公路橋梁結(jié)構(gòu)的作用第1頁/共43頁一、概述（1）

橋梁設(shè)計計算作用在橋梁上的廣義荷載是什么？變化規(guī)律如何？最大量值是多少？這些作用使橋梁各構(gòu)件產(chǎn)生什么樣的內(nèi)力效應(yīng)？此內(nèi)力效應(yīng)的分布規(guī)律如何？這些內(nèi)力效應(yīng)與構(gòu)件的抗力相比如何？構(gòu)件、結(jié)構(gòu)安全度如何？滿足規(guī)范的最低要求嗎？第2頁/共43頁回顧什么是極限狀態(tài)？——結(jié)構(gòu)整體或結(jié)構(gòu)局部達到不適合繼續(xù)使用的特殊狀態(tài)。什么是承載能力極限狀態(tài)？——對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力，或產(chǎn)生不適于繼續(xù)承載變形的極限狀態(tài)。包括：①結(jié)構(gòu)傾覆、失穩(wěn)、變成幾何可變體系；②構(gòu)件達到極限強度、疲勞強度而破壞，或產(chǎn)生較大的幾何變形等。什么是正常使用極限狀態(tài)？——對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用和耐久性的各項規(guī)定限制的極限狀態(tài)。包括結(jié)構(gòu)及構(gòu)件外觀變形過大、開裂、局部破壞、振動過大等。第3頁/共43頁抗力RR=SR——結(jié)構(gòu)抗力S——作用效應(yīng)簡單說來，就是要求

Z=R-S>0的概率大于一個給定的值，以保障結(jié)構(gòu)運營安全。荷載效應(yīng)S結(jié)構(gòu)所處狀態(tài)R1R2Z2Z1S2S1第4頁/共43頁結(jié)構(gòu)抗力R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力，它是結(jié)構(gòu)材料性能、幾何參數(shù)等的函數(shù)。作用F——施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力，或引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束的原因，它分為直接作用和間接作用。作用效應(yīng)S——結(jié)構(gòu)對所受作用的反應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的內(nèi)力、變形等。一、概述（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計原理建筑結(jié)構(gòu)/橋梁工程/地下工程第5頁/共43頁作用（荷載）確定的重要性——兩個典型實例英國福斯灣海峽鐵路橋，1890年建成，懸臂鋼桁架橋（用鋼量54000t），跨度521.3m，受1879年英國泰灣橋風毀事件的影響，設(shè)計建造時非常保守，將風荷載設(shè)計值大大提高至2.68kN/m2（該地區(qū)目前風荷載取值不超過1kN/m2，我國臺風登陸地區(qū)一般采用1~1.2kN/m2），雖然安全地服役至今，但在建成同時，有人估計用鋼量是實際所需的5倍。英國Severn橋，1966年建成，第一座采用扁平流線型鋼箱梁作為加勁梁的懸索橋，跨度305+988+305m，由于過低地估計貨運汽車重量，建成不久后難以適應(yīng)運輸需求，不得不進行荷載等級提升，雖然耗時7年（1985~1992）、耗費巨大、千方百計地提高了荷載適應(yīng)性，但無法避免主纜安全性能的降低。第6頁/共43頁解放之前，我國沒有設(shè)計規(guī)范，橋梁設(shè)計主要由外國公司承擔，設(shè)計標準套用國外（英美規(guī)范居多）規(guī)范；從上世紀五十年代以來，我國在借鑒前蘇聯(lián)規(guī)范、歐美規(guī)范的基礎(chǔ)上，先后6次修訂公路橋梁設(shè)計荷載標準，具體為（車隊荷載模式：若干主車和一輛重車,名稱中數(shù)字為主車重量t）

