3 公路桥梁结构的作用.ppt
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1、第一篇 总 论0 概述1 基本概念、专业术语与发展历程2 桥梁总体规划与设计程序3 公路桥梁结构的作用概述永久作用可变作用偶然作用作用效应组合3 公路桥梁结构的作用一、概述(一、概述(1)桥梁设计计算桥梁设计计算作用在桥梁上的作用在桥梁上的广义荷载是什广义荷载是什么?变化规律如么?变化规律如何?最大量值是何?最大量值是多少?多少?这些作用使桥梁这些作用使桥梁各构件产生什么各构件产生什么样的内力效应?样的内力效应?此内力效应的分此内力效应的分布规律如何?布规律如何?这些内力效应与这些内力效应与构件的抗力相比构件的抗力相比如何?构件、结如何?构件、结构安全度如何?构安全度如何?满足规范的最低满足规
2、范的最低要求吗?要求吗?回顾 什么是极限状态?结构整体或结构局部达到不适合继续使用的特殊状态。什么是承载能力极限状态?对应于结构或构件达到最大承载能力,或产生不适于继续承载变形的极限状态。包括:结构倾覆、失稳、变成几何可变体系;构件达到极限强度、疲劳强度而破坏,或产生较大的几何变形等。什么是正常使用极限状态?对应于结构或构件达到正常使用和耐久性的各项规定限制的极限状态。包括结构及构件外观变形过大、开裂、局部破坏、振动过大等。抗抗力力RR=SR结构抗力结构抗力S作用效应作用效应简单说来,就是要求简单说来,就是要求Z=R-S0的概率大于一个给的概率大于一个给定的值,以保障结定的值,以保障结构运营安
3、全。构运营安全。荷载效应荷载效应S结构所处状态结构所处状态R1R2Z2Z1S2S1 结构抗力结构抗力R结构构结构构件承受内力和变形的能件承受内力和变形的能力,它是结构材料性能、几何参数等的函数。力,它是结构材料性能、几何参数等的函数。作用作用F施施加在结构上的集中力或分布力,加在结构上的集中力或分布力,或引起结构外加变形或约束的原因,它分为直或引起结构外加变形或约束的原因,它分为直接作用和间接作用。接作用和间接作用。作用效应作用效应S结构对所受作用的反应,包括结构对所受作用的反应,包括结构或结构或者构件的内力、变形等。者构件的内力、变形等。一、概述(一、概述(2)结构设结构设计原理计原理建筑结
4、建筑结构构/桥梁桥梁工程工程/地地下工下工程程作用(荷载)确定的重要性作用(荷载)确定的重要性两个典型实例两个典型实例 英国福斯湾海峡铁路桥,英国福斯湾海峡铁路桥,1890年建成,悬臂钢桁架桥(用年建成,悬臂钢桁架桥(用钢量钢量54000t),跨度),跨度521.3m,受,受1879年英国泰湾桥风毁事件的影响,年英国泰湾桥风毁事件的影响,设计建造时非常保守,将风荷载设计值大大提高至设计建造时非常保守,将风荷载设计值大大提高至2.68kN/m2(该地区目前风荷载取值不超过该地区目前风荷载取值不超过1kN/m2,我国台风登陆地区一般我国台风登陆地区一般采用采用11.2kN/m2),),虽然安全地服
5、役至今虽然安全地服役至今,但在建成同时,有,但在建成同时,有人估计用钢量是实际所需的人估计用钢量是实际所需的5倍。倍。英国英国Severn桥,桥,1966年建成,第一座采用扁平年建成,第一座采用扁平流线型钢箱流线型钢箱梁作为加劲梁的悬索桥,跨度梁作为加劲梁的悬索桥,跨度305+988+305m,由于过低地,由于过低地估计货运汽车重量,建成不久后难以适应运输需求,不得估计货运汽车重量,建成不久后难以适应运输需求,不得不进行荷载等级提升,虽然耗时不进行荷载等级提升,虽然耗时7年(年(19851992)、耗费)、耗费巨大、千方百计地提高了荷载适应性,但无法避免主缆安巨大、千方百计地提高了荷载适应性,
