橋梁工程(路)-4.5-設(shè)計荷載

第四章 橋梁的設(shè)計荷載第一節(jié) 規(guī)范中有關(guān)設(shè)計荷載的規(guī)定橋梁結(jié)構(gòu)根據(jù)其使用功能的不同，除承受結(jié)構(gòu)本身自重和各種附加重力以外，主要承受橋上各種交通荷載，例如汽車荷載、非機動車荷載和人群荷載。而且，鑒于橋梁結(jié)構(gòu)處在自然環(huán)境之中，還要經(jīng)受氣候、水文等各種復(fù)雜因素（外力）的影響。我國現(xiàn)行通規(guī)（JTG D602004）中將作用于橋梁結(jié)構(gòu)的荷載和引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因統(tǒng)稱為作用。作用是施加在結(jié)構(gòu)上的一組集中力或分布力，或引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因，前者稱直接作用，亦稱荷載，后者稱間接作用。一、作用的分類通規(guī)中將作用于橋梁結(jié)構(gòu)的作用分為三類：永久作用、可變作用和偶然作用。1、永久作用永久作用（也稱恒載）是在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值不隨時間而變化，或其變化值與平均值比較可忽略不計的作用。永久作用的量值是指其作用位置、大小和方向。作用于橋梁上部結(jié)構(gòu)的永久作用，主要是結(jié)構(gòu)物自重、橋面鋪裝及附屬設(shè)備的重量（人行道板、欄桿、扶手、燈柱等）、長期作用于結(jié)構(gòu)上的人工預(yù)加力以及混凝土收縮和徐變作用、基礎(chǔ)變位作用。作用于橋梁下部結(jié)構(gòu)的永久作用，主要是上部結(jié)構(gòu)傳給支座的永久作用、墩臺的自重、作用于墩臺上的土重及土側(cè)壓力、水浮力（水中墩臺）。2、可變作用可變作用（也稱活載）是在結(jié)構(gòu)使用期間，其量值隨時間而變化，或其變化值與平均值比較不可忽略不計的作用。主要包括汽車荷載及其影響力、自然和人為產(chǎn)生的各種變化力。3、偶然作用偶然作用是在結(jié)構(gòu)使用期間，出現(xiàn)的概率很小，一旦出現(xiàn)，其值很大且持續(xù)時間很短的作用。偶然作用主要是地震作用、船舶或漂流物的撞擊作用、汽車撞擊作用。作 用 分 類 編號作用分類作用名稱1永久作用結(jié)構(gòu)重力（包括結(jié)構(gòu)附加重力）2預(yù)加力3土的重力4土側(cè)壓力5混凝土收縮和徐變作用6水的浮力7基礎(chǔ)變位作用8可變作用汽車荷載9汽車沖擊力10汽車離心力11汽車引起的土側(cè)壓力12人群荷載13汽車制動力14風(fēng)荷載15流水壓力16冰壓力17溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用18支座摩阻力19偶然作用地震作用20船舶或漂流物的撞擊作用21汽車撞擊作用二、作用的計算只講可變作用的計算（一）汽車荷載及其影響力1、汽車荷載通規(guī)將汽車荷載分為公路級和公路級兩個等級，由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，橋梁結(jié)構(gòu)的整體計算采用車道荷載，橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計算采用車輛荷載，車道荷載與車輛荷載的作用不得疊加。車道荷載的計算圖式見圖1，車輛荷載的計算圖式見圖2和圖3。圖1 車道荷載圖2 車輛荷載的立面、平面尺寸（圖中尺寸單位為m，荷載單位為kN）圖3 車輛（車道）荷載橫向布置各級公路橋涵的汽車荷載等級和車道荷載標準值 公路等級高速公路一級公路二級公路三級公路四級公路汽車荷載等級公路級公路級均布荷載標準值(kNm)10.57.785集中荷載標準值（kN）5m:180kN50m:360kN5m50m:值采用180kN360kN直線內(nèi)插。5m:135kN50m:270kN5m50m:值采用135kN270kN直線內(nèi)插。注：為橋梁計算跨徑。計算剪力效應(yīng)時，表中集中荷載標準值應(yīng)乘以1.2的系數(shù)。汽車荷載的加載規(guī)定：車道荷載的縱向加載為均布荷載標準值應(yīng)滿布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號影響線上；集中荷載標準值只作用于相應(yīng)影響線中一個最大影響線峰值處。