第四章橋梁的設計作用〔荷載〕本章講解內容要點：作用的分類和作用代表值永久作用可變作用偶爾作用作用效應組合第四章橋梁的設計作用〔荷載〕作用(action)——一切引起構造反響的緣由。引起構造外加變形、約束變形的緣由，如根底變位、混凝土收縮和徐變，溫度變化等直接作用間接作用又稱為“荷載〞作用效應構造對所受作用的反響構造內力的反響構造位移的反響軸力彎矩剪力扭矩作用直接施加于構造上的外力，如構造重力、車輛、人群等。4.1作用分類和作用代表值4.1.1作用分類：作用代表值作用規范值作用頻遇值作用準永久值僅針對可變作用針對一切作用三個代表針對不同設計目的時所采用的作用的規定值不同情況下的代表值“頻繁出現〞95%概率分位“經常出現〞50%概率分位作用頻遇值作用準永久值“低折扣〞按規范值的7折運用“高折扣〞按規范值的4折運用4.1.2作用的代表值設計基準期〔Designreferenceperiod〕簡單地講，它就是在確定某些作用(這些作用的最大值概率分布與時間有關，如風荷載、車輛活載等)的規范值時需求人為規定的一個基準時間參數。對橋梁構造，設計基準期通長取100年。100年，與壽命的關系4.1.2作用的代表值永久作用－規范值可變作用－根據不同的極限形狀和組合方式分別采用規范值、頻遇值或準永久值作為其代表值。承載才干極限形狀－規范值按彈性階段計算構造強度－規范值正常運用極限形狀按短期效應組合設計－頻遇值頻遇值－規范值乘以頻遇值系數正常運用極限形狀按長期效應組合設計－準永久值準永久值－規范值乘以準永久值系數偶爾作用－規范值4.1.3作用代表值的取用4.2

永久作用概念永久作用——在構造運用期間，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。位置、大小、方向4.2

永久作用作用于橋梁上部構造的恒載－構造的重力和附屬設備等外加重力；作用在橋梁下部構造的恒載－由支座傳送的上部構造的重力、墩臺本身的重力、土壓力和水壓〔浮〕力等。構造重力＝構造體積與資料容重〔重力密度〕的乘積土的重力及土側壓力計算涉及構外型式、填料性質、墩臺位移和地基變形，也與氣候、水文和外加荷載等要素有關在進展橋梁構造(尤其是新型構造)分析時，往往需求預先估算恒載。通常，當估算的恒載與設計圖完成后確定的恒載之間的差別較小(例如，不超越3％)時，不用修正設計；否那么有必要按設計圖重新計算恒載，再次進展構造分析。4.2

永久作用水浮力指由地表水或地下水經過地基土壤的孔隙而傳送給建筑物根底底面的〔由下而上的〕水壓力；對位于碎石類土、砂類土、粘砂土等透水性地基上的墩臺，需在設計中思索水浮力。對于預應力混凝土橋梁，在檢算構造的運用性能〔如混凝土應力〕時，預加應力當視為恒載；在檢算構造的承載才干〔如抗彎強度〕時，預加應力不作為恒載，但把預應力鋼筋視為構造抗力的一部分，但在延續梁等超靜定構造中，仍需思索其次效應。在外部超靜定的混凝土橋梁構造中，混凝土收縮、徐變影響力是長期存在并起作用的。根底變位一旦發生，其對構造的影響也是長期的。4.2

永久作用受力構造〔梁〕本身的分量，一期恒載附屬構造〔鋪裝、護欄等〕附加的分量，二期恒載土對下部構造的側壓力及重力超靜定構造中根底變位會產生內力混凝土的收縮徐變會產生變形，超靜定構造中還會產生內力。4.2

