02荷载与结构设计方法-精选文档44页

内各层土的厚度自上而下分别为h1，h2，…，hi，…，hn，则多层土深度z处的竖直有效
自重应力的计算公式为：
n
cz1h12h2nhn ihi
(2-4)
式中，n——从天然地面起到深度z处的土层数；
i1
hi——第i层土的厚度(m)；
i ——第i层土的天然重度(kN/m3 )；若土层位于地下水位以下，由于受到水的浮力
V ——构件的体积，一般按照设计尺寸确定(m3)。
式(2-1)适用于一般建筑结构、桥梁结构及地下结构等各构件自重的计算，但要注意
土木工程中结构各构件的材料容重可能不同，计算结构自重时可将结构人为地划分为许
多基本构件，然后叠加即得到结构总自重(式2-2)。
n
式中，
G——结构总自重(kN)；
G
iV i
1.10
第2章 重力负荷
雪荷载
三、 屋面积雪分布系数
1.风对屋面积雪的影响 下雪过程中，风会把部分将要飘落或者已经飘积在屋面上的雪吹积到附近地面或邻近较 低的物体上，这种影响称为风对雪的飘积作用。 对于高低跨屋面或带天窗屋面，由于风对雪的飘积作用，会将较高屋面上的雪吹落在较 低屋面上，在低屋面处形成局部较大飘积雪荷载。有时这种积雪非常严重，最大可出现3倍 于地面积雪的情况。低屋面上这种飘积雪大小及其分布情况与高低屋面上的高差有关。由于 高低跨屋面交接处存在风涡作用，积雪多按曲线分布堆积(图2.3)。 对于多跨屋面，屋谷附近区域的积雪比屋脊区大，其原因之一是风作用下的雪飘积，屋 脊处的部分积雪被风吹落到屋谷附近，飘积雪在天沟处堆积较厚(图2.4)。
第2章 重力负荷
第2章
重力荷载
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1.1
第2章 重力负荷
本章内容
•结 构 自 重 •工程结构设计理论演变简况 •土的自重应力 •雪荷载 •车 辆 荷 载 •人 群 荷 载 •吊 车 荷 载 • 楼面和屋面活荷载 1.2 •思考题
第2章 重力负荷
结构自重
结构的自重是由地球引力产生的组合结构的材料重力，一般而言，可以根据结构的
《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2019)附录D中对部分城市给出重现期为10年、50
年和100年的雪压数据。已知重现期为10年及100年的雪压时，求当重现期为R年时的
XR
相应雪压值时可按下式确定： S h g X R X 1 0 ( X 1 0 0 X 1 0 ) ( l n R / l n 1 0 1 ) (2-7)
适当利用。 ③ 在有集装箱运输的一级公路，应采用汽车-超20级、挂车-120的车辆荷载。 ④ 桥面行车道净宽4.5m的桥涵，其平板挂车不作具体规定，设计时可按实际情
况自行确定。 ⑤ 临时性桥涵的车辆荷载可自行确定。
1.14
第2章 重力负荷
车辆荷载
二、城市桥梁汽车荷载
我国建设部2019年制定了《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ 77—2019)，该标准适 用于城市内新建、改建的永久性桥梁与涵洞、高架道路及承受机动车的结构物的荷 载设计。标准中采用两级荷载标准，即城-A级、城-B级。城-A级汽车荷载适用于快 速路及主干路，城-B级汽车荷载适用于次干路及支路。 在城市桥梁设计中汽车荷载可分为车辆荷载和车道荷载两种形式。城-A级车辆采用 五轴式货车加载，总轴重700kN，前后轴距为18.0m，行车限界横向宽度为3.0m(图 2.6)；城-B级车辆采用三轴式货车加载，总轴重300kN，前后轴距为4.8m，行车限界 横向宽度为3.0m(图2.7)。城-A级与城-B级标准载重汽车的横断面尺寸相同，其横桥 向布置应符合图2.8的规定。
h3
1h1 2h2 3h3
3 3
4 4
h4
1h1 2h2 3h3 4h4 不透水层面
1.5
图2.1 均质土中竖向自重应力
第2章 重力负荷
一、基本雪压
雪荷载
1. 基本雪压的取值原则
根据当地气象台(站)观察并收集的每年最大雪压，经统计得出的50年一遇的最大
挂车-120
汽车专用公路
一
汽车-超20级 汽车-20级
挂车-120 挂车-100
二 汽车-20级
挂车-100
