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1、第二章第二章 桥梁力学基本理论桥梁力学基本理论第1页，共28页。1 1桥梁的设计荷载概述桥梁的设计荷载概述 永久荷载永久荷载：即恒载，不随时间变化或不随时间变化的荷载；即恒载，不随时间变化或不随时间变化的荷载；包括六类：结构重力、预加应力、土的重力及土侧压力、混凝土收缩及包括六类：结构重力、预加应力、土的重力及土侧压力、混凝土收缩及徐变影响力、基础变位影响力、水的浮力。徐变影响力、基础变位影响力、水的浮力。2 2 可变荷载可变荷载：基本可变荷载基本可变荷载-即活载，主要部分是车辆荷载及其影力；即活载，主要部分是车辆荷载及其影力；其它可变荷载其它可变荷载-包括自然和人为产生的各种变化力。包括自然

2、和人为产生的各种变化力。3 3 偶然荷载偶然荷载：主要是指地震荷载和船只或漂流物的撞击力。主要是指地震荷载和船只或漂流物的撞击力。4 4 荷载组合荷载组合：根据各种荷载的重要性，荷载的组合分为六类。根据各种荷载的重要性，荷载的组合分为六类。5 5 荷载的确定与选用荷载的确定与选用：桥梁设计基准使用期内结构总体的正常使用；桥梁设计基准使用期内结构总体的正常使用；对主要承重结构与局部受力构件强度储备的合理性；对主要承重结构与局部受力构件强度储备的合理性；对长、短桥跨的不同影响；对长、短桥跨的不同影响；对于大跨结构必须注意结构实际工作状态中可能遇到的一些对于大跨结构必须注意结构实际工作状态中可能遇到

3、的一些复杂而巨大的荷载复杂而巨大的荷载。第2页，共28页。1 1 永久荷载永久荷载 恒载是指作用位置和大小、方向固定不变的荷载。恒载是指作用位置和大小、方向固定不变的荷载。作用在桥梁上部结构的恒载，主要是结构物自身的重力作用在桥梁上部结构的恒载，主要是结构物自身的重力及附属设备等外加重力。及附属设备等外加重力。作用在墩台的恒载，主要是上部结作用在墩台的恒载，主要是上部结构的恒载支座作用力、墩台本身重力、土压力及其引起的土侧构的恒载支座作用力、墩台本身重力、土压力及其引起的土侧压力或水浮力（水中墩台）。压力或水浮力（水中墩台）。结构物的重力可按照结构物的实际体积或设计时所假结构物的重力可按照结构

4、物的实际体积或设计时所假设的体积及其材料的容重计算之。常用各种材料的容重可设的体积及其材料的容重计算之。常用各种材料的容重可按按公路桥涵设计通用规范公路桥涵设计通用规范22的表的表2.2.12.2.1的数值采用。的数值采用。作用于墩台上的土压力、土侧压力可参照作用于墩台上的土压力、土侧压力可参照公路桥涵设公路桥涵设计通用规范计通用规范附录一、二和附录一、二和公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范附录二中所规定的方法计算。附录二中所规定的方法计算。第3页，共28页。1 1 永久荷载永久荷载 对于预应力混凝土桥梁结构，预加应力在结构使用极限状态对于预应力混凝土桥梁结构，预加应力在结构

5、使用极限状态设计时，应作为永久荷载计算其效应，计算时应考虑相应阶段设计时，应作为永久荷载计算其效应，计算时应考虑相应阶段的预应力损失，但不计由于偏心距增大所引起的附加内力；在的预应力损失，但不计由于偏心距增大所引起的附加内力；在结构承载能力极限状态设计时，预加应力不作为荷载，而将预结构承载能力极限状态设计时，预加应力不作为荷载，而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分。混凝土的收缩、徐变影响力应力钢筋作为结构抗力的一部分。混凝土的收缩、徐变影响力在外部超静定的混凝土结构及复合梁桥等结构中是必然产生的，在外部超静定的混凝土结构及复合梁桥等结构中是必然产生的，而且是长期作用的；水浮力对水中结构部分也是长

