1、桥梁工程 (Bridge Engineering),授课人：王智超 土木工程与力学学院,第一篇 桥梁工程总论,第三章 桥梁上的作用,3-1 永久作用 3-2 可变作用 3-3 偶然作用 3-4 作用效应组合,长期以来，我们一般习惯地称所有引起结构反应的原因为“荷载”，这种叫法实际并不科学和确切。引起结构反应的原因可以按其作用的性质分为截然不同的两类，一类是施加于结构上的外力，如车辆、人群、结构自重等，它们是直接施于结构上的，可用“荷载”这一术语来概括。另一类不是以外力形式施加于结构，它们产生的效应与结构本身的特性、结构所处环境等有关，如地震、基础变位、混凝土收缩和徐变、温度变化等，它们是间接作
2、用于结构的，如果也称“荷载”，容易引起人们的误解。因此，目前国际上普遍地将所有引起结构反应的原因统称为“作用”, 而“荷载”仅限于表达施加于结构上的直接作用。, 作用的定义,第一节 永久作用（恒载）,一、永久作用（恒载）的定义,永久作用（恒载）作用位置和大小、方向固定不变的荷载。,（二）桥梁下部结构的恒载：由支座传递下来的结构重力、墩台本身的重力、土压力及水浮力等。,（一）桥梁上部结构的恒载：结构重力 、附属设备等外加力。,二、永久作用的类型,三、永久作用的计算,结构重力=结构体积 材料容重,1.结构重力,注意：在进行桥梁结构分析时，通常需要预先估计恒载，当估算的恒载与最终的设计恒载之间的差距
3、不超过5%时，不必修正设计；否则，需重新进行结构分析。,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，应作为永久作用计算其主效应和次效应，计算时应考虑相应阶段的预应力损失，但不计由于偏心距增大所引起的附加效应； 在结构承载能力极限状态设计时,预加应力不作为作用，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，仍需考虑预加力的次效应。,2.预加力,3.土压力,按其产生的条件，分为静土压力、主动土压力和被动土压力。桥梁下部结构设计时主要用到静土压力、主动土压力。土的侧压力计算涉及到结构形式、填料性质、墩台位移和地基变形，还与水文和外加荷载等因素有关。目前按库仑理论推导的公式计算
4、土侧压力。,5.混凝土收缩徐变影响力,在外部超静定结构的混凝土桥梁中，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，对结构的影响也是长期的。混凝土收缩徐变的计算可按结构降温考虑，混凝土徐变影响的计算可依据混凝土应力预徐变变形呈直线关系的假定并确定适当的徐变系数来进行，基础变位的影响可按工程实际情况加以分析。,6.水浮力,水浮力指由地表水或地下水通过地基土壤的孔隙传递给建筑物基础底面的水压力，其值等于建筑物所排开的同等体积的水重。位于岩石地基上的基础一般被认为是不透水的，可不计水浮力；对于碎石类土、砂类土、粘砂土等透水性地基上的墩台，要计考虑水浮力。,第二节 可变作用,一、可变作用
5、（活载）的定义,可变作用是指在设计使用年限内其作用位置、大小和方向随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的作用。,汽车荷载 汽车冲击力 汽车离心力 汽车引起的土侧压力 人群荷载 汽车制动力,二、可变作用（活载）的类型,风荷载 流水压力 冰压力 温度(均匀温度和梯度温度)作用 支座摩阻力,1. 汽车荷载,1）公路车辆荷载的类型,a) 公路级车道荷载,b)公路级车道荷载,c)城市桥梁荷载,汽车荷载等级（97标准） 新标准 汽车超20级、挂车120 公路级 汽车20级、挂车100 公路级 汽车15级、挂车80 汽车10级、履带50,2）新旧规范公路车辆荷载的类型,97标准 车队荷载（计算荷载+验
6、算荷载）,3）标准汽车荷载模式,新标准 车道荷载(均布荷载+集中荷载）+车辆荷载,（注意：桥涵结构的整体计算采用车道荷载，局部加载、横向桥面板、涵洞、桥台台后汽车引起的土压力和挡土墙上汽车引起的土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。）,容易使人误认为标准荷载模式所采用的车辆重力即是实际桥梁上可以通行的车辆，造成公路交通管理上的不便; 原标准的级差不合理，两级标准之间的荷载水平的级差时大时小； 计算不便； 标准荷载在结构上产生的效应不连续； 与国际先进标准不接轨。,均布荷载标准值：,a) 公路级车道荷载,车道荷载图,集中荷载：计算跨径小于等于5m时，180kN 计算跨径大
7、于等于50m时，360kN计算跨径在5至50m之间时，直线内插。剪力效应应再乘以1.2的系数。,qk = 10.5kN/m,车道荷载标准值应取公路级汽车荷载的车道荷载标准值的0.75倍,b)公路级车道荷载,标准车辆荷载 公路级和公路级标准车辆荷载采用原汽车超20级标准荷载中总重为550千牛的加重车。,标准荷载的线数(或车道数)与桥梁的线路数(或车道数)一致，但由于每车道上的车队活载同时出现最不利加载的机率很小，故需要对总的车道活载进行折减。,4）加载方式,桥涵设计车道数表,纵向折减系数表,横向折减系数表,在按两行车队布载时，汽车活载不考虑折减； 按三车队布载时汽车活载可在一定条件下折减20%；