二 汽车-20级
挂车-100
一般公路 三
汽车-20级
挂车-100
四 汽车-10级
履带-50
注：① 一条公路上的桥涵，一般采用同一设计荷载和验算荷载。 ② 当改建三级干线公路时，对原有桥涵达到汽车-15级、挂车-80荷载标准的可
雪压(重现期为50年的最大雪压)，即为当地的基本雪压。在确定雪压时，观察并收集
雪压的场地应符合下列要求。
(1) 观察场地周围的地形为空旷平坦。
(2) 积雪的分布保持均匀。
(3) 设计项目地点应在观察场地的范围内，或它们具有相同的地形。
雪压是指单位水平面积上的雪重，决定雪压值大小的是积雪深度与积雪密度，
1.8
第2章 重力负荷
雪荷载
二、雪荷载标准值、组合值系数、频遇值系数及准永久值系
数
1. 雪荷载标准值
s s
k
r0屋面水平投影面上的Fra bibliotek荷载标准值应按下式计算：
s k
式中， ——雪荷载标准值(kN/m2)； r s ——屋面积雪分布系数； 0 ——基本雪压(kN/m2)。
(2-8)
1.9
第2章 重力负荷
因此年最大雪压S(kN/m2)可按下式确定：
S hg
(2-6)
式中，h——年最大积雪深度，指从积雪表面到地面的垂直深度(m)。以每年 7 月份 至次年6月份间的最大积雪深度确定；
——积雪密度(t/m3)； g ——重力加速度(9.81m/s2)。
1.6
第2章 重力负荷
雪荷载
为了满足实际工程中某些情况下需要的不是重现期为50年的雪压数据要求，在
i1
n——组成结构的基本构件数；
r i ——第i个基本构件的重度(kN/m3)； Vi——第i个基本构件的体积(m3)。
(2-2)
1.3
第2章 重力负荷
土的自重应力
土是由土颗粒、水和气所组成的三相非连续介质。若把土体简化为连续体，则应用 连续介质力学(例如弹性力学)来研究土中应力的分布。在计算土中应力时，通常将土体视 为均匀连续的弹性介质。若土层天然重度为 ，在深度z处a-a水平面(图2.1(a))，土体因自 身重量产生的竖向应力可取该截面上单位面积的土柱体的重力，即：
式中，X R ——重现期为R年的雪压值(kN/m2)；
X X
10 10
——重现期10年的雪压值(kN/m2)； 0——重现期为100年的雪压值(kN/m2)。
1.7
第2章 重力负荷
雪荷载
2.我国基本雪压的分布特点 (1) 新疆北部是我国突出的雪压高值区。 (2) 东北地区由于气旋活动频繁，并有山脉对气流起抬升作用，冬季多降雪天气，同时 气温低，更有利于积雪。 (3) 长江中下游及淮河流域是我国稍南地区的一个雪压高值区。 (4) 川西、滇北山区的雪压也较高。该地区海拔高，气温低，湿度大，降雪较多而不易 融化。但该地区的河谷内，由于落差大，高度相对较低，气温相对较高，积雪不多。 (5) 华北及西北大部地区，冬季温度虽低，但空气干燥。水汽不足，降雪量较少，雪压 一般为0.2～0.3kN/m2。西北干旱地区，雪压在0.2kN/m2以下。 (6) 南岭、武夷山脉以南，冬季气温高，很少降雪，基本无积雪。
cz z
可见自重应力 沿水平面均匀分布，且与z成正比，即随深度按直线规律增加，如图 2.1(b)所示。
(a)任意深度水平截面上的土自重应力
(b)自重应力呈线性增加
1.4
图2.1 均质土中竖向自重应力
第2章 重力负荷
一般情况下，地基土由不同重度的土层所组成。如图2.2所示，天然地面下深度z范围
第2章 重力负荷
人群荷载
一、公路桥梁人群荷载
设有人行道的公路桥梁，采用汽车荷载进行计算时，应同时计入人行道上的人 群荷载；而在采用验算荷载进行计算时，则不计入人群荷载。人群荷载一般取值为 3kN/m2；城市郊区行人密集地区取值为3.5kN/m2，也可根据实际情况或参照所在地 区城市桥梁设计的规定确定。当公路桥梁上的人行道板为钢筋混凝土板时，还应以 1.2kN的竖向集中力作用在一块板上进行计算。计算栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的 水平推力一般取值为0.75kN/m；作用在栏杆扶手上的竖向力一般取值为l.0kN/m。
图2.3 高低跨屋面飘积雪分布 图2.4 多跨屋面积雪分布 1.11
第2章 重力负荷
雪荷载
