桥梁工程第三章桥梁的设计作用(4课时)

6、车辆制动力和牵引力 车辆制动力是指车辆在制动时为克服车辆的惯性力（或阻 力）而在路面与车轮之间发生的滑动摩擦力；牵引力是指 车辆在启动时为克服车辆的阻力而在路面与车轮之间发生 的滑动摩擦力。 制动力和牵引力是墩台设计的重要荷载，是作用在桥上的 纵向水平力。 公路桥只考虑制动力。 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%，但公路－Ⅰ级汽车荷载的制动力标 准值不得小于165kN；公路－Ⅱ级不小于90kN。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。
（3）汽车活载的加载 加载就是按最不利原则布置标准活载，通过结构分析计算 桥梁活载效应（内力、应力和位移、变形等）的最不利值 • 一般做法：先计算结构内力及位移影响线，然后布载并加 载。对均布荷载，加载为荷载集度与同号区段影响线面积 的乘积；对集中荷载，为荷载大小与对应影响线纵坐标值 的乘积。 • 对公路车道荷载，布载时，应将其中的均布荷载标准值（ 任意长度，任意截取）满布于使结构产生最不利效应的同 号影响线区段上，而集中荷载标准值只布置在相应影响线 中的一个最大影响线峰值处。 • 对公路车辆荷载，则使用轮系荷载直接加载并通过试算的 方法找出最不利值。

2、公路桥涵设计时.对不同的作用应采用不同的代表值 （1）永久作用：采用标准值作为代表值 （2）可变作用：应根据不同的极限状态分别采用标准值、 频遇值或准永久值作为其代表值。 承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构强度时应采 用标准值作为可变作用的代表值； 正常使用极限状态按短期效应(频遇)组合设计时，应采用 频遇值作为可变作用的代表值; 按长期效应(准永久)组合设计时，应采用准永久值作为可 变作用的代表值。 （3）偶然作用：采用标准值作为代表值
7、温度作用
温度作用指因温度的变化而引起的结构变形和附加力。包
括均匀温差（年温差）的影响，梯度温差（日照温差）的影 响。 气温变化对静定和超静定结构的影响不同 由日照、骤冷等天气情况引起的温差，则对静定或超静定的 桥梁结构，均可能会产生附加力。例如，由于材料导热性的 差异，在由混凝土桥面板和钢梁组成的简支结合梁中，会因 温差在截面土产生附加应力. 均匀温度的取值，可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；均匀温度的变化值，应自结构 合龙时的温度算起。 例如，若桥位处最高和最低月平均气温分 别为 +40°C 和 0°C ，而架梁或结构合龙时的温度为 +20°C ，则 均匀温度的变化幅度为40°C，而用于计算温度作用效应的均匀 温度值为+20°C。
5、在外部超静定的混凝土桥梁结构中

第三节 可变作用
主要内容：

1.定义 2.计算方法
一、定义

位置、大小、 方向
在结构使用期间，其量值随时间变化，且其变化值与平均 值比较不可忽略的作用。
二、计算方法
1、汽车荷载

对公路桥，指汽车、挂车、履带车等。车辆荷载的种类繁 多，因此，需要对车辆荷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，确定出设计采用的标准活 载。分为两个等级：公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级
桥梁工程
第三章 桥梁的设计作用 （荷载）
内容介绍

作用的分类和作用代表值 永久作用 可变作用 偶然作用 作用效应组合
第一节 作用的分类和作用的代表
主要内容：


1.作用的定义 2.作用的分类 3.作用的代表
一、作用的定义

《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）：作用于桥 梁上的荷载和引起结构外加变形或约束变形的原因统称为作 用。作用是施加在结构上的一组集中力或分布力，或引起结 构外加变形或约束变形的原因，前者称直接作用或荷载，后 者称间接作用。