6、期作用的；而且是长期作用的；水浮力对水中结构部分也是长期作用的；基础变位影响力一旦出现，也是长期作用在结构上的。因此，基础变位影响力一旦出现，也是长期作用在结构上的。因此，根据设计实际需要和工程实际情况，这些力都列入永久作用荷根据设计实际需要和工程实际情况，这些力都列入永久作用荷载。载。混凝土收缩影响可作为相应于温度降低考虑，或参照混凝土收缩影响可作为相应于温度降低考虑，或参照公路钢筋公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中的附录四附表中的附录四附表4.24.2采用。考虑采用。考虑混凝土徐变的计算，可采用混凝土应力与徐变变形间直线关系的假定。混凝土徐变的计算，

7、可采用混凝土应力与徐变变形间直线关系的假定。混凝土徐变系数也可参照该规范中的附录四采用混凝土徐变系数也可参照该规范中的附录四采用。第4页，共28页。2 2 基本可变荷载基本可变荷载车辆荷载车辆荷载：按照各种车辆统计值确定的轴量及轴距；按照各种车辆统计值确定的轴量及轴距；按出现的几率可分为：计算荷载和验算荷载；按出现的几率可分为：计算荷载和验算荷载；按公路等级选用车辆荷载，按桥梁宽度确定车道数，还要注意车辆荷载的折减。按公路等级选用车辆荷载，按桥梁宽度确定车道数，还要注意车辆荷载的折减。人群荷载人群荷载：公路桥涵公路桥涵3kN/m3kN/m2 2，城市郊区，城市郊区3.5kN/m3.5kN/m2

8、 2；人群荷载只与计算荷载同时考虑；人群荷载只与计算荷载同时考虑；人行道板人行道板-以以1.2kN1.2kN集中竖向力作用在一块板上进行验算；集中竖向力作用在一块板上进行验算；计算栏杆计算栏杆-平推力规定为平推力规定为0.75kN/m0.75kN/m，作用在栏杆柱顶，竖向力，作用在栏杆柱顶，竖向力1kN1kNm m，作用在上部，作用在上部扶手。扶手。汽车冲击力汽车冲击力：目前规范规定与桥型及跨径有关；跨径越大冲击系数数越小；目前规范规定与桥型及跨径有关；跨径越大冲击系数数越小；理论上与结构自振频率有关。理论上与结构自振频率有关。离心力离心力：曲线桥梁半径小于曲线桥梁半径小于250m250m时应

9、计算汽车荷载的离心力。时应计算汽车荷载的离心力。土侧压力土侧压力：由汽车、平板挂车或履带车引起的土侧压力，在计算桥台中使用由汽车、平板挂车或履带车引起的土侧压力，在计算桥台中使用。第5页，共28页。2 22 2主要的荷载形式主要的荷载形式（一）车辆荷载 1、计算荷载（车辆荷载）汽车-15级、汽车-20级、汽车超-20级 一列车队中可以有多辆车 全桥可以有多列车队2、验算荷载：履带-50、挂车-80、挂车-100和挂车-120 全桥只允许布置一辆车第6页，共28页。3、车辆荷载的选用及布载规定公路等级高速公路一二三四计算荷载汽车超20 级汽车超20 级汽车-20 级汽车-20 级汽车-20 级汽

10、车-10 级验算荷载挂车-120挂车-120挂车-100挂车-100挂车-100履带-50第7页，共28页。车辆的布置车辆的布置按桥梁宽度确定车道数按桥梁宽度确定车道数桥面净宽 W(m)车辆单向行驶时车辆双向行驶时横向布置车队数W7.017.0W10.57.0W14.0210.5W14.0314.0W17.514.0W21.0417.5W21.0521.0W24.521.0W28.0624.5W28.0728.0W31.528.0W35.08第8页，共28页。轿车与挂车100標準轿车4.5米,1.8米轴距 2.6米挂车1003.5米1.24第9页，共28页。试比较国外规范T荷载第10页，共28

11、页。550KN2.510第11页，共28页。理解理解(国内外规范比较国内外规范比较)10m5.5m10N/m2=550kN550kN第12页，共28页。国外规范国外规范=10，第13页，共28页。国外规范国外规范2 2第14页，共28页。加载概念加载概念第15页，共28页。板设计时板设计时第16页，共28页。荷重与力第17页，共28页。（二）人群荷载 车辆的选用按公路的等级公路桥涵3kN/m2，城市郊区3.5kN/m2人群荷载只与计算荷载同时考虑人行道板以1.2kN集中竖向力作用在一块板上进行验算计算栏杆水平推力0.75kN/m，作用在栏杆柱顶，竖向力1kNm，作用在上部扶手。第18页，共28

