《桥梁设计荷载》PPT课件.ppt

第一篇 总论 Introduction1 概论2 桥梁的基本组成和分类3 桥梁总体规划和设计要点4 桥梁的设计荷载4-1规范中有关设计荷载的规定4-1 规范中有关设计荷载的规定 作用作用 Action Action 施加于结构上的一组集中力或分布力，或引施加于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，也称荷载，起结构外加变形或约束变形的原因。前者称直接作用，也称荷载，后者称间接作用。后者称间接作用。分类：分类：1 1）永久作用）永久作用 Permanent action Permanent action在结构使用期间，其量值不在结构使用期间，其量值不随时间而变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计的作用。随时间而变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计的作用。2 2）可变作用）可变作用 Variable action Variable action在结构使用期间，其量值随时在结构使用期间，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。间变化，且其变化值与平均值比较不可忽略的作用。3 3）偶然作用）偶然作用 Accidental action Accidental action在结构使用期间出现的概率在结构使用期间出现的概率很小，一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。很小，一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。规范中有关设计荷载的规定作作 用用 分分 类类 永久作用一、永久作用（恒载）一、永久作用（恒载）包括：包括：结构重力、预加应力、土的重力、土侧压力、混凝土结构重力、预加应力、土的重力、土侧压力、混凝土收缩及徐变作用、混凝土收缩及徐变作用和基础变位作用等收缩及徐变作用、混凝土收缩及徐变作用和基础变位作用等七种。七种。结构物自身重力及桥面铺装、附属设施等外加重力结构物自身重力及桥面铺装、附属设施等外加重力均属于结均属于结构重力，它们可按照结构物的实际体积或设计拟定的构重力，它们可按照结构物的实际体积或设计拟定的体积乘体积乘以材料的容重以材料的容重计算。计算。永久作用预加应力预加应力在结构正常使用极限状态设计和使用阶段构件应力在结构正常使用极限状态设计和使用阶段构件应力计算时，应作为永久荷载来计算其主、次效应，并计入相应计算时，应作为永久荷载来计算其主、次效应，并计入相应阶段的预应力损失；在结构承载能力极限状态设计时，预加阶段的预应力损失；在结构承载能力极限状态设计时，预加应力不作为荷载，而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分。应力不作为荷载，而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分。但在连续梁等超静定结构中，仍需考虑预加力引起的次效应。但在连续梁等超静定结构中，仍需考虑预加力引起的次效应。对于对于超静定的混凝土结构、钢混凝土组合结构超静定的混凝土结构、钢混凝土组合结构等均应考虑等均应考虑混凝土的收缩和徐变作用的影响，预应力构件还涉及其预应混凝土的收缩和徐变作用的影响，预应力构件还涉及其预应力损失问题。力损失问题。可变作用二、可变作用（活载）（一）汽车荷载（一）汽车荷载v 汽车荷载分为汽车荷载分为公路公路-I级级和和公路公路-级级。v 汽车荷载由汽车荷载由车辆荷载车辆荷载和和车道荷载车道荷载组成。组成。汽车荷载1.1.车道荷载车道荷载（整体计算）（整体计算）车道车道 荷载荷载均布荷载标准值均布荷载标准值 q qk k=10.5kN/m=10.5kN/m集中荷载标准值集中荷载标准值 注：注：1.1.计算计算剪力效应剪力效应时，集中荷载标准值时，集中荷载标准值P PK K应应乘以乘以1.21.2的系数。的系数。2.2.