桥梁工程桥梁的设计设计荷载学习教案.pptx
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1、桥梁工程桥梁的设计桥梁工程桥梁的设计(shj)设计设计(shj)荷荷载载第一页,共100页。本本章章主主要要介介绍绍各各类类作作用用的的基基本本概概念念和和计计算方法算方法.实际设计时作用的取值按实际设计时作用的取值按:铁铁路路桥桥涵涵(qiohn)(qiohn)设设计计基基本本规规范范(TB10002.12005)(TB10002.12005)公公路路桥桥涵涵(qiohn)(qiohn)设设计计通通用用规规范范(JTG D602004)(JTG D602004)的规定办理。的规定办理。对对城城市市桥桥梁梁,其其荷荷载载标标准准与与公公路路桥桥梁梁类类似似,可可参参阅阅城城市市桥桥梁梁设设计计
2、荷荷载载标标准准(CJJ77)(CJJ77)。第1页/共99页第二页,共100页。第一节作用(zuyng)分类和作用(zuyng)代表值公路桥梁的作用公路桥梁的作用(zuyng),(zuyng),按其随时间变化的性质,分为按其随时间变化的性质,分为:永久作用永久作用(zuyng)(permanent action)(zuyng)(permanent action)可变作用可变作用(zuyng)(variable action)(zuyng)(variable action)偶然作用偶然作用(zuyng)(accidental action)(zuyng)(accidental action)永
3、久作用永久作用(zuyng):(zuyng):习习惯惯上上称称为为恒恒载载(deadload)(deadload),是是指指在在设设计计基基准准期期内内,其其量量值值不不随随时时间间变变化化,或或其其变变化化与与平平均均值值相相比比可可忽忽略略不不计计的的作作用用(zuyng)(zuyng),如如结构重力。结构重力。可变作用可变作用(zuyng):(zuyng):指指在在设设计计基基准准期期内内,其其量量值值随随时时间间变变化化,且且其其变变化化与与平平均均值值相相比比有有不不可可忽忽略略的的作作用用(zuyng)(zuyng),如如汽汽车车、列列车车、人人群群荷荷载载(习习惯惯上上称称为活载
4、,为活载,live load)live load)。偶然作用偶然作用(zuyng):(zuyng):指指在在设设计计基基准准期期内内不不一一定定出出现现,但但一一旦旦出出现现,其其值值很很大大且且持持续续时时间很短的作用间很短的作用(zuyng)(zuyng),如地震力。,如地震力。第2页/共99页第三页,共100页。第一节作用分类(fnli)和作用代表值铁路桥梁: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(zhl)(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(zhl)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
5、)分类分别见表31和表32。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。第3页/共99页第四页,共100页。表31公路(gngl)桥梁作用分类表第4页/共99页第五页,共100页。第5页/共99页第六页,共100页。第一节作用分类(fnli)和作用代表值需要注意的是需要注意的是: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;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,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。但在按另一本规范
6、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:在铁路荷另外,在设计公铁两用桥时,目前的设计实践是:在铁路荷载载(hzi)(hzi)的基础上,增加公路桥全部活载的的基础上,增加公路桥全部活载的7575;但对仅承受;但对仅承受公路活载的构件,应计及全部公路活载。公路活载的构件,应计及全部公路活载。第6页/共99页第七页,共100页。第一节作用分类(fnli)和作用代表值 作作用用代代表表值值:代代表表作作用用大大小小的的数数值值,它它采采用用数数理理统统计计的的方方法法或根据工程经验加以确定。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
7、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。作用代表值包括作用标准值、频遇值和准永久值。作用标准值作用标准值: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。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是可变作用的一种代表值,其可根据在足够长的观测观测(gunc)(gunc)期内作用任意时点概率分布的期内作用任意时点概率分布的0.950.95分位值确定。分位值确定。作用准永久值作用准永久值:是可变作用的另一种代表值,其可根据在足够是可变作用的
8、另一种代表值,其可根据在足够长的观测长的观测(gunc)(gunc)期内作用任意时点概率分布的期内作用任意时点概率分布的0.5(0.5(或略高于或略高于0.5)0.5)分位值确定。分位值确定。第7页/共99页第八页,共100页。第一节作用分类(fnli)和作用代表值 我国公路桥涵基于极限状态法,设计时对不同的作用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。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、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。频遇值或准永久
