桥梁与隧道工程第1章

第一章总论第三节桥梁设计的作用 1.3桥梁的设计作用及作用组合作用：指施加在结构上的一组集中力或分布力（直接作用，荷载），或引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用）分类：（1）按时间的变异性和出现的可能性：永久作用，可变作用和偶然作用（2）按空间位置的变异性：固定作用，自由作用（3）按结构的反应：静态作用，动态作用（加速度）返回 1.3桥梁的设计作用及作用组合作用代表值：指结构或结构设计时，针对不同设计目标所采用的各种作用规定值。它是根据作用统计得到的概率分布模型，按照概率的方法确定的。包括：（1）作用标准值：指结构或结构设计时，采用的各种作用的基本代表值，根据概率分布的某一分位确定（2）作用频遇值：指结构或构件按照正常使用极限状态短期效应组合设计时，采用的一种可变作用代表值，按概率分布的0.95分位值确定（3）作用准永久值：指结构或构件按照正常使用极限状态短期效应组合设计时，采用的另一种可变作用代表值，按概率分布的0.50分位值确定 1.3桥梁的设计作用及作用组合作用在桥梁上的作用可分为三大类：永久作用(恒载)：在设计使用期内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。可变作用：在设计使用期内，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变作用(活载)和其它可变作用。偶然作用：在设计使用期内，不一定出现，但一旦出现其值很大且持续时间较短的作用，它包括船只或漂浮物撞击力、地震力。桥梁设计时需考虑作用组合。作用分类荷载名称永久作用结构重力，预加应力，土的重力及土的侧压力，混凝土收缩徐变影响力，基础变位影响力，水的浮力可变作用基本可变作用汽车荷载，汽车冲击力，离心力，汽车引起的土侧压力，人群荷载其他可变作用风荷载，汽车制动力，流水压力，冰压力，温度作用，支座摩阻力偶然作用地震力，船只或漂流物撞击力返回 1.3.1永久作用结构物的重力及桥面铺装、附属设备等外加重力均属结构重力，可按照结构物的实际体积或设计时所假定的体积及其材料的容重计算。对于预应力混凝土桥梁结构，预加应力在结构正常使用极限状态设计时，应作为永久作用计算其效应；在结构承载能力极限状态设计时，预加应力不作为作用。作用于墩台上的土压力、土侧压力可参照《桥涵通用设计规范》（JTGD60-2004）和《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）中规定计算。水的浮力对桥梁墩台的影响，当墩台位于透水性地基上时，验算墩台的稳定性，应采用设计水位的浮力，验算地基应力，仅考虑低水位时的浮力，或不考虑水的浮力；当墩台位于不透水性地基上时，可不考虑水的浮力。返回 1.3.1永久作用混凝土收缩、徐变：（1）外部超静定的混凝土结构、钢和混凝土的组合结构应考虑；（2）混凝土的收缩和徐变系数按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）计算；（3）混凝土徐变的计算，可假定徐变与混凝土呈线性关系；（4）计算圬工拱圈的收缩作用效应时，如考虑徐变影响，作用效应可乘以0.45折减系数。 1.3.2可变作用1.汽车荷载(1)汽车荷载分级（公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级）(2)汽车荷载：车道荷载和车辆荷载组成继续 1.3.2可变作用(2)汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成车道荷载：均布荷载和集中荷载组成桥梁整体计算采用车道荷载，局部计算采用车辆荷载车道荷载与车辆荷载不得叠加继续 （3）车道荷载的计算图式KqPK (4)公路Ⅰ级和Ⅱ公路级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值 （5）多车道桥梁的汽车荷载折减当桥涵设计车道数≥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。（6）大跨径桥梁的汽车荷载纵向折减当桥梁计算跨径大于150m时，应按规定折减。当为多跨连续结构时，应按最大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。继续 2.汽车荷载的影响力(1)汽车荷载冲击力冲击作用：车辆以一定速度在桥上行驶，由于桥面不平整、车轮不圆以及发动机抖动等原因，会使桥梁结构引起振动，致使桥梁产生的应力和变形比相应的静载引起的要大，这种由于荷载的动力作用使桥梁发生振动而造成内力加大的现象称为冲击作用。