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桥梁工程桥梁的设计作用本讲稿第一页，共三十六页一一.地震作用地震作用*地震区桥梁的设计计算，必须考虑地震力地震区桥梁的设计计算，必须考虑地震力(earthquake force)(earthquake force)。*地震力的计算涉及地震理论、结构动力学、工地震力的计算涉及地震理论、结构动力学、工程地质等多方面的知识。程地质等多方面的知识。*详细计算方法和结构抗震设计可参见详细计算方法和结构抗震设计可参见公路工程抗公路工程抗震设计规范震设计规范(JTJ004-89)(JTJ004-89)和和铁路工程抗震设计铁路工程抗震设计规范规范(GBJ111)(GBJ111)。本讲稿第二页，共三十六页地震的传播：地震的传播：地震波传播地震波传播震区地面运动震区地面运动桥梁基础受到强迫运桥梁基础受到强迫运动动桥梁振动。桥梁振动。地震力：指强烈的地面运动引起的结构自身的惯地震力：指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力性力(地面水平运动加速度与结构质量的乘积地面水平运动加速度与结构质量的乘积)。它不仅与它不仅与地面运动的强烈程度地面运动的强烈程度有关，也与有关，也与结构的动结构的动力特性力特性(频率和振型频率和振型)有关，还与有关，还与桥址处的地质情况桥址处的地质情况有关。有关。本讲稿第三页，共三十六页地震作用分地震作用分竖直方向竖直方向和和水平方向水平方向，经验表，经验表明地震的水平运动是导致结构破坏的主明地震的水平运动是导致结构破坏的主要因素。要因素。结构抗震验算时一般只考虑水平地震作结构抗震验算时一般只考虑水平地震作用。用。本讲稿第四页，共三十六页 衡量地震规模的大小一般采用：衡量地震规模的大小一般采用：震级（震级（magnitude）和烈度（）和烈度（intensity）震级震级M表示地震的强弱，一次地震只有一个震级。表示地震的强弱，一次地震只有一个震级。地震烈度地震烈度I表示地震引起的地面运动的强烈程度和对工表示地震引起的地面运动的强烈程度和对工程设施的破坏程度，一次地震有若干个烈度。程设施的破坏程度，一次地震有若干个烈度。本讲稿第五页，共三十六页 地震基本烈度地震基本烈度反映地震本身的剧烈程度。根反映地震本身的剧烈程度。根据水平地震系数据水平地震系数Kh(地面最大水平加速度的统计平地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度均值与重力加速度g的比值的比值)加以划分的。加以划分的。设计烈度设计烈度由设计者根据建桥地区的基本烈度、由设计者根据建桥地区的基本烈度、桥梁的重要性、遭破坏后进行修复的难易程度选用桥梁的重要性、遭破坏后进行修复的难易程度选用的。的。本讲稿第六页，共三十六页 根据根据20012001年版年版中国地震动参数区划图中国地震动参数区划图(GB18306)(GB18306)，采用地震动峰值加速度系数取代地震，采用地震动峰值加速度系数取代地震基本烈度的概念，两者之间的关系见表基本烈度的概念，两者之间的关系见表3.63.6。本讲稿第七页，共三十六页 抗震设防的基本要求表述为：抗震设防的基本要求表述为：位于地震动峰值加速度为位于地震动峰值加速度为0.1g0.1g、0.15g0.15g、0.2g0.2g和和0.3g0.3g地区的桥涵工程，应进行抗震设计；地区的桥涵工程，应进行抗震设计；位于地震动峰值加速度大于或等于位于地震动峰值加速度大于或等于0.4g0.4g地区的桥地区的桥涵工程，应进行专门的抗震研究和设计。涵工程，应进行专门的抗震研究和设计。本讲稿第八页，共三十六页 公路桥梁的抗震设防一般为设计地震烈度公路桥梁的抗震设防一般为设计地震烈度8 8度；度；连续梁、连续梁、T T形刚构等为形刚构等为7 7度。度。本讲稿第九页，共三十六页地震力的计算方法分地震力的计算方法分静力法静力法和和动态法动态法1、静力法、静力法静力法是用一个水平方向作用的等效静止荷载表示静力法是用一个水平方向作用的等效静止荷载表示地震对结构的作用。