永久作用構造重力＝構造體積與資料容重〔重力密度〕的乘積在確保構造平安的前提下，減小構造自重是設計的目的。4.2

永久作用位于水中的構造均會遭到水的浮力作用水的浮力4.2

永久作用預應力4.3

可變作用概念可變作用——在構造運用期間，其量值隨時間變化，且其變化值與平均值比較不可忽略的作用。位置、大小、方向2007-12-274.3

可變作用一、汽車荷載車輛活載指橋梁接受的機動交通活載。對鐵路橋，指列車活載；對公路橋，指汽車、掛車、履帶車等。車輛荷載的種類繁多，因此，需求對車輛荷載進展調查分析和綜合概括，并按照平安、適用和經濟的原那么，確定出設計采用的規范活載。對于不包括沖擊效應的車輛活載，可稱之為靜活載。汽車荷載等級－公路－I級、公路II級汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成，兩者的作用不得疊加〔取加載不利者〕車道荷載：均布荷載＋集中荷載，用于橋梁構造的整體計算加載：均布荷載滿布于同號影響線區域，集中荷載只作用在相應影響線中的一個最大峰值處一、汽車荷載一、汽車荷載85年版規范中的汽車活載一、汽車荷載〔2)公路的車輛荷載一、汽車荷載公路一I級和公路一Ⅱ級汽車荷載采用一樣的車輛荷載規范值〔2)公路的車輛荷載車輛荷載用于橋梁構造的部分加載、涵洞、橋臺等21〔3)公路等級與汽車荷載等級的關系公路－II級公路－II級公路－II級公路－I級公路－I級汽車荷載等級四級公路三級公路二級公路一級公路高速公路公路等級一、汽車荷載各級公路橋涵的汽車荷載等級對雙車道以上的公路橋，需求思索汽車荷載的多車道橫向折減。橫向折減的含義是：在多車道〔或多線〕橋梁上行駛的汽車荷載使橋梁構造產生某種最大作用效應時，不同車道上的汽車荷載同時處于最不利位置的能夠性大小。顯然，車道數越多，能夠性〔即同時出現最不利加載的幾率〕越小。但在橋梁設計中，為方便計，各個車道上的汽車荷載都是按最不利位置布置的，因此，就應根據上述能夠性的大小對總的汽車荷載〔或其作用效應〕進展折減。〔4)汽車荷載的橫向及縱向折減一、汽車荷載公路橋涵設計車道數及橫向折減系數車道荷載的加載倍數由設計車道數決議行車道一、汽車荷載公路橋梁上汽車荷載的縱向折減0.93L0≥10000.94800≤L0＜10000.95600≤L0＜8000.96400≤L0＜6000.97150＜L0＜400縱向折減系數計算跨徑L0〔m〕一、汽車荷載大跨徑公路橋梁上的車道荷載，還應思索縱向折減。這是由于：在制定車道荷載規范時，采用了自然堵塞的車間間距；在確定荷載大小時，采用了重車居多的調查資料。但對大跨徑橋梁，隨著跨徑的添加，實踐通行車輛出現上述情況就會逐漸緩解。因此，需對汽車荷載(或其效應)按跨度進展折減。規范規定：當橋梁計算跨徑大于150m時，應按上表進展縱向折減。對多跨延續構造(如延續梁橋)，按主跨進展全橋折減。公路橋梁上汽車荷載的縱向折減一、汽車荷載〔5〕、汽車荷載的加載加載就是按最不利原那么布置規范活載，經過構造分析計算橋梁活載效應〔內力、應力和位移、變形等〕的最不利值。普通做法：先計算構造內力及位移影響線，然后布載并加載。對均布荷載，加載為荷載集度與同號區段影響線面積的乘積；對集中荷載，為荷載大小與對應影響線縱坐標值的乘積。對公路車道荷載，布載時，應將其中的均布荷載規范值〔恣意長度，恣意截取〕滿布于使構造產生最不利效應的同號影響線區段上，而集中荷載規范值只布置在相應影響線中的一個最大影響線峰值處。對公路車輛荷載，那么運用輪系荷載直接加載并經過試算的方法找出最不利值。一、汽車荷載汽車荷載以一定的速度在橋上行駛時，會使橋梁發生振動，產生動力作用。這種動力作用會使橋梁的內力和變形較靜活載作用時大。這種景象就稱之為沖擊作用。沖擊作用的大小采用沖擊力來加以衡量。沖擊力與構造的剛度有關〔剛度越小，對動荷載的緩沖作用越強〕，目前根據構造動力學及橋梁動載實驗結果提出的近似計算公式。在設計中，引入沖擊系數。沖擊力規范值等于汽車荷載規范值乘以沖擊系數。二、沖擊力沖擊力受線路形狀(如道路不平順)、車輛類型(如機車的偏心輪作用)以及橋梁構造方式等要素的綜合影響，目前還難以在設計中準確思索。通常的做法是，在橋梁動載實驗的根底上提出近似計算公式，把動力問題簡化成靜力問題來處置。二、沖擊力

