桥梁4-设计方法

1.承载能力极限状态： 是指对应于结构、结构构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状
态。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态： 1、结构或结构的一部分作为刚体失去平衡; 2、结构、结构构件或其连接因超过材料强度而破坏，或因过度的塑性变形而不能继续承载; 3、结构转变为机动体系; 4、结构或结构构件丧失稳定;
桥梁结构的设计使用年限（《城市桥梁设计规范》CJJ11—2011）应按下表的规定采用。
桥梁结构的设计使用年限
设计使用年限（年）
1
30
类别 小桥、涵洞
2
50
中桥、重要小桥
3
100
特大桥、大桥、重要中桥
注: 对有特殊要求结构的设计使用年限，可在上述规定基础上 经技术经济论证后予以调整。
设计使用年限是设计规定的一个时期内,结构只需进行正常维护（包括 必要的检测、养护、维修等）,而不需要进行大修就能按预期目的使用， 完成预定功能，也即桥梁主体结构在正常设计、正常施工、正常使用、 正常维护下达到的使用R、变异系 数δR和可靠度指标β，用结构抗力标准值Rk和分项系数γR来表示。
二、正常使用极限状态
1、正常使用极限状态的强度设计准则
正常使用极限状态设计时，除永久作用（或荷载）采用标准值 外，可变作用（或荷载）在一般情况下采用频遇值和准永久值。可 变作用（或荷载）的频遇值和准永久值比其标准值小，这是因为正 常使用极限状态只涉及结构的适用性和耐久性，不涉及结构或构件 的安全性，可靠度较低，荷载也无需采用结构设计的最大值。
结构抗力是指结构或构件截面功效限值，可分为裂缝宽度限值、 挠度限值或抗裂限值（即抗裂弯矩Mcr）等，这些同样是随机变量。
桥梁结构或构件设计内容
持久状况 短暂状况 偶然状况
承载能力极限状态
√ √ √
正常使用极限状态
√ 必要时
×
构件应力计算
√ √ ×
三、容许应力设计法
《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025—86）仍然采 用容许应力设计法。
当设计基准期定为100年时，荷载效应最大值分布的0.95分位值接近于原《公路 桥涵设计通用规范》JTJ 021-89规定的汽车荷载标准值。设计基准期不完全等同于使 用年限，当结构的使用年限超过设计基准期后，并不等于结构丧失功能或报废，只表 明结构的失效概率(指结构不能完成预定功能的概率)可能会比设计时的预期值增大。
根据桥梁结构在施工和使用中的环境条件和影响，将桥梁设计分为以下三种状况： 1、持久状况：在桥梁使用过程中一定出现，且持续期很长的设计状况。 2、短暂状况：在桥梁施工和使用过程中出现概率较大而持续期较短的状况。 3、偶然状况：在桥梁使用过程中出现概率很小，且持续期极短的状况。
持久状况是指桥梁使用阶段适用于结构使用时的正常情况。这个阶段要对桥梁的 所有预定功能进行设计，即必须进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算。
四、耐久性设计原则
混凝土桥梁结构的耐久性取决于混凝土材料的自身特性和 结构的使用环境，与结构设计、施工及养护管理密切相关。综 合国内外研究成果和工程经验，一般是从以下三个方面解决混 凝土桥梁结构的耐久性； （1）采用高耐久性混凝土，提高混凝土自身的抗破损能力。 限制混凝土中的最大碱含量，根据环境要求选择不同水泥品质。 加入添加剂改善混凝土的抗裂性能。 （2）加强桥面排水和防水层设计，改善桥梁的工作环境作用 条件； （3）改进桥梁结构设计，采用具有防腐保护的钢筋（如：体 外预应力钢筋、无粘结预应力钢筋，环氧涂层钢筋等）；加强 构造钢筋，控制裂缝发展；加大混凝土保护层等措施；
当进行承载能力极限状态设计时，应采用作用效应的基本组合和作用效应的偶然 组合；——针对结构的安全性
当按正常使用极限状态设计时，应采用作用效应的标准组合、作用短期效应组合 (频遇组合)和作用长期效应组合(准永久组合)。——针对结构的使用性能和耐久性
短暂状况所对应的是桥梁施工阶段及使用期间维修养护适用于结构出现的临时情 况。与使用阶段相比施工阶段及维修养护的持续时间较短，桥梁结构体系，所承受的 各种荷载亦与使用阶段不同，设计要根据具体情况而定。短暂状况可根据需要进行正 常使用极限状态计算。
承载能力极限状态的强度设计准则
根据概率极限状态设计方法，结合我国公路桥梁以往设计 经验，对于承载能力极限状态，在基本作用（或荷载）的组合 下的表达式为，是荷载（作用）效应不利组合的设计值，小于 或等于结构抗力效应的设计值。
作用（或荷载）效应设计值可根据荷载效应的标准差σ、变 异系数δ和可靠度指标β，用荷载效应的标准值Sk和分项系数γG， γQ来表示。
进行持久状况承载能力极限状态设计时，桥梁亦应按其重要性，破坏后果划分 为三个设计安全等级，表3.0.14列出了不同安全等级所对应的桥梁类型。设计工程 师也可根据桥梁的具体情况与业主商定，但不能低于表列等级。
桥梁设计必须严格实施质量管理和质量控制，设计文件的组成应符 合有关文件编制的规定。对涉及工程质量的构造设计、 材料性能、结 构耐久性、需特别指明的制作或施工工艺、桥梁运行条件、养护维修等 应提出相应的要求。
