《桥梁荷载设计》PPT课件.ppt
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1、桥梁工程桥梁工程东南大学土木工程学院东南大学土木工程学院Bridge EngineeringSchoolofCivilEngineeringSEU强士中强士中主编主编王景全王景全/刘钊刘钊主讲主讲第第3章章设计荷载设计荷载3.13.1永久荷载永久荷载3.23.2可变荷载可变荷载3.33.3偶然荷载偶然荷载3.43.4荷载组合荷载组合 3.1 3.1 永久荷载永久荷载永永久久荷荷载载:亦亦称称恒恒载载,在在设设计计使使用用期期内内其其值值不不随随时间变化,或其变化与平均值相比忽略不计。时间变化,或其变化与平均值相比忽略不计。永永久久荷荷载载包包括括:结结构构自自重重、桥桥上上附附加加恒恒载载(桥
2、桥面面、人人行行道道及及附附属属设设备备)、作作用用于于结结构构上上的的土土重重及及土土侧侧压压力力、基基础础变变位位影影响响力力、水水浮浮力力、混混凝凝土土收缩和徐变的影响力等。收缩和徐变的影响力等。对于预应力结构对于预应力结构按正常使用极限状态设计时:预加应力属永久按正常使用极限状态设计时:预加应力属永久荷载;荷载;按承载能力极限状态设计时:预加应力不作为荷按承载能力极限状态设计时:预加应力不作为荷载,而将预应力筋作为结构抗力的一部分。载,而将预应力筋作为结构抗力的一部分。但在超静定结构中,由预加力引起的次内力应属但在超静定结构中,由预加力引起的次内力应属永久荷载。规范未作明确说明。永久荷
3、载。规范未作明确说明。各种永久荷载的取值与计算,详见规范条文。各种永久荷载的取值与计算,详见规范条文。公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用和偶然作公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用和偶然作用三类用三类.公路桥涵结构设计应考虑结构上可能同时出现的作用,按公路桥涵结构设计应考虑结构上可能同时出现的作用,按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合,取其承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合,取其最不利效应组合进行设计:最不利效应组合进行设计:只有在结构上可能同时出现的作用,才进行其效应的组只有在结构上可能同时出现的作用,才进行其效应的组合。当结构或结构构件需做
4、不同受力方向的验算时,则应以不同合。当结构或结构构件需做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。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结构构件产生有利影响时,当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响时,该作用不应参与组合。实际不可能同时出现的作用或同时参与组该作用不应参与组合。实际不可能同时出现的作用或同时参与组合概率很小的作用,不考虑其作用效应的组合。合概率很小的作用,不考虑其作用效应的组合。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载加件而
5、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,作用效应宜分以考虑。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,组合梁受荷为第二个阶两个阶段组合,底梁受荷为第一个阶段,组合梁受荷为第二个阶段。段。多个偶然作用不同时参与组合。多个偶然作用不同时参与组合。3.2 3.2 可变荷载可变荷载可可变变荷荷载载:设设计计使使用用期期内内其其值值随随时时间间变变化化,且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。(1)(1)基本可变荷载基本可变荷载列车活载列车活载汽车汽车 由列车活载和汽车活载引
6、起的冲击力由列车活载和汽车活载引起的冲击力曲线上的离心力曲线上的离心力由活载引起的土侧压力由活载引起的土侧压力公路桥中的人群荷载公路桥中的人群荷载铁路桥梁的列车横向摇摆力等。铁路桥梁的列车横向摇摆力等。1 1)列车活载)列车活载v列车由机车和车辆组成,机车和车辆类型很列车由机车和车辆组成,机车和车辆类型很多,轴重、轴距各异。多,轴重、轴距各异。v为规范设计,我国根据机车车辆轴重、轴距为规范设计,我国根据机车车辆轴重、轴距对桥梁不同影响及考虑车辆的发展趋势,制对桥梁不同影响及考虑车辆的发展趋势,制定了中华人民共和国铁路标准活载图式。定了中华人民共和国铁路标准活载图式。v(简称(简称“中中活载活载
