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1、第三章 桥梁上的作用,本章主要内容：作用的种类和组合如何考虑结构的作用概率极限状态设计法,专业术语,1）作用 action 施加在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，亦称荷载，后者称间接作用。,专业术语,2）永久作用 permanent action 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。3）可变作用 variable action 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。4）偶然作用 accidental action 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
2、很短的作用。,作用的分类与代表值,表1-3-1,5）作用代表值 representative value of an action 结构或结构构件设计时，针对不同设计目的所采用的各种作用规定值，它包括作用标准值、准永久值和频遇值等。6）作用标准值 characteristic value of an action 结构或结构构件设计时，采用的各种作用的基本代表值。其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定。,7）设计基准期 design reference period 在进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。8）作用频遇值 fre
3、quent value of an action 结构或构件按正常使用极限状态短期效应组合设计时，采用的一种可变作用代表值，其值可根据在足够长观测期限内作用任意时点概率分布的0.95分位值确定。,9）作用准永久值 quasi-permanent value of an action 结构或构件按正常使用极限状态短期效应组合设计时，采用的另一种可变作用代表值，其值可根据在足够长观测期内作用任意时点概率分布的0.95（或略高于0.5）分位值确定。,10）作用效应 effect of action 结构对所受作用的反应，如弯矩、扭矩、位移等。11）作用效应设计值 design value of an
4、 action effect 作用标准值效应与作用分项系数的乘积。,12)分项系数 partial safety factor 为保证所设计的结构具有规定的可靠度而在设计表达式中采用的系数。分作用分项系数和抗力分项系数两类。13）作用效应组合 combination of action effects 结构上根据不同的设计状况采取的几种作用分别产生的效应的叠加。,14）结构重要性系数 coefficient for importance of structure 对不同安全等级的结构，为使其具有规定的可靠度而采用的系数。15）作用效应组合系数 coefficient for combinati
5、on of action effects 在作用效应组合中，由于几个独立可变作用效应最不利值同时出现的概率较小而对作用采用的折减系数。,16）作用效应基本组合 fundamental combination of action effects 承载能力极限状态设计时，永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合。17）作用效应偶然组合 accidental combination of action effects 承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应的组合。,18）作用短期效应组合 combination for short-term a
6、ction effects 正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合。19）作用长期效应组合 combination for long-term action effects 正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应的组合。,第一节 永久作用,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。包括结构重力、预加应力、土的重力、土侧压力、混凝土收缩及徐变作用、水的浮力和基础变位等作用等七种。,第二节 可变作用,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。包括汽车荷载，汽车荷载的冲击力、离心
7、力、制动力及其引起的土侧压力，人群荷载，风荷载，流水压力，冰压力，温度作用和支座摩阻力等十一种。,第二节 可变作用,一、汽车荷载 汽车荷载分为公路I级和公路II级。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载用于桥梁结构的整体计算（例如主梁、主拱和主桁架等的计算）；车辆荷载用于局部加载、涵洞、桥台和挡土墙压力等计算。,1）车道荷载的计算图式示于图1-3-1。图1-3-1 车道荷载,车道荷载由均布荷载标准值 和集中荷载标准值 组成，按下列不同用途采用：（1）用于计算主梁弯矩的公路I级车道荷载：均布荷载，集中荷载当桥梁计算跨径 时；当计算跨径时，；计算跨径在两者之间时，值按直线内插求得。用于主梁剪力
8、和反力计算时上述 应乘以1.2的系数（2）公路II级车道荷载的 和 按公路I级的0.75倍采用,（3）用于计算汽车荷载的离心力和制动力时 制动力：取车道荷载标准值在加载长度上计算的总重量的10%,但对于公路I级不小于165KN,公路II级不小于90KN.多车道时应按要求折减.离心力：当弯桥曲线半径等于或小于250米时,应计离心力,其标准值等于车辆荷载(不计冲击力)标准值乘以离心力系数C.C=V*V/127R;V设计速度(KM/H);R-曲线半径(M)每条设计车道上沿纵向均匀布置车道荷载，均布荷载标准值可任意截取，当计算主梁弯矩、剪力和反力效应时，满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上，集中荷
