受到风压（荷载）。 对大跨柔性斜拉桥、悬索桥以及高塔高墩等，尤其需要考虑风荷载。 顺风向风压和横风向风压 顺风向风压：平均风压（静力，简化）和脉动风压（动力，仿真） 公路桥横桥向风荷载按下式计算 F k kkW A wh 0 1 3 d wh Fwh——横桥向风荷载标准值（kN） 公路桥梁抗 Wd——设计基准风压 （kN/m2）（由基本风速和风压推算得出） 风设计规范 k0 —— 设计风速重现期换算系数（与桥梁重要性有关） k1 —— 风载阻力系数（与结构有关） 铁路桥风荷 k3 —— 地形、地理条件系数（与环境有关） 载计算类同 2 Awh ——结构横向迎风面积（m ）（与构造有关） Tay Bridge 1879 9:07 Volga River bridge 2010 Tacoma 31 Narrows 1940
  • 32.¨ 车辆制动力（或牵引力）是指车辆在刹车时（或启动时） 为克服车辆的惯性力（或阻力）而在路面（或轨道）与车 轮之间发生的滑动摩擦力。 ¨ 制动力或牵引力是墩台设计的重要水平荷载，是作用在桥 上的纵向水平力，但两者的作用方向相反。 ¨ 采用简化办法进行计算。 ¨ 对铁路桥，规定列车制动力或牵引力按竖向静活载的重力 的10%计算，其作用点在轨顶以上2m处。 ¨ 公路桥梁中只考虑制动力。一个设计车道上的制动力为车 道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%，同向行驶 双车道：两倍；同向行驶三车道：2.34倍；同向行驶四车 道：2.68倍。 对双向车道的公路 桥，取值是否合理？ 9:07 32
  • 33.¨ 温度作用－因气温的变化而引起的结构变形及附加力。 ¨ 温度的变化： (年)均匀温度和梯度温度(温差)。 –均匀温度对静定和超静定结构的影响 –梯度温度对静定和超静定结构的影响 ¨ 均匀温度的变化幅度：按桥梁所在地区的气温条件（一般 取当地最高和最低月平均气温）确定，变化幅度自结构合 龙时的温度算起。 ¨ 公路桥竖向梯度温度的变化曲线，见图。 ¨ 铁路桥的竖向、横向梯度温度曲线 ¨ 各种材料的线膨胀系数，按规范取值。 公路桥梁 竖向梯度温度 （尺寸单位：mm） 9:07 33
  • 34.9:07 34
  • 35.¨ 地震引起的桥梁振动－由于地震波在土中传播，使震区发生地面运动 ；桥梁基础首先受到外加的强迫运动，并导致整个桥梁的振动。 ¨ 地震力（作用）－主要指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力（ 加速度与质量的乘积），其大小与地面运动程度、结构动力特性、桥 梁所在的地质情况等有关。 ¨ 震害是桥梁面临的主要自然灾害（涉及面广，破坏严重）。 汶川地震：百花大桥 汶川地震：小渔洞大桥 汶川地震造成国省干线 10余座桥梁彻底垮塌， 670座桥梁严重受损。 9:07 35
  • 36.9:07 36
  • 37.¨ 作用效应组合－各种作用效应的取舍以及作用效应的线性叠加 ¨ 组合原则 ¨ 依据：按照相关桥梁设计规范要求进行组合 ¨ 方法：必需考虑各种作用效应的取舍以及它们同时作用的 可能性 ¨ 目的：找出桥梁在施工和运营时的最不利受力状态 9:07 荷载名称 不与该荷载同时参与组合的荷载 汽车制动力 流水压力，冰压力，支座摩阻力 流水压力 汽车制动力，冰压力 冰压力 汽车制动力，流水压力 支座摩阻力 汽车制动力 37
  • 38.铁路桥的荷载组合方式 （1）主力组合 恒载＋活载 （2）主+附组合 恒载＋活载＋附加力 （3）主+特殊荷载组合 恒载＋活载＋特殊荷载 说明 ¨ 组合中的恒载等并不是荷载表中所列的所有恒载项，而是其中需要 参与组合的一项或几项；对活载、附加力、特殊荷载，也是如此。 ¨ 仅考虑主力与一个方向（横桥向或顺桥向）的附加力组合。 ¨ 铁路桥设计基于容许应力法，其荷载组合是各项荷载效应的直接叠 加（无分项系数）。 ¨ 上述前两点也适用于公路桥。 9:07 38