橋梁構造的基頻反映了構造的尺寸、類型、建筑資料等動力特性內容，它直接反映了沖擊系數與橋梁構造之間的關系。不論橋梁的建筑資料、構造類型能否有差別，也不論構造尺寸與跨徑能否有差別，只需橋梁構造的基頻一樣，在同樣條件的汽車荷載下，就能得到根本一樣的沖擊系數。二、沖擊力新的〈通用規范JTGD60〉規定，汽車荷載沖擊力應按以下規定計算：1鋼橋、鋼筋混凝土及預應力混凝土橋、圬工拱橋等上部構造和鋼支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座及鋼筋混凝土柱式墩臺，應計算汽車的沖擊作用。2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。3支座的沖擊力，按相應的橋梁取用。4汽車荷載的沖擊力規范值為汽車荷載規范值乘以沖擊系數μ5沖擊系數μ可按下式計算：當Hz時， μ=0.05當1.5Hz14Hz時，μ=0.1767lnf－0.0157當Hz時， μ=0.45式中，f為構造基頻〔Hz〕。6汽車荷載的部分加載及在T梁、箱梁懸臂板上的沖擊系數:采用μ=1.3。

二、沖擊力公路橋梁的人群荷載集度：3kN/m2〔L0≤50m〕，2.5kN/m2〔L0≥150m〕，其間線性內插；城市郊區行人密集地域取上述值的1.15倍；公用人行橋取3.5kN/m2。人行道板還應以4kN/m2〔公〕的荷載進展檢算，人群作用于欄桿上的程度推力按0.75kN/m思索，作用于立柱和扶手的豎向力按1.0kN/m思索。

三、人群荷載離心力是指車輛行駛在曲線線路上時，因速率方向變化而引起的橫向程度力。當曲線半徑等于或小于250m時，應計算汽車荷載引起的離心力。離心力的大小等于車輛活載〔不計沖擊力〕乘以離心力系數C，C值按下式計算

式中V——設計行車速度〔km/h〕；R——曲線半徑〔m〕。離心力的著力點在橋面以上1.2m處〔公路橋〕或軌頂面上2m處〔鐵路橋〕。四、離心力當風以一定速度運動并遭到橋梁妨礙時，橋梁就接遭到風壓。對大跨度的斜拉橋、懸索橋以及挺拔的橋塔和橋墩等，尤其如此。順風向風壓和橫風向風壓公路橋橫橋向風荷載按下式計算Fwh——橫橋向風荷載規范值〔kN〕Wd——設計基準風壓〔kN/m2〕k0——設計風速重現期換算系數k1——風載阻力系數k3——地形、地理條件系數五、風荷載汽車制動力是指車輛在制動時為抑制車輛的慣性力〔或阻力〕而在路面與車輪之間發生的滑動摩擦力。制動力是墩臺設計的重要荷載，是作用在橋上的縱向程度力。一個設計車道上的制動力為車道荷載規范值在加載長度上計算的總重力的10%，但公路－Ⅰ級汽車荷載的制動力規范值不得小于165kN；公路－Ⅱ級不小于90kN。同向行駛雙車道：兩倍；同向行駛三車道：2.34倍；同向行駛四車道：2.68倍。六、汽車制動力七、溫度作用溫度作用指因溫度的變化而引起的構造變形和附加力。溫度的變化可分為:(年平均)均勻溫度變化和梯度溫度(溫差)兩種情況：前者表示構造整體在一年中的溫度變化；后者表示構造截面上的不同點或不同資料之間的溫度差別，即沿橫截面豎向、橫向的溫度梯度。

