3桥梁结构设计方法

二、极限状态设计法
2、正常使用极限状态。 正常使用极限状态以弹性理论或弹塑性理论
为基础，主要进行以下三方面的验算： 应力限制 变形限制 裂缝宽度限制
二、极限状态设计法
3、三种设计状况 公路桥涵应根据不同种类的作用（或荷载）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，并对其进行相应的极限状态设计：
3桥梁结构设计方法
一、结构的功能要求
1、结构的功能要求
安全性
适用性
耐久性
一、结构的功能要求
安全性
结构在正常施工和正常使用时，能承受可能出 现的各种作用，其中包括荷载引起的内力、振 动过程中的恢复力以及由外加变形（如超静定 结构的支座沉降）、约束变形（如温度变化或 混凝土收缩引起的构件变形受到的约束）所引 起的内力。
m
n
S ud 0( G S G i iKQ 1 S Q 1 Kc Q S Q j )jk
i 1
j 2
或
m
n
Sud0( SGi dSQ 1dc SQj)d
i1
j2
作用效应组合
作用短期效应组合：永久作用标准值效应
与可变作用频遇值效应相组合，其效应组 合表达式为：
m
n
Ssd SGik S 1j Qjk
面的弯矩标准值为：梁自重作用产生的弯矩标准 值等M自G重1k（=3二99期.80恒6k载N）·m作；用桥产面生铺的装弯、矩栏标杆准、值人行道 M数Gμ2=k=0.330522.）715产kN生·的m；弯汽矩车标荷准载值作用（计入冲击系 M用作Q产用1k生效=7的 应26弯 组.50矩 合7×标的1准计.35值算2=。M9Q822k.=23271k.0N14·kmN；·m人。群试荷进载行作
、一种偶然作用（标准值效应）的组合；
2、正常使用极限状态计算原则
◎正常使用极限状态设计时，有两种作用效 应组合：
○作用短期效应组合 永久作用（标准值效应）与可变作用（频遇值效应）
的组合； ○作用短期效应组合 永久作用（标准值效应）与可变作用（准永久值效
应）的组合；
作用效应组合
基本组合：永久作用的设计值效应与可变作用设计 值效应相组合，其效应组合表达式为：
+1.4×982.237+0.8×1.4×21.014]
2）按正常使用极限状态设计时的作用效应组合 （1）作用短期效应组合
根据《公路桥规》规定，这时汽车荷载作用效应 应不计入冲击系数，不计冲击系数汽车荷载弯矩 标准值为MG1k=726.507kN·m。汽车荷载作用效
应的频遇值系数Ψ11=0.7，人群荷载作用效应的频 遇值系数Ψ12=1.0。由下式可得到作用短期效应组
新旧规范章节对比 补充了解
1 总则 1.1 一般原则 1.2 桥涵布置和桥孔设计 1.3 桥涵跨径 1.4 桥梁净空 1.5 桥上线形及桥头引道 1.6 构造要求 1.7 桥面铺装、排水和防水层 1.8 养护及其他附属设施 2 荷载 2.1 荷载分类与组合 2.2 永久荷载 2.3 可变作用 （基本可变荷载、其他可变荷载） 2.4 偶然荷载 附录A 主动土压力计算 附录B 静土压力计算 附录C 全国基本风压分布图及迎风
0.7×（1.4×人群荷载+1.1×风荷载） 1.2×恒载+1.4×汽车荷载
+0.6×（1.4×人群荷载+1.1×风荷载+1.4×土压力) 1.2×恒载+1.4× 汽车荷载+0.5×（1.4×人群荷载
+1.1×风荷载+1.4×压力+1.4×汽车制动力）
例题解析
计算跨径l=15.5m的钢筋混凝土简支梁，其跨中截
显然，增大结构设计的余量，如加大结构构件的截面 尺寸或钢筋数量，或提高对材料性能的要求，总是能 够增加或改善结构的安全性、适应性和耐久性要求， 但这将使结构造价提高，不符合经济的要求。
因此，结构设计要根据实际情况，解决好结构可靠性 与经济性之间的矛盾。既要保证结构具有适当的可靠 性，又要尽可能降低造价，做到经济合理。
合设计值为
Msd=MGk+Ψ21MQ1k+Ψ22MQ2k）
=（399.806+302.715） +0.4×726.507+1.0×21.014）
2）按正常使用极限状态设计时的作用效应组合 （2）作用长期效应组合
汽车荷载作用效应的准永久值系数Ψ21=0.4，人 群荷载作用效应的准永久值系数Ψ22=0.4。由下