7、”)v中中活载活载160km/h、200km/hvZK活载活载250km/h、300km/h以上高速以上高速“ZK“ZK活载活载”分分标准活载标准活载和和特种活载特种活载高速暂行规定高速暂行规定:加载时,标准活载计算图式可任意截取加载时,标准活载计算图式可任意截取单线或双线桥跨:各线均应计入单线或双线桥跨:各线均应计入ZKZK活载作用。活载作用。多于双线桥跨:应按下列最不利情况考虑:多于双线桥跨:应按下列最不利情况考虑:1 1)按双线在最不利位置承受)按双线在最不利位置承受ZKZK活载,其余活载,其余线路不承受列车荷载;线路不承受列车荷载;2 2)所有线路在最不利位置承受)所有线路在最不利位置
8、承受7575的的ZKZK活活载。载。空车活载按空车活载按10kN/m10kN/m计算。计算。“ZK“ZK活载活载”分分标准活载标准活载和和特种活载特种活载桥规规定:桥规规定:加载时,标准活载计算图式可任意截取加载时,标准活载计算图式可任意截取双线桥跨:两线活载之和的双线桥跨:两线活载之和的90%90%横向稳定检算:空车横向稳定检算:空车+最大横向风力为最不最大横向风力为最不利,空车活载标准值为利,空车活载标准值为10kN/m10kN/m“中中活载活载”分分普通活载普通活载和和特种活载特种活载(A A)旧公路标准旧公路标准设计荷载设计荷载大量、经常出现的汽车荷载,以车队形式排列。大量、经常出现的
9、汽车荷载,以车队形式排列。汽汽1010级、汽级、汽1515级、汽级、汽2020级、汽级、汽超超2020级级验算荷载验算荷载偶然、个别出现的平板挂车或履带车。偶然、个别出现的平板挂车或履带车。挂挂8080、挂、挂100100、挂、挂120120、履带、履带50502 2)汽车荷载汽车荷载v每一车队有一重车,主车数量不限。每一车队有一重车,主车数量不限。v三三、四四行行车车队队时时可可折折减减20%20%和和30%30%,但但不不小小于于两行车队计算的结果。两行车队计算的结果。v履履带带车车纵纵向向可可考考虑虑多多辆辆行行驶驶,但但两两车车净净距距不小于不小于50m50mv平板挂车全桥均以通过一辆
10、计算平板挂车全桥均以通过一辆计算v平板挂车和履带车荷载应靠中以慢速行驶平板挂车和履带车荷载应靠中以慢速行驶v验验算算时时,不不考考虑虑冲冲击击力力、人人群群荷荷载载和和其其它它非经常作用在桥上的各种外力。非经常作用在桥上的各种外力。新桥规公路工程技术标准(新桥规公路工程技术标准(JTG B01-JTG B01-20032003)公路桥涵设计通用规范)公路桥涵设计通用规范 (JTG D60-JTG D60-20042004)汽车荷载分为公路汽车荷载分为公路级和公路级和公路级两个等级。级两个等级。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷
11、载组成。由均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载;桥梁结构的整体计算采用车道荷载;桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。力等的计算采用车辆荷载。车道荷载与车辆荷载的作用不得叠加。车道荷载与车辆荷载的作用不得叠加。(B B)现行公路标准现行公路标准新规范新规范 车道荷载的计算图式车道荷载的计算图式Kq P K 多车道桥梁的汽车荷载应考虑折减。当桥涵设计多车道桥梁的汽车荷载应考虑折减。当桥涵设计车道数车道数22时,汽车荷载产生的效应时,汽车荷载产生的效应 应该按表规定的应该按表规定的多车道横向折减系数进行折减,但
12、折减后的效应不得多车道横向折减系数进行折减,但折减后的效应不得小于两条设计车道的荷载效应。小于两条设计车道的荷载效应。3)冲击力)冲击力 车车辆辆以以一一定定速速度度过过桥桥时时,由由于于动动力力影影响响,桥桥梁梁实实际际产产生生的的活活载载应应力力和和变变形形大大于于按按活活载载静静重重计计算算所所得得的的结果,这种动力效应常称为冲击作用。结果,这种动力效应常称为冲击作用。构成桥梁动力影响的因素主要有:构成桥梁动力影响的因素主要有:列车以一定速度过桥时引起桥跨振动;列车以一定速度过桥时引起桥跨振动;轮对过钢轨接头时有冲击作用;轮对过钢轨接头时有冲击作用;蒸蒸汽汽机机车车动动轮轮上上的的平平衡
