2021年6月29日,1,任务三 桥梁的设计荷载,荷载的种类、型式、大小的确定是否得当，既关系到桥梁建设的投资，也关系到桥梁的安全 特点 荷载标准并不是一成不变的 作用于桥梁结构上的荷载（及其组合）可能会越来越复杂 对结构行为和材料行为的认识在逐步加深 本章内容：介绍各类荷载的基本概念和计算方法，实际设计时荷载取值按铁路桥涵设计规范（以下简称铁桥规）和公路桥涵设计通用规范计算,2021年6月29日,2,第一节 荷载分类与组合,一、荷载分类：表3-1-1,2021年6月29日,3,二、荷载组合,荷载组合各种荷载的取舍以及它们同时作用的可能性 组合原则以桥梁在施工和运营时可能处于最不利的受力状态为原则 基本组合方式： 组合I：恒载（的一种或几种）与基本可变活载（的一种或几种）相组合，即仅考虑主力； 组合II：组合I与其它可变荷载（的一种或几种）相组合，即主力与附加力同时作用； 组合III：组合I与偶然荷载（的一种或几种）相组合，即主力与特殊荷载同时作用。,2021年6月29日,4,其他可变荷载不同时组合表（公路）,2021年6月29日,5,第二节永久荷载（恒载）,作用于桥梁上部结构的恒载结构的重力和附属设备等外加重力； 作用在桥梁下部结构的恒载由支座传递的上部结构的重力、墩台本身的重力、土压力和水压（浮）力等。 结构重力结构体积与材料容重的乘积 土压力计算涉及结构型式、填料性质、墩台位移和地基变形，也与气象、水文和外加荷载等因素有关 水浮力指由地表水或地下水通过地基土壤的孔隙而传递给建筑物基础底面的（由下而上的）水压力；对位于碎石类土、砂类土、粘砂土等透水性地基上的墩台，需在设计中考虑水浮力。 对于预应力混凝土桥梁，在检算结构的使用性能（如混凝土应力）时，预加应力当视为恒载；在检算结构的承载能力（如抗弯强度）时，预加应力不作为恒载，但把预应力钢筋视为结构抗力的一部分。 在外部超静定的混凝土桥梁结构中，混凝土收缩、徐变影响力是长期存在并起作用的。基础变位一旦发生，其对结构的影响也是长期的。,2021年6月29日,6,第三节可变荷载,一、基本可变活载（活载） （一）车辆活载 车辆荷载指桥梁承受的机动交通活载。对铁路桥，指列车活载；对公路桥，指汽车、挂车、履带车等。车辆荷载的种类繁多，因此，需要对车辆荷载进行调查分析和综合概括，并按照安全、适用和经济的原则，确定出设计采用的标准活载。 对于不包括冲击效应（后述）的车辆活载，可称之为静活载。,2021年6月29日,7,中活载,我国铁路活载标准的情况是：20年代开始自行制订铁路建筑标准，1938年公布中华活载标准，1951年制订了中Z活载标准，1975年对中Z活载标准进行修订，形成目前所用的中活载标准。,2021年6月29日,8,国际铁路联盟（UIC）活载图式,考察我国目前实际运行的列车及其发展趋势，可以看出，1975年制订的中活载标准已不太适用。例如，蒸汽机车已停止生产，内燃和电力机车得到广泛应用；货车的重载轴重时常高于机车的轴重。根据这些情况可以认为，我国新的列车活载标准应与国际铁路联盟（UIC）制订的活载标准较为一致。目前，荷载修订工作仍在进行之中。,2021年6月29日,9,公路车辆活载,公路车辆荷载标准化活载 4个等级：汽车10级、汽车15级、 汽车20级和汽车超20级 重车与主车 考虑冲击力 计算荷载把经常地、大量出现的汽车排列形成的车队，对一般桥梁设计起控制作用 验算荷载偶然地、个别出现的平板挂车或履带车，只对较小跨径的桥梁或局部构件起控制作用 500kN履带车（简称履带50），可多辆，间距50m 挂80、挂100和挂120，按一辆计算 不计冲击力,2021年6月29日,10,汽车车队纵向排列,2021年6月29日,11,汽车的平面尺寸和横向布置,2021年6月29日,12,平板挂车和履带车荷载,2021年6月29日,13,标准活载的加载,总的车道活载的折减。 对铁路桥梁的主要构件，双线活载取双线标准活载之和的90%，三线及三线以上者取各线标准活载之和的80%；对仅承受局部活载的构件则不考虑折减。 对公路桥梁，在按两行车队布载时，汽车活载不予折减；按三行车队布载时，汽车活载可在一定条件下折减20%；按四行车队布载时，汽车活载可折减30%，但折减后不得小于用两行车队布载的计算结果。 加载就是按最不利原则布置标准活载，通过结构分析计算桥梁活载效应（内力、应力和变形等）的最不利值。 等代荷载（或称换算均布荷载）,2021年6月29日,14,标准活载的等级选定,根据桥梁所在线路的等级、使用任务、性质和将来的发展等具体情况确定,2021年6月29日,15,（二）冲击力,车辆活载以一定的速度在桥上行驶时，会使桥梁发生振动，产生动力作用。