8、 在按四车队车队布载时，汽车活载可折减30%；但折减后不得小于用两行车队布载的计算结果。,注意:,5）标准荷载的等级选定,桥梁标准活载的等级或类型，应根据桥梁所在线路的等级、使用任务、性质和将来的发展等具体情况确定。,汽车荷载等级（97标准）,各级公路桥涵的汽车荷载等级（新规范）,2.汽车冲击力,1）冲击力的产生,车辆活载以一定的速度在桥上行驶时，会使桥梁发生振动，产生动力作用。这种动力作用会使桥梁的内力和变形较静活载作用时大。这种现象就统称为冲击作用。,冲击作用的大小采用冲击力来衡量。冲击力受线路状态、车辆类型（机车的偏心轮作用）以及桥梁结构的形式和跨度等因素的综合影响。目前还难以精确考虑。
9、,2）冲击力的影响因素,当竖向活载包括冲击力时，将静活载乘以冲击系数。冲击系数的一般形式是：,式中：,L桥跨长度或（局部）构件的影响线加载长度；,a,b常数，随结构体系或构件的不同而不同。,通常的做法是：在桥梁动载试验的基础上提出近似计算公式，把动力问题简化为静力问题来处理。引入冲击系数（1+）。,3）冲击力的计算,在新桥规中，冲击系数 可按下式计算：,=0.05,=0.45,3. 离心力,离心力的大小指车辆行使在曲线线路上时。因方向变化而引起的径向水平力。,1）离心力的产生,当弯道桥的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
10、数C，C值按下式计算：,2）离心力的计算,离心力的着力点在桥面以上1.2m处（公路桥）或轨顶面2m处（铁路桥）；多车道时应考虑折减。,式中： V设计行车速度(km/h) R曲线半径（m),4. 人群荷载,当桥梁的计算跨径小于或等于50m时，取 3.0kN/m2； 当桥梁的计算跨径大于150m时，取 2.5kN/m2； 当桥梁的计算跨径在50m-150m之间时，线性内插计算。对跨径不等的连续结构，以最大计算跨为准。 城市郊区行人密集区一般取上述值得1.15倍。 专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5kN/m2。 人行道板（钢筋混凝土）可以一块板为单元，按标准值4.0kN/m2。 计算栏杆时人群作用
11、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来考虑。,5. 汽车制动力,制动力或（列车牵引力）的传递与分布规律，尚代研究。目前仍采用简化的办法进行计算。对铁路桥梁：规定列车制动力或牵引力按作用在桥跨结构范围内的竖向静活载的10%计算，其作用点一般在轨顶以上2m处。对公路桥梁：只考虑制动力，对单车道或双车道桥梁，规定制动力为一行车队总重的10%，但不小于一辆重车的30%(公路-I级165kN,公路-II级90kN) ；同向行驶双车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的2倍，同向行驶三车道为一个设计车道的2.34倍;同向行驶四车道为一个设计车道的
12、2.68倍； 制动力作用点一般在桥面以上1.2m处。,6. 风荷载,分析桥梁结构的强度、刚度、和稳定性时，应考虑风荷载的影响。对大跨度的斜拉桥和悬索桥以及高耸的桥塔和桥墩，风力的影响更大。 当风以一定速度运动并受到桥梁的阻碍时，桥梁就承受风压。 风压分为顺风向和横风向； 顺风向的风压可视为平均风压或脉动风压。采用静力计算方法处理平均风压对结构的影响；对脉动风压，要按随机振动理论进行分析。,对公路桥梁横向风力可按以下方法计算：横桥向风力是风压与迎风面积的乘积。风压按下式计算：,横桥向风力的迎风面积按结构的外轮廓线面积乘以一定的折减系数来计算。 如对实腹式桥跨结构，折减系数为1.0，对钢桁架或钢拱
13、架，折减系数为0.4。,风压力的计算,风荷载,W0基本风压值（kN/m2)。一般情况参照全国基本风压分布图取值； Wd 设计基准风压值（kN/m2)； Awh 横向迎风面积m2，按桥垮结构各部分的实际尺寸计算； V10桥梁所在地区的设计基本风速(m/s)； Vd 高度为Z处的设计基本风速(m/s)； Z 距离地面或水面的高度(m)； 空气重力密度(kN/m3)； K0 设计风速的换算系数。因频率与基本风压有关，故该系数体现出结构的重要性。对特大桥及在高速公路、一、二级公路上的大中桥梁采用1.0；其它桥梁采用0.85； K1 风载阻力系数； K2 考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数
