桥梁工程(路)-4.5-设计荷载.doc

第四章 桥梁的设计荷载
第一节 规范中有关设计荷载的规定
桥梁结构根据其使用功能的不同,除承受结构本身自重和各种附加重力以外，主要承受桥上各种交通荷载，例如汽车荷载、非机动车荷载和人群荷载。而且，鉴于桥梁结构处在自然环境之中，还要经受气候、水文等各种复杂因素（外力)的影响。
我国现行《通规》（JTG D60—2004）中将作用于桥梁结构的荷载和引起结构外加变形或约束变形的原因统称为作用。作用是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。
一、作用的分类
《通规》中将作用于桥梁结构的作用分为三类：永久作用、可变作用和偶然作用。
1、永久作用
永久作用（也称恒载）是在结构使用期间,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.永久作用的量值是指其作用位置、大小和方向.作用于桥梁上部结构的永久作用,主要是结构物自重、桥面铺装及附属设备的重量（人行道板、栏杆、扶手、灯柱等)、长期作用于结构上的人工预加力以及混凝土收缩和徐变作用、基础变位作用。作用于桥梁下部结构的永久作用，主要是上部结构传给支座的永久作用、墩台的自重、作用于墩台上的土重及土侧压力、水浮力（水中墩台）。
2、可变作用
可变作用（也称活载)是在结构使用期间，其量值随时间而变化，或其变化值与平均值比较不可忽略不计的作用。主要包括汽车荷载及其影响力、自然和人为产生的各种变化力.
3、偶然作用
偶然作用是在结构使用期间，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。
偶然作用主要是地震作用、船舶或漂流物的撞击作用、汽车撞击作用。
作 用 分 类
编号
作用分类
作用名称
1
永久作用
结构重力（包括结构附加重力）
2
预加力
3
土的重力
4
土侧压力
5
混凝土收缩和徐变作用
6
水的浮力
7
基础变位作用
8
可变作用
汽车荷载
9
汽车冲击力
10
汽车离心力
11
汽车引起的土侧压力
12
人群荷载
13
汽车制动力
14
风荷载
15
流水压力
16
冰压力
17
温度（均匀温度和梯度温度）作用
18
支座摩阻力
19
偶然作用
地震作用
20
船舶或漂流物的撞击作用
21
汽车撞击作用
二、作用的计算——只讲可变作用的计算
（一）汽车荷载及其影响力
1、汽车荷载
《通规》将汽车荷载分为公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级两个等级，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载组成,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。车道荷载的计算图式见图1,车辆荷载的计算图式见图2和图3。
图1车道荷载
图2 车辆荷载的立面、平面尺寸
(图中尺寸单位为m,荷载单位为kN）
图3 车辆（车道)荷载横向布置
各级公路桥涵的汽车荷载等级
和车道荷载标准值
公路等级
高速公路
一级公路
二级公路
三级公路
四级公路
汽车荷载
等级
公路-Ⅰ级
公路—Ⅱ级
均布荷载
标准值
（kN／m）
10。5
7。785
集中荷载
标准值(kN）
≤5m:＝180kN
≥50m:＝360kN
5m＜＜50m:
值采用180kN～360kN直线内插。
≤5m：＝135kN
≥50m：＝270kN
5m＜＜50m：
值采用135kN～270kN直线内插.
注：为桥梁计算跨径.计算剪力效应时,表中集中荷载标准值应乘以1。2的系数。
汽车荷载的加载规定：车道荷载的纵向加载为均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。横向分布系数应按设计车道数布置车辆荷载进行计算.车辆荷载的加载见图2、图3。
汽车荷载的折减规定：多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减，当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应按《通规》规定的多车道折减系数进行横向折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应.当桥梁计算跨径大于150m时，应按《通规》规定的纵向折减系数进行纵向折减。
桥涵设计车道数
桥面宽度（m）
桥涵设计车道数
车辆单向行驶时
车辆双向行驶时
＜7。0