1．容许应力设计法的强度设计准则，是结构构件任意截面的最
大计算应力不应大于有关规范规定的材料容许应力 max max ≤ [ ]
2．设计桥涵时，分别计算各种荷载在整个结构各控制截面上的 效应（应力和变形等），并根据同时发生的可能性进行组合。经常 作用的为主要组合，加入其它荷载和外力的效应为附加组合。用结 构各构件的各种效应的最不利组合核算各个构件。 3．计算桥梁结构的各种荷载效应时，可将桥梁划分成若干平面结 构，按照线弹性理论，并可用毛截面几何特性求解内力，利用材料 力学公式计算各构件强度、刚度、变形和稳定性。
4．材料的容许应力[ ]，由规定的材料的弹性极限（或极
限强度或流限）除以（主要以经验确定的）大于1.0的安全系 数（公路取1.7～2.0）而得。核算主要组合的应力效应时， 使用基本容许应力；核算附加组合的应力时，其容许值可依 照规范的规定提高25%～50%。
5．容许应力设计法不仅要核算强度，而且要核算其刚度（变 形）和稳定性。有的结构构件还应验算裂缝宽度、疲劳强度 和疲劳容许应力。
设计方法与设计要求
桥梁结构应满足下列功能要求： 1、在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用； 2、在正常使用时，具有良好的工作性能； 3、在正常维护下，具有足够的耐久性能； 4、在设计规定的偶然事件发生时和发生后，能保持必需的整体稳定性。
第1、第4两项是结构的安全性要求，第2项是结构的适用性要求，第3项是结构 的耐久性要求，安全性、适用性、耐久性三者可概括为桥梁结构可靠性的要求。
结构类型
类别
一级
重要结构
特大桥、大桥、中桥、重要小桥
二级 三级
一般结构 次要结构
小桥、重要涵洞、重要挡土墙 涵洞、挡土墙、防撞护栏
注：1 表中所列特大、大、中桥等系按本规范表3.0.2中单孔跨径确定，对多 跨不等跨桥梁，以其中最大跨径为准；冠以“重要”的小桥、挡土墙系 指高速公路、一级公路、城市快速路、主干路及交通特别繁忙的二级公 路、城市次干路上的桥梁、挡土墙。 2 对有特殊要求的桥梁，其设计安全等级可根据具体情况另行确定。
偶然状况是指桥梁可能遇到的偶发事件如地震、撞击等的状况，适用于结构出现 的异常情况。对此状况除地震设计状况外，其他设计状况只需作承载能力极限状态设 计。
当桥梁按持久状况承载能力极限状态设计时，根据结构的重要性、结构 破坏可能产生后果的严重性，应采用不低于下表规定的设计安全等级。
桥梁设计安全等级
安全等级
III类环境——系指海水环境； IV类环境——系指受侵蚀性物质影响的环境。
足够的耐久性能系指桥梁在规定的工作环境中，在预定时间内，其材料性能的 恶化不致导致桥梁结构出现不可接受的失效概率。从工程概念上说，足够的耐久性 能就是指正常维护条件下桥梁结构能够正常使用到规定的期限。
整体稳定性，系指在偶然事件发生时和发生后桥梁结构仅产生局部的损坏而不 致发生连续或整体倒塌。
《公路混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（TJG D62）、《城市 桥梁设计规范》(CJJ 11_2011) 采用概率极限状态设计法。极限状态 分为 两类：
桥梁结构的使用环境条件是影响混凝土结构耐久性的外 部因素，《桥规》（JTG D62）根据公路桥梁的使用情况，并 参照《建混规》（GB 50010）的规定，将桥梁结构使用环境条 件划分为：
I 类环境——系指温暖或寒冷地区的大气环境；与无侵蚀性 的土或水接触的环境；
II类环境——系指严寒地区的大气环境；使用除冰盐环 境；滨海环境。
为保证桥梁结构在设计基准期内有规定的可靠度，必须对桥梁设计严格 实施质量管理和质量控制。根据现行《工程结构可靠度设计统一标准》 GB/T50153附录B桥梁设计的质量控制应做到： 1、勘察资料应符合工程要求、数据正确、结构可靠，设计方案、基本假定和 计算模型合理、数据运用正确。 2、设计文件的编制应符合《建设工程勘察设计管理条例》(中华人民共和国 国务院令2000年9月25日)和现行公路工程或市政公用工程设计文件编制深度 规定的要求。
以可靠性理论为基础的极限状态设计都需有一个确定的设计基准期。设计基准期 是指结构可靠性分析时，为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间 参数，也就是可靠度定义中的“规定时间”。公路桥梁的设计基准期取为100年是根 据我国公路桥梁使用的现状和以往的设计经验确定的，根据《公路工程结构可靠度设 计统一标准》GB/T 50283-1999公路桥梁的车辆荷载统计参数都是按100年确定的， 而未考虑材料性能随时间的变化。
2.正常使用极限状态 是指对应于结构、结构构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态。当结构或结构构
件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态。 1、影响正常使用或外观的变形; 2、影响正常使用或耐久性的局部损坏; 3、影响正常使用的振动; 4、影响正常使用的其他特定状态;