9、载标准值则只作用于相应影响线中一个影响线峰值处。,2）车辆荷载以一辆标准车表示，其纵、平面尺寸示于图1-3-2，主要技术指标规定于表1-3-2。,车辆荷载在每个设计车道上布置一辆单车。公路I级和公路II级采用相同的车辆荷载标准值。,图1-3-2 车辆荷载的纵、平面尺寸,车辆荷载的主要技术指标,表1-3-2,3）车道荷载的特点,（1）车道荷载的形式简明。在内力影响线上加载只要已知影响线面积与最大坐标值就可以，加载手续简单，电算和手算工作量均减少；（2）通过车道荷载中的均布荷载加集中荷载的模式可以解决大、中、小不同跨径的活载设计标准，例如均布荷载的集度在某跨径区段可采用跳跃变化以满足不同跨径的要求
10、；（3）车道荷载中的集中荷载可采用双值，以满足弯矩和剪力计算的不同要求；,4）车辆荷载的作用,除了以上谈及的用于局部加载等的作用外，车辆荷载用于荷载横向分布的计算。桥梁设计时，每一设计车道上的车道荷载均模拟为一车辆荷载，其横向位置按图1-3-3布置，用以计算车道荷载的横向分布。图1-3-3 车辆荷载横向布置,汽车荷载计算效应的折减,1）桥涵设计车道数应符合表1-3-3的规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数大于2时，由汽车荷载产生的效应应按表1-3-4规定的多车道折减系数进行折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。,桥涵设计车道数,表1-3-3,横向折减系数,
11、表1-3-4,2）施加于长跨桥梁上的车道荷载，其计算效应考虑纵向折减。当桥梁计算跨径L150m时应按表1-3-5规定的纵向折减系数进行折减。当为多跨连续结构时，整个结构均应按最大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。横向折减系数,表1-3-5,二、汽车冲击力 汽车荷载冲击力应按下列规定计算：1）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。2）填料厚度（包括路面厚度）等于大于0.5m 的拱涵以及重力式墩台不计冲击力。3）支座的冲击力，按相应的桥梁取用。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。,
12、第二节 可变作用,5）冲击系数 可按下式计算：,式中 结构基频（）。汽车局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用1.3。,（1）简支梁桥结构的基频可按下列公式计算：式中 结构的计算跨径；结构材料的弹性模量；结构跨中截面的截面惯性矩；结构跨中处的单位长度量；结构跨中处延米结构重力；重力加速度。,（2）连续梁桥结构的基频可按下列公式计算：,计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时，采用；计算连续梁的冲击力引起的负弯矩效应时采用。,3）拱桥结构的基频可按下列公式计算：,式中 为频率系数，可按下列公式计算：a.当主拱为等截面或其他拱桥（如桁架拱、刚架拱等）时：式中 拱桥矢跨比。,b.当主拱为
13、变截面拱桥时：式中，为系数，按下式确定：其中，为拱厚度变化系数。、的数值由表1-3-6查得。,表1-3-6,、,值,系数,三、人群荷载人群荷载标准值按下列规定采用：1）当桥梁计算跨径L50m时，人群荷载标准值为3.0；当桥梁计算跨径L150m时，人群荷载标准值为2.5；当桥梁计算跨径在50m和150m之间时，可由线性内插得到人群荷载标准值。对跨径不等的连续结构，以最大计算跨径为准。城市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1.15倍。专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5。,第二节 可变作用,2）人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使主梁产生最不利荷载效应的区段
14、内。3）人行道板（局部构件）可以一块板为单元，按标准值为4.0 的均布荷载。4）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；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1.0kN/m。,四、其它 温度作用,1）在进行结构承载能力极限状态和正常使用极限状态设计时，应根据当地具体情况、结构物使用的材料和施工条件等因素考虑由温度作用而引起的结构效应。各种结构构的线膨胀系数规定于表1-3-7。线膨胀系数,表1-3-7,2）计算桥梁结构因均匀温差作用引起外加变形或约束变形时，应从结构受到约束时的平均温度开始，考虑最高温度和最低温度的作用效应。如缺乏实际调查资料，公路混凝土结构和钢结构的最
15、高和最低有效温度标准值可按表1-3-8取用。公路桥梁结构的有效温度标准值（）注：气候分区按下列规定：严寒地区，最冷月平均温度低于-10；寒冷地区，最冷月平均温度低于010；温热地区，最冷月平均温度高于0。气候分区中温热地区包括温和地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区。,表1-3-8,3）计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时，可采用图1-3-4所示的竖向梯温度曲线，其桥面板表面的最高规定于表1-3-9。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.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差为正温差乘以-0.5。竖向日照温差计
16、算的温度基数,图1-3-4竖向梯度温度,表1-3-9,第三节 偶然荷载,三、偶然作用 1）地震力 2）船只或漂流物撞击力,第四节 作用效应组合,公路桥梁概率极限状态设计的标准与规范1）公路工程结构可靠度设计统一标准GB/T50283-1999 中华人民共和国国家标准；2）公路工程设计标准 JTG B01-2003 中华人民共和国行业标准；3）公路桥涵设计通用规范 JTG D60 中华人民共和国行业标准；4）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62 中华人民共和国行业标准。,公路桥梁概率极限状态设计的标准与规范,国家标准公路工程结构可靠度设计统一标准BG/T50283-1999 是我