超靜定構造存在多余約束，熱脹冷縮將產生內力或支座反力。靜定和超靜定構造，由于構造不同部位溫度不同，內部將產生溫差力。七、溫度作用由日照、驟冷等天氣情況引起的溫差，那么對靜定或超靜定的橋梁構造，均能夠會產生附加力。例如，由于資料導熱性的差別，在由混凝土橋面板和鋼梁組成的簡支結合梁中，會因溫差在截面土產生附加應力均勻溫度的取值，可按橋梁所在地域的氣溫條件(普通取當地最高和最低月平均氣溫)確定；均勻溫度的變化值，應自構造合龍時的溫度算起。

例如，假設橋位處最高和最低月平均氣溫分別為+40°C和0°C，而架梁或構造合龍時的溫度為+20°C，那么均勻溫度的變化幅度為40°C，而用于計算溫度作用效應的均勻溫度值為+20°C。對公路橋，計算由溫度梯度引起的溫度作用效應時:豎向溫度梯度:可采用圖所示的曲線;不計及橫向溫度梯度作用:思索到構造兩側腹板外的懸臂板較長，腹板受太陽直接輻射較少，梁底一直不受日照。七、溫度作用圖中:T1表示橋面板外表的溫度;T2表示橋面板外表下100mm處的溫度(它們的取值根據橋面鋪裝類型而定);H為梁高，A為對應溫度梯度曲線上零點與T2間的的構造高度(按構造類型及梁高取值，例如，當混凝土構造的梁高大于或等于400mm時，取A=300mm)；t為結合梁中混凝土橋面板的厚度。位于河流中的橋墩會遭到流水壓力的作用。通常，橋墩上游迎水一側會構成高壓區,下游一側會構成低壓區。這種前后壓力差便構成水流對橋墩的壓力。流水壓力規范值與橋墩的截面外形、外表粗糙率、水流流速和形狀等有關，其計算公式為:八、流水壓力、冰壓力和支座摩阻力位于冰凌河流或水庫的橋梁墩臺，應根據當地冰凌的詳細條件及墩臺的構外型式，思索冰荷載的作用。冰荷載可分為以下幾種：①河流流冰(因順流而下、撞擊橋墩而)產生的動壓力；②由于風及水流作用于(常在水庫內構成的)大面積冰層產生的靜壓力；③冰覆蓋層受溫度影響膨脹(且遭到約束)時產生的靜壓力；④冰堆整體推移產生的靜壓力(與大面積冰層的情況類似)；⑤冰層因水位升降產生的豎向作用力。橋梁構造受冰部位宜采用實體構造。對位于劇烈流冰河流中的橋墩，其迎冰面宜做成圓弧形、多邊形或尖角。影響冰壓力的自然要素眾多且實驗資料欠缺,應結合工程詳細分析!!