橫向分布系數(shù)應(yīng)按設(shè)計車道數(shù)布置車輛荷載進行計算。車輛荷載的加載見圖2、圖3。汽車荷載的折減規(guī)定：多車道橋梁上的汽車荷載應(yīng)考慮多車道折減，當橋涵設(shè)計車道數(shù)等于或大于2時，由汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)應(yīng)按通規(guī)規(guī)定的多車道折減系數(shù)進行橫向折減，但折減后的效應(yīng)不得小于兩設(shè)計車道的荷載效應(yīng)。當橋梁計算跨徑大于150m時，應(yīng)按通規(guī)規(guī)定的縱向折減系數(shù)進行縱向折減。橋涵設(shè)計車道數(shù)橋面寬度（m）橋涵設(shè)計車道數(shù)車輛單向行駛時車輛雙向行駛時7.017.010.56.014.0210.514.0314.017.514.021.0417.521.0521.024.521.028.0624.528.0728.031.528.035.08 橫向折減系數(shù) 橫向布置設(shè)計車道數(shù)（條）2345678橫向折減系數(shù)1.000.780.670.600.550.520.50縱向折減系數(shù)計算跨徑（m）縱向折減系數(shù)1504000.974006000.966008000.9580010000.9410000.932、汽車沖擊力汽車以較高的速度駛過橋梁時，橋梁產(chǎn)生的應(yīng)力與變形比大小相等的靜載引起的要大一些，這是應(yīng)為汽車荷載不是慢慢地增加，而是以較快的速度突然加載于橋上，因而使橋梁發(fā)生振動。同時由于橋面不平整、車輪不圓以及發(fā)動機抖動等原因，也會使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。這種由于荷載的動力作用使橋梁發(fā)生振動而造成內(nèi)力加大的現(xiàn)象稱為沖擊作用。也就是說，橋梁不僅承受車輛荷載的重力作用，還受到一種沖擊力。鑒于目前對沖擊作用還不能從理論上作出符合實際的精確計算，只能采用粗糙的近似方法，即以沖擊系數(shù)來計及荷載的沖擊作用。通規(guī)中規(guī)定：鋼橋、鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋、圬工拱橋等上部構(gòu)造和鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座及鋼筋混凝土柱式墩臺，應(yīng)計算汽車的沖擊作用；填料厚度（包括路面厚度）等于或大于0.5m的拱橋、涵洞以及重力式墩臺不計沖擊力。汽車荷載的沖擊力標準值為汽車荷載標準值乘以沖擊系數(shù)。沖擊系數(shù)結(jié)構(gòu)基頻（Hz）沖擊系數(shù)1.5 Hz0.051.5 Hz14 Hz0.1767ln0.015714 Hz0.45汽車荷載的局部加載及在T梁、箱梁懸臂板上的沖擊系數(shù)采用1.3。3、汽車離心力位于曲線上的橋梁，當曲線半徑等于或小于250m時，應(yīng)計算汽車荷載引起的離心力。汽車荷載離心力標準值為車輛荷載（不計沖擊力）標準值乘以離心力系數(shù)，離心力系數(shù)按下式計算：式中 設(shè)計速度（kmh），應(yīng)按橋梁所在路線設(shè)計速度采用； 曲線半徑（m）。計算多車道橋梁的汽車荷載離心力時，車輛荷載標準值應(yīng)乘以多車道的橫向折減系數(shù)。離心力的著力點在橋面以上1.2m處（為計算簡便也可移至橋面上，不計由此引起的作用效應(yīng)）。4、汽車引起的土壓力汽車荷載引起的土壓力采用車輛荷載加載，并可按下列規(guī)定計算：車輛荷載在橋臺或擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側(cè)壓力，可按下式換算成等代均布土層厚度（m）計算： 式中 布置在面積內(nèi)的車輪的總重力（kN），計算擋土墻的土壓力時，車輛荷載應(yīng)按圖35作橫向布置，多車道加載時，車輪總重力應(yīng)進行折減； 橋臺或擋土墻后填土的破壞棱體長度（m），對于墻頂以上有填土的路堤式擋土墻，為破壞棱體范圍內(nèi)的路基寬度部分； 土的重力密度（kNm3）； 橋臺橫向全寬或擋土墻的計算長度（m），擋土墻可按式1330計算，但計算結(jié)果不應(yīng)超過擋土墻分段長度，擋土墻分段長度小于13m時，取分段長度，并在該長度內(nèi)按不利情況布置輪重。為擋土墻高度（m），對墻頂以上有填土的擋土墻，為兩倍墻頂填土厚度加墻高。