桥梁工程桥梁的设计

第 一 节 作 用 分 类 和 作 用 代 表 值第 二 节 永 久 作 用 第 三 节 可 变 作 用第 四 节 偶 然 作 用第 五 节 作 用 效 应 组 合 作 用 (action)： 所 有 引 起 结 构 反 应 的 原 因按 作 用 的 性 质 ， 可 为 两 类 ： 一 类 是 直 接 施 加 于 结 构 上 的 外 力 ， 如 结 构 重 力 、车 辆 、 人 群 等 ， 称 为 “ 荷 载 ” (Load)； 另 一 类 不 是 以 力 的 形 式 施 加 于 结 构 ， 其 产 生 的效 果 与 结 构 本 身 的 特 性 及 结 构 所 处 环 境 等 有 关 ， 如基 础 变 位 、 混 凝 土 收 缩 和 徐 变 ， 温 度 变 化 等 ,以 前 习惯 上 也 称 其 为 “ 荷 载 ” ， 但 这 种 叫 法 并 不 确 切 .作 用 效 应 (effect of an action): 结 构 对 所 受 作 用 的 反 应 ， 如 构 件 承 受 的 弯 矩 、剪 力 ， 结 构 的 位 移 等 ， 称 为 作 用 效 应 。 本 章 主 要 介 绍 各 类 作 用 的 基 本 概 念 和 计 算 方 法 . 实 际 设 计 时 作 用 的 取 值 按 : 铁 路 桥 涵 设 计 基 本 规 范 (TB10002.12005) 公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范 (JTG D602004)的 规 定 办 理 。 对 城 市 桥 梁 ， 其 荷 载 标 准 与 公 路 桥 梁 类 似 ， 可 参 阅 城 市 桥 梁 设 计 荷 载 标 准 (CJJ77)。 公 路 桥 梁 的 作 用 ,按 其 随 时 间 变 化 的 性 质 ， 分 为 : 永 久 作 用 (permanent action) 可 变 作 用 (variable action) 偶 然 作 用 (accidental action)永 久 作 用 : 习 惯 上 称 为 恒 载 (deadload)， 是 指 在 设 计 基 准 期 内 ， 其 量 值 不 随 时 间 变 化 ，或 其 变 化 与 平 均 值 相 比 可 忽 略 不 计 的 作 用 ， 如 结 构 重 力 。可 变 作 用 : 指 在 设 计 基 准 期 内 ， 其 量 值 随 时 间 变 化 ， 且 其 变 化 与 平 均 值 相 比 有 不 可 忽略 的 作 用 ， 如 汽 车 、 列 车 、 人 群 荷 载 (习 惯 上 称 为 活 载 ， live load)。偶 然 作 用 : 指 在 设 计 基 准 期 内 不 一 定 出 现 ， 但 一 旦 出 现 ， 其 值 很 大 且 持 续 时 间 很 短 的作 用 ， 如 地 震 力 。 铁 路 桥 梁 :习 惯 于 按 作 用 性 质 和 发 生 的 几 率 来 进 行 分 类 ， 将 桥 梁 作用 分 为 : 主 力 (对 应 于 公 路 桥 的 永 久 作 用 和 一 部 分 可 变 作 用 )、 附 加 力 (对 应 于 不 包 含 在 主 力 中 的 其 他 的 可 变 作 用 ) 特 殊 荷 载 (对 应 于 偶 然 作 用 )。 我 国 公 路 、 铁 路 桥 梁 的 设 计 作 用 (荷 载 )分 类 分 别 见 表 3 1和 表3 2。 比 较 两 表 ， 尽 管 公 路 、 铁 路 规 范 对 各 种 作 用 的 分 类 及 名 称 有所 不 同 ， 但 基 本 上 大 同 小 异 。 需 要 注 意 的 是 : 有 些 作 用 是 设 计 铁 路 桥 所 特 有 的 ， 如 列 车 横 向 摇 摆 力 、牵 引 力 等 ； 有 些 作 用 仅 在 一 本 规 范 中 列 出 ， 如 公 路 规 范 中 的 支 座 摩阻 力 ， 但 在 按 另 一 本 规 范 设 计 桥 梁 时 ， 可 视 情 况 加 以 采 用 。 另 外 ， 在 设 计 公 铁 两 用 桥 时 ， 目 前 的 设 计 实 践 是 ： 在 铁路 荷 载 的 基 础 上 ， 增 加 公 路 桥 全 部 活 载 的 75 ； 但 对 仅 承 受公 路 活 载 的 构 件 ， 应 计 及 全 部 公 路 活 载 。 作 用 代 表 值 :代 表 作 用 大 小 的 数 值 ,它 采 用 数 理 统 计 的 方 法或 根 据 工 程 经 验 加 以 确 定 。 在 进 行 桥 梁 结 构 或 构 件 设 计 时 ， 需 针 对 不 同 设 计 目 的 采 用规 定 的 各 种 作 用 值 。作 用 代 表 值 包 括 作 用 标 准 值 、 频 遇 值 和 准 永 久 值 。 作 用 标 准 值 :为 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 。 作 用 频 遇 值 :是 可 变 作 用 的 一 种 代 表 值 ， 其 可 根 据 在 足 够长 的 观 测 期 内 作 用 任 意 时 点 概 率 分 布 的 0.95分 位 值 确 定 。 作 用 准 永 久 值 :是 可 变 作 用 的 另 一 种 代 表 值 ， 其 可 根 据 在足 够 长 的 观 测 期 内 作 用 任 意 时 点 概 率 分 布 的 0.5(或 略 高 于0.5)分 位 值 确 定 。 