汽车荷载的冲击力标准值：汽车荷载标准值乘以冲击系数μ冲击系数μ当f>1.5Hz时，μ=0.05当1.5Hz≤f≤14Hz时，μ=0.176lnf-0.0157当f>14Hz时，μ=0.45汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁选壁板上的冲击系数取1.3 (2)离心力《桥规》中规定：当弯道桥的曲线半径等于或小于250m时，应计算离心力离心力为车辆荷载(不计冲击力)乘以离心力系数C离心系数C计算多车道桥梁的汽车离心力，为车辆荷载标准值乘以横向折减系数当计算曲线长度大于等于150m时，应考虑纵向折减离心力着力点在桥面上1.2m处 (3)车辆荷载引起的土侧压力车辆荷载在桥台或挡土墙引起的土侧压力换算呈等代均布土层厚度挡土墙的计算长度车辆荷载竖向土压力 车辆荷载分布车辆或履带按其着地面积的边缘下作30°角分布当几个车轮或两条压力扩散线相重叠时，则扩散面积以最外边的扩散线为准 车辆荷载横、纵向分布宽度计算 3.人群荷载设有人行道的公路桥梁，当用汽车荷载计算时，应同时计入人行道上的人群荷载。桥梁计算跨径小于或等于50m时人群荷载标准值为3.0kN/m2桥梁计算跨径等于或大于150m时人群荷载标准值为2.5kN/m2桥梁计算跨径在大于50m小于150m时可由线性内插得到人群荷载标准值跨径不等的连续结构采用最大计算跨径的人群荷载标准值城镇郊区行人密集地区的公路桥梁人群荷载标准值为上述标准值的1.15倍专用人行桥梁人群荷载标准值为3.5kN/m2继续 3.人群荷载人行道板（局部构件）可以一块板为单元，按标准值4.0kN/m2的均布荷载计算。计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力一般采用0.75kN/m；作用在栏杆扶手上的竖向力一般采用1kN/m。继续 4.其它可变荷载⑴汽车制动力汽车制动力是车辆在桥上刹车时为克服车辆的惯性力而在路面与车辆之间发生的滑动摩擦力。车辆与路面间的摩擦系数可以达0.5以上，但制动力并不等于摩擦系数乘全部车辆荷载。一个设计车道上由汽车荷载产生的制动力标准值为车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%计算公路Ⅰ级汽车荷载制动力标准值不得小于165KN，公路Ⅱ级汽车荷载制动力标准值不得小于90KN制动力的着力点在桥面上1.2m处继续 ⑵支座摩阻力支座上的摩阻力是上部构造因温度变化而产生的，摩阻力可按下式计算：F=μV式中：V—作用于活动支座的竖向反力；μ—支座的摩阻系数。支座种类滚动或摆动制座弧形钢板滑动支座平面钢板滑动支座油毡垫层(已老化)μ0.050.200.300.60表支座的摩阻系数⑶风力作用在桥上的风力是由迎风面的压力和背风面的吸力所组成；可分为垂直桥轴方向的横向风力和顺桥轴方向的纵向风力。横向风力为横向风压乘以迎风面积。纵向风力常按折减后的横向风压乘以迎风面积来计算。⑷其余的其它可变荷载温度影响力、流水压力与冰压力。返回 1.3.3偶然作用1.地震作用公路桥梁的抗震设防，一般应以设计地震烈度8度为起点，但连续梁、T形刚构等桥型，宜采用设计烈度7度。地震力的计算和结构抗震设计应符合《公路工程抗震设计规范》的规定。2.船只或漂流物的撞击作用在通航河道和有漂浮物出现的河流上建造桥梁时，墩台、基础设计应考虑船只或漂浮物的撞击力。取用撞击力的数值一般可根据实测资料或与有关部门研究确定，当无资料作为依据时，可参照《桥规》附录中的规定计算。漂流物横桥向撞击力标准值返回 3.汽车的撞击作用汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取1000KN，在车辆行驶垂直方向取500KN，两个方向的撞击力不同时考虑撞击力作用于行车道以上1.2m处，直接分布于撞击涉及的构件上对设有防撞设施结构构件，汽车撞击力标准值应折减 1.3.4作用组合按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计。①只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应的组合。当结构或结构构件需做不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合。②当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响时，该作用不应参与组合。实际不可能同时出现的作用或同时参与组合概率很小的作用,考虑其作用效应的组合。③施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑。组合式桥梁，当把底梁作为施工支撑时，作用效应宜分两个阶段组合，底梁受荷为第一个阶段，组合梁受荷为第二个阶段④多个偶然作用不同时参与组合。 （一）按承载能力极限状态设计时的作用效应组合公路桥涵结构的承载能力极限状态设计，按照可能出现的作用，将其分为两种作用效应组合，即基本组合和偶然组合。作用效应的基本组合是指永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合，这种组合用于结构的常规设计，是所有公路桥涵结构都应该考虑的。作用设计值为作用的标准值乘以相应的分项系数。作用效应的偶然组合是指永久作用标准值、可变作用代表值和一种偶然作用标准值的效应组合，视具体情况，也可不考虑可变作用效应参与组合。作用效应偶然组合用于结构在特殊情况下的设计，所以不是所有公路桥涵结构都要采用的，一些结构也可采取构造或其他预防措施来解决。 