9、值。我国铁路桥梁设计规范仍基于容许应力法,其各类荷载我国铁路桥梁设计规范仍基于容许应力法,其各类荷载(hzi)(hzi)的代表值相当于上述标准值,没有规定频遇值和的代表值相当于上述标准值,没有规定频遇值和准永久值。准永久值。第8页/共99页第九页,共100页。第一节作用(zuyng)分类和作用(zuyng)代表值作用的分类不是绝对的作用的分类不是绝对的!例例如如,铁铁路路钢钢梁梁桥桥的的水水平平联联结结系系(见见第第六六章章)主主要要承承受受风风力力和和制制动动力力,在在设设计计水水平平联联结结系系时时,就就该该视视风风力力和和制制动动力力为为活活载载而而非非附加力。附加力。设计基准期设计基准
10、期(design reference period)(design reference period)简单地讲,它就是在确定某些作用简单地讲,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标准值时需要人为规定的一个基准时间参数。对桥梁的一个基准时间参数。对桥梁(qioling)(qioling)结构,设计基准期通长结构,设计基准期通长取取100100年。年。注意注意!设计基准期设计基准期使用寿命。使用寿命。第9页/共99页第十页,共100页。第二节永久(yngji)作用永永久久作作
11、用用:亦亦称称恒恒载载,在在设设计计基基准准期期内内其其值值不不随随时时间间变变化化,或或其其变变化化与与平平均均值值相相比比忽忽略略不不计计的的作作用。用。其其作作用用位位置置(wi zhi)、大大小小和和方方向一般是固定不变的向一般是固定不变的.永永久久作作用用包包括括:结结构构自自重重、桥桥上上附附加加恒恒载载(桥桥面面、人人行行道道及及附附属属设设备备)、作作用用于于结结构构上上的的土土重重及及土土侧侧压压力力、基基础础变变位位影影响响力力、水水浮浮力力、混混凝凝土土收收缩缩和和徐徐变变的的影影响响力等。力等。第10页/共99页第十一页,共100页。结构重力的标准值,可按结构构件的设计
12、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(chy)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。第11页/共99页第十二页,共100页。土压力土压力(earth pressure)(earth pressure)按其产生的条件,分为按其产生的条件,分为:静止土压力静止土压力 主动土压力主动土压力 被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
13、台式、填料性质、墩台(dn ti)(dn ti)位移和地基变形,也与水文和外加荷载位移和地基变形,也与水文和外加荷载等因素有关。等因素有关。第12页/共99页第十三页,共100页。水浮力水浮力 指由地表水或地下水通过地基指由地表水或地下水通过地基(dj)(dj)土壤的孔土壤的孔隙而传递给建筑物基础底面的隙而传递给建筑物基础底面的(由下而上的由下而上的)水压水压力,其值等于建筑物所排开的同等体积的水重。力,其值等于建筑物所排开的同等体积的水重。一般,位于岩石地基一般,位于岩石地基(dj)(dj)上的基础被认为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、是不渗水的,可不计水浮力;对位于
14、碎石类土、砂类土、黏砂土等透水性地基砂类土、黏砂土等透水性地基(dj)(dj)上的墩台,上的墩台,需在设计中考虑水浮力需在设计中考虑水浮力 第13页/共99页第十四页,共100页。预加应力(对于预应力结构)按正常使用极限状态设计(shj)时:预加应力属永久作用;按承载能力极限状态设计(shj)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。第14页/共99页第十五页,共100页。混凝土收缩混凝土收缩(shrinkage)(shrinkage)及徐变及徐变(creep)(creep)作用作用 对外部超静定的混凝土桥梁
15、结构以及钢一混组合桥梁结构,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,混凝土收缩混凝土收缩(shrinkage)(shrinkage)及徐变及徐变(creep)(creep)作用是长期存在的。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关系的假定进行(jnxng)(jnxng)分析。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及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)(JTG D62-2004)
16、和铁路桥涵钢和铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB 10002.3-2005)(TB 10002.3-2005)中中的规定计算。的规定计算。第15页/共99页第十六页,共100页。基础变位基础变位 对超静定桥梁结构,由于地基压密等原因,其墩台对超静定桥梁结构,由于地基压密等原因,其墩台基础可能发生变位基础可能发生变位(沉降沉降(chnjing)(chnjing)。基础变位对结。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,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。按最终位移量分析计算。第16页/共99