我 国 公 路 桥 涵 基 于 极 限 状 态 法 ， 设 计 时 对 不 同 的 作用 采 用 不 同 的 代 表 值 。 对 永 久 作 用 和 偶 然 作 用 ， 采 用标 准 值 。 对 可 变 作 用 ， 根 据 不 同 的 极 限 状 态 和 组 合 方式 采 用 标 准 值 、 频 遇 值 或 准 永 久 值 。 我 国 铁 路 桥 梁 设 计 规 范 仍 基 于 容 许 应 力 法 ， 其 各 类荷 载 的 代 表 值 相 当 于 上 述 标 准 值 ， 没 有 规 定 频 遇 值 和准 永 久 值 。 作 用 的 分 类 不 是 绝 对 的 !例 如 ， 铁 路 钢 梁 桥 的 水 平 联 结 系 (见 第 六 章 )主 要 承 受 风 力 和 制动 力 ， 在 设 计 水 平 联 结 系 时 ， 就 该 视 风 力 和 制 动 力 为 活 载 而 非附 加 力 。设 计 基 准 期 (design reference period) 简 单 地 讲 ， 它 就 是 在 确 定 某 些 作 用 (这 些 作 用 的 最 大 值概 率 分 布 与 时 间 有 关 ， 如 风 荷 载 、 车 辆 活 载 等 )的 标 准 值 时需 要 人 为 规 定 的 一 个 基 准 时 间 参 数 。 对 桥 梁 结 构 ， 设 计 基 准期 通 长 取 100年 。注 意 ! 设 计 基 准 期 使 用 寿 命 。 永 久 作 用 ： 亦 称 恒 载 ， 在 设 计 基 准 期 内 其 值 不 随时 间 变 化 ， 或 其 变 化 与 平 均 值 相 比 忽 略 不 计 的 作用 。其 作 用 位 置 、 大 小 和 方 向 一 般 是 固 定 不 变 的 .永 久 作 用 包 括 ： 结 构 自 重 、 桥 上 附 加 恒 载 （ 桥 面 、人 行 道 及 附 属 设 备 ） 、 作 用 于 结 构 上 的 土 重 及 土侧 压 力 、 基 础 变 位 影 响 力 、 水 浮 力 、 混 凝 土 收 缩和 徐 变 的 影 响 力 等 。 结 构 重 力 的 标 准 值 ， 可 按 结 构 构 件 的 设 计 尺 寸 和 材 料 的 重力 密 度 计 算 确 定 。 在 进 行 桥 梁 结 构 (尤 其 是 新 型 结 构 )分 析 时 ， 往 往 需 要预 先 估 算 恒 载 。 通 常 ， 当 估 算 的 恒 载 与 设 计 图 完 成 后 确 定的 恒 载 之 间 的 差 异 较 小 (例 如 ， 不 超 过 3 )时 ， 不 必 修 正 设计 ； 否 则 有 必 要 按 设 计 图 重 新 计 算 恒 载 ， 再 次 进 行 结 构 分析 。 土 压 力 (earth pressure)按 其 产 生 的 条 件 ， 分 为 : 静 止 土 压 力 主 动 土 压 力 被 动 土 压 力 桥 梁 下 部 结 构 设 计 时 主 要 用 到 前 两 者 。 土 的 侧 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 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 ， 其值 等 于 建 筑 物 所 排 开 的 同 等 体 积 的 水 重 。 一 般 ， 位 于 岩 石 地 基 上 的 基 础 被 认 为 是 不 渗水 的 ， 可 不 计 水 浮 力 ； 对 位 于 碎 石 类 土 、 砂 类 土 、黏 砂 土 等 透 水 性 地 基 上 的 墩 台 ， 需 在 设 计 中 考 虑水 浮 力 预 加 应 力 (对 于 预 应 力 结 构 ) 按 正 常 使 用 极 限 状 态 设 计 时 ： 预 加 应 力 属 永 久作 用 ； 按 承 载 能 力 极 限 状 态 设 计 时 ： 预 加 应 力 不 作 为荷 载 ， 而 将 预 应 力 筋 作 为 结 构 抗 力 的 一 部 分 。 但 在 超 静 定 结 构 中 ， 由 预 加 力 引 起 的 次 内 力 应属 永 久 荷 载 。 规 范 未 作 明 确 说 明 。 混 凝 土 收 缩 (shrinkage)及 徐 变 (creep)作 用 对 外 部 超 静 定 的 混 凝 土 桥 梁 结 构 以 及 钢 一 混 组 合 桥 梁结 构 ， 混 凝 土 收 缩 (shrinkage)及 徐 变 (creep)作 用 是 长 期存 在 的 。 混 凝 土 徐 变 影 响 的 计 算 可 依 据 混 凝 土 应 力 与 徐 变 变 形呈 线 性 关 系 的 假 定 进 行 分 析 。 混 凝 土 收 缩 系 数 和 徐 变 系 数 的 确 定 ， 按 照 公 路 钢 筋混 凝 土 及 预 应 力 混 凝 土 桥 涵 设 计 规 范 (JTG D62-2004)和 铁 路 桥 涵 钢 筋 混 凝 土 和 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 (TB 10002.3-2005)中 的 规 定 计 算 。 基 础 变 位 对 超 静 定 桥 梁 结 构 ， 由 于 地 基 压 密 等 原 因 ，其 墩 台 基 础 可 能 发 生 变 位 (沉 降 )。 