13、衡重重在在随随动动轮轮高高速速旋旋转转中中由由于离心力引起的锤击作用;于离心力引起的锤击作用;桥上轨道竖向和横向不平顺引起桥梁扭转振动;桥上轨道竖向和横向不平顺引起桥梁扭转振动;桥头线路(路面)不平整,车轮不圆等桥头线路(路面)不平整,车轮不圆等 。桥梁设计时中以活载静重乘上动力系数来桥梁设计时中以活载静重乘上动力系数来反映这种影响。反映这种影响。铁路桥动力系数铁路桥动力系数 1+1+公路桥冲击系数公路桥冲击系数 动动力力系系数数(或或冲冲击击系系数数)公公式式中中考考虑虑了了不不同类型桥跨、跨度和加载长度的影响。同类型桥跨、跨度和加载长度的影响。v铁路桥动力系数铁路桥动力系数 1+1+混凝土
14、梁混凝土梁 钢板梁及钢桁梁钢板梁及钢桁梁 实腹钢筋混凝土拱和石砌拱桥实腹钢筋混凝土拱和石砌拱桥 空腹钢筋混凝土无铰拱桥和系杆拱桥空腹钢筋混凝土无铰拱桥和系杆拱桥 空腹有铰拱桥空腹有铰拱桥v现行铁路规范铁路桥动力系数现行铁路规范铁路桥动力系数 1+1+简支或连续钢桥跨结构和钢墩台简支或连续钢桥跨结构和钢墩台 钢与钢筋混凝土板构成的结合梁钢与钢筋混凝土板构成的结合梁v现行铁路规范铁路桥动力系数现行铁路规范铁路桥动力系数 1+1+钢钢筋筋混混凝凝土土的的、混混凝凝土土的的、石石砌砌的的桥桥跨跨结结构构及及涵涵洞洞、刚刚架架桥桥,其其顶顶上上填填土土厚厚度度1.0m1.0m(从从轨轨底底算算起起)时时
15、不不计冲击力。当小于计冲击力。当小于1.0m1.0m时时空腹式钢筋混凝土拱桥的拱圈和拱肋空腹式钢筋混凝土拱桥的拱圈和拱肋v8585规范规范 公路桥冲击系数公路桥冲击系数 结构种类结构种类冲击系数冲击系数混凝土梁、刚构、拱上构造、混凝土梁、刚构、拱上构造、柱式墩石柱式墩石混凝土拱桥的主拱混凝土拱桥的主拱钢主桁、联合梁、桥面系、钢主桁、联合梁、桥面系、钢墩台等钢墩台等吊桥的主桁、主索或主链、吊桥的主桁、主索或主链、塔架塔架 新的新的 通用规范通用规范JTG D60JTG D60规定,汽车荷载冲击力应按下列规定计算:规定,汽车荷载冲击力应按下列规定计算:1 1 钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工
16、拱桥等上部构造和钢支座、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钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台,应计算汽车的冲击作用。板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台,应计算汽车的冲击作用。2 2 填料厚度(包括路面厚度)等于或大于填料厚度(包括路面厚度)等于或大于0.5m0.5m的拱桥、涵洞以及重力式墩的拱桥、涵洞以及重力式墩台不计冲击力。台不计冲击力。3 3 支座的冲击力,按相应的桥梁取用。支座的冲击力,按相应的桥梁取用。4 4 汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数 5 5 冲击系数冲击系数
17、可按下式计算:可按下式计算:当当 HzHz时,时,=0.05=0.05 当当1.5Hz 14Hz1.5Hz 14Hz时,时,=0.1767ln=0.1767lnf f0.0157 0.0157 当当 HzHz时,时,=0.45=0.45 式中,式中,f f 为结构基频(为结构基频(HzHz)。)。6 6 汽车荷载的局部加载及在汽车荷载的局部加载及在T T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用0.30.3。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,它直接反映了冲击系数与桥梁结构之间的关系。
18、不管桥梁的建筑材料、结构类型是否接反映了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,在同样有差别,也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载下,就能得到基本相同的冲击系数。条件的汽车荷载下,就能得到基本相同的冲击系数。4 4)离心力)离心力 车车辆辆在在曲曲线线上上运运行行产产生生离离心心力力。公公路路桥桥上上离离心心力力较较小小,当当曲曲线线半半径径等等于于或或小小于于250m250m时时,才才考考虑虑离离心心力力的的作作用用。离离心心力力等等于于车车辆辆荷荷载载(不不计计动动