地震对结构的作用。静力法主要使用于刚度较大结构。静力法主要使用于刚度较大结构。规范规定：挡土墙、桥台用静力法计算地震力。规范规定：挡土墙、桥台用静力法计算地震力。本讲稿第十页，共三十六页2、反应谱理论、反应谱理论动态法主要有动态法主要有反应谱理论反应谱理论和和时程分析法时程分析法反应谱理论是一种简化的动态分析法，又称动反应谱理论是一种简化的动态分析法，又称动静法。静法。桥梁抗震规范主要采用这种方法计算地震桥梁抗震规范主要采用这种方法计算地震力。力。？对于高墩或特大跨度的桥梁，应如何分析对于高墩或特大跨度的桥梁，应如何分析本讲稿第十一页，共三十六页二二 船只或漂流物的撞冲作用船只或漂流物的撞冲作用 在通行船舶或有漂流物的河流中，河中墩台需要考虑船舶或漂流物的撞击力(collision impact)。船舶或漂流物与桥梁结构的碰撞过程十分复杂，其与碰撞时的环境因素(风浪、气候、水流等)、船舶特性(类型、尺寸、速度、装载情况、船体强度和刚度等)、桥梁结构特性(尺寸、形状、材料、质量和抗力等)等有关。本讲稿第十二页，共三十六页v精精确确计计算算很很困困难难，一一般般按按规规范范计计算算，特特殊殊桥桥梁梁要要做做专题研究专题研究v目目前前，撞撞击击力力通通常常按按静静力力法法计计算算，假假定定船船筏筏作作用用于于墩墩的的有效动能转化为撞击力有效动能转化为撞击力F F所做的功。所做的功。物重流速加速度撞击时间，以秒计本讲稿第十三页，共三十六页 公路桥梁规范按照公路桥梁规范按照“静力法静力法”，并依据，并依据20042004年版年版内河通航标准内河通航标准(GB50139)(GB50139)：给出了一至七级内河航道上、不同吨位的船舶可能给出了一至七级内河航道上、不同吨位的船舶可能产生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值。产生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值。对近海通行海轮区域的船舶对近海通行海轮区域的船舶(吨级从吨级从3000300050000t)50000t)产生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值，则是根据国内产生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值，则是根据国内外研究成果，并经综合分析比较确定的。外研究成果，并经综合分析比较确定的。当桥墩配置了防撞设施时，可不计撞击作用。当桥墩配置了防撞设施时，可不计撞击作用。本讲稿第十四页，共三十六页三三.汽车撞击作用汽车撞击作用 公路桥梁的某些结构构件公路桥梁的某些结构构件(如防撞护栏，跨线桥的桥墩等如防撞护栏，跨线桥的桥墩等)必必要时可考虑汽车的撞击作用。要时可考虑汽车的撞击作用。汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取1000kN1000kN，在车辆行驶垂直，在车辆行驶垂直方向取方向取500kN500kN，两个方向的撞击力不同时考虑，两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上撞击力作用于行车道以上1 12m2m处。处。对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击标准值予以折减，但折减后的撞击力不应低于上述规对汽车撞击标准值予以折减，但折减后的撞击力不应低于上述规定值的定值的1/61/6。本讲稿第十五页，共三十六页四四.施工荷载施工荷载 在桥梁设计中，需考虑到结构在建造、运输、架在桥梁设计中，需考虑到结构在建造、运输、架设安装等施工阶段可能遇到的各种临时荷载，如设安装等施工阶段可能遇到的各种临时荷载，如施工施工人员、架桥机、挂篮、起吊机具和其他材料或设备的人员、架桥机、挂篮、起吊机具和其他材料或设备的重力。重力。这些施工荷载的数值及其对结构的影响可视这些施工荷载的数值及其对结构的影响可视具体情况分析。具体情况分析。