12、页。（三）汽车冲击力目前规范规定与桥型及跨径有关跨径越大冲击系数越小理论上应与结构自振频率有关第19页，共28页。（四）离心力曲线桥梁半径小于250米时应计算汽车荷载的离心力（五）汽车、平板挂车或履带车引起的土侧压力计算桥台时使用第20页，共28页。2.3 2.3 偶然荷载偶然荷载 地震力：它是静力荷载，随机变量，取决于地震时地面运动的强烈程度以及结构的动力特性。船只或漂流物撞击力：在通行较大载重量的船只或有漂流物的河流中，修建桥梁的河中桥墩必须考虑船只或漂流物的撞击力。第21页，共28页。2.4 2.4 荷载组合荷载组合 各种荷载及外力，并非同时作用于桥梁上，它们发生的机率也各不相同，因此，

13、设计桥涵时，应根据结构物的特性，考虑它们同时作用的可能性进行适当的组合。根据各种荷载的重要性，荷载的组合分为六类。第22页，共28页。荷载组合荷载组合 组合：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种，与永久荷载的一种或几种相组合；组合：基本可变荷载（平板桂车或履带车除外）的一种或几种，与永久荷载的一种或几种和其它可变荷载的一种或几种相组合；组合：平板挂车或履带车，与结构重量、预加应力、土的重力及土侧压力的一种或几种相组合；组合：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外)的一种或几种，与永久荷载的一种或几种和偶然荷载中的船只或漂流物的撞击力相组合；第23页，共28页。荷载组合荷载组合 组合：桥

14、涵在进行施工阶段的验算时，根据可能出现的施工荷载（如结构重力、脚手架、材料机具、人群、风力以及拱桥的单向推力等）进行组合；构件在吊装时，其自重应乘以动力系数1.2或0.85，并可视构件具体情况适当增减；组合:结构重力、预加应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震力相组合。其他可变荷载应按下表的规定参与上述各种组合。第24页，共28页。荷载组合各种荷载及外力，并非同时作用于桥梁上，它们发生的机率也各不相同，因此，设计桥涵时，应根据结构物的特性，考虑它们同时作用的可能性进行适当的组合。根据各种荷载的重要性，荷载的组合分为六类。组合：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种，与永久荷载的一种

15、或几种相组合；组合：基本可变荷载（平板桂车或履带车除外）的一种或几种，与永久荷载的一种或几种和其它可变荷载的一种或几种相组合；组合：平板挂车或履带车，与结构重量、预加应力、土的重力及土侧压力的一种或几种相组合；组合：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外)的一种或几种，与永久荷载的一种或几种和偶然荷载中的船只或漂流物的撞击力相组合；组合：桥涵在进行施工阶段的验算时，根据可能出现的施工荷载（如结构重力、脚手架、材料机具、人群、风力以及拱桥的单向推力等）进行组合；构件在吊装时，其自重应乘以动力系数1.2或0.85，并可视构件具体情况适当增减；组合:结构重力、预加应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震

16、力相组合。其他可变荷载应按下表的规定参与上述各种组合。第25页，共28页。荷载的确定与选用荷载的确定与选用 荷载是桥梁结构设计中最基本的技术条件。为使结构符合适用、安荷载是桥梁结构设计中最基本的技术条件。为使结构符合适用、安全和经济的设计要求，必须要制定符合客观实际需要的荷载形式，全和经济的设计要求，必须要制定符合客观实际需要的荷载形式，标准值大小及其在不同时间不同条件下的可能组合方式。一般说，标准值大小及其在不同时间不同条件下的可能组合方式。一般说，应考虑到下列因素：应考虑到下列因素：1 1要确定桥梁设计基准使用期，这对以概率论为基础来研究桥梁要确定桥梁设计基准使用期，这对以概率论为基础来研