2.屋面坡度对积雪的影响 屋面雪荷载分布与屋面坡度密切相关，一般随坡度的增加而减小，主要原因是风的作用 和雪滑移所致。 《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2019)规定对不同类别的屋面，其屋面积雪分布系数 r (屋面荷载与地面荷载之比)按表2-2采用。 建筑结构设计考虑积雪分布的原则：屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用； 屋架或拱、壳可分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布情况和半跨的均匀分布的情况采 用；框架和柱可按积雪全跨均匀分布情况采用。
雪荷载
2.雪荷载的组合值系数、频遇值系数及准永久值系数 雪荷载的组合值系数可取0.7；雪荷载的频遇值系数可取0.6；雪荷载的准永久值系数应 按分区图(附图2)中的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的分区，分别取0.5、0.2、0；对部分城市的准永久系数分区 也可按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2019)附录D的规定查出。
车辆标准荷载的等级，应根据桥梁所在公 路的等级、使用任务、性质和将来的发展等具 体情况确定，一般可参照表2-3选用。
图2.5 各级汽车车队的纵向排列 1.13 (轴重力单位：kN；距离单位：m)
第2章 重力负荷
车辆荷载
表2-3 车辆荷载等级选用表
公路等级 计算荷载 验算荷载
高速公路 汽车-超20级
1.15
第2章 重力负荷
车辆荷载
城-A级和城-B级车道荷载应按均 布荷载加一个集中荷载计算(图2.9(a))， 在求弯矩和剪力时，分别施加不同的 均布荷载 和 。均布荷载和集中荷载 的标准值随荷载等级和桥梁跨径而异， 可按表 2-4取值。车道荷载单向布载 宽度为3.0m(图2.9(b))，为了简化桥梁 横向影响线计算，车道荷载可按图 2.9(c)所示的等效荷载车轮集中力形 式布置。当设计车道数目大于2时， 应计入车道的横向折减系数，车道数 目为3时，折减系数为0.80；车道数目 为4时，折减系数为0.67；车道数目为 5时，折减系数为0.60；车道数目大于 等于6时，折减系数为0.55。加载车道 位置应选在结构能产生最不利荷载效 应处。 1.16
1.12
第2章 重力负荷
车辆荷载
一、公路桥梁车辆荷载
汽车车队分为汽车-10级、汽车-15级、汽车-20级和汽车-超20级4个等级，汽车车队的纵 向排列如图2.5所示。每级车队中有一辆是重车，其前后都是主车，主车数量不限，图中所示 荷载为轴重。在设计3车道或4车道桥涵时，考虑到3行车队和4行车队单向并行通过的概率较 小，计算荷载时可分别折减20%和30%，但折减后不得小于两行车队布载的计算结果。 平板挂车和履带车荷载分为挂车-80，挂车-100、挂车-120和履带-50四种。用验算荷载进行验 算时，对于履带车，沿桥纵向可考虑多辆行驶， 但两车净距不得小于50m；对于平板挂车，全 桥均以通过一辆计算。
材料种类、材料体积和材料容重计算结构自重(式2-1)。结构自重一般按照均匀分布的原
则计算，在施工阶段，构件在吊装运输或悬臂施工时引起的结构内力，有可能大于正常
设计荷载产生的内力，因此，在施工阶段演算构件的强度和稳定时，构件重力应乘以适
当的动力系数。
Gk V
(2-1)
式中，
Gk

——构件的自重(kN)； ——构件材料的容重(kN/m3)；
1.17
第2章 重力负荷
人群荷载
二、城市桥梁人群荷载
对于梁、桁架、拱及其他大跨结构的人群荷载，需根据加载长度及人行道宽来
确定，可按下列公式计算，且人群荷载在任何情况下不得小于2.4kN/m2。
当加载长度l<20m时：
W=4.5

20
W 20
p
当加载长度l≥20m时：
作用，单位体积中，土颗粒所受的重力扣除浮力后的重度称为土的有效重度 ，即：
ii
(2-5)
为水的重度，一般取值为10kN/m3，这时计算土的自重应力应取土的有效重度 i 代替天
然重度
。
i
cz
天然地面
h1
1
h2
cz 线
1h1 1h1 2h2
2 地下水位面