14、。该系数反映出风压随地形、地理条件（一般地区、谷地、山口、沿海海面等）的不同变化而变化的特征，取值视实际情况而定； K3 地形地理条件系数； K5 阵风风速系数。考虑地表情况的修正系数。具体见桥规,位于河流中的桥墩会受到流水压力的作用。通常桥墩上游迎水一侧会形成高压区，下游一侧会形成低压区。前后的压力差便构成水流对桥墩的压力。流水压力与桥墩的截面形状、圬工粗糙率、水流流速和形态等有关，计算公式为：,水的容重（kN/m3),水的设计流速（m/s),A桥墩阻水面积（m2)，一般计算至一般冲刷线处；,g重力加速度9.81m/s2;,K有实验测得的桥墩形状系数。,7. 流水压力,8. 冰压力,位于冰凌
15、河流或水库的桥梁墩台，应根据当地的具体情况及墩台的结构形式考虑冰荷载的作用；冰荷载可分为以下几种：河流流冰产生的动压力；由于冰和水流作用于大面积冰层产生的静压力；冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力冰锥体推移产生的静压力冰层因水位升降产生的竖向作用力。影响冰压力的自然因素众多且实验资料欠缺，目前对冰压力的研究还不成熟，在援引国外各种计算方法时，应结合具体工点情况进行分析；,9. 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。温度的变化可分为（年平均）气温变化和温差两种情况，前者可说明结构在一年中的温度变化，后者则可解释为结构截面上的不同点或不同构件之间的温差。对静定结构，气温的变化
16、通常只会导致结构的伸长或缩短，在超静定结构中，由于气温的变化引起的变形受到约束，导致结构产生相应的附加力。气温变化的幅度，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。气温变化值，应自结构合龙时的温度算起。,计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时，可采用图所示的竖向温度梯度曲线，其桥面板表面的最高温度T1规定于表2-3。对混凝土结构，当梁高H小于400mm时，图中A=H-100（mm）；梁高H不小于400mm时，A=300mm。对带混凝土桥面板的钢结构，A=300mm，图中的t为混凝土桥面板的厚度（mm）。,温度作用的计算,混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温
17、差为正温差乘以-0.5。,竖向梯度温度,表4.3.10-2公路桥梁结构的有效温度标准值（）,表4.3.10-3竖向日照正温差计算的温度基数,10. 支座摩阻力,支座摩阻力是上部结构由温度等引起的变位而产生的，其作用方向与上部结构的变位方向相反作用点在支座处，计算公式为：,W作用于活动支座处由上部结构重力产生的效应；,支座的摩擦系数，按支座种类取值。,F =W,第四节 偶然作用,一、地震力,1、地震力的产生,由于地震波在土中传播，使震区发生地面运动桥梁基础首先受到外加的强迫运动，并导致整个桥梁的振动。地震力是指强烈的地面运动引起结构自身的惯性力（加速度与质量的乘积）。它不仅与地面运动的强烈程度有
18、关，也与结构的动力特性有关，还与桥梁所在处的地质情况有关。,2、地震烈度对桥梁结构的影响,地震烈度是对地震强度的一种等级描述，它是根据水平地震系数kh加以划分的。抗震设计中采用的地震烈度称为设计烈度； 一般，烈度小于7度的地震影响在桥梁设计中可不予考虑； 铁路桥梁抗震设计规范只适用烈度为7度、8度、9度的情况； 对设计烈度高于9度或有特殊抗震要求的建筑物及新结构，应进行专门的研究和设计。水平地震系数KH依设计烈度取值，当设计烈度分别为7、8、9时，kh分别取0.1，0.2，0.4。,地震力的计算可采用静力法或反映谱理论。对重要结构的桥梁结构，要采用动态抗震设计，及建立结构的动力计算公式，直接采
19、用地震波进行动力分析。,3、地震力的计算方法, 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地震对结构的作用。其计算公式如下：,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。, 反应谱理论,动态法主要有反应谱理论和时程分析法。 反应谱理论是一种简化的动态分析法，又称动静法。桥梁抗震规范主要采用这种方法计算地震力。,对于高墩或特大跨度的桥梁，应同时采用时程分析法，取最不利结果。,二、船只或飘流物的撞击力,船只或漂流物撞击力在有可能的条件下，应采用实测资料或模拟撞击试验进行计算，并依此进行防撞设计。,计算方法：,F撞击力（KN）,船只或排筏驶进方向与墩台撞击点处切
20、线所形成的夹角；,W船只或排筏重力（kN）,C1、C2船只或排筏的弹性变形系数和墩台圬工的弹性变形系数缺乏资料时一般假定C1+C2=0.0005。,船只或排筏撞击墩台的速度(m/s）,动能折减系数，斜撞时为0.2，正向撞击时为0.3；,三、汽车的撞击力,桥梁结构必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1000kN，在车辆行驶垂直方向取500kN ,两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上1.2m处，直接分布于撞击涉及的构件上。对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击力标准值予以折减，但折减后的汽车撞击力标准值不应低于上述规定值的1/6。,第四