八、流水壓力、冰壓力和支座摩阻力支座上的摩阻力是因上部構造由溫度等引起的變位而產生的，其作用方向與上部構造的變位方向相反，作用點在支座處，計算公式為：式中:W—作用于活動支座上由上部構造重力產生的效應(對直橋，指豎向反力；對彎橋，還包括徑向反力)；μ—支座的摩擦系數，其根據支座種類取值；例如，對直接與混凝土面接觸的板式橡膠支座，μ=0.30。八、流水壓力、冰壓力和支座摩阻力44八、流水壓力、冰壓力和支座摩阻力八、流水壓力、冰壓力和支座摩阻力4.4

偶爾荷載概念偶爾作用——在構造運用期間出現的概率很小，一旦出現，其值很大且繼續時間很短的作用。4.4

偶爾荷載地震力－由于地震波在土中傳播，使震區發生地面運動；橋梁墩臺首先遭到外加的強迫運動，并導致整個橋梁的振動。所謂地震力，主要指劇烈的地面運動引起的構造本身的慣性力〔加速度與質量的乘積〕。它不僅地面運動的劇烈程度有關，也與構造的本身動力特性〔頻率和振型〕有關，還與橋梁所在處的地質情況有關。船只或漂流物的撞擊力汽車的撞擊作用一、偶爾作用〔荷載〕的分類：二、地震力的思索*地震區橋梁的設計計算，必需思索地震力(earthquakeforce)。*地震力的計算涉及地震實際、構造動力學、工程地質等多方面的知識。*詳細計算方法和構造抗震設計可參見<公路工程抗震設計規范>(JTJ004)和<鐵路工程抗震設計規范>(GBJ111)。地震作用分豎直方向和程度方向，閱歷闡明地震的程度運動是導致構造破壞的主要要素。構造抗震驗算時普通只思索程度地震作用。地震波傳播→震區地面運動→橋梁根底遭到強迫運動→橋梁振動。地震力：指劇烈的地面運動引起的構造本身的慣性力(地面程度運動加速度與構造質量的乘積)。它不僅與地面運動的劇烈程度有關，也與構造的動力特性(頻率和振型)有關，還與橋址處的地質情況有關。二、地震力的思索汶川大地震共呵斥24條高速公路受損，161條國省干線受損，8618條鄉村公路受損，6140座橋梁受損，156條隧道受損。二、地震力的思索二、地震力的思索二、地震力的思索三、船舶撞擊力的思索1.撞擊力計算在通行船舶或有漂流物的河流中，河中墩臺需求思索船舶或漂流物的撞擊力(collisionimpact)。船舶或漂流物與橋梁構造的碰撞過程非常復雜，其與碰撞時的環境要素(風浪、氣候、水流等)、船舶特性(類型、尺寸、速度、裝載情況、船體強度和剛度等)、橋梁構造特性(尺寸、外形、資料、質量和抗力等)等有關。公路橋梁規范按照“靜力法〞，并根據2004年版<內河通航規范>(GB50)：給出了一至七級內河航道上、不同噸位的船舶能夠產生的橫橋向和順橋向撞擊作用規范值。對近海通行海輪區域的船舶(噸級從3000—50000t)產生的橫橋向和順橋向撞擊作用規范值，那么是根據國內外研討成果，并經綜合分析比較確定的。當橋墩配置了防撞設備時，可不計撞擊作用。三、船舶撞擊力的思索三、船舶撞擊力的思索1954年9月1971年第二座橋開通1987年4月新橋開通1980年5月9號被一空貨輪撞擊，死35人防撞措施SunshineSkywayBridge,FLUSA2.防撞措施〔消能及阻尼作用〕4.5作用效應組合構造上幾種作用分別產生的效應的疊加一、作用效應組合二、作用效應組合的原那么以橋梁在施工和運營時能夠處于最不利的受力形狀為原那么必需思索各種作用效應的取舍以及它們同時作用的能夠性參照相關設計規范要求進展組合根據方法目的公路橋采用基于構造可靠性實際的極限形狀設計方法。應思索構造能夠同時出現的作用，分別按承載才干極限形狀和正常運用極限形狀進展作用效應組合，取其最不利效應組合進展設計。三、公路橋梁作用效應組合1.組合中的相關術語解釋承載才干極限形狀正常運用極限形狀A.