均布荷载标准值均布荷载标准值应满布于使结构产生应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；最不利效应的同号影响线上；3.3.集中荷载标准值集中荷载标准值只作用于相应影响线只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。中一个最大影响线峰值处。3 3.公路公路-级车道荷载的标准值级车道荷载的标准值q qk k 和和P PK K按按公路公路-级车道荷载的级车道荷载的0.750.75倍采用。倍采用。汽车荷载2.2.车辆荷载车辆荷载（局部计算）（局部计算）车辆车辆荷荷载载主要技主要技术术指指标标3.0汽车荷载3.3.车辆横向布置车辆横向布置汽车荷载4.4.折减系数折减系数注：注：当横向布置车队数大于当横向布置车队数大于2 2时，应计入横向折减，但折减后不得小于时，应计入横向折减，但折减后不得小于用两行车队计算的结果。用两行车队计算的结果。注：注：当桥梁计算跨径大于当桥梁计算跨径大于150m150m时，应考虑计算荷载效应的纵向折减。时，应考虑计算荷载效应的纵向折减。汽车冲击力 （二）汽车冲击力1.产生产生原因：原因：v汽汽车车高速高速驶过桥驶过桥梁、梁、桥桥面不平整、面不平整、发动发动机震机震动动等会引起等会引起桥桥梁梁结结构振构振动动，从而造成内力增大，从而造成内力增大，这这种种动动力效力效应应称称为为冲冲击击作用。作用。2.冲冲击击系数系数：v汽车过桥时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数。汽车过桥时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数。3.需要计算的规定：需要计算的规定：v钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工拱桥等上部构造钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工拱桥等上部构造和刚制作、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式和刚制作、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车冲击作用。墩台，应计算汽车冲击作用。汽车冲击力4.计算计算：v以以结结构基构基频为频为主要影响因素主要影响因素v计算方法：计算方法：当当 f1.5Hz时时，0.05 当当1.5Hzf14Hz时时，0.1767lnf 0.0157 当当 f14Hz时时，0.45 当汽车荷载的局部加载及在当汽车荷载的局部加载及在T T梁、箱梁悬臂板上时，梁、箱梁悬臂板上时，0.3。桥梁结构的基频反映了结构的尺寸、类型、桥梁结构的基频反映了结构的尺寸、类型、建筑材料等动力特性内容，它直接反映了建筑材料等动力特性内容，它直接反映了冲击系数与桥梁结构之间的关系。不管桥冲击系数与桥梁结构之间的关系。不管桥梁的建筑材料、结构类型是否有差别，也梁的建筑材料、结构类型是否有差别，也不管结构尺寸与跨径是否有差别，只要桥不管结构尺寸与跨径是否有差别，只要桥梁结构的基频相同，在同样条件的汽车荷梁结构的基频相同，在同样条件的汽车荷载下，就能得到基本相同的冲击系数。载下，就能得到基本相同的冲击系数。汽车冲击力v结构基频估算公式：结构基频估算公式：（1 1）简支梁桥：）简支梁桥：汽车冲击力v结构基频估算公式：结构基频估算公式：（2 2）连续梁桥：）连续梁桥：正弯矩效应和剪力效应正弯矩效应和剪力效应负弯矩效应负弯矩效应汽车荷载离心力 （三）汽车荷载离心力1.产生产生原因：原因：v当弯道当弯道桥桥梁的曲梁的曲线线半径等于或小于半径等于或小于250m时时，需考，需考虑车辆虑车辆的离的离心力作用。心力作用。2.计算：计算：v车辆荷载（不计冲击力）标准值乘以离心力系数车辆荷载（不计冲击力）标准值乘以离心力系数C C。离心力。离心力系数按下式计算：系数按下式计算：离心力作用点：铁路轨顶以上离心力作用点：铁路轨顶以上2m2m，公路桥面以上，公路桥面以上1.2m1.2m。