基 础 变 位 对结 构 的 影 响 也 是 长 期 的 ， 其 作 用 效 应 可 依 据 工程 实 际 情 况 ， 按 最 终 位 移 量 分 析 计 算 。 可 变 作 用 指 在 设 计 基 准 期 内 ， 其 量 值 随 时 间 变 化 ，且 其 变 化 与 平 均 值 相 比 有 不 可 忽 略 的 作 用 ， 如 汽 车 、 列 车 、人 群 荷 载 (习 惯 上 称 为 活 载 ， live load) 一 、 车 辆 活 载 车 辆 活 载 指 桥 梁 承 受 的 机 动 荷 载 。 对 铁 路 桥 ， 指 列 车 ； 对 公 路 桥 ， 主 要 指 汽 车 。 车 辆 活 载 的 种 类 繁 多 ， 因 此 ， 需 要 对 车 辆 活 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 ， 制订 出 设 计 采 用 的 标 准 值 。 n 列 车 由 机 车 和 车 辆 组 成 ， 机 车 和 车 辆 类 型 很 多 ，轴 重 、 轴 距 各 异 。n 为 规 范 设 计 ， 我 国 根 据 机 车 车 辆 轴 重 、 轴 距 对桥 梁 不 同 影 响 及 考 虑 车 辆 的 发 展 趋 势 ， 制 定 了中 华 人 民 共 和 国 铁 路 标 准 活 载 图 式 。n （ 简 称 “ 中 活 载 ” ）n 中 活 载 160km/h、 200km/hn ZK活 载 250km/h、 300km/h以 上 高 速 桥 规 规 定 ：v 加 载 时 ， 标 准 活 载 计 算 图 式 可 任 意 截 取v 双 线 桥 跨 ： 两 线 活 载 之 和 的 90%v 横 向 稳 定 检 算 ： 空 车 +最 大 横 向 风 力 为 最 不 利 ，空 车 活 载 标 准 值 为 10kN/m “ZK活 载 ” 分 标 准 活 载 和 特 种 活 载ZK标 准 活 载ZK特 种 活 载 高 速 暂 行 规 定 ：v 加 载 时 ， 标 准 活 载 计 算 图 式 可 任 意 截 取v 单 线 或 双 线 桥 跨 ： 各 线 均 应 计 入 ZK活 载 作 用 。v 多 于 双 线 桥 跨 ： 应 按 下 列 最 不 利 情 况 考 虑 ：1） 按 双 线 在 最 不 利 位 置 承 受 ZK活 载 ， 其 余 线 路 不 承 受列 车 荷 载 ；2） 所 有 线 路 在 最 不 利 位 置 承 受 75 的 ZK活 载 。v 空 车 活 载 按 10kN/m计 算 。“ZK活 载 ” 分 标 准 活 载 和 特 种 活 载 桥 梁 标 准 活 载 的 等 级 或 类 型 ， 应 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 。 对 标 准 轨 距 (1435mm)的 干 线 铁 路 ， 采 用 中 一 活 载 (本书 讨 论 者 )； 对 地 方 窄 轨 (轨 距 762mm)铁 路 ， 规 定 了 与 中 一 活 载 形状 类 似 但 数 值 大 幅 减 小 的 活 载 图 式 ； 对 专 用 铁 路 (如 矿 区 铁 路 桥 梁 )， 其 活 载 图 式 需 结 合具 体 情 况 确 定 。 对 于 不 包 括 冲 击 效 应 (后 述 )的 列 车 竖 向 活 载 ， 称 之 为静 活 载 。 q 设 计 荷 载 大 量 、 经 常 出 现 的 汽 车 荷 载 ， 以 车 队 形 式 排 列 。汽 10级 、 汽 15级 、 汽 20级 、 汽 超 20级 验 算 荷 载 偶 然 、 个 别 出 现 的 平 板 挂 车 或 履 带 车 。挂 80、 挂 100、 挂 120、 履 带 50 n 原 公 路 桥 涵 结 构 设 计 采 用 的 车 辆 荷 载 标 准 模 式 是根 据 20世 纪 60年 代 我 国 公 路 交 通 荷 载 的 实 际 情 况 ，经 过 相 当 长 时 期 的 分 析 、 研 究 和 修 正 确 定 的 。 从 近40年 的 应 用 情 况 看 ， 标 准 （ 97） 车 辆 荷 载 的 模式 及 其 分 级 基 本 上 是 合 理 的 ， 能 适 应 我 国 公 路 建 设发 展 的 需 要 ， 但 也 存 在 一 些 不 尽 合 理 之 处 ， 如 采 用车 队 荷 载 模 式 在 桥 涵 结 构 设 计 时 计 算 非 常 繁 琐 、 车队 荷 载 在 不 同 跨 径 的 结 构 上 产 生 的 效 应 的 连 贯 性 不够 合 理 、 标 准 荷 载 的 级 差 不 尽 合 理 等 ， 同 时 ， 采 用车 队 荷 载 模 式 ， 容 易 造 成 设 计 采 用 的 车 辆 荷 载 是 实际 运 营 中 允 许 如 此 载 质 量 的 车 辆 在 公 路 上 行 驶 的 错误 观 念 。 1 汽 车 荷 载 分 为 公 路 I级 和 公 路 II级 两 个 等 级 。 2 汽 车 荷 载 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 。 3 桥 梁 结 构 的 整 体 计 算 采 用 车 道 荷 载 ； 4 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 辆 荷 载 与 车 道 荷 载 的 作 用 不 得叠 加 。 