設計中構造的形狀4.5作用效應組合三種設計情況：耐久情況指橋涵運用過程中長期接受構造重力、汽車荷載等作用的情況。在該情況下，應進展承載才干和正常運用極限形狀設計。短暫情況指橋涵施工過程中接受暫時性作用的情況。在該情況下，僅要求進展承載才干極限形狀設計，必要時才進展正常運用極限形狀設計。偶爾情況指橋涵運用過程中能夠偶爾蒙受的地震等情況。在該情況下，僅要求進展承載才干極限形狀設計，不需求進展正常運用極限形狀設計。耐久情況短暫情況偶爾情況運營階段施工階段偶爾情況B.設計的情況4.5作用效應組合1.組合中的相關術語解釋在按耐久情況承載才干極限形狀設計時，按照構造能夠破壞的嚴重程度，將公路橋涵劃分為三個設計平安等級，根據不同等級，擬定相應的構造重要性系數與作用效應組合值相乘。C.構造重要性系數1.組合中的相關術語解釋以規范跨徑確定4.5作用效應組合D.作用效應作用規范值效應作用頻遇值效應作用準永久值效應四種效應描畫作用設計值效應作用設計值效應＝作用規范值效應×作用效應分項系數作用效應〔Effectofanaction〕構造對所受作用的反響，如彎矩、位移等〔經過構造分析得到〕作用效應設計值〔Designvalueofanactioneffect〕作用規范值效應與分項系數的乘積。分項系數〔Partialsafetyfactor〕為保證構造具有規定的可靠度而在設計表達式中采用的系數，分為作用分項系數和抗力分項系數。對公路橋，作用分項系數是顯式的，在作用組合時采用；抗力分項系數是隱式的，包含在資料強度取值中。1.組合中的相關術語解釋4.5作用效應組合2.公路橋梁作用效應組合方法作用效應根本組合〔Fundamentalcombinationforactioneffects〕承載才干極限形狀設計時，永久作用設計值效應與可變作用設計值效應的組合作用效應偶爾組合〔Accidentalcombinationforactioneffects〕承載才干極限形狀設計時，永久作用規范值效應與可變作用規范值效應、一種偶爾作用規范值效應的組合作用短期效應組合〔Combinationforshort-termactioneffects〕正常運用極限形狀設計時，永久作用規范值效應與可變作用頻遇值效應的組合作用長期效應組合〔Combinationforlong-termactioneffects〕正常運用極限形狀設計時，永久作用規范值效應與可變作用準永久值效應的組合2.作用效應組合的不同方法4.5作用效應組合公路橋涵按承載才干極限形狀設計

時的根本組合γ0——構造重要性系數，1.1,1.0,0.9Sud——承載才干極限形狀下作用根本組合的效應組合設計值γGi——第i個永久作用效應的分項系數SGik——第i個永久作用效應的規范值γQ1——汽車荷載效應〔含沖擊力、離心力〕的分項系數SQ1k——汽車荷載效應〔含沖擊力、離心力〕的規范值Φc——除汽車荷載效應外的其他可變作用效應的組合系數γQj——除汽車荷載效應外的其他第j個可變作用效應的分項系數SQjk——除汽車荷載效應外的其他第j個可變作用效應的規范值A.承載力極限形狀下，作用效應的根本組合4.5作用效應組合公路橋涵按承載才干極限形狀設計

時的根本組合根本效應組合設計值UltimatebearingcapacityDesign永久作用規范值效應可變作用汽車規范值效應舉例汽車荷載〔計沖擊〕可變作用汽車以外規范值效應作用分項系數γQ1=1.4自重恒載效應作用分項系數γG1=1.2永久作用設計值效應可變作用〔汽車〕設計值效應溫度效應組合系數Ψc=0.8,0.7,0.6,0.5作用分項系數γQj=1.44.5作用效應組合公路橋涵按正常運用極限形狀設計

時的短期組