汽车荷载引起的土压力 （四）汽车荷载引起的土压力1.产生产生原因：原因：v车辆车辆荷荷载载作用在作用在桥桥台台背或路堤台台背或路堤挡挡土土墙墙上，上，将引起台背填土或将引起台背填土或挡挡土土墙墙后填土的破坏后填土的破坏棱体棱体对桥对桥台或台或挡挡土土墙墙的土的土侧压侧压力力。2.计算：计算：式中：式中：土的容重，以土的容重，以kN/mkN/m3 3计计；B B 桥桥台的台的计计算算宽宽度或度或挡挡土土墙墙的的计计算算长长度，以度，以m m计计；l l0 0 桥桥台或台或挡挡土土墙墙后填土的破坏棱体后填土的破坏棱体长长度，以度，以m m计计；G G 布置在布置在BBl l0 0面面积积内的内的车辆车轮车辆车轮重力，以重力，以kNkN计计。注：当涉及多注：当涉及多车车道加道加载时载时，车轮总车轮总重力重力应进应进行行横向横向折减。折减。人群荷载 （五）人群荷载1.取值取值：v城镇郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述城镇郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述规定值的规定值的1.15倍。倍。v专用人行桥梁，人群荷载标准值为专用人行桥梁，人群荷载标准值为4kN/m2。注：注：对跨径不等的连续对跨径不等的连续结构，以最大计算结构，以最大计算跨径为准。跨径为准。人群荷载2.加加载载方式方式 在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使结构产生最在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。不利荷载效应的区段内。人行道板可以一块板为单元，按标准值人行道板可以一块板为单元，按标准值4.0kN/m4.0kN/m2 2的均布荷载计算。的均布荷载计算。计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取0.75KN/m;0.75KN/m;作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1.0kN/m1.0kN/m。汽车荷载制动力 （六）汽车荷载制动力和牵引力v制动力：制动力：车辆减速或制动时为克服车辆的惯性力而车辆减速或制动时为克服车辆的惯性力而在路面与车辆之间发生的滑动摩擦力。作用于桥跨在路面与车辆之间发生的滑动摩擦力。作用于桥跨结构的方向与行车方向一致。结构的方向与行车方向一致。v牵引力：是车辆起动或加速时车辆与路面牵引力：是车辆起动或加速时车辆与路面（或钢轨）（或钢轨）间作用的摩阻力间作用的摩阻力。与行车方向相反。与行车方向相反。2.规范规定：规范规定：一个一个设计车设计车道道时时，按布置在，按布置在加加载长载长度上汽度上汽车车重力的重力的10%10%计计算算；但公路但公路-I I级级汽汽车车荷荷载载制制动动力力标标准准值值不得小于不得小于165kN165kN；公路公路-IIII级级不得小于不得小于90kN90kN。汽车荷载制动力多多车车道道时时要考要考虑虑横向折减横向折减，同向行，同向行驶驶双双车车道的汽道的汽车车荷荷载载制制动动力力标标准准值为值为一个一个设计车设计车道制道制动动力力标标准准值值的的2 2倍倍；同向行；同向行驶驶三三车车道道为为一个一个设计车设计车道的道的2.342.34倍倍；同向行同向行驶驶四四车车道道为为一个一个设计车设计车道的道的2.682.68倍倍。制制动动力的作用点在力的作用点在设计车设计车道道桥桥面以上面以上1.2m1.2m处处；计计算算墩台墩台时时，可移至支座中心（，可移至支座中心（铰铰或或滚轴滚轴中心），中心），或滑或滑动动支座、橡胶支座、支座、橡胶支座、摆动摆动支座的底座面上；支座的底座面上；计计算算刚刚构构桥桥、拱、拱桥桥时时，可移至，可移至桥桥面上，但不面上，但不计计因因此而此而产产生的生的竖竖向力和力矩。向力和力矩。风荷载 （七）风荷载当风以一定的速度向前运动遇到结构物阻碍当风以一定的速度向前运动遇到结构物阻碍时，结构时，结构将将承受风压。承受风压。