1954年：汽-6、汽-8、汽-10、汽-13、汽-18；

1956年：增加了3種驗算荷載：拖-30、拖-60、拖-80；

1967年：汽-10、汽-15、汽-26；履帶-50、拖車-60、拖車-100；

1972年：汽-10、汽-15、汽-20；履帶-50、掛車-80、掛車-100；

1981年：汽車-10級、汽車-15級、汽車-20級、汽車-超20級;履帶-50、 掛車-80、掛車-100、掛車-120；

2003年：公路—Ⅰ級、公路—Ⅱ級；作用（荷載）確定的重要性——我國公路橋規(guī)回顧第7頁/共43頁汽車汽汽

-10級車-15級 車-20級汽車-超20級第8頁/共43頁在現(xiàn)役橋梁中，設(shè)計荷載為汽－20占多數(shù)；目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國公路橋梁63萬座，因設(shè)計荷載等級偏低、交通日益擁堵、超重超載車輛日益增多，現(xiàn)役橋梁“小馬拉大車”現(xiàn)象的普遍存在需要采取運營荷載限制措施的橋梁約占1/10；與美國等國規(guī)范相比，我國公路橋梁荷載標準明顯偏低，汽－20車輛荷載效應(yīng)設(shè)計值僅為美國AASHTO的68％、英國BS5400的60％。設(shè)計作用（尤其是活荷載）確定是一個非常復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟問題，既要考慮安全、又要考慮經(jīng)濟；既要滿足當前需求、又要為將來留有足夠的發(fā)展余地。作用（荷載）確定的重要性——我國公路橋規(guī)回顧（續(xù)）第9頁/共43頁作用分類——按作用方式分類直接作用：施加在結(jié)構(gòu)上的荷載，如自重，汽車荷載等間接作用：引起結(jié)構(gòu)外加變形和約束變形的原因。作用分類——按性質(zhì)分類永久作用、可變作用、偶然作用一、概述（3）討論：為什么以前的規(guī)范將外界施加在結(jié)構(gòu)上的影響稱為“荷載（Lord）”，新規(guī)范稱之為“作用（Action）”，那個更為恰當準確？二者有何區(qū)別？為什么？第10頁/共43頁●作用代表值：代表作用大小的數(shù)值，它采用數(shù)理統(tǒng)計方法、根據(jù)工程經(jīng)驗加以確定（實際作用具有隨機性、離散性）；作用代表值包括作用標準值、頻遇值和準永久值；一、概述（4）作用標準值Pb：各種作用的可能出現(xiàn)的最不利值。作用頻遇值Pn：可變作用的代表值，一般按概率分布的0.95分位值確定。作用準永久值PY：可變作用通常情況下的代表值。OPnPbP概率密度函數(shù)fPFPn=0.95POPYfP概率密度函數(shù)FPY=0.5第11頁/共43頁在進行橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計時，需針對不同設(shè)計目的采用規(guī)定的各種作用值。極限狀態(tài)不同、代表值也會不同。設(shè)計基準期(designreferenceperiod)

簡單地講，它就是在確定某些作用(這些作用的最大值概率分布與時間有關(guān)，如風荷載、車輛活載等)的標準值時需要人為規(guī)定一個基準時間參數(shù)。對橋梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計基準期通常取100年。注意!!設(shè)計基準期≠使用壽命。一、概述（5）第12頁/共43頁概述永久作用可變作用偶然作用作用效應(yīng)組合3公路橋梁結(jié)構(gòu)的作用第13頁/共43頁二、永久作用●永久作用在設(shè)計基準期內(nèi)不變或變化可忽略不計的作用，也稱之為恒載，恒載效應(yīng)占總效應(yīng)的比例在40~95%（跨度越大、比例越高，反之亦然），主要是指結(jié)構(gòu)本身自重、以及與結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的環(huán)境（土、水）所產(chǎn)生的荷載?！耦A(yù)加力在進行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時被視為作用；在進行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時當做抗力。

討論：對預(yù)應(yīng)力為什么這樣規(guī)定？理由是什么?第14頁/共43頁編號作用名稱1結(jié)構(gòu)重力（包括結(jié)構(gòu)附加重力）2預(yù)加力3土的重力4土側(cè)壓力5混凝土收縮及徐變作用6水的浮力7基礎(chǔ)變位作用第15頁/共43頁概述永久作用可變作用偶然作用作用效應(yīng)組合3公路橋梁結(jié)構(gòu)的作用第16頁/共43頁編號作用名稱1汽車荷載2汽車沖擊力3汽車離心力4汽車引起的土側(cè)壓力5人群荷載6汽車制動力7風荷載8流水壓力/冰壓力9溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用10支座摩阻力●可變作用：在設(shè)計基準期內(nèi)隨時間變化的作用，也稱之為活載及其附加荷載。三、可變作用第17頁/共43頁●1、汽車荷載：最主要的可變作用、隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷提高，(習慣上稱為活載，liveload)，其產(chǎn)生的效應(yīng)占總效應(yīng)的5~60%（跨度越大、比例越小，反之亦然）；等級公路-Ⅰ——高速公路、一級公路，二級公路（重載多且作為干線時）公路-Ⅱ級——二級、三級和四級公路組成車道荷載——均布+集中；結(jié)構(gòu)整體計算時采用；車輛荷載——單車荷載；結(jié)構(gòu)局部計算時采用；三、可變作用注意：二者的效應(yīng)不能疊加！第18頁/共43頁計算跨徑（m）P