17、究桥梁设计荷载是必要的前提，也是考虑远景发展来制定荷载标准的前提。设计荷载是必要的前提，也是考虑远景发展来制定荷载标准的前提。桥梁结构设计基准使用期的概念与桥梁结构的寿命有一定的联系，桥梁结构设计基准使用期的概念与桥梁结构的寿命有一定的联系，但不能将两者简单地等同起来，因为使用年限期满并不意味桥梁立但不能将两者简单地等同起来，因为使用年限期满并不意味桥梁立即报废，而只是它的可靠度将逐渐降低。设计基准使用期的取值，即报废，而只是它的可靠度将逐渐降低。设计基准使用期的取值，将直接影响荷载标准的大小。将直接影响荷载标准的大小。2 2因此结构正常使用时的最大荷载与荷载组合，要顾及到在结构有限因此结构正

18、常使用时的最大荷载与荷载组合，要顾及到在结构有限寿命的期限内，荷载增大时的结构负载能力，此时结构构件可能有局寿命的期限内，荷载增大时的结构负载能力，此时结构构件可能有局部达到屈服强度，而整体结构并不产生过大的永久变形，不造成正常部达到屈服强度，而整体结构并不产生过大的永久变形，不造成正常行车的障碍。行车的障碍。第26页，共28页。荷载的确定与选用荷载的确定与选用2 23 3其次，车辆荷载的型式应考虑到对主要承重结构与局部受力构件强度储备的其次，车辆荷载的型式应考虑到对主要承重结构与局部受力构件强度储备的合理性，对小跨径结构和大跨径结构的超载能力的合理性。目前，我国合理性，对小跨径结构和大跨径结

19、构的超载能力的合理性。目前，我国公路通公路通规规选定的设计荷载可分解为三部分：（选定的设计荷载可分解为三部分：（1 1）一列车队中有一辆加重车；（）一列车队中有一辆加重车；（2 2）一）一系列主车；（系列主车；（3 3）作为验算荷载的履带车或平板挂车。一般说，一系列主车是结）作为验算荷载的履带车或平板挂车。一般说，一系列主车是结构主要承重结构设计强度的控制因素，而加重车主要对结构的局部受力构件（如构主要承重结构设计强度的控制因素，而加重车主要对结构的局部受力构件（如桥面板）有关键影响，或对小跨径结构物的主结构是控制因素。桥面板）有关键影响，或对小跨径结构物的主结构是控制因素。4 4要注意到设计

20、荷载的标准型式对长、短桥跨的不同影响，它对结构受要注意到设计荷载的标准型式对长、短桥跨的不同影响，它对结构受载时的效应是有差异的，主要反映在：（载时的效应是有差异的，主要反映在：（1 1）加载长度的影响（影响线异）加载长度的影响（影响线异号的区域与加载理想化的问题）；（号的区域与加载理想化的问题）；（2 2）结构重力与车辆荷载比值产生的）结构重力与车辆荷载比值产生的影响；影响；(3(3）加载循环次数与疲劳强度问题（应力变幅的影响）加载循环次数与疲劳强度问题（应力变幅的影响）,短小桥，短小桥，应力变幅大。应力变幅大。第27页，共28页。荷载的确定与选用3随着结构的跨径不断增大，结构的发展越来越趋

21、向轻质高强而纤细，结构主要设计荷载不再局限于结构重力和车辆荷载，而必须注意结构实际工作状态中可能遇到的一些复杂而巨大的荷载，如风力、地震力、撞击力等，事实证明，它们常常是导致桥梁破坏的原因。而这些荷载却并非经常，而是偶然作用的荷载。因而，在设计荷载大小的估计与组合上就必须处理结构“安全”和“经济”的一对矛盾。这些估计与偶然的因素，只能在研究它发生的机率的基础上,处理荷载组合安全系数的取值问题。这一复杂问题决非目前规范的简单规定所能合理概括的，在长大和特殊的桥梁结构设计中，要对实际情况进行研究。作为自然界的力，如重力、风力、地震力、离心力等，是客观存在的事物，有着它固有的规律。但作为结构物的荷载，它不但保持着自己固有的力学特性，而且与结构物的几何与物理力学特性有关。结构物是人为设计的，因而，荷载正包含着自然与人为两种因素。如结构物的重力由结构物的材料容重和构造几何尺寸决定，因而与材料均质性与施工时的尺寸误差有关；风力与结构轮廓形状、迎风面积、迎风角度有关；地震力与结构的质量分布、自然特性有关等。所以,荷载的研究与选定,应是设计工作中极为重要的环节。第28页，共28页。