當土層特性無變化，時，汽車荷載引起的土側(cè)壓力： 式中 計算土層厚度（m）；其余符號意義同前。土壓力的著力點自計算土層底面算起，當土層特性有變化或受水位影響時，宜分層計算土的側(cè)壓力。計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下作角分布。當幾個車輪的壓力擴散線相重疊時，擴散面積以最外邊的擴散線為準。5、汽車制動力制動力是汽車在橋上剎車時為克服其慣性力而在車輪與路面之間發(fā)生的滑動摩擦力。車輪與路面間的摩擦系數(shù)可達0.5以上，但由于一行汽車不可能同時剎車，所以制動力不等于摩擦系數(shù)乘以橋上全部車道荷載。通規(guī)中規(guī)定：一個設(shè)計車道上由汽車荷載產(chǎn)生的制動力標準值為車道荷載標準值在加載長度上計算的總重力的10%計算，但公路級汽車荷載的制動力標準值不得小于165kN；公路級汽車荷載的制動力標準值不得小于90kN。同向行駛雙車道的汽車荷載制動力標準值為一個設(shè)計車道制動力標準值的兩倍；同向行駛?cè)嚨罏橐粋€設(shè)計車道的2.34倍；同向行駛四車道為一個設(shè)計車道的2.68倍。制動力的方向就是行車方向，其著力點在橋面以上1.2m處，計算墩臺時，可移至支座鉸中心或支座底座面上；計算剛構(gòu)橋、拱橋時，制動力的著力點可移至橋面上，但不計因此而產(chǎn)生的豎向力和力矩。設(shè)有板式橡膠支座的簡支梁、連續(xù)橋面簡支梁或連續(xù)梁排架式柔性墩臺，應(yīng)根據(jù)支座與墩臺的抗推剛度的剛度集成情況分配和傳遞制動力。設(shè)有固定支座、活動支座（滾動或擺動支座、聚四氟乙烯板支座）的剛性墩臺傳遞的制動力按表12采用，每個活動支座傳遞的制動力，其值不應(yīng)大于其摩阻力，當大于摩阻力時，按摩阻力計算。（二）人群荷載設(shè)有人行道的橋梁，在以汽車荷載計算內(nèi)力時，應(yīng)同時考慮人行道上人群荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力，人群荷載標準值按以下規(guī)定采用：1、當橋梁計算跨徑50m時，人群荷載標準值為3.0 kNm2；當150m時，人群荷載標準值為2.5 kNm2；當50m150m時，可由線性內(nèi)插得到人群荷載標準值。對于不等跨的連續(xù)結(jié)構(gòu)，以最大計算跨徑為準。2、城鎮(zhèn)郊區(qū)行人密集地區(qū)的公路橋梁，人群荷載標準值取上述規(guī)定值的1.15倍。3、專用人行橋梁,人群荷載標準值為3.5 kNm2。4、人群荷載在橫向應(yīng)布置在人行道的凈寬度內(nèi)，在縱向施加于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利荷載效應(yīng)的區(qū)段內(nèi)。5、人行道板（局部構(gòu)件）可以一塊板為單元，按標準值4.0 kNm2的均布荷載計算。6、計算人行道欄桿時，作用在欄桿立柱頂上的水平推力標準值取0.75 kNm；作用在欄桿扶手上的豎向力標準值取1.0 kNm。注意：人群荷載是以均布荷載的形式施加于結(jié)構(gòu)的，其取值與橋梁結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。第二節(jié) 作用效應(yīng)組合（荷載組合）一、按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時基本組合： （1）或 （2）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)及設(shè)計安全等級 表1橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)特大橋、重要大橋一級1.1大橋、中橋、重要小橋二級1.0小橋、涵洞三級0.9可變作用效應(yīng)的組合系數(shù) 表2作 用 組 合永久作用 + 汽車荷載 + 人群荷載（或其他一種可變作用）0.8永久作用 + 汽車荷載+ 二種可變作用（除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）0.7永久作用+ 汽車荷載+ 三種可變作用（除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）0.6永久作用+ 汽車荷載+ 四種（及多于四種）可變作用（除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）0.5偶然組合：永久作