公 路 I级 车 道 荷 载 的 均 布 荷 载 标 准 值 为 : =10.5kN/m； 集 中 荷 载 标 准 值 按 以 下 规 定 选 取 ： 桥 梁 计 算 跨 径 小 于 或 等 于 5m时 ， =180kN； 桥 梁 计 算 跨 径 等 于 或 大 于 50m时 ， =360kN； 桥 梁 计 算 跨 径 在 5m50m之 间 时 ， 值 采 用 直 线 内 插求 得 。 计 算 剪 力 效 应 时 ， 上 述 集 中 荷 载 标 准 值 应 乘 以 1.2的 系 数 。 公 路 II级 车 道 荷 载 的 均 布 荷 载 标 准 值 和 集 中荷 载 标 准 值 按 公 路 I级 车 道 荷 载 的 0.75倍 采 用 。 车 道 荷 载 的 均 布 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 。kq kP kPkP 公 路 一 I级 和 公 路 一 级 汽 车 荷 载 采 用 相 同 的 车 辆 荷 载 标 准 值 3 车 辆 活 载 折 减 多 车 道 桥 梁 的 汽 车 荷 载 应 考 虑 折 减 。 横 向 折 减 的 含 义 是 ： 在 多 车 道 (或 多 线 )桥 梁 上 行 驶 的 车 辆 活 载 使 桥 梁 结 构产 生 某 种 最 大 作 用 效 应 时 ， 不 同 车 道 上 的 车 辆 活 载 同 时 处 于 最 不 利 位 置的 可 能 性 大 小 。 显 然 ， 车 道 数 越 多 ， 可 能 性 (即 同 时 出 现 最 不 利 加 载 的 几率 )越 小 。 当 桥 涵 设 计 车 道 数 2时 ， 汽 车 荷 载 产 生 的 效 应 应该 按 规 定 的 多 车 道 横 向 折 减 系 数 进 行 折 减 ， 但 折 减后 的 效 应 不 得 小 于 两 条 设 计 车 道 的 荷 载 效 应 。 大 跨 径 公 路 桥 梁 上 的 车 道 荷 载 ， 还 应 考 虑 纵 向 折 减 。这 是 因 为 ： 在 制 订 车 道 荷 载 标 准 时 ， 采 用 了 自 然 堵 塞 的 车 间 间 距 ； 在 确定 荷 载 大 小 时 ， 采 用 了 重 车 居 多 的 调 查 资 料 。 但 对 大 跨 径 桥 梁 ， 随 着 跨径 的 增 加 ， 实 际 通 行 车 辆 出 现 上 述 情 况 就 会 逐 步 缓 解 。 因 此 ， 需 对 汽 车荷 载 (或 其 效 应 )按 跨 度 进 行 折 减 。 规 范 规 定 ： 当 桥 梁 计 算 跨 径 大 于 150m时 ， 应 按 表 3.5进 行 纵 向 折 减 。 对 多 跨 连 续 结 构 (如 连 续 梁 桥 )， 按 主 跨 进行 全 桥 折 减 。 对 铁 路 桥 梁 ， 仅 考 虑 横 向 折 减 。双 线 桥 的 主 要 构 件 ， 用 于 设 计 的 双 线 活 载 应 取 两 线 标 准 活载 之 和 的 90 (相 当 于 横 向 折 减 系 数 取 0.9);三 线 及 三 线 以 上 者 应 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 。 4 车 辆 活 载 的 加 载 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 位 移 、 变 形 等 )的最 不 利 值 。 对 公 路 桥 梁 的 车 道 荷 载 ， 布 载 时 ， 应 将 其 中 的 均 布荷 载 标 准 值 (任 意 长 度 ， 任 意 截 取 )满 布 于 使 结 构 产 生最 不 利 效 应 的 同 号 影 响 线 区 段 上 ， 而 集 中 荷 载 标 准 值只 布 置 在 相 应 影 响 线 中 的 一 个 最 大 影 响 线 峰 值 处 。 对 公 路 桥 梁 中 的 车 辆 荷 载 和 铁 路 桥 梁 中 的 中 一 活 载， 则 使 用 轮 系 荷 载 直 接 加 载 并 通 过 试 算 的 方 法 找 出 最不 利 值 。 对 中 一 活 载 ， 当 采 用 手 工 计 算 时 ， 直 接 使 用 轮 系 荷载 加 载 较 为 繁 琐 ， 可 采 用 等 代 荷 载 (或 称 换 算 均 布 荷 载 )取 而 代 之 。 等 代 荷 载 与 标 准 活 载 的 加 载 效 应 相 等 ， 即 指 对 结 构或 构 件 的 某 一 单 符 号 影 向 线 ， 取 标 准 活 载 按 最 不 利 加 载求 得 的 数 值 ， 等 于 该 影 响 线 的 面 积 与 对 应 的 等 代 荷 载 的乘 积 。 等 代 荷 载 的 大 小 与 荷 载 类 型 、 影 响 线 的 形 状 和 加 载长 度 有 关 。 具 体 数 值 及 加 载 规 定 可 查 阅 有 关 规 范 和 设 计手 册 。 车 辆 以 一 定 速 度 过 桥 时 ， 由 于 动 力 影 响 ， 桥 梁 实际 产 生 的 活 载 应 力 和 变 形 大 于 按 活 载 静 重 计 算 所 得 的结 果 ， 这 种 动 力 效 应 常 称 为 冲 击 作 用 。 为 简 化 设 计 ， 引 入 冲 击 系 数 (大 于 1)来 反 映 车 辆 活 载 的 动力 影 响 (即 采 用 静 力 学 的 方 法 ， 用 冲 击 系 数 乘 以 车 辆 重 力 )。 