  • 39.极限状态 设 计 状 况 9:07 公路桥采用基于结构可靠性理论的极限状态设计方法，分别 按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合。 根据不同种类的作用及其对桥涵的影响、桥涵所处的环境条 件，考虑以下三种设计状况： 1－持久状况 指桥涵使用过程中长期承受结构重力、 汽车荷载等作用的状况。在该状况下，应进行承载能 力和正常使用极限状态设计。 运营 阶段 2－短暂状况 指桥涵施工过程中承受临时性作用的 状况。在该状况下，仅要求进行承载能力极限状态设 计，必要时才进行正常使用极限状态设计。 施工 阶段 3－偶然状况 指桥涵使用过程中可能偶然遭受的地 震等状况。在该状况下，仅要求进行承载能力极限状 态设计，不需要进行正常使用极限状态设计。 偶然 情况 39
  • 40.在按持久状况+承载能力极限状态设计时，按照结构可能破坏 的严重程度，将公路桥涵划分为三个设计安全等级，根据不同 等级，拟定相应的结构重要性系数与作用效应组合设计值相乘 公路桥涵结构的设计安全等级及结构重要性系数 桥涵结构分类 9:07 设计安全等级 结构重要性系数  0 特大桥，重要大桥 一级 1.1 大桥，中桥，重要小桥 二级 1.0 小桥，涵洞 三级 0.9 40
  • 41.不 同 的 作 用 效 应 组 合 方 式 不 同 的 作 用 效 应 9:07 作用标准值效应 作用设计值效应 ——作用分项系数×标准值效应 作用频遇值效应 ——频遇值系数×标准值效应 作用准永久值效应——准永久值系数×标准值效应 41 组合 作用效应 组合设计值
  • 42.作用效应组合的不同方式及与设计状况的关系 结构 极限 状态 承载 能力 极限 状态 正常 使用 极限 状态 ＊ 作用效应 组合名称 作用及作用效应 永久作用 可变作用 基本组合＊ 设计值效应 设计值效应 偶然组合 标准值效应 某种代表值效 应 短期效应组 合 标准值效应 频遇值效应 长期效应组 合 标准值效应 准永久值效应 强度计算组 合 标准值效应 标准值效应 偶然作用 持久 短暂 标准值效 应＊＊ 只在基本组合中，考虑结构重要性系数、作用分项系数和组合分项系数（＜1） ＊＊在偶然组合中，只考虑一种偶然作用 9:07 设计状况 42 偶然
  • 43.结构重要性 系数 作用效应组 合设计值 举例 永久作用 设计值效应 作用分 项系数 可变作用（汽车） 设计值效应 永久作用 标准值效应 自重恒载效应 作用分项系数 γG1=1.2 9:07 43 作用组 合系数 可变作用（汽车） 标准值效应 其他可变作用 设计值效应 其他可变作用 标准值效应 汽车荷载效应 （计入冲击力） 温度作用效应 作用分项系数 γQ1=1.4 Ψc=0.8，0.7，0.6，0.5 作用组合系数 作用分项系数 γQj=1.4
  • 44.可变作用/频遇 值效应 短期效应组合 设计值 举例 9:07 永久作用/标准 值效应 可变作用频遇 值系数 可变作用/标准 值效应 自重恒载效应 Ψ1=0.7 汽车荷载 （不计冲击力） 44
  • 45.可变作用/准永 久值效应 长期效应组合 设计值 举例 9:07 永久作用/标准 值效应 可变作用准永 久值系数 自重恒载效应 Ψ2=0.4 45 可变作用/标准 值效应 汽车荷载 （不计冲击力）
  • 46.正常使用极限状态，持久状况或短暂状况 作用效应组合设计值 举例 9:07 永久作用/标准值效应 可变作用/标准值效应 持久状况 自重恒载效应 汽车荷载（计冲击力） 短暂状况 自重恒载效应 吊机荷载（乘以1.15系数） 46