二、计算方法
1、结构重力
＝结构体积与材料容重（重力密度）的乘积 在进行桥梁结构 (尤其是新型结构)分析时，往往需要预先估 算恒载。通常，当估算的恒载与设计图完成后确定的恒载 之间Байду номын сангаас差异较小 (例如，不超过 3％)时，不必修正设计；否 则有必要按设计图重新计算恒载，再次进行结构分析。 2、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 。
4、离心力 离心力是指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。当曲线半径等于或小于 250m 时， 应计算汽车荷载引起的离心力。离心力的大小等于车辆活 载（不计冲击力）乘以离心力系数 C ， C 值按下式计算
V2 C 127 R
式中 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）。计算多车道桥梁的汽车荷载离心力 时，车辆荷载标准值应按规定的横向折减系数。
3、设计基准期（Design reference period）

简单地讲，它就是在确定某些作用(这些作用的最大值概 率分布与时间有关，如风荷载、车辆活载等)的标准值时 需要人为 规 定的一个基准时间参数。对桥梁结构，设计 基准期通长取100年。100年，与寿命的关系
第二节 永久作用
主要内容：

大跨径公路桥梁上的车道荷载，还应考虑纵向折减。这
是因为：在制订车道荷载标准时，采用了自然堵塞的车间 间距；在确定荷载大小时，采用了重车居多的调查资料。 但对大跨径桥梁，随着跨径的增加，实际通行车辆出现上 述情况就会逐步缓解。因此，需对汽车荷载(或其效应)按 跨度进行折减。规范规定：当桥梁计算跨径大于150m时， 应按上表进行纵向折减。对多跨连续结构(如连续梁桥)， 按主跨进行全桥折减。

2、可变作用（活载）： 设计使用期内，其作用位置、大小和方向随时间变化，且 其变化与平均值相比不可忽略的荷载。车辆荷载和人群荷 载、汽车制动力，支座摩阻力，风力，流水压力，温度影 响力，冰压力等 3、偶然作用： 设计使用期内不一定会发生，但一旦出现，其持续时间短 而数值大。包括地震力、船只或漂浮物的撞击力、汽车撞 击力。 公路桥梁抗震设防：设计地震烈度8度。但连续梁桥、T 形刚构等宜用设计烈度7度。有抗震要求的桥梁应按地震 力作用进行强度和稳定性验算。验算时只计恒载产生的地 震力。
三、作用代表值
结构或结构构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作 用规定值(包括标准值、频遇值和准永久值等)。 1、三种代表值的含义 （1）标准值 作用的基本代表值，其值可根据作用在设计基准期内最大值 概率分布的某一分位值确定。 （2）频遇值 是可变作用的一种代表值，按正常使用极限状态短期效应组 合设计时，其值可根据足够长观测期内作用任意时点概率分 布的0.95分位值确定。 （3）准永久值 是可变作用的一种代表值，按正常使用极限状态长期效应组 合设计时，其值可根据足够长观测期内作用任意时点概率分 布的0.5（或略高于0.5）分位值确定。
2、汽车冲击力 汽车以较高速度驶过桥梁时，由于桥面不平整、发动机 震动等原因，会引起桥梁结构的振动，从而造成内力增 大，这种动力效应称为冲击作用。 （1）桥跨结构继续向大跨度发展 在计算中采用静力学的方法来考虑，即引入一个竖向动 （2）我国预应力混凝土桥跨结构逐步成为发展主体 力效应的增大系数 ——冲击系数μ，来计及汽车荷载的 冲击作用，汽车荷载的冲击力即为汽车荷载标准值乘以 （3）结构形式和构造呈多样化发展 冲击系数 μ。
二、作用的分类
永久作用、可变作用、偶然作用 1、永久作用（恒载）： 设计使用期内，其作用位置、大小和方向不随时间变化， 或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。包括：自重、 桥面铺装及附属设备、作用在结构上的土重和土侧压力、 基础变位的影响力、水浮力、长期作用于结构上的人工预 施力、砼收缩和徐变的影响力。
对公路桥，计算由温度梯度引起的温度作用效应时:竖向温 度梯度:可采用图所示的曲线；不计及横向温度梯度作用:考 虑到结构两侧腹板外的悬臂板较长，腹板受太阳直接辐射较 少，梁底始终不受日照。
（4）桥梁设计理论更趋完善和合理
（5）桥梁CAD技术应用更趋广泛
（6）建桥材料向高强、轻质、多功能方向发展