本讲稿第十六页，共三十六页 第五节第五节 作用效应组合作用效应组合 作用效应组合(combination of action effects)为了保证桥梁结构的安全和适用,需要根据作用的特性、桥梁结构的特性、施工方法以及桥位处的环境等因素，针对结构的不同状况、不同安全等级、不同设计或验算内容，确定各种作用效应的取舍以及各种作用效应对结构的共同效果(叠加值)，即作用效应组合.本讲稿第十七页，共三十六页 组合总原则：作用效应组合应只涉及结构上可能同时出现的作用效应组合应只涉及结构上可能同时出现的作用效应，并以桥梁在施工或运营时可能处于作用效应，并以桥梁在施工或运营时可能处于最最不利受力状态不利受力状态为原则。为原则。本讲稿第十八页，共三十六页对铁路桥和公路桥，由于目前所采用的设计方法不同对铁路桥和公路桥，由于目前所采用的设计方法不同，故作用效应组合的表达形式也不同，故作用效应组合的表达形式也不同 铁路桥设计仍采用容许应力法铁路桥设计仍采用容许应力法。本讲稿第十九页，共三十六页另外，基于另外，基于最不利原则最不利原则，当某项可变作用对结构，当某项可变作用对结构产生有利影响时，该项作用不参与组合。产生有利影响时，该项作用不参与组合。施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑。组合式桥梁，当把底梁作为施工支撑时，作载加以考虑。组合式桥梁，当把底梁作为施工支撑时，作用效应宜分两个阶段组合，底梁受荷为第一个阶段，组合用效应宜分两个阶段组合，底梁受荷为第一个阶段，组合梁受荷为第二个阶段。梁受荷为第二个阶段。本讲稿第二十页，共三十六页公路桥公路桥两两种种极极限限状状态态:按按承承载载能能力力极极限限状状态态和和正正常常使使用用极极限限状状态态进进行行作作用用效效应应组组合合，取取其其最最不不利利效效应应组合进行设计。组合进行设计。?回顾：什么是极限状态回顾：什么是极限状态本讲稿第二十一页，共三十六页三种设计状况：三种设计状况：1 1 持持久久状状况况 指指桥桥涵涵使使用用过过程程中中长长期期承承受受结结构构重重力力、汽汽车车荷荷载载等等作作用用的的状状况况。在在该该状状况况下下，要要求求对对设设想想的的结结构构所所有有功功能能进进行行设设计计，即即应应进进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。2 2 短短暂暂状状况况 指指桥桥涵涵施施工工过过程程中中承承受受临临时时性性作作用用的的状状况况。在在该该状状况况下下，仅仅要要求求进进行行承承载载能能力力极极限限状状态态设设计计，必必要要时时才才进进行行正正常常使使用用极极限限状状态态设计。设计。本讲稿第二十二页，共三十六页 3 3 偶偶然然状状况况 指指桥桥涵涵使使用用过过程程中中可可能能偶偶然然遭遭受受的的地地震震等等状状况况。在在该该状状况况下下，仅仅要要求求进进行行承承载载能能力力极极限限状状态态设设计计，不不需需要要进进行行正正常常使使用用极极限状态设计。限状态设计。本讲稿第二十三页，共三十六页 在按持久状况承载能力极限状态设计时，按照结构可能在按持久状况承载能力极限状态设计时，按照结构可能破坏的严重程度，将公路桥涵划分为三个设计安全等级，见破坏的严重程度，将公路桥涵划分为三个设计安全等级，见表表3.73.7。根据不同等级，拟定。根据不同等级，拟定相应的结构重要性系数相应的结构重要性系数与与作作用效应组合值用效应组合值相乘。相乘。本讲稿第二十四页，共三十六页按承载能力极限状态设计时的作用（或荷载）按承载能力极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合效应组合公路桥涵结构的承载能力极限状态设计，按照可能公路桥涵结构的承载能力极限状态设计，按照可能出现的作用，将其分为两种作用效应组合，出现的作用，将其分为两种作用效应组合，即基本组合和偶然组合。作用效应的作用效应的基本组合基本组合是指永久作用设计值效应与可变作是指永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合。