21、节 作用效应组合,只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应的组合。 凡存在的永久作用任一项，均应进行组合； 凡可能出现的基本可变作用项，除个别情况外应进行组合； 纵向力与横向力不同时组合； 对其他可变作用的组合，根据同时作用的可能性，规范具体规定了某种荷载组合时，哪些荷载不同时参与组合。,一、组合总原则,可变作用不同时组合表,当结构或结构构件需作不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合。 当可变作用的出现对结构或构件产生有利影响时，该作用不应参与组合。 施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具均应作为临时荷载加以考虑。 多个偶
22、然作用不同时参与组合。 钢筋混凝土和预应力混凝土结构在进行结构构件的承载能力极限状态设计时，可不考虑混凝土收缩和徐变、温度作用效应参与组合,基础变位作用是否参与组合视具体情况确定； 拱桥仍应考虑混凝土收缩和徐变、温度作用效应和基础变位作用的组合。,注意事项：,公路桥涵设计时，对不同的作用应采用不同的代表值。 永久作用应采用标准值作为代表值。 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。 偶然作用取其标准值为代表值。 作用的设计值规定为作用的代表值乘以相应的作用分项系数。,二、作用的取值,三、组合方式及相关系数,在桥梁设计中应关注桥涵结构的两种极限状态（承载能力和正
23、常使用），同时也也应考虑其在施工和使用过程中的三种设计状况（持久、短暂和偶然）。,持久状况,承载能力极限状态设计,正常使用极限状态设计,短暂状况,承载能力极限状态设计,正常使用极限状态设计,（必要时）,偶然状况,承载能力极限状态设计,公路桥涵结构按承载能力极限状态设计,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：,1）基本组合,汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力;超过汽车荷载效应或对专为承受某作用时;其他第j个可变作用效应）的分项系数取1.4;风荷载的分项系数取1.1。 除汽车荷载，只有人群荷载参与组合时c取0.8；另有二种可变作用取0.7,三种取0.6,四种或多于四种
24、时取0.5。,桥涵结构的设计安全等级,1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.8*1.4*人群荷载 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+ 0.7*（1.4*人群荷载+1.1*风荷载） 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.6*（1.4*人群荷载+1.1*风荷载+1.4*土压力） 1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.5*（1.4*人群荷载+1.1*风荷载+1.4*土压力+1.4*汽车制动力）,公路桥涵结构效应组合表达式：,偶然作用的效应分项系数取1.0； 可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。 地震作用标准值及其表达式按公路工程抗震设计规范（JTJ0
25、04-89）规定采用。,2）偶然组合,永久作用标准值效应,可变作用 代表值效应,一种偶然作用标准值效应,+,+,1j第j个可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载(不计冲击力) 1=0.7，人群荷载1=1.0，风荷载1=0.75,温度梯度作用1=0.8，其他作用1=1.0,公路桥涵结构按正常使用极限状态设计,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：,1）短期效应组合,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：,2）长期效应组合,2j第j个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载(不计冲击力) 2=0.4，人群荷载2=0.4，风荷载2=0.75,温度梯度作用2=0.8，其他作用2=1.0,