Ydmax在 车 辆 过 桥 时 测 得 的 效 应 时 间 历 程 曲 线 上 ， 最 大 静 力 效 应 处量 取 的 最 大 静 力 效 应 值 ；Yjmax在 效 应 时 间 历 程 曲 线 上 最 大 静 力 效 应 处 量 取 的 最 大 动 力 效 应值 。 桥 梁 结 构 的 基 频 反 映 了 结 构 的 尺 寸 、 类 型 、 建筑 材 料 等 动 力 特 性 内 容 ， 它 直 接 反 映 了 冲 击 系 数 与桥 梁 结 构 之 间 的 关 系 。 不 管 桥 梁 的 建 筑 材 料 、 结 构 类 型 是 否 有 差 别 ，也 不 管 结 构 尺 寸 与 跨 径 是 否 有 差 别 ， 只 要 桥 梁 结 构的 基 频 相 同 ， 在 同 样 条 件 的 汽 车 荷 载 下 ， 就 能 得 到基 本 相 同 的 冲 击 系 数 。 冲 击 力 受 线 路 状 态 (如 道 路 不 平 顺 )、 车 辆类 型 (如 机 车 的 偏 心 轮 作 用 )以 及 桥 梁 结 构 形 式等 因 素 的 综 合 影 响 ， 目 前 还 难 以 在 设 计 中 精 确考 虑 。 通 常 的 做 法 是 ， 在 桥 梁 动 载 试 验 的 基 础上 提 出 近 似 计 算 公 式 ， 把 动 力 问 题 简 化 成 静 力问 题 来 处 理 。 新 的 通 用 规 范 JTG D60 规 定 ， 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 或 大 于 0.5m的 拱 桥 、 涵 洞 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 5 冲 击 系 数 可 按 下 式 计 算 ： 当 Hz时 ， =0.05 当 1.5Hz 14Hz时 ， =0.1767lnf 0.0157 当 Hz时 ， =0.45 式 中 ， f 为 结 构 基 频 （ Hz） 。 6 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 =0.3。 14f 1.5f f 计 算 冲 击 力 引 起 的 连 续 梁 正 弯 矩 效 应 和 剪 力 效 应 时 ， 采 用 f1；计 算 负 弯 矩 效 应 时 ， 采 用 f2 。 也 可 根 据 桥 梁 结 构 的 刚 度 来 确 定 冲 击 力 。 一般 而 言 ， 桥 梁 跨 径 越 大 、 刚 度 越 小 ， 结 构 对 动 荷载 的 缓 冲 作 用 越 强 ， 即 冲 击 作 用 越 弱 。 因 此 ， 可 以 近 似 认 为 冲 击 力 与 计 算 跨 径 成 反比 。 此 方 法 计 算 简 便 ， 但 不 尽 合 理 。 v现 行 铁 路 规 范 铁 路 桥 动 力 系 数 1+ 简 支 或 连 续 钢 桥 跨 结 构 和 钢 墩 台 L402811 钢 与 钢 筋 混 凝 土 板 构 成 的 结 合 梁 L402211 v现 行 铁 路 规 范 铁 路 桥 动 力 系 数 1+ 钢 筋 混 凝 土 的 、 混 凝 土 的 、 石 砌 的 桥 跨 结 构 及 涵 洞 、刚 架 桥 ， 其 顶 上 填 土 厚 度 1.0m（ 从 轨 底 算 起 ） 时 不计 冲 击 力 。 当 小 于 1.0m时 L30611 空 腹 式 钢 筋 混 凝 土 拱 桥 的 拱 圈 和 拱 肋 f L4011001511 . 2h)-(14 铁 路 桥 梁 的 人 行 道 以 通 行 巡 道 和 维 修 人 员 为 主 ， 一 般 行人 不 多 。 对 明 桥 面 的 人 行 道 ， 考 虑 到 有 时 需 在 其 上 放 置 枕 木 、钢 轨 和 工 具 ， 取 竖 向 静 活 载 为 4kN/m2。 对 于 道 碴 桥 面 ， 规 定距 离 梁 中 心 2.45m以 内 的 人 行 道 ， 取 10kN/m2； 距 离 梁 中 心2.45m以 外 的 人 行 道 ， 取 4kN m2。 设 计 主 梁 时 ， 人 行 道 竖 向 静 活 载 不 与 列 车 活 载 同 时 计 算 ，但 对 特 殊 情 况 (如 为 城 镇 居 民 通 行 而 加 宽 了 人 行 道 )， 两 者 需同 时 考 虑 ， 此 时 人 行 道 活 载 值 可 按 实 际 情 况 确 定 。 当 桥 梁 计 算 跨 径 小 于 或 等 于 50m时 ， 公 路 桥 梁 人 群 荷 载 的 标准 值 为 3.0kN/m2z； 当 桥 梁 计 算 跨 径 等 于 或 大 于 150m时 ， 为 3.5kN/m2； 当 桥 梁 计 算 跨 径 在 50-150m时 ， 按 线 性 内 插 得 到 人 群 荷 载 标准 值 。 对 连 续 结 构 ， 以 主 跨 为 准 。 对 位 于 城 镇 郊 区 行 人 密 集 地 区 的 公 路 桥 ， 人 群 荷 载 标 准 值 取上 述 规 定 值 的 1.15倍 。 对 人 行 桥 ， 人 群 荷 载 标 准 值 为 3.5kN m2。 