这种组合用于结构的常规设计，是所用设计值效应的组合。这种组合用于结构的常规设计，是所有公路桥涵结构都应该考虑的。有公路桥涵结构都应该考虑的。作用设计值为作用的标准值乘以相应的分项系数。作用设计值为作用的标准值乘以相应的分项系数。本讲稿第二十五页，共三十六页作用效应的作用效应的偶然组合偶然组合是指永久作用标准值、可变作是指永久作用标准值、可变作用代表值和一种偶然作用标准值的效应组合，视具体用代表值和一种偶然作用标准值的效应组合，视具体情况，也可不考虑可变作用效应参与组合。情况，也可不考虑可变作用效应参与组合。作用效应偶然组合用于结构在特殊情况下的设计，所以作用效应偶然组合用于结构在特殊情况下的设计，所以不是所有公路桥涵结构都要采用的，一些结构也可采取构造不是所有公路桥涵结构都要采用的，一些结构也可采取构造或其他预防措施来解决。或其他预防措施来解决。按承载能力极限状态设计时的作用（或荷载）效应按承载能力极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合组合本讲稿第二十六页，共三十六页通用规范（通用规范（JTG D60JTG D60）规定，公路桥涵结构按承载能力极）规定，公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合：限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合：1.1.基本组合基本组合 永久作用的设计值效应与可变作用设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：计值效应相组合，其效应组合表达式为：本讲稿第二十七页，共三十六页承载能力极限状态下基本组合的作用效应组合设计值；承载能力极限状态下基本组合的作用效应组合设计值；结构重要性系数，对应于设计安全等级一级、二级和三级的桥涵，分结构重要性系数，对应于设计安全等级一级、二级和三级的桥涵，分别取别取1.11.1，1.01.0和和0.90.9；第第i i个永久作用效应的分项系数；个永久作用效应的分项系数；分别为第分别为第i i个永久作用效应的标准值和设计值；个永久作用效应的标准值和设计值；汽车荷载效应汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)的分项系数；的分项系数；分别为汽车荷载效应分别为汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)的标准值和设计值；的标准值和设计值；除汽车荷载效应除汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)、风荷载外的其他第、风荷载外的其他第j j可变作用效可变作用效应的分项系数；应的分项系数；除汽车荷载效应除汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)外的其他第外的其他第j j个可变作用效应的标个可变作用效应的标准值和设计标准值和设计值；准值和设计标准值和设计值；除汽车荷载效应除汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)外的其他可变作用效应的外的其他可变作用效应的组合系组合系数；数；由于若干个独立可变作用效应同时出现的概率较小，故采用这一系数由于若干个独立可变作用效应同时出现的概率较小，故采用这一系数对这些作用效应的组合予以折减，它随着可变作用项数的增加而减少。对这些作用效应的组合予以折减，它随着可变作用项数的增加而减少。本讲稿第二十八页，共三十六页 2 2 偶然组合偶然组合 永永久久作作用用标标准准值值效效应应与与可可变变作作用用某某种种代代表表值值效效应应一一种种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的效应分项系数取偶然作用的效应分项系数取1.01.0；与与偶偶然然作作用用同同时时出出现现的的可可变变作作用用，可可根根据据观观测测资资料料和和工工程经验取用适当的代表值。