这种动力作用会使桥梁的内力和变形较静活载作用时大。这种现象就称之为冲击作用。 冲击作用的大小采用冲击力来加以衡量。 冲击力受线路状态、车辆类型以及桥梁结构的型式和跨度等因素的综合影响，目前还难以精确考虑，只能在桥梁动载试验的基础上提出近似计算公式。 在设计中，引入冲击系数（1+）。当竖向活载包括冲击力时，系指将静活载乘以冲击系数。冲击系数的一般形式是： （3-1）,2021年6月29日,16,（三）人群荷载,铁路桥梁明桥面4kN/m2。 铁路桥梁道碴桥面，距离梁中心2.45米以内的人行道，取10 kN/m2；距离梁中心2.45米以外的人行道，取4 kN/m2。 公路桥梁的人群荷载一般取3kN/m2，城市郊区行人密集地区一般取3.5kN/m2；人群荷载应与汽车荷载同时考虑，但不与验算荷载同时计算。 人行道（钢筋混凝土）板还应以1.2 kN（公）或1.5 kN（铁）的集中荷载进行检算，人群作用于栏杆上的水平推力按0.75kN/m考虑，作用于立柱和扶手的竖向力按1.0kN考虑。,2021年6月29日,17,（四）离心力,离心力是指车辆行驶在曲线线路上时，因速率方向变化而引起的横向水平力。离心力的大小等于车辆活载（不计冲击力）乘以离心力系数C，C值按下式计算 （3-4） 式中 V设计行车速度（km/h）； R曲线半径（m）。 离心力的着力点在桥面以上1.2m处（公路桥）或轨顶面上2m处（铁路桥）。,2021年6月29日,18,二、基本可变活载（活载）,（一）风力 平均风压和脉动风压 横向风压按下式计算 W0基本风压值（Pa） K1设计风速频率换算系数 K2风载体型系数 K3风压高度变化系数 K4地形、地理条件系数 横向风力横向风压迎风面积 迎风面积结构的外轮廓线面积折减系数,2021年6月29日,19,（二）车辆制动力或（列车）牵引力,车辆制动力（或牵引力）是指车辆在刹车时（或启动时）为克服车辆的惯性力而在路面或轨道与车轮之间发生的滑动摩擦力。 制动力或牵引力是墩台设计的重要荷载，是作用在桥上的纵向水平力，但两者的作用方向恰好相反。 采用简化办法进行计算。对铁路桥梁，规定列车制动力或牵引力按竖向静活载的重力的10%计算，其作用点一般在轨顶以上2m处。公路桥梁中只考虑制动力。对一或二车道桥梁，规定制动力为一行汽车车队总重力的10%，但不得小于一辆重车的30%；对四车道桥梁，制动力为上述规定值的两倍。制动力作用点一般在桥面以上1.2m处。,2021年6月29日,20,（三）温度影响力,温度影响力指因温度的变化而引起的结构变形和附加力 温度的变化：（年平均）气温变化和温差。 气温变化对静定和超静定结构的影响 温差对静定和超静定结构的影响 气温变化的幅度，可按桥梁所在地区的气温条件（一般取当地最高和最低月平均气温）确定；气温变化值，应自结构合龙时的温度算起。 各种材料的线膨胀系数，可按设计规范采用。 钢：0.0000118 混凝土：0.000010,2021年6月29日,21,（四）列车横向摇摆力,由于轨道不平等原因，列车在行进中会发生左右摇摆，产生一种横桥向的水平力。这种横向摇摆力很难准确计算，现规定其作用于轨顶面，数值为5.5kN/m。 因横向摇摆力的取值与竖向活载有一比例，故一般不再检算空车荷载的横向摇摆力。另外，横向摇摆力应与横向风力进行比较，取其大者参与荷载组合。,2021年6月29日,22,（五）流水压力、冰压力和支座摩阻力,位于河流中的桥墩会受到流水压力的作用 位于冰凌河流或水库的桥梁墩台，应根据当地冰凌的具体条件及墩台的结构形式，考虑冰荷载的作用。 支座上的摩阻力是因上部结构由温度等引起的变位而产生的，其作用方向与上部结构的变位方向相反，作用点在支座处，计算公式为：,2021年6月29日,23,第四节偶然荷载,偶然荷载地震荷载、船只或漂流物（如排筏）的撞击力以及施工荷载。 地震力由于地震波在土中传播，使震区发生地面运动；桥梁墩台首先受到外加的强迫运动，并导致整个桥梁的振动。所谓地震力，主要指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力（加速度与质量的乘积）。它不仅地面运动的强烈程度有关，也与结构的动力特性（频率和振型）有关，还与桥梁所在处的地质情况有关。 船只或漂流物的撞击力 施工荷载,2021年6月29日,24,思考题,荷载的分类与基本组合类型 公路及铁路桥梁标准活载规定 冲击力与冲击系数的含义 温度对桥梁建筑结构的影响 静风荷载的取值,