6、但无法避免主缆安全性能的降低。全性能的降低。解放之前,我国没有设计规范,桥梁设计主要由外国公司承解放之前,我国没有设计规范,桥梁设计主要由外国公司承担,设计标准套用国外(英美规范居多)规范;担,设计标准套用国外(英美规范居多)规范;从上世纪五十年代以来,我国在借鉴前苏联规范、欧美规范的从上世纪五十年代以来,我国在借鉴前苏联规范、欧美规范的基础上,先后基础上,先后 6次修订公路桥梁次修订公路桥梁设计荷载标准,具体为设计荷载标准,具体为(车队(车队荷载模式:若干主车和一辆重车荷载模式:若干主车和一辆重车 ,名称中数字为主车重量名称中数字为主车重量 t)1954年:年:汽汽-6、汽、汽 -8、汽、汽
7、 -10、汽、汽-13、汽、汽 -18;1956年:年:增加了增加了 3种验算荷载:种验算荷载:拖拖 -30、拖、拖-60、拖、拖 -80;1967年:年:汽汽 -10、汽、汽-15、汽汽-26;履带履带-50、拖车、拖车-60、拖车、拖车-100;1972年:年:汽汽-10、汽、汽-15、汽、汽-20;履带;履带-50、挂车、挂车-80、挂车、挂车-100;1981年:年:汽车汽车-10级、汽车级、汽车-15级、级、汽车汽车 -20级、汽车级、汽车 -超超20级级 ;履带履带-50、挂车挂车-80、挂车、挂车 -100、挂车、挂车 -120;2003年:公路年:公路级、公路级、公路级级;作用
8、(荷载)确定的重要性作用(荷载)确定的重要性我国公路桥规回顾我国公路桥规回顾汽 车汽汽-1 0 级车-1 5 级车-2 0 级汽车-超 2 0 级 在现役桥梁中,设计荷载为汽 20占多数;目前,据不完全统计,我国公路桥梁 63万座,因设计荷载等级偏低、交通日益拥堵、超重超载车辆日益增多,现役桥梁“小马拉大车”现象的普遍存在需要采取运营荷载限制措施的桥梁约占 1/10;与美国等国规范相比,我国公路桥梁荷载标准明显偏低,汽20车辆荷载效应设计值仅为美国AASHTO的 68、英国BS5400的 60。设计作用(尤其是活荷载)确定是一个非常复杂的技术经济问题,既要考虑安全、又要考虑经济;既要满足当前需
9、求、又要为将来留有足够的发展余地。作用(荷载)确定的重要性我国公路桥规回顾(续)作用分类作用分类按作用方式按作用方式分类分类直接作用直接作用:施加在结构上的荷载,如自重,汽车荷载等施加在结构上的荷载,如自重,汽车荷载等间接作用间接作用:引起结构外加变形和约束变形的原因。:引起结构外加变形和约束变形的原因。作用分类作用分类按性质分类按性质分类永久作用、可变作用永久作用、可变作用、偶然作用、偶然作用一、概述(一、概述(3)讨论:为什么以前的规范将外界施加在结构上的影响称为讨论:为什么以前的规范将外界施加在结构上的影响称为“荷载(荷载(Lord)”,新规范称之为,新规范称之为“作用(作用(Actio
10、n)”,那个更,那个更为恰当准确?二者有何区别?为什么?为恰当准确?二者有何区别?为什么?作用代表值作用代表值:代表作用大小的数值,它采用数理统计方法、:代表作用大小的数值,它采用数理统计方法、根据工程经验加以确定(实际作用具有随机性、离散性);根据工程经验加以确定(实际作用具有随机性、离散性);作用代表值包括作用作用代表值包括作用标准值、频遇值和准永久值;标准值、频遇值和准永久值;一、概述(一、概述(4)作用标准值作用标准值Pb:各种作用的可各种作用的可能出现的最不利值。能出现的最不利值。作用频遇值作用频遇值Pn:可变作用的代表值,一般按概率分布的可变作用的代表值,一般按概率分布的0.95分
11、位值确定。分位值确定。作用准永久值作用准永久值PY:可变作用通常情可变作用通常情况下的代表值。况下的代表值。OPn Pb P概率密度函数概率密度函数f PFPn=0.95POPYf P概率密度函数概率密度函数FPY=0.5在进行桥梁结构或构件设计时,需针对不同设计目的采用规在进行桥梁结构或构件设计时,需针对不同设计目的采用规定的各种作用值。定的各种作用值。极限状态不同、代表值也会不同。极限状态不同、代表值也会不同。设计基准期设计基准期 (design reference period)简单地讲,它就是在确定某些作用简单地讲,它就是在确定某些作用(这些作用的最大值概率分这些作用的最大值概率分布与