程经验取用适当的代表值。地地震震作作用用标标准准值值及及其其表表达达式式按按现现行行公公路路工工程程抗抗震震设计规范规定采用。设计规范规定采用。偶偶然然组组合合用用于于结结构构在在特特殊殊情情况况下下(如如地地震震)的的设设计计，不不是是所所有公路桥梁都要采用。有公路桥梁都要采用。本讲稿第二十九页，共三十六页通用规范通用规范JTG D62JTG D62规定：规定：需要考虑需要考虑可变作用的短期效应组合可变作用的短期效应组合和和长期效应组合长期效应组合，其可变作用代表值采用频遇值和准永久值。其可变作用代表值采用频遇值和准永久值。众所周知，正常使用极限状态设计仅涉及结构构件的众所周知，正常使用极限状态设计仅涉及结构构件的抗裂、裂缝宽度和挠度，其结构可靠度要比承载能力极限抗裂、裂缝宽度和挠度，其结构可靠度要比承载能力极限状态低得多。状态低得多。按正常使用极限状态设计时的作用（或荷载）效应按正常使用极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合组合本讲稿第三十页，共三十六页可变作用的频遇值可变作用的频遇值是指结构上较频繁出现的且量值是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值，但它比可变作用的标准值小，实际上较大的作用取值，但它比可变作用的标准值小，实际上由标准值乘以小于由标准值乘以小于1.01.0的频遇值系数的频遇值系数1 1得到。得到。可变作用的准永久值可变作用的准永久值是指在结构上经常出现的作是指在结构上经常出现的作用取值，但它比可变作用的频遇值又要小一些，实际用取值，但它比可变作用的频遇值又要小一些，实际上是由标准值乘以小于上是由标准值乘以小于1 1的准永久值系数的准永久值系数2 2的得到。的得到。按正常使用极限状态设计时的作用（或荷载）效应按正常使用极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合组合本讲稿第三十一页，共三十六页 1.1.作用短期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遇值效应相组合，其效应组合表达式为:2.2.作用长期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：永久值效应相组合，其效应组合表达式为：本讲稿第三十二页，共三十六页 当需对结构构件进行持久状况和短暂状况当需对结构构件进行持久状况和短暂状况下的截面混凝土或钢筋应力计算时，下的截面混凝土或钢筋应力计算时，除特别指除特别指明外，各作用效应的分项系数应取为明外，各作用效应的分项系数应取为1.01.0，各项，各项应力限值应按各设计规范的相应规定采用。应力限值应按各设计规范的相应规定采用。本讲稿第三十三页，共三十六页施工（几何施工（几何/物理）误差客观存在、材料性能也有一定离物理）误差客观存在、材料性能也有一定离散性；散性；各种作用且出现的几率相差较大；各种作用且出现的几率相差较大；计算理论、计算分析方法尚不够完善准确；计算理论、计算分析方法尚不够完善准确；主要使用荷载（人群、汽车）存在一定的变异，且主要使用荷载（人群、汽车）存在一定的变异，且随时代发展而不断变化；随时代发展而不断变化；桥梁在交通路网重要性不同、安全储备要求不同，桥梁在交通路网重要性不同、安全储备要求不同，破坏后修复难度不同、直接间接损失也不同。破坏后修复难度不同、直接间接损失也不同。?为什么要乘组合系数，组合系数为什么不一样为什么要乘组合系数，组合系数为什么不一样本讲稿第三十四页，共三十六页思考题：思考题：v你认为全国采用统一的规范标准有何好处？你认为全国采用统一的规范标准有何好处？有何不合理之处？有何不合理之处？v作为一名未来的工程师，说说你如何看待工作为一名未来的工程师，说说你如何看待工程师设计作品与行业规范、国家标准的关系程师设计作品与行业规范、国家标准的关系？每个题目写成每个题目写成1000-15001000-1500字的小论文字的小论文本讲稿第三十五页，共三十六页本讲稿第三十六页，共三十六页