k公路-Ⅰ級時公路-Ⅱ級時≤5m1800.75×180=135≥50m3600.75×360=270汽車荷載等級公路-Ⅰ級公路-Ⅱ級q（KN/m）

k10.50.75×10.5=7.875車道荷載計算圖及標準值注：1）橋梁計算跨徑在5m～50m之間時，Pk值采用直線內(nèi)插；2）計算剪力效應(yīng)時，表中Pk值應(yīng)乘以1.2的系數(shù)。第19頁/共43頁車輛荷載：計算圖及標準值（550kN重車）30120120140140注：1、車輛荷載的主要技術(shù)指標見相關(guān)圖表；

2、公路-Ⅰ、公路-Ⅱ級采用相同標準值。第20頁/共43頁設(shè)計車道數(shù)2345678橫向折減系數(shù)1.000.780.670.600.550.520.50汽車荷載折減橫向折減原因：橫向每一車隊同時出現(xiàn)最大荷載的概率隨車道數(shù)增加而減小?？v向折減原因：橋跨越長，全橋達到高密度和重載的概率越小，跨度﹥150m時，縱向折減?？v向折減系數(shù)：0.93~0.97方法：多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)時，按最大計算跨徑考慮。注：折減后的效應(yīng)不得小于兩條車道荷載產(chǎn)生的效應(yīng)！第21頁/共43頁●2、汽車沖擊力?原因：

橋面不平整車輪不圓發(fā)動機抖動橋梁振動效應(yīng)比靜載時大這種動力效應(yīng)稱為沖擊力?沖擊力=(1+μ)×（汽車荷載）μ——沖擊系數(shù)?影響μ的主要因素：

結(jié)構(gòu)阻尼材料（自重增大，μ減小）連接方式（剛度增大，μ減小）

跨徑（跨徑增大，μ減?。│膛c橋梁結(jié)構(gòu)的基頻f有關(guān)0.05f＜1.5Hzμ=0.1767lnf-0.0157 0.451.5Hz≤f≤14Hz

f＞14Hz第22頁/共43頁f的計算：常用有限元法，也可簡單地按f=100/L來估算μ=0的情況：

重力式墩臺

填料厚≥0.5m的拱、涵洞μ=0.3的情況：

局部加載

在T梁、箱梁懸臂板加載第23頁/共43頁V＊離心力=C×（車輛荷載）（不計沖擊力）離心力系數(shù)

2127RC●3、汽車離心力R≤250m時,要考慮。離心力或＊原因：彎道行駛橋面＊作用位置：

離心力

1.2m（簡化計算）第24頁/共43頁●4、汽車引起的土側(cè)壓力計算原理：等代土層代替汽車荷載計算橋臺(或擋土墻)后填土破壞棱體對橋臺(或擋土墻)G Bl0的土側(cè)壓力

h

土的重力密度

l0橋臺或擋土墻后填土的破壞棱體長度B橋臺橫向全寬或擋土墻的計算長度G布置在Bl0面積內(nèi)的車輪的總重力等代土層

車荷∑G

l0

h 破壞棱體第25頁/共43頁●5、人群荷載3.0kN/m2計算跨徑L≤50m人群荷載P0r=2.5kN/m2

3.5kN/m2

4.0kN/m2

L≥150m

專用人行橋計算人行道板時應(yīng)用

◆L=50~150m時,P0r可內(nèi)插;

◆城市人多時，放大1.15倍;

◆不等跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，按最大計算跨考慮。第26頁/共43頁●6、汽車制動力

制動力T=10%×（車道荷載）一個車道T≥165kN(公路—Ⅰ級）同向兩車道T=2×（一個車道T）同向三車道T=2.34×（一個車道T）同向四車道T=2.68×（一個車道T）墩、臺剛構(gòu)、拱一般計算圖T橋面1.2mT橋面支座中線支座底線第27頁/共43頁計算方法:靜力計算標準值Fwh=K0K1K3WdAwh●7、風荷載

產(chǎn)生原因:空氣流動說明:

◆順橋向風荷載不計橋面系;