城 市 桥 梁 要 按 城 市 桥 梁 设 计 荷 载 标 准 (CJJ77) 人 行 道 (钢 筋 混 凝 土 )板 还 应 以 4.0kN m 2(公 路 桥 )或 1.5kN(铁路 桥 )的 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 。 车 辆 在 曲 线 上 运 行 产 生 离 心 力 。 公 路 桥 上 离 心 力 较 小 ，当 曲 线 半 径 等 于 或 小 于 250m时 ， 才 考 虑 离 心 力 的 作 用 。离 心 力 等 于 车 辆 荷 载 （ 不 计 动 力 效 应 ） 乘 以 离 心 力 系 数 (率 )rC 1272离 心 力 系 数 (率 )对 铁 路 荷 载 C不 应 大 于 0.15。离 心 力 作 用 点 ：铁 路 轨 顶 以 上 2m ， 公 路 桥 面 以 上 1.2m 当 风 以 一 定 速 度 运 动 并 受 到 桥 梁 阻 碍 时 ， 桥 梁 就 承 受到 风 压 。 因 此 ， 桥 梁 结 构 设 计 时 ， 应 考 虑 风 荷 载 (wind load)。 对 大 跨 度 的 斜 拉 桥 、 悬 索 桥 以 及 高 耸 的 桥 塔 和 桥 墩等 ， 尤 其 如 此 。 风 压 分 顺 风 向 和 横 风 向 。 顺 风 向 的 风 压 可 视 为 平 均 风 压 或 脉 动 风 压 。 采 用 静 力 学 方 法 简 化 计 算 平 均 风 压 对 结 构 的 影 响 ， 是 桥梁 设 计 的 常 规 做 法 ； 对 脉 动 风 压 ， 往 往 需 按 结 构 (随 机 )振动 理 论 进 行 分 析 。 横 桥 向 风 荷 载 的 大 小 是 风 压 与 结 构 迎 风 面 积 的 乘 积 。 但 风 压 与 风 速 及 空 气 重 力 密 度 有 关 ， 而 风 速 受 到 地 理 位置 、 地 形 条 件 、 地 面 粗 糙 程 度 、 高 度 等 因 素 的 影 响 。 公 路 规 范 规 定 ： 取 平 坦 空 旷 地 面 、 离 地 面 10m高 、 重 现 期 为 100年 的10min平 均 最 大 风 速 ， 为 桥 梁 所 在 地 区 的 设 计 基 本 风 速 ， 记 为 V10(单 位 ：m/s)， 该 风 速 可 按 规 范 取 值 并 经 实 地 调 查 核 实 后 采 用 。 注 意 V10是 根 据 离 地面 10m高 处 的 数 据 经 统 计 得 到 的 ， 在 实 用 中 ， 根 据 结 构 计 算 高 度 修 正 ,高度 Z处 的 设 计 基 准 风 速 记 为 V d(m/s)， k2 考 虑 地 面 粗 糙 度 类 别 和 梯 度 风 的 风 速 高 度 变 化 修 正 系 数 ； 按地 表 状 况 ， 地 面 粗 糙 度 分 为 A、 B、 C、 D四 类 (例 如 ， B类 对 应 的 地表 状 况 为 田 野 、 乡 村 、 丛 林 及 低 层 建 筑 物 稀 少 地 区 ， 对 山 间 盆 地 、谷 地 或 峡 谷 、 山 口 等 特 殊 地 形 ， 也 按 B类 取 值 )， 梯 度 风 则 反 映 出风 速 随 高 度 变 化 的 特 征 ； 由 于 受 地 面 摩 擦 的 影 响 ， 气 流 贴 近 地 面运 动 时 的 速 度 会 降 低 ， 离 地 面 越 高 ， 受 影 响 越 小 ， 故 k2随 离 地 面高 度 的 增 加 而 增 大 ；k5阵 风 风 速 系 数 ， 对 A、 B类 地 表 ， 其 取 值 为 1.38； 对 C、 D类 地表 为 1.7。基 本 风 压 W0设 计 基 准 风 压 Wd风 荷 载 标 准 值设 计 基 准 风 速 K0-设 计 风 速 重 现 期 换 算 系 数 ， 因 重 现 期 长 短 与 基 本 风 压 有 关 ， 故 该 系 数 体现 出 构 的 重 要 性 ； 对 于 单 孔 跨 径 指 标 为 特 大 桥 和 大 桥 的 桥 梁 (见 表 1.1)， 取1.0； 对 其 他 桥 梁 ， 取 0.90； 对 正 在 施 工 的 桥 梁 ， 取 0.75； 当 桥 梁 位 于 台 风多 发 地 区 时 ， 可 根 据 实 际 情 况 适 当 提 高 k0值 ；K1-风 载 阻 力 系 数 ， 该 系 数 反 映 出 风 压 与 结 构 本 身 的 体 型 、 尺 寸 比 的 关 系 ；其 值 主 要 随 构 件 (桁 架 、 桥 墩 和 桥 塔 )的 截 面 类 型 和 尺 寸 等 而 变 ；K3-地 形 、 地 理 条 件 系 数 ； 该 系 数 反 映 出 风 压 随 地 形 、 地 理 条 件 的 不 同 而 变化 的 特 征 ； 对 一 般 地 区 ， 取 1.0； 对 山 间 盆 地 或 谷 地 ， 取 0.750.85； 对 峡谷 口 或 山 口 ， 取 1.201.4。 对 于 顺 桥 向 的 风 荷 载 ， 规 定 如 下 ： 对 下 承 式 桁 架 桥 ， 风 荷 载 标 准 值 按 其 横桥 向 风 压 的 40 乘 以 桁 架 迎 风 面 积 计 算 ； 对 桥 墩 ， 按 其 横 桥 向 风 压 的 70 乘 以 桥墩 迎 风 面 积 计 算 ； 对 于 斜 拉 桥 、 悬 索 桥 的 桥 塔 ， 按 其 横 桥向 风 压 乘 以 桥 塔 迎 风 面 积 计 算 。 