17、页第十七页,共100页。第三节 可变作用(zuyng)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(hl)的作用,如汽车、列车、人群荷载(习惯上称为活载,liveload)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(ync),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。第17页/共99页第十八页,共100页。11列车列车(lich)(lich)活载活载列车由机车和车辆组成,机车和车辆类型(lixng)很多,轴重、轴距各异。为规范设计,我国根据机车车辆轴重
18、、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。(简称“中活载”)中活载160km/h、200km/hZK活载250km/h、300km/h以上高速第18页/共99页第十九页,共100页。桥规规定:桥规规定:加载时,标准活载计算图式可任意截取加载时,标准活载计算图式可任意截取双线桥跨:两线活载之和的双线桥跨:两线活载之和的90%横向横向(hn xin)稳定检算:空车稳定检算:空车+最大横向最大横向(hn xin)风力为最不利,空车活载标准值为风力为最不利,空车活载标准值为10kN/m第19页/共99页第二十页,共100页。“ZK活载活载”分标准分标准(biozh
19、n)活载和活载和特种活载特种活载第20页/共99页第二十一页,共100页。高速暂行规定:高速暂行规定:加载时,标准活载计算图式可任意截取加载时,标准活载计算图式可任意截取单线或双线桥跨:各线均应计入单线或双线桥跨:各线均应计入ZK活载作用。活载作用。多于双线桥跨:应按下列最不利情况考虑: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)按双线在最不利位置承受ZK活载,其余活载,其余(qy)线路不承受列车荷载;线路不承受列车荷载;2)所有线路在最不利位置承受)所有线路在最不利位置承受75的的ZK活载。活载。空车活载按空车活载按10kN/m计算。计算。“ZK活载活载”分标准分标准(
20、biozhn)活载和活载和特种活载特种活载第21页/共99页第二十二页,共100页。第22页/共99页第二十三页,共100页。桥桥梁梁标标准准活活载载的的等等级级或或类类型型,应应根根据据桥桥梁梁所所在在线线路路的的等等级、使用任务、性质和将来的发展等具体情况确定。级、使用任务、性质和将来的发展等具体情况确定。对对标标准准轨轨距距(1435mm)(1435mm)的的干干线线铁铁路路,采采用用中中一一活活载载(本本书讨论者书讨论者);对对地地方方窄窄轨轨(轨轨距距762mm)762mm)铁铁路路,规规定定了了与与中中一一活活载载形形状类似但数值大幅减小的活载图式;状类似但数值大幅减小的活载图式;
21、对对专专用用铁铁路路(如如矿矿区区铁铁路路桥桥梁梁),其其活活载载图图式式需需结结合合具体情况确定。具体情况确定。对于不包括冲击效应对于不包括冲击效应(后述后述)的列车竖向活载,称之为的列车竖向活载,称之为静活载。静活载。第23页/共99页第二十四页,共100页。11汽车汽车(qch)(qch)荷载荷载-旧公路规范旧公路规范19891989版版l l 设计荷载设计荷载设计荷载设计荷载(hzi)(hzi)l l大大大大量量量量、经经经经常常常常出出出出现现现现的的的的汽汽汽汽车车车车荷荷荷荷载载载载(hzi)(hzi),以以以以车车车车队形式排列。队形式排列。队形式排列。队形式排列。l l汽汽汽
22、汽1010级级级级、汽汽汽汽1515级级级级、汽汽汽汽2020级级级级、汽汽汽汽超超超超2020级级级级 验算荷载验算荷载 偶偶然然、个个别别出出现现的的平平板板挂挂车车(guch)或或履履带车。带车。挂挂80、挂、挂100、挂、挂120、履带、履带50第24页/共99页第二十五页,共100页。第25页/共99页第二十六页,共100页。原原公公路路桥桥涵涵结结构构设设计计采采用用的的车车辆辆荷荷载载标标准准模模式式是是根根据据2020世世纪纪6060年年代代我我国国公公路路交交通通荷荷载载的的实实际际情情况况,经经过过相相当当长长时时期期的的分分析析、研研究究和和修修正正确确定定的的。从从近近
23、4040年年的的应应用用情情况况看看,标标准准(9797)车车辆辆荷荷载载的的模模式式及及其其分分级级基基本本上上是是合合理理(hl)(hl)的的,能能适适应应我我国国公公路路建建设设发发展展的的需需要要,但但也也存存在在一一些些不不尽尽合合理理(hl)(hl)之之处处,如如采采用用车车队队荷荷载载模模式式在在桥桥涵涵结结构构设设计计时时计计算算非非常常繁繁琐琐、车车队队荷荷载载在在不不同同跨跨径径的的结结构构上上产产生生的的效效应应的的连连贯贯性性不不够够合合理理(hl)(hl)、标标准准荷荷载载的的级级差差不不尽尽合合理理(hl)(hl)等等,同同时时,采采用用车车队队荷荷载载模模式式,容
24、容易易造造成成设设计计采采用用的的车车辆辆荷荷载载是是实实际际运运营营中中允允许许如如此此载载质质量量的的车车辆辆在在公公路路上行驶的错误观念。上行驶的错误观念。第26页/共99页第二十七页,共100页。11汽车荷载汽车荷载-新公路规范新公路规范 通用通用(tngyng)(tngyng)规范规范JTGD62JTGD62规定规定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(yl)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。第27页/共9
25、9页第二十八页,共100页。第28页/共99页第二十九页,共100页。新规范车道荷载(hzi)的计算图式第29页/共99页第三十页,共100页。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(xioyng)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(xioyng)的
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