◆橋墩順橋向風荷載按迎風面的70%計算；

◆橋臺不計風載；

◆大橋要做動力計算、風洞試驗。風速重現(xiàn)期阻力地形迎風面面積

基準風壓，見風壓表，0.2~1kN/m2大跨橋梁重要的設(shè)計荷載位移、速度、加速度對結(jié)構(gòu)壓力第28頁/共43頁太陽輻射●8、溫度作用均勻溫度作用

◆影響：超靜定結(jié)構(gòu)

◆大?。号c材料、施工等有關(guān)

◆原理：tTeT0次內(nèi)力最高（低）有效溫度

梯度溫度作用

◆原理：合攏溫度次內(nèi)力梯度溫度◆規(guī)律：

▼對靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、不產(chǎn)生次內(nèi)力

▼對超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力，不可忽視。溫度梯度第29頁/共43頁●9、支座摩阻力活動支座摩阻力：FW支反力摩擦系數(shù)第30頁/共43頁概述永久作用可變作用偶然作用作用效應(yīng)組合3公路橋梁結(jié)構(gòu)的作用第31頁/共43頁四、偶然作用●定義：設(shè)計基準期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但出現(xiàn)時量值很大、破壞力極強、持續(xù)時間較短的作用?！衽既蛔饔梅N類：地震作用； 船舶或漂流物的撞擊作用； 汽車撞擊作用。●地震作用：

抗震設(shè)計規(guī)范：《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》

地震動加速度峰值（簡化）：

6度烈度、按7度設(shè)防，峰值加速度0.1g 7度烈度、按8度設(shè)防，峰值加速度0.2g 8度烈度、按9度設(shè)防，峰值加速度0.4g第32頁/共43頁●船舶、漂流物撞擊作用精確計算困難（一般按規(guī)范計算，特殊重要橋梁進行專題研究計算）規(guī)范規(guī)定Wv gTF

物重 流速撞擊時間（按1s計）◆船舶撞擊力：查表◆漂流物撞擊力： 加速度標準值第33頁/共43頁●車撞擊力

＊必要時可考慮＊標準值（參考國外）

1.2m＊作用影響范圍：直接分布于撞擊涉及的構(gòu)件上500kN1000kN第34頁/共43頁概述永久作用可變作用偶然作用作用效應(yīng)組合3公路橋梁結(jié)構(gòu)的作用第35頁/共43頁五、作用效應(yīng)組合公路橋梁設(shè)計方法：以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)法，采用分項系數(shù)的設(shè)計表達式。極限狀態(tài)：◆承載能力極限狀態(tài)；◆正常使用極限狀態(tài)各種作用不一定同時出現(xiàn)，且出現(xiàn)的幾率也相差較大強調(diào)結(jié)構(gòu)安全、但也應(yīng)適度考慮經(jīng)濟造價因素作用效應(yīng)組合第36頁/共43頁三種設(shè)計狀況

◆持久狀況（使用階段狀況）：指橋涵使用過程中長期承受結(jié)構(gòu)重力、汽車荷載等作用的狀況。在該狀況下，要求對設(shè)想的結(jié)構(gòu)所有功能進行設(shè)計，即應(yīng)進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計?！舳虝籂顩r（施工階段狀況）：只進行承載能力極限狀態(tài)計算（時間短），必要時才作正常使用極限狀態(tài)的計算?！襞既粻顩r（偶然出現(xiàn)的狀況）：只進行承載能力極限狀態(tài)計算（保證主要承重結(jié)構(gòu)不喪失承載能力，或只發(fā)生局部破壞）。第37頁/共43頁●按承載能力極限狀態(tài)（強度）設(shè)計的作用效應(yīng)組合采用兩種作用效應(yīng)組合?；窘M合：永久作用設(shè)計值效應(yīng)+可變作用設(shè)計值效應(yīng)Sud承載能力極限狀態(tài)下作用基本組合的效應(yīng)組合設(shè)計值0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)Gi第i個永久作用效應(yīng)的分項系數(shù)SGik第i個永久作用效應(yīng)的標準值SQ1k汽車荷載效應(yīng)的標準值Q1汽車荷載效應(yīng)的分項系數(shù)Qj在作用效應(yīng)組合中除汽車荷載效應(yīng)、風荷載外的其他第j個可變作用效應(yīng)的分項系數(shù)SQjk在作用效應(yīng)組合中除汽車荷載效應(yīng)外的其他第j個可變作用效應(yīng)的標準值c