①
②
③
④
⑤
新的 〈通用规范JTG D60〉规定，汽车荷载冲击力应按 下列规定计算： 钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工拱桥等上部 构造和钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混 凝土柱式墩台，应计算汽车的冲击作用。 填料厚度（包括路面厚度）等于或大于0.5m的拱桥、涵 洞以及重力式墩台不计冲击力。 支座的冲击力，按相应的桥梁取用。 汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系 数μ 汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系 数:采用μ =1.3。
⑥
冲击系数μ 的计算
当f＜1.5Hz时， ＝0.05 当1.5Hz≤f≤14Hz时，＝0.1767lnf－0.0157 当f＞14Hz时，＝0.45 f为结构基频（Hz），按有限元分析或简化公式计算
3、人群荷载 公路桥梁的人群荷载集度： 3kN/m2 （ L0 ≤50m 计算跨径 ）， 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；专用人行桥取3.5kN/m2 。 人行道板还应以 4kN/m2 （公）的荷载进行检算，人群作 用于栏杆上的水平推力按 0.75kN/m 考虑，作用于立柱和 扶手的竖向力按1.0kN/m考虑。
•
车辆荷载用于桥梁结构的局部加载。为一总重为550kN的 标准车。公路一I级和公路一Ⅱ级汽车荷载采用相同的车 辆荷载标准值。
（2）汽车活载的折减 对双车道以上的公路桥，需要考虑汽车荷载的多车道横向 折减。 横向折减的含义是：在多车道（或多线）桥梁上 行驶的汽车荷载使桥梁结构产生某种最大作用效应时，不 同车道上的汽车荷载同时处于最不利位置的可能性大小。 显然，车道数越多，可能性（即同时出现最不利加载的几 率）越小。但在桥梁设计中，为方便计，各个车道上的汽 车荷载都是按最不利位置布置的，因此，就应根据上述可 能性的大小对总的汽车荷载（或其作用效应）进行折减。


注：二级公路为干线公路且重型车辆多时，其桥涵的设计可采用公路 公路—Ⅰ级汽车荷载。 四级公路上重型车辆少时，其桥涵设计所采用的公路公路—Ⅱ级车道 荷载的效应可乘以0.8的折减系数，车辆荷载的效应可乘以0.7的折减 系数。
（1）标准荷载值 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（取加载不利者） • 车道荷载：均布荷载＋集中荷载，用于桥梁结构的整体计 算
5、风荷载 当风以一定速度运动并受到桥梁阻碍时，桥梁就承受到风 压。对大跨度的斜拉桥、悬索桥以及高耸的桥塔和桥墩等 ，尤其如此。

公路桥横桥向风荷载按下式计算
Fwh k0k1k3Wd Awh
Fwh——横桥向风荷载标准值（kN） Wd——设计基准风压 （kN/m2） k0—— 设计风速重现期换算系数 k1—— 风载阻力系数 k3—— 地形、地理条件系数

3、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（由下而上的）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。 4、预应力混凝土桥梁结构

对于预应力混凝土桥梁，在检算结构的使用性能（如混 凝土应力）时，预加应力当视为恒载；在检算结构的承 载能力（如抗弯强度）时，预加应力不作为恒载，但把 预应力钢筋视为结构抗力的一部分。 混凝土收缩、徐变影响力是长期存在并起作用的。基础 变位一旦发生，其对结构的影响也是长期的。
1.定义 2.计算方法
一、定义

位置、大小、 方向
在结构在结构设计基准期内，其量值不随时间而变化， 或其变化值与平均值比较可以忽略不计的作用。 作用于桥梁上部结构的恒载－结构的重力和附属设备等 外加重力； 作用在桥梁下部结构的恒载－由支座传递的上部结构的 重力、墩台本身的重力、土压力和水压（浮）力等。