基 本 风 压 值 20 2 gW v 桥 规 规 定 ， 取 平 坦 空 旷 地 区 、 离 地 面 高 10m、重 现 期 为 100年 的 10min的 平 均 最 大 风 速 计 算 基 本风 压 强 度 。v 铁 路 横 向 风 荷 载 标 准 强 度 计 算 公 式 ： 0321 WKKKWt v K1风 荷 载 阻 力 系 数 ； K2阵 风 分 布 系 数v K3地 形 、 地 理 条 件 系 数 n 制 动 力 是 车 辆 减 速 或 制 动 时 的 惯 性 力 。 方 向 ： 与 行 车 方 向 一 致 。n 牵 引 力 是 车 辆 起 动 或 加 速 时 车 辆 与 路 面 （ 或 钢 轨 ） 间 作 用 的 摩 阻 力 。 方 向 ： 与 行 车 方 向 相 反 。n 作 用 点 ： 铁 路 轨 顶 以 上 2m， 公 路 桥 面 以 上 1.2m。n 但 在 计 算 墩 台 时 移 至 支 座 中 心 处 ， 不 计 因 此 而 产 生的 竖 向 力 和 力 矩 。 对 铁 路 桥 ， 规 定 列 车 制 动 力 或 牵 引 力 按 作 用 在 桥 跨 范 围内 的 列 车 竖 向 静 活 载 的 10 计 算 ， 但 当 其 与 离 心 力 或 冲击 力 同 时 计 算 时 ， 则 按 列 车 竖 向 静 活 载 的 7 取 值 。对 双 线 桥 ， 只 采 用 一 线 的 制 动 力 或 牵 引 力 ；对 三 线 或 三 线 以 上 的 桥 ， 只 采 用 二 线 制 动 力 或 牵 引 力 ；对 多 线 桥 ， 在 计 算 制 动 力 或 牵 引 力 不 考 虑 列 车 活 载 的 横向 折 减 。 公 路 只 考 虑 制 动 力 汽 车 荷 载 制 动 力 按 同 向 行 驶 的 汽 车 荷 载 (不 计 冲 击 力 )计 算 ， 并考 虑 纵 向 折 减 ， 以 使 桥 梁 墩 台 产 生 最 不 利 纵 向 力 的 方 式 进 行 加 载 . 一 个 车 道 上 的 制 动 力 标 准 值 按 加 载 长 度 范 围 内 车 道 荷 载 总重 力 的 10 计 算 ， 但 公 路 一 I级 汽 车 荷 载 的 制 动 力 标 准 值 不 得小 于 165kN； 公 路 一 级 者 不 得 小 于 90kN。 当 车 道 增 多 时 ， 也 需 要 采 用 类 似 于 横 向 折 减 的 办 法 ， 对 制动 力 进 行 折 减 。 对 同 向 行 驶 双 车 道 桥 (包 括 双 向 4车 道 桥 )， 制 动 力 标 准 值 为按 一 个 设 计 车 道 计 算 结 果 的 两 倍 ； 同 向 行 驶 三 车 道 者 为 一 个 设计 车 道 的 2.34倍 ； 同 向 行 驶 四 车 道 者 为 一 个 设 计 车 道 的 2.68倍 。 关 于 制 动 力 在 支 座 或 墩 台 间 的 传 递 与 分 配 ， 规范 制 订 出 若 干 具 体 规 定 。 基 本 原 则 是 ： 对 刚 性 墩 台 ， 制 动 力 全 部 由 固 定 支 座 承 担 ； 对 设 有 板 式 橡 胶 支 座 的 刚 性 墩 台 ， 按 跨 径 两 端 支座 的 抗 推 刚 度 进 行 分 配 ； 对 设 有 板 式 橡 胶 支 座 的 柔 性 墩 台 ， 按 支 座 与 墩 台刚 度 集 成 方 法 进 行 传 递 和 分 配 。 n 温 度 作 用 指 因 温 度 的 变 化 而 引 起 的 结 构 变 形 和 附 加 力 。 温 度 的 变 化 可 分 为 : (年 平 均 )均 匀 温 度 变 化 和 梯 度 温 度 (温 差 )两 种 情 况 ： 前 者 表 示 结 构 整 体 在 一 年 中 的 温 度 变 化 ； 后 者 表 示 结 构 截 面 上 的 不 同 点 或 不 同 材 料 之 间 的 温 度 差 异 ，即 沿 横 截 面 竖 向 、 横 向 的 温 度 梯 度 。n 超 静 定 结 构 存 在 多 余 约 束 ， 热 胀 冷 缩 将 产 生 内 力 或 支 座 反 力 。n 静 定 和 超 静 定 结 构 ， 由 于 结 构 不 同 部 位 温 度 不 同 ， 内 部 将 产 生温 差 力 。 七 温 度 作 用 对 静 定 结 构 : 均 匀 温 度 作 用 通 常 只 会 导 致 结 构 的 伸 长 或 缩 短 ， 不产 生 温 度 附 加 力 ；超 静 定 结 构 : 由 于 气 温 变 化 引 起 的 变 形 受 到 约 束 ， 导 致 结 构 中 产生 相 应 的 附 加 力 。 由 日 照 、 骤 冷 等 天 气 情 况 引 起 的 温 差 ， 则 对 静 定 或超 静 定 的 桥 梁 结 构 ， 均 可 能 会 产 生 附 加 力 。 例 如 ， 由 于材 料 导 热 性 的 差 异 ， 在 由 混 凝 土 桥 面 板 和 钢 梁 组 成 的 简支 结 合 梁 中 ， 会 因 温 差 在 截 面 土 产 生 附 加 应 力 。 均 匀 温 度 的 取 值 ， 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 ；均 匀 温 度 的 变 化 值 ， 应 自 结 构 合 龙 时 的 温 度 算 起 。 