17、国用来指导公路工程各类设计规范编制的统一性文件。它规定了设计依据的目标可靠指标，还在结构可靠性分析方法、极限状态设计原则和表达式、结构作用和抗力、结构分析与试验、质量控制等方面做出了原则性的规定。,设计与计算的基本原则,1、公路桥涵应根据所在公路的使用任务、性质 和将来发展的需要，按照安全、适用、经济、美观和有利于环保的原则进行设计，并考虑因地制宜、就地取材，便于施工和养护等因素，使公路桥涵的设计符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求。,设计与计算的基本原则,2、公路桥梁结构采用以概率论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，按分项系数的设计表达式进行设计。公路桥涵
18、结构的设计基准期限为100年。,3、公路桥涵结构应按承载能力极限状态和正常 使用极限状态进行设计：1）承载能力极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态；2）正常使用极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态。在进行上述两类极限状态设计时，同时应满足构造和工艺方面的要求。,4、公路桥涵应根据不同种类的作用（或荷载）及其对桥涵的影响、桥涵所处的环境条件，考虑以下三种设计状况，并对其进行相应的极限状态设计：,1）持久状况：桥涵建成后承受自重、车辆荷载等持续时间很长的状况。该状况桥涵应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计；2
19、）短暂状况：桥涵施工过程中承受临时性作用的状况。该状况下的桥涵一般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；3）偶然状况：在桥涵使用过程中偶然出现的如罕遇地震的状况。该状况下的桥涵仅作承载能力极限状态设计。,5、极限状态设计表达式 1)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：（1）基本组合：永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式及应满足：,式中：承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；结构重要性系数，按表1-3-10规定的结构设计安全等级采 用。对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取不小 于1.1、1.0和0.9；,
20、公路桥涵结构的安全等级 表1-3-10,第i个永久作用效应的分项系数，按表1-3-11的规定采用；,永久作用效应的分项系数 表1-3-11,注：本表编号1中，当钢桥采用钢桥面板时，永久作用效应分项系数取1.1；当采用混凝土桥面板时，取1.2。,第i个永久作用效应的标准值；汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项系数，取=1.4。当某个可变作用在效应组合中超过汽车荷载效应时，则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽车荷载的分项系数；对专为承受某作用而设置的结构或装置，设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值；汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准值；在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击
21、力、离心力）、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数，取=1.4，但风荷载的分项系数取=1；,在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心 力）外的其他第j个可变作用效应的标准值；在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心 力）外的其他可变作用效应的组合系数。当永久作用与汽车 荷载和人群荷载（或其他一种可变作用）组合时，人群荷载（或其他一种可变作用）的组合系数取=0.80；当除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）外尚有两种其他可 变作用参与组合时，其组合系数取=0.70，有三种可变作 用参与组合时，其组合系数取=0.60，有四种及多于四种 的可变作用参与组合时，取=0.50。设计
22、弯桥时，当离心力与制动力同时参与组合时，制动力标准值或设计值按70%取用。,（2）偶然组合：永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的效应分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。,2）公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合：,1）作用短期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式及应满足,式中：作用短期效应组合设计值；第j个可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载=0.7，人群荷载=1.0，风荷载=0.85，温度梯度作用=0.8，其他作用=1.0。第j个可变作用效应的频遇值；正常使用极限状态设计时短期荷载效应组合下 结构抗力设计值，如应力、变形裂缝宽度等限 值。,2）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值效应相组合，其效应组合表达式及应满足,式中：作用长期效应组合设计值；第j个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载=0.4，人群荷载=0.4，风荷载=0.8，温度梯度作用=0.8，其他作用=1.0；第j个可变作用效应的准永久值。正常使用极限状态时长期荷载效应组合下 结构抗力设计值，如应力、变形、裂缝宽 度等限值。,