19、力力效效应)乘以离心力率应)乘以离心力率离心力率离心力率对铁路荷载对铁路荷载C C不应大于不应大于0.150.15。离心力作用点:离心力作用点:铁路轨顶以上铁路轨顶以上2m2m,公路桥面以上,公路桥面以上1.2m1.2m5 5)人群荷载)人群荷载v公路桥人群荷载一般规定为公路桥人群荷载一般规定为3kN/m3kN/m2 2,v城市、郊区行人密集处可为城市、郊区行人密集处可为3.5kN/m3.5kN/m2 2。(2 2)其他可变荷载)其他可变荷载 包包括括:制制动动力力或或牵牵引引力力、风风力力、温温度度力力、流水压力、水压力和施工荷载等流水压力、水压力和施工荷载等。对铁路桥梁,人行道荷载归为其他
20、可变荷载。对铁路桥梁,人行道荷载归为其他可变荷载。1 1)制动力)制动力 v制动力制动力 是车辆减速或制动时的惯性力。是车辆减速或制动时的惯性力。方向:方向:与行车方向一致。与行车方向一致。v牵引力牵引力 是车辆起动或加速时车辆与路面是车辆起动或加速时车辆与路面 (或钢轨)间作用的摩阻力。(或钢轨)间作用的摩阻力。方向:方向:与行车方向相反。与行车方向相反。v作用点:铁路轨顶以上作用点:铁路轨顶以上2m2m,公路桥面以上公路桥面以上1.2m1.2m。v但在计算墩台时移至支座中心处,不计因此而产生但在计算墩台时移至支座中心处,不计因此而产生的竖向力和力矩。的竖向力和力矩。公路桥规规定:公路桥规规
21、定:鉴于车辆不可能全部同时刹车鉴于车辆不可能全部同时刹车 1 1或或2 2车车道道桥桥,制制动动力力按按一一行行汽汽车车车车队队总总重重量量的的 10%10%,但不得小于一辆重车重量的,但不得小于一辆重车重量的30%30%。4 4车道桥为上述数值的两倍。车道桥为上述数值的两倍。制制动动力力按按计计算算长长度度内内列列车车竖竖向向静静活活载载标标准准值值的的15%15%计计算算,牵牵引引力力按按加加载载长长度度等等于于或或小小于于30m30m内内列列车静活载标准值的车静活载标准值的30%30%计算,按控制者设计。计算,按控制者设计。当当设设计计桥桥墩墩台台时时,上上述述制制动动力力和和牵牵引引力
22、力按按10%10%和和15%15%计算,按控制者设计。计算,按控制者设计。当当制制动动力力与与离离心心力力同同时时计计算算时时,制制动动力力或或牵牵引引力按列车竖向静活载标准值的力按列车竖向静活载标准值的5%5%计算。计算。双线按一线计,多线按两线计。双线按一线计,多线按两线计。铁路桥规规定:铁路桥规规定:2 2)风力)风力基本风压值基本风压值v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本风风压强度。压强度。v铁路横向风荷载标准强度计算公式:铁路横向风荷载标准强
23、度计算公式:超超静静定定结结构构存存在在多多余余约约束束,热热胀胀冷冷缩缩将将产产生生内内力力或支座反力。或支座反力。静静定定和和超超静静定定结结构构,由由于于结结构构不不同同部部位位温温度度不不同,内部将产生温差力。同,内部将产生温差力。桥桥规规规规定定:结结构构温温度度变变形形受受外外约约束束影影响响引引起起的的温温度度力力按按结结构构平平均均温温度度计计算算。由由于于这这种种温温度度变变化化持持续续时时间间较较长长,对对于于混混凝凝土土结结构构在在温温度度变变化化产产生生内内力力同同时时,混混凝凝土土徐徐变变作作用用使使温温度度影影响响力力减减小小。可可用用折折减减弹弹性性模模量量考考虑
24、虑,去去受受压压弹弹性性模模量量的的0.60.6倍(公路倍(公路0.70.7倍)。倍)。3 3)温度力)温度力4 4)铁路桥上人行道荷载)铁路桥上人行道荷载 铁铁路路人人行行道道桥桥只只考考虑虑巡巡道道和和维维修修人人员员通通行,维修时放置钢轨、枕木、道碴等。行,维修时放置钢轨、枕木、道碴等。道碴桥面:离梁中心线道碴桥面:离梁中心线2.45m2.45m内按内按10kPa10kPa计;计;2.45m 2.45m以外按以外按4kPa4kPa。活载分项系数取活载分项系数取1.41.4。明桥面:按明桥面:按4kPa4kPa计,活载分项系数取计,活载分项系数取1.11.1。人行道板还应按竖向集中活载人行
25、道板还应按竖向集中活载1.5kN1.5kN检算。检算。设计主梁时人行道活载不与列车活载同时计算。设计主梁时人行道活载不与列车活载同时计算。5 5)施工荷载)施工荷载 施工荷载是指结构在施工过程中承受的荷载。施工荷载是指结构在施工过程中承受的荷载。包括:自重、人群、架桥机、风载、温度力、包括:自重、人群、架桥机、风载、温度力、吊机或其他机具的荷载及在构件制造、运送、吊机或其他机具的荷载及在构件制造、运送、吊装时作用于构件上的临时荷载。吊装时作用于构件上的临时荷载。3.3 3.3 偶然荷载偶然荷载 偶然荷载指船只或漂流物(排筏等)撞击力偶然荷载指船只或漂流物(排筏等)撞击力和地震荷载。和地震荷载。
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