对于大跨径桥梁对于大跨径桥梁，特别是斜拉桥和悬索桥，特别是斜拉桥和悬索桥，风荷载是极为重要的设计荷载，有时甚至起风荷载是极为重要的设计荷载，有时甚至起着决定性的作用，即对结构的强度、刚度和着决定性的作用，即对结构的强度、刚度和稳定性起控制作用。稳定性起控制作用。桥桥规规规规定定，取取平平坦坦空空旷旷地地区区、离离地地面面高高10m10m、重重现现期期为为100100年年的的10min10min的的平平均均最最大大风风速速计计算算基基本风压强度。本风压强度。横桥向风荷载标准值横桥向风荷载标准值设计基准设计基准风压值风压值流水压力 （八）流水压力温度作用 （九）温度作用1.1.产生原因：产生原因：温度变化将使结构产生变形和影响力，它的大小应根据当地的具体温度变化将使结构产生变形和影响力，它的大小应根据当地的具体情况、结构物所使用的材料和施工条件等因素计算确定。情况、结构物所使用的材料和施工条件等因素计算确定。各种结构的各种结构的线膨胀系数线膨胀系数见下表：见下表：温度作用2.2.温度作用包括温度作用包括均匀温度均匀温度和和梯度温度梯度温度两种影响。两种影响。v均匀温度均匀温度为常年气温变化（超静定结构）为常年气温变化（超静定结构）将导致全桥长度变化，当这种变化受到约束时会引起将导致全桥长度变化，当这种变化受到约束时会引起温度次内力温度次内力。有效温度标准值有效温度标准值（缺乏实地温度调查值时参照采用）（缺乏实地温度调查值时参照采用）注：表中（）内数注：表中（）内数值值适用于昆明、南宁、广州、福州地区。适用于昆明、南宁、广州、福州地区。温度作用v梯度温度梯度温度因太阳辐射而来因太阳辐射而来（静定、超静定结构）（静定、超静定结构）使结构沿高度方向形成非线性的温使结构沿高度方向形成非线性的温度变化，导致结构截面产生自内力，度变化，导致结构截面产生自内力，当这种变化受到约束时也会产生次当这种变化受到约束时也会产生次内力。内力。H-100(H400mm)混凝土梁混凝土梁A=组合结构组合结构A=300 mm支座摩阻力 （十）支座摩阻力支支 座座 摩摩 擦擦 系系 数数式中式中:W W 作用于活作用于活动动支座上由上部支座上由上部结结构重力构重力产产生的效生的效应应；支座摩擦系数，无支座摩擦系数，无实测实测数据数据时时按下表取用。按下表取用。偶然作用地震作用三、偶然作用（一）地震作用（一）地震作用 定义：指地震时强烈的地面运动引定义：指地震时强烈的地面运动引起的结构惯性力，它是随机变化的起的结构惯性力，它是随机变化的动力荷载，其值的大小决定于地震动力荷载，其值的大小决定于地震强烈程度和结构的动力特性（频率强烈程度和结构的动力特性（频率与阻尼等）以及结构或杆件的质量。与阻尼等）以及结构或杆件的质量。地震基本烈度与地震地震基本烈度与地震动动峰峰值值加速度系数的加速度系数的对应对应关系关系 抗震设防要求以地震时地面最大水平加速度的统计值抗震设防要求以地震时地面最大水平加速度的统计值即地震即地震动峰值加速度确定。动峰值加速度确定。偶然作用船只或漂流物撞击（二）（二）船只或漂流物撞击力船只或漂流物撞击力 船只或漂流物撞击力在船只或漂流物撞击力在有可能的条件下，应采用实有可能的条件下，应采用实测资料或模拟撞击试验进行测资料或模拟撞击试验进行计算，并籍此进行防撞设施计算，并籍此进行防撞设施的设计。的设计。内河船舶撞内河船舶撞击击作用作用标标准准值值偶然作用汽车撞击（三）（三）汽车撞击作用汽车撞击作用 撞击力标准值在行驶方向取撞击力标准值在行驶方向取1000kN1000kN，与，与之垂直方向取为之垂直方向取为500kN500kN，两个方向的不同时，两个方向的不同时考虑；作用于行车道上考虑；作用于行车道上1.2m1.2m处，直接分布处，直接分布于撞击涉及的构件上。于撞击涉及的构件上。对于设有防撞设施的结构构件，可视设对于设有防撞设施的结构构件，可视设施的防撞能力予以施的防撞能力予以折减折减，但折减后不应低，但折减后不应低于上述的于上述的1/61/6。为防止或减少因撞击产生的破坏，对易为防止或减少因撞击产生的破坏，对易受到汽车撞击的构件的相关部位应采取相受到汽车撞击的构件的相关部位应采取相应的应的构造措施构造措施，并增设，并增设钢筋钢筋或或钢筋网钢筋网。4-2 荷载组合4-2 荷载组合公路桥涵结构采用以可靠度理论为基础的公路桥涵结构采用以可靠度理论为基础的概率的极限状态设计法概率的极限状态设计法设计。