例 如 ， 若 桥 位 处 最 高 和 最 低 月 平 均 气 温 分 别 为 +40 C和 0 C， 而 架 梁 或 结 构 合 龙 时 的 温 度 为 +20 C， 则 均匀 温 度 的 变 化 幅 度 为 40 C， 而 用 于 计 算 温 度 作 用 效 应的 均 匀 温 度 值 为 +20 C。 对 公 路 桥 ， 计 算 由 温 度 梯 度 引 起 的 温 度 作 用 效 应 时 :竖 向 温 度 梯 度 :可 采 用 图 3 7所 示 的 曲 线 ;不 计 及 横 向 温 度 梯 度 作 用 :考 虑 到 结 构 两 侧 腹 板 外 的悬 臂 板 较 长 ， 腹 板 受 太 阳 直 接 辐 射 较 少 ， 梁 底 始 终 不受 日 照 。 图 中 :T1表 示 桥 面 板 表 面 的 温 度 ;T2表 示 桥 面 板 表 面 下 100mm处 的 温 度(它 们 的 取 值 依 据 桥 面 铺 装 类 型 而定 );H为 梁 高 ，A为 对 应 温 度 梯 度 曲 线 上 零 点 与 T2间的 的 结 构 高 度 (按 结 构 类 型 及 梁 高 取值 ， 例 如 ， 当 混 凝 土 结 构 的 梁 高 大 于或 等 于 400mm时 ， 取 A=300mm)；t为 结 合 梁 中 混 凝 土 桥 面 板 的 厚 度 。 图 3 7所 示 的 为 结 构 表 面 正 温 差 (升 温 )的 情 况 ， 将 其 乘 以 -0.5， 就 得 到 负 温 差 (降 温 )时 的 竖 向 温 度 梯 度 曲 线 。 铁 路 桥 关 于 温 度 计 算 的 规 定 与 公 路 桥 大 体 相 同 。 在 2000年 版 铁 路 桥 涵 设 计 基 本 规 范 和 铁 路桥 涵 钢 筋 混 凝 土 和 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 中 ，分 别 给 出 了 “ 钢 筋 混 凝 土 、 混 凝 土 、 砌 石 矩 形 截 面杆 件 计 算 温 度 图 解 ” 和 “ 混 凝 土 箱 梁 温 差 应 力 计 算 ” ，用 以 确 定 构 件 的 计 算 温 度 和 梯 度 温 度 引 起 的 应 力 。 由 于 轨 道 不 平 整 等 原 因 ， 列 车 在 行 进 中 会 发 生 左 右摇 摆 (蛇 形 运 动 )， 产 生 横 桥 向 的 水 平 力 。横 向 摇 摆 力 (swaying force)较 难 准 确 计 算 ， 现 规 定 : *按 同 一 方 向 作 用 于 轨 顶 面 ， 数 值 为 5.5kN m。 *空 车 时 不 考 虑 列 车 的 横 向 摇 摆 力 。 *横 向 摇 摆 力 应 与 横 向 风 荷 载 进 行 比 较 ， 取 其 大 者 参与 荷 载 组 合 。 * 对 高 速 铁 路 桥 梁 ， 主 要 采 用 一 个 100kN的 移 动 集 中力 作 用 于 轨 顶 。 位 于 河 流 中 的 桥 墩 会 受 到 流 水 压 力 的 作 用 。 通 常 ， 桥 墩上 游 迎 水 一 侧 会 形 成 高 压 区 ,下 游 一 侧 会 形 成 低 压 区 。这 种 前 后 压 力 差 便 构 成 水 流 对 桥 墩 的 压 力 。 流 水 压 力 标 准 值 与 桥 墩 的 截 面 形 状 、 表 面 粗 糙 率 、 水流 流 速 和 形 态 等 有 关 ， 其 计 算 公 式 为 : 因 流 水 压 力 分 布 可 近 似 假 定 为 倒 三 角 形 ， 故 其 着 力 点 在 设 计 水 位 以 下 1 3水 深 处 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 型 式 ， 考 虑 冰 荷 载 的 作 用 。冰 荷 载 可 分 为 以 下 几 种 ： 河 流 流 冰 (因 顺 流 而 下 、 撞 击 桥 墩 而 )产 生 的 动 压 力 ； 由 于 风 及 水 流 作 用 于 (常 在 水 库 内 形 成 的 )大 面 积 冰 层 产 生 的 静压 力 ； 冰 覆 盖 层 受 温 度 影 响 膨 胀 (且 受 到 约 束 )时 产 生 的 静 压 力 ； 冰 堆 整 体 推 移 产 生 的 静 压 力 (与 大 面 积 冰 层 的 情 况 类 似 )； 冰 层 因 水 位 升 降 产 生 的 竖 向 作 用 力 。 桥 梁 结 构 受 冰 部 位 宜 采 用 实 体 结 构 。 对 位 于 强 烈 流 冰 河 流 中 的桥 墩 ， 其 迎 冰 面 宜 做 成 圆 弧 形 、 多 边 形 或 尖 角 。 影 响 冰 压 力 的 自 然 因 素 众 多 且 试 验 资 料 欠 缺 ,应 结 合 工 程 具 体 分 析 ! 支 座 上 的 摩 阻 力 是 因 上 部 结 构 由 温 度 、 制 动 力 、 顺 桥 向 风 力 、混 凝 土 收 缩 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 :式 中 :W作 用 于 活 动 支 座 上 由 上 部 结 构 重 力 产 生 的 效 应 (对 直 桥 ，指 竖 向 反 力 ； 对 弯 桥 ， 还 包 括 径 向 反 力 )； 支 座 的 摩 擦 系 数 ， 其 根 据 支 座 种 类 取 值 ； 例 如 ， 对 直接 与 混 凝 土 面 接 触 的 板 式 橡 胶 支 座 ， =0.30。