12、时间有关,如风荷载、车辆活载等布与时间有关,如风荷载、车辆活载等)的标准值时需要人为规的标准值时需要人为规定一个基准时间参数。对桥梁结构,设计基准期通常取定一个基准时间参数。对桥梁结构,设计基准期通常取100年。年。注意注意!设计基准期设计基准期使用寿命。使用寿命。一、概述(一、概述(5)概述永久作用可变作用偶然作用作用效应组合3 公路桥梁结构的作用二、二、永久作用永久作用永久作用永久作用在设计基准期内不变或变化可忽略不计的作用,也称在设计基准期内不变或变化可忽略不计的作用,也称之为恒载,之为恒载,恒载效应占总效应的比例在恒载效应占总效应的比例在404095%95%(跨度越大、(跨度越大、比例
13、越高,反之亦然)比例越高,反之亦然),主要是指结构本身自重主要是指结构本身自重、以及与、以及与结构紧密相关的环境(土、水)所产生的荷载。结构紧密相关的环境(土、水)所产生的荷载。预加力预加力在在进行正常使用极限状态设计时被视为作进行正常使用极限状态设计时被视为作用;在进行承载能力极限状态设计时当做抗力。用;在进行承载能力极限状态设计时当做抗力。讨论:对预应力为什么这样规定?理由是什么讨论:对预应力为什么这样规定?理由是什么?编号编号作用名称作用名称1结构重力(包括结构附加重力)结构重力(包括结构附加重力)2预加力预加力3土的重力土的重力4土侧压力土侧压力5混凝土收缩及徐变作用混凝土收缩及徐变作
14、用6水的浮力水的浮力7基础变位作用基础变位作用概述永久作用可变作用偶然作用作用效应组合3 公路桥梁结构的作用编号编号作用名称作用名称1汽车荷载汽车荷载2汽车冲击力汽车冲击力3汽车离心力汽车离心力4汽车引起的土侧压力汽车引起的土侧压力5人群荷载人群荷载6汽车制动力汽车制动力7风荷载风荷载8流水压力流水压力/冰压力冰压力9温度(均匀温度和梯度温度)作用温度(均匀温度和梯度温度)作用10支座摩阻力支座摩阻力可变作用:在设计基准期内随时间变化的作用,也称之为活载可变作用:在设计基准期内随时间变化的作用,也称之为活载及其附加荷载。及其附加荷载。三、三、可变作用可变作用1、汽车荷载:汽车荷载:最主要最主要
15、的可变作用、随着汽车工业的发的可变作用、随着汽车工业的发展而不断提高,展而不断提高,(习惯上称为活载,习惯上称为活载,live load),其产生的效其产生的效应占总效应的应占总效应的560%(跨度越大、比例越小,反(跨度越大、比例越小,反之亦然);之亦然);等级等级公路公路-高速公路、一级公路,二级公路(重载多高速公路、一级公路,二级公路(重载多且作为干线时)且作为干线时)公路公路-级级二级、三级和四级公路二级、三级和四级公路 组成组成车道荷载车道荷载均布均布+集中;结构整体计算集中;结构整体计算时采用;时采用;车辆荷载车辆荷载 单车荷载;结构局部计算时采用;单车荷载;结构局部计算时采用;三
16、、三、可变作用可变作用注意:二者的效应不能叠加!注意:二者的效应不能叠加!计算跨径(m)Pk公路-级时公路-级时5m1800.75180=13550m3600.75360=270汽车荷载等级公路-级公路-级q(KN/m)k10.50.7510.5=7.875 车道荷载计算图及标准值车道荷载计算图及标准值注:注:1)桥梁计算跨径在)桥梁计算跨径在5m50 m之间时,之间时,Pk值采用直线内插;值采用直线内插;2)计算)计算剪力剪力效应时,表中效应时,表中Pk值应值应乘以乘以1.2的系数。的系数。车辆荷载:车辆荷载:计算图及标准值计算图及标准值(550kN550kN重车)重车)3012012014
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