设计。v两种设计极限状态：两种设计极限状态：承载能力极限状态承载能力极限状态和和正常使用极限状态正常使用极限状态。v三种情况三种情况：1 1）持久状态：持久状态：桥涵建成后承受自重、汽车荷载等持续时间很长的桥涵建成后承受自重、汽车荷载等持续时间很长的状况。该状况下的桥涵应进行承载能力极限状态和正常使用极限状况。该状况下的桥涵应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。状态设计。2 2）短暂状态：短暂状态：桥涵施工过程中承受临时性作用的状况。该状况下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。态设计。3 3）偶然状态：偶然状态：在桥涵使用过程中可能偶然出现的状况。该状况下在桥涵使用过程中可能偶然出现的状况。该状况下的桥涵仅作承载能力极限状态设计。的桥涵仅作承载能力极限状态设计。承载能力极限状态一、承载能力极限状态一、承载能力极限状态承载能力极限状态设计是以承载能力极限状态设计是以塑性理论塑性理论为基础，其为基础，其设计原则设计原则即：荷载效应最不利组合的设计值与重要性系数的乘积，必即：荷载效应最不利组合的设计值与重要性系数的乘积，必须小于或等于结构抗力的设计值。须小于或等于结构抗力的设计值。承载能力极限状态（一）基本组合（一）基本组合式中：式中：0 0 结结构重要性系数构重要性系数,桥桥涵的抗震涵的抗震设计设计不考不考虑结虑结构的重要性系数；构的重要性系数；S Sudud 作用效作用效应应的的组组合合设计值设计值；R R 构件承构件承载载力力设计值设计值，它根据构件的材料，它根据构件的材料强强度度设计值设计值和几何参和几何参数数设计值计设计值计算。算。桥桥涵涵结结构的重要性系数构的重要性系数0 注：重要注：重要桥桥梁系指高速公路、一梁系指高速公路、一级级公路、国防公路及城市附近交通繁忙公路上的公路、国防公路及城市附近交通繁忙公路上的桥桥梁梁承载能力极限状态桥桥涵涵结结构的重要性系数构的重要性系数0 注：重要注：重要桥桥梁系指高速公路、一梁系指高速公路、一级级公路、国防公路及城市附近交通繁忙公路上的公路、国防公路及城市附近交通繁忙公路上的桥桥梁梁承载能力极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态（二）偶然组合（二）偶然组合正常使用极限状态二二、正常使用正常使用极限状态极限状态正常使用极限状态设计是以弹性理论或弹塑性理论为正常使用极限状态设计是以弹性理论或弹塑性理论为基础，基础，涉及构件的涉及构件的抗裂抗裂、挠度挠度和和裂缝宽度裂缝宽度三个方面的三个方面的验算验算:(a)(a)限制限制应应力力 (b)(b)短期作用效短期作用效应应下的下的变变形形 (c)(c)各种作用效各种作用效应组应组合下的裂合下的裂缝宽缝宽度度 v正常使用极限状态正常使用极限状态的结构可靠度比承载能力极限状态设的结构可靠度比承载能力极限状态设计低很多。其计低很多。其可变作用代表值可变作用代表值采用采用频遇值频遇值和和准永久值准永久值。正常使用极限状态1.短期效应组合：短期效应组合：为永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相为永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，即对应于短暂状况的设计要求，例如预应力混凝土构件抗裂组合，即对应于短暂状况的设计要求，例如预应力混凝土构件抗裂验算、裂缝宽度验算、挠度验算等，其组合表达式为：验算、裂缝宽度验算、挠度验算等，其组合表达式为：正常使用极限状态2.长期效应组合：长期效应组合：为永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应为永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，即对应于持久状况的设计要求，例如抗裂验算，其表达式相组合，即对应于持久状况的设计要求，例如抗裂验算，其表达式为：为：