面积计算 附录D 船只和漂流物的撞击力
混凝土结构耐久性问题有：混凝土冻融破坏、碱-集料反应、侵蚀性 介质腐蚀、机械磨损、混凝土碳化、钢筋锈蚀等。
3、混凝土结构的耐久性设计
3）提高耐久性的措施 目前对混凝土结构耐久性的研究尚不够深入，关于耐久性的设计方 法也不完善，因此，耐久性设计主要采取以下保证措施。
（1）划分混凝土结构的环境类别 混凝土结构耐久性与结构的工作环境条件有密切的关系。《桥规》
思考题
1、桥梁作用效应组合规范上是如何规定的？ 2、计算跨径为29.16m的预应力混凝土简支T形截
面梁，其支点截面的剪力标准值为：梁自重作用 产生的剪力标准值VG1k=275.71kN；桥面铺装、栏 杆、人行道等自重作用（二期恒载）产生的剪力 标准值VG2k=94.92kN；汽车荷载作用（计入冲击 系数μ=0.1188）产生的剪力标准值VQ1k=374.65kN； 人群荷载作用产生的剪力标准值VQ2k=16.34kN。 试进行作用效应组合的计算。
结构重要性系数，按规范表1.0.9规定的结构设计安全等级采 用。对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取1.1、1.0和 0.9；
汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项系数，取 1.4。当某个可变作用在效应组合中其值超过汽车荷载效应时， 则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽车荷载的分项系 数；对专为承受某作用而设置的结构或装置，设计时该作用的 分项系数取与汽车荷载同值；
作用名称
不与该作用同时
参与组合的作用编号
汽车制动力
15、16、18
流水压力
13、16
冰压力
13、15
支座摩阻力
13
1、持久状况承载能力极限 状态计算原则
◎承载能力极限状态设计时，有两种作用效应
组合：
1）基本组合 永久作用（设计值效应）与可变作用（设计值效应） 的组合；
2）偶然组合 永久作用（标准值效应）与可变作用（某代表值效应）
（JTG D62—2019）将混凝土结构的使用环境分为四类。 （2）规定混凝土保护层厚度 《桥规》根据混凝土结构所处的环境条件类别，规定了混凝土保护层的
最小厚度。 （3）规定裂缝控制等级及其限值 裂缝的出现加快了混凝土的碳化，也是钢筋开始锈蚀的主要条件。因此，
《桥规》根据钢筋砼结构和预应力砼结构所处的环境条件类别和构件 受力特征，规定了裂缝控制等级和最大裂缝宽度限值。 （4）规定混凝土的基本要求 根据结构的环境类别，合理地选择砼原材料，控制砼的氯离子含量和碱 含量，防止碱集料反应。改善砼的级配，控制最大水灰比、最小水泥 用量和最低砼强度等级，提高混凝土的抗渗性能和密实度。《桥规》 规定：公路桥涵应根据其所处环境条件进行耐久性设计。
偶然状况：在桥涵使用过程中偶然出现的如罕 遇地震的状况。该状况下的桥涵仅作承载能力 极限状态设计。
4、作用效应及结构抗力
1）作用效应及作用效应设计值 作用效应是指结构对所受作用的反应，如弯矩、扭矩、位
移等。作用效应设计值是指作用标准值效应与作用分项系 数的乘积，分作用分项系数和抗力分项系数两类。 2）结构抗力 结构抗力是指结构或构件承受作用效应的能力，如构件的 承载力、刚度、抗裂度等。影响结构抗力的主要因素是材 料性能（材料的强度、变形模量等物理力学性能）、几何 参数（截面形状、面积、惯性矩等）以及计算模式的精确 性等。考虑到材料性能的变异性、几何参数及计算模式精 确性的不确定性，所以由这些因素综合而成的结构抗力也 是随机变量。
在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力 ）、风荷载外的其他第j个可变作用效应（含本规范第4.3.5条 规定的人行道板等局部构件和人行道栏杆上的可变作用效应） 的分项系数，取1.4，但风荷载的分项系数取1.1；
作用效应组合
1.2×恒载+1.4×汽车荷载 1.2×恒载+1.4×汽车荷载+ 0.8×1.4×人群荷载 1.2×恒载+1.4×汽车荷载+