1基本组合永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为： 2偶然组合永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的效应分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。地震作用标准值及其表达式按现行《公路工程抗震设计规范》规定采用。公路桥涵结构的设计安全等级注：本表所列特大、大、中桥等系按规范表1.0.11中的单孔跨径确定，对多跨不等跨桥梁，以其中最大跨径为准；本表冠以“重要”的大桥和小桥，系指高速公路和一级公路上、国防公路上及城市附近交通繁忙公路上的桥梁。 （二）按正常使用极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合在公路桥梁结构中，对于需要进行正常使用极限状态设计的结构，需要考虑可变作用的短期效应组合和长期效应组合，其可变作用代表值采用频遇值和准永久值。众所周知，正常使用极限状态设计仅涉及结构构件的抗裂，裂缝宽度和挠度，其结构可靠度要比承载能力极限状态低得多。可变作用的频遇值是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值，但它比可变作用的标准值小，实际上由标准值乘以小于1.0的频遇值系数φ1得到。可变作用的准永久值是指在结构上经常出现的作用取值，但它比可变作用的频遇值又要小一些，实际上是由标准值乘以小于φ1的准永久值系数φ2的得到。 1作用短期效应组合永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：2作用长期效应组合永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为： 第一章总论第四节桥面布置与构造 1.4.1桥面构造组成与布置桥面部分通常包括桥面铺装、防排水系统、伸缩缝、人行道(安全带)、缘石、栏杆和灯柱等构造。返回 混凝土梁式桥桥面布置双向车道布置：上下交通由标线分隔，没有明显界限分车道布置：设置分隔带、分离式 新型环保钢制护栏 混凝土梁式桥桥面布置双层桥面布置 1.4.2桥面铺装1.桥面铺装桥面铺装也称行车道铺装。(1)作用：防止车辆轮胎(或履带)的直接磨耗行车道板，防止主梁遭受雨水的侵蚀，并能使车辆轮重的集中荷载起一定的分布作用。 (2)桥面铺装类型①普通水泥混凝土或沥青混凝土铺装在非严寒地区的小跨径桥上，不做专门的防水层。层铺法施工：单层(5-8cm)；双层式(底层4-7cm，面层3-4cm)；三层式（底层5-7cm，中层4-5cm，面层3-4cm)水泥混凝土适用于重载交通。 ②防水混凝土铺装非冰冻地区需作防水处理时，铺筑8-10cm的防水泥混凝土，再铺磨耗层。图防水混凝土铺装 ③具有贴式防水层的水泥混凝土或沥青混凝土铺装图贴式防水层铺装在防水程度高或板面可能出现裂纹的桥梁，需设置防水层 2.桥面纵横坡对于沥青混凝土或水泥混凝土铺装，横坡为1.5-2.0%。行车道路面用抛物线型横坡，人行道用直线型。 3.桥面排水原因：冻胀破坏、侵蚀钢筋设置：桥长L<50m，纵坡ih＞2％时，雨水可流至桥头从引道上排除，在桥头引道的两则设置流水槽。当L＞50m，ih＞2％时，在桥上每隔12-15m设置一个泄水管。如桥面ih＜2％,则宜每隔6-8m设置一个泄水管。 常用泄水管的型式：①金属泄水管适用于具有贴式防水层的铺装结构。②钢筋混凝土泄水管适用于不设专门防水层而采用防水混凝土的铺装构造上。金属泄水管钢筋混凝土泄水管 ③横向排水孔道适用于跨径小，不设人行道的小桥。 ④封闭式排水系统适用于城市桥梁、立交桥 4.桥面伸缩缝(1)原因：桥梁自由变形(2)设置：两梁端间以及梁端与桥台背墙间设置。(3)要求：保证桥梁能自由变形；车辆在设缝处能平顺地通过；防止雨水、垃圾泥土等渗入而阻塞。 (4)变形量：以安装伸缩缝结构时为基准的温度伸长量lt+和收缩量lt-；收缩和徐变量ls以及计入梁的制造与安装误差的富裕量lE。lE可按计算变形量的30%估算。总变形量为： (5)常用伸缩缝构造U形锌铁皮式伸缩缝中小跨径的桥梁，当变形量在2-4cm以内时，常采用。 跨搭钢板式伸缩缝适用梁端变形量4-6cm以上的情况，最大可达40cm以上。 橡胶带（板）伸缩缝橡胶伸缩缝适用于梁端变形量4-6cm以上，最大可达15cm 组合伸缩缝适用于梁端变形量4-6cm以上，最大可达24cm 无缝式伸缩装置含义：接缝构造不伸出桥面特点：能适应桥梁上部构造伸缩变形和小量转动变形；防水性好；易于维修和更换 5、人行道、栏杆、灯柱(1)安全带宽度不小于25cm，与人行道相同，高出行车道25cm-35cm。 (2)人行道城镇和近郊的桥梁均应设置人行道，宽度可选用0.75cm，1m，大于1m按0.5m的倍数递增。行人稀少地区可改用安全带。高出行车道25cm-35cm。 (3)栏杆和灯柱栏杆高度不小于110cm，栏杆间距一般为160-270cm 作业：1.桥梁由哪几部分组成，并简述个部分的作用？2．按受力体系划分，桥梁可分为哪几类？各有哪些特点？3．列出永久作用、可变作用和偶然作用的主要内容。4.桥梁结构应按哪两类极限状态进行设计？5.如何进行作用效应组合？6.桥面构造包括哪些部分？7.桥面铺装的作用是什么？有哪些类型？