1
7。0≤＜10。5
6。0≤＜14.0
2
10。5≤＜14.0

3
14。0≤＜17.5
14。0≤＜21.0
4
17.5≤＜21。0

5
21。0≤＜24。5
21。0≤＜28。0
6
24.5≤＜28。0

7
28。0≤＜31。5
28.0≤＜35。0
8
横向折减系数
横向布置设计车道数(条)
2
3
4
5
6
7
8
横向折减系数
1.00
0.78
0。67
0.60
0。55
0.52
0。50
纵向折减系数
计算跨径（m）
纵向折减系数
150＜＜400
0。97
400≤＜600
0。96
600≤＜800
0.95
800≤＜1000
0。94
≥1000
0.93
2、汽车冲击力
汽车以较高的速度驶过桥梁时,桥梁产生的应力与变形比大小相等的静载引起的要大一些,这是应为汽车荷载不是慢慢地增加,而是以较快的速度突然加载于桥上，因而使桥梁发生振动。同时由于桥面不平整、车轮不圆以及发动机抖动等原因，也会使桥梁结构发生振动.这种由于荷载的动力作用使桥梁发生振动而造成内力加大的现象称为冲击作用。也就是说，桥梁不仅承受车辆荷载的重力作用,还受到一种冲击力。鉴于目前对冲击作用还不能从理论上作出符合实际的精确计算，只能采用粗糙的近似方法,即以冲击系数来计及荷载的冲击作用。《通规》中规定：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；填料厚度（包括路面厚度)等于或大于0。5m的拱桥、涵洞以及重力式墩台不计冲击力。
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。
冲击系数
结构基频（Hz）
冲击系数
＜1。5 Hz
0。05
1。5 Hz≤≤14 Hz
0。1767ln－0。0157
＞14 Hz
0。45
汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用1.3.
3、汽车离心力
位于曲线上的桥梁,当曲线半径等于或小于250m时，应计算汽车荷载引起的离心力。汽车荷载离心力标准值为车辆荷载（不计冲击力)标准值乘以离心力系数，离心力系数按下式计算：
式中 —-设计速度（km／h）,应按桥梁所在路线设计速度采用；
——曲线半径（m）.
计算多车道桥梁的汽车荷载离心力时，车辆荷载标准值应乘以多车道的横向折减系数。离心力的着力点在桥面以上1.2m处（为计算简便也可移至桥面上,不计由此引起的作用效应）.
4、汽车引起的土压力
汽车荷载引起的土压力采用车辆荷载加载，并可按下列规定计算:
①车辆荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力，可按下式换算成等代均布土层厚度（m）计算：
式中 —-布置在×面积内的车轮的总重力（kN)，计算挡土墙的土压力时，车辆荷载应按图3—5作横向布置，多车道加载时,车轮总重力应进行折减;
—-桥台或挡土墙后填土的破坏棱体长度（m)，对于墙顶以上有填土的路堤式挡土墙，为破坏棱体范围内的路基宽度部分;
-—土的重力密度（kN／m3）;
——桥台横向全宽或挡土墙的计算长度(m），挡土墙可按式13＋30计算，但计算结果不应超过挡土墙分段长度,挡土墙分段长度小于13m时，取分段长度,并在该长度内按不利情况布置轮重.为挡土墙高度（m)，对墙顶以上有填土的挡土墙，为两倍墙顶填土厚度加墙高。
当土层特性无变化，时，汽车荷载引起的土侧压力：
式中 --计算土层厚度（m）；
其余符号意义同前。
土压力的着力点自计算土层底面算起，
当土层特性有变化或受水位影响时，宜分层计算土的侧压力。
②计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时,车轮按其着地面积的边缘向下作角分布.当几个车轮的压力扩散线相重叠时，扩散面积以最外边的扩散线为准。
5、汽车制动力
制动力是汽车在桥上刹车时为克服其惯性力而在车轮与路面之间发生的滑动摩擦力。车轮与路面间的摩擦系数可达0。5以上，但由于一行汽车不可能同时刹车，所以制动力不等于摩擦系数乘以桥上全部车道荷载.《通规》中规定：一个设计车道上由汽车荷载产生的制动力标准值为车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10％计算，但公路—Ⅰ级汽车荷载的制动力标准值不得小于165kN；公路—Ⅱ级汽车荷载的制动力标准值不得小于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两倍；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2。68倍。
制动力的方向就是行车方向,其着力点在桥面以上1。2m处,计算墩台时,可移至支座铰中心或支座底座面上；计算刚构桥、拱桥时,制动力的着力点可移至桥面上，但不计因此而产生的竖向力和力矩.
设有板式橡胶支座的简支梁、连续桥面简支梁或连续梁排架式柔性墩台，应根据支座与墩台的抗推刚度的刚度集成情况分配和传递制动力.
设有固定支座、活动支座（滚动或摆动支座、聚四氟乙烯板支座）的刚性墩台传递的制动力按表12采用,每个活动支座传递的制动力,其值不应大于其摩阻力,当大于摩阻力时,按摩阻力计算。
（二）人群荷载
设有人行道的桥梁，在以汽车荷载计算内力时，应同时考虑人行道上人群荷载所产生的内力，人群荷载标准值按以下规定采用：
1、当桥梁计算跨径≤50m时，人群荷载标准值为3.0 kN／m2；当≥150m时，人群荷载标准值为2。5 kN／m2;当50m＜＜150m时，可由线性内插得到人群荷载标准值.对于不等跨的连续结构,以最大计算跨径为准。
2、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1.15倍。
3、专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5 kN／m2.
4、人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。
5、人行道板（局部构件)可以一块板为单元，按标准值4。0 kN／m2的均布荷载计算。
6、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。75 kN／m；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1。0 kN／m。
注意：人群荷载是以均布荷载的形式施加于结构的，其取值与桥梁结构密切相关。
第二节 作用效应组合（荷载组合）
一、按承载能力极限状态设计时
①基本组合：
(1）
或 (2)
结构重要性系数及设计安全等级 表1
桥涵结构
设计安全等级
结构重要性系数
特大桥、
重要大桥
一级
1。1
大桥、中桥、
重要小桥
二级
1。0
小桥、涵洞
三级
0.9
可变作用效应的组合系数 表2
作 用 组 合

永久作用 + 汽车荷载 + 人群荷载（或其他一种可变作用)
0.8
永久作用 + 汽车荷载+ 二种可变作用（除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力)）
0.7
永久作用+ 汽车荷载+ 三种可变作用(除汽车荷载(含汽车冲击力、离心力））
0。6
永久作用+ 汽车荷载+ 四种(及多于四种）可变作用（除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）)
0。5
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。
二、按正常使用极限状态设计时
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。
(3）
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.
（4）
可变作用效应频遇值系数
和准永久值系数
作用类别
频遇值系数
准永久值系数
汽车荷载
（不计冲击力)
0。7
0.4
人群荷载
1.0
0。4
风荷载
0。75
0.75
温度梯度作用
0。8
0。8
其他作用
1。0
1.0
图1车道荷载
12