持久状况：
短暂状况：
偶然状况：
二、极限状态设计法
3、三种设计状况
持久状况：桥涵建成后承受自重、车辆荷载等 持续时间很长的状况。该状况桥涵应进行承载 能力极限状态和正常使用极限状态设计。
短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性作用的 状况。该状况下的桥涵仅作承载能力极限状态 设计，必要时才作正常使用极限状态设计。
本组合为永久作用与汽车荷载和人群荷载组合，故取人群
荷载的组合系数为Ψc1=0.80。承载能力极限状态计算时，
作用效应值基本组合的设计值按下式计算为
Msd=MGk+Ψ21MQ1k+Ψ22MQ2k）
=1.0×（1.2MGk+1.4MQ1k+0.8×1.4MQ2k） =1.0×[1.2×（399.806+302.715）
结构在设计规定的偶然事件发生时和发生后， 仍能保持必需的整体稳定性，不发生倒塌或连 续破坏。
一、结构的功能要求
适用性
结构在正常使用时具有良好的工作性能，不发生过大 的变形或宽度过大的裂缝，不产生影响正常使用的振 动。
耐久性
结构在正常维护下具有足够的耐久性能，不发生钢筋 锈蚀和混凝土的严重风化等现象。
所谓足够的耐久性能，系指结构在规定的工作环境中， 在预定时期内，其材料性能的恶化不会导致结构出现 不可接受的失效概率。
从工程概念上讲，足够的耐久性能就是指在正常维护 条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。
一、结构的功能要求
1、结构的功能要求——安全性、适用性、耐久性
这些功能要求概括起来称为结构的可靠性。即结构在 规定的时间内（设计基准期），在规定的条件下（正 常设计、正常施工、正常使用维护）完成预定功能 （安全性、适用性和耐久性）的能力。
三、我国公路桥涵设计规范 规定的计算原则
◎组合的基本原则
1、只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其 效应的组合。
2、 “最不利”原则：对结构的影响是有利的可变 作用，不参加组合；
3、施工阶段的效应，根据施工的实际情况选择； 4、多个偶然作用，不同时组合；
作用效应组合
编号
13 15 16 18
可变作用不同时组合表
式可得到作用长期效应组合设计值为
Msd=MGk+Ψ11MQ1k+Ψ12MQ2k）
=（399.806+302.715） +0.4×726.507+0.4×21.014）
3、混凝土结构的耐久性设计
1）混凝土结构耐wk.baidu.com性概念
结构的耐久性是指结构在使用环境下，对物理的、化学的以及其他使 结构材料性能恶化的各种侵蚀的抵抗能力。在设计混凝土结构时，除 了进行承载力计算、变形和裂缝验算外，还必须进行耐久性设计。
i1
j1
作用效应组合
作用长期效应组合。永久作用标准值效应 与可变作用准永久值效应相组合，其效应 组合表达式为：
m
n
Sld SGik S 2j Qjk
i1
j1
作用效应组合
◎组合系数
○所谓组合，并非简单的相加（减）： ○根据结构的重要性，以及各个作用效应的各自
特点，选择不同的组合系数。
公路桥涵结构效应组合表达式中各种系数的取值
混凝土结构的耐久性设计实质上是针对影响耐久性能的主要因素提 出相应的对策。
2）影响混凝土结构耐久性的因素
内部因素主要有混凝土的强度、渗透性、保护层厚度、水泥品种和标 号及用量，外加剂、集料的活性等；外部因素则主要有环境温度、湿 度、CO2含量、侵蚀性介质等。
耐久性不好往往是内部的不完善性和外部的不利因素综合作用的结果， 而结构缺陷往往是设计不妥、施工不良引起的，也有因使用维修不当 引起的。
解：本示例为针对钢筋混凝土简支梁跨中截面进行弯 矩组合设计值计算。
1）承载能力极限状态设计时的作用效应基本组合
1）承载能力极限状态设计时的作用效应基本组合 本例的钢筋混凝土简支梁的安全等级取二级，桥梁结构重
要性系数为γ0=1.0。
因恒载作用效应对结构承载能力不利，故永久作用效应的
分项系数取γG1=1.2；汽车荷载作用效应的分项系数为 γQ1=1.4；人群荷载作用效应的分项系数γQ2=1.4。