桥梁设计基本原则

'桥梁设计基本原则•实用•经济•安全•美观 §1.4桥梁的设计荷载LoadsonBridges1.4.12004新桥规简介1.4.285桥规、城市桥梁设计规范、铁路桥规简介1.4.3荷载组合 1.4.1新规范简介《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》JTGD62-2004 2004新规范制定的依据•《公路工程结构可靠度设计统一标准》GB/T50283-1999•《公路工程技术标准》JTJ001-97修订JTGB01-2003•《工程结构设计基本术语和通用符号》GBJ132---90•《道路工程术语标准》GBJ124-88 《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004主要修订内容1）极限状态：明确了公路桥涵结构应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计，并引人了结构设计的持久状况、短暂状况和偶然状况三个设计状况；2）组合方式：修改了公路桥涵结构设计的作用效应的组合方式及其组合系数，引入了作用的短期效应组合和长期效应组合，并提出了各种可变作用短期效应组合时的频遇值系数和长期效应组合时的准永久值系数； 3）安全等级及其重要性系数：引入了公路桥涵设计的安全等级及其重要性系数，以桥涵结构破坏可能产生的后果严重程度的不同采用不同的重要性系数，使结构的设计更趋合理；——调整结构物内在的可靠度水准 《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004修订的具体内容摘录1.0.1为统一公路桥涵设计技术标准，贯彻国家有关法规和公路技术政策，使公路桥涵社设计符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求，制定本规范。1.0.5…………还应按照美观和有利环保的原则进行设计…….。1.0.10特殊大桥宜进行景观设计1.0.6公路桥涵结构的设计基准期为100年。设计基准期：与使用寿命概念不同，指荷载和作用在某一时间段变化的参考坐标。使用寿命与结构使用状况、环境有关，综合评价较难。建筑结构实行质量终生制，但判断体系未完全建立，如无裂缝的定量评价等。 1.0.8三种设计状况：∑持久状况∑短暂状况∑偶然状况1.0.9按持久状况承载能力极限状态设计时，公路桥涵结构的设计安全等级，应根据结构破坏可能产生的后果的严重程度划分为三个设计等级，并不低于表1.0.9规定 •4.1.1公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用和偶然作用三类。•引起结构反应的原因可以按其作用的性质分为两类：一类是施加于结构上的外力，如车辆、人群、结构自重等，它们是直接施加于结构上的，可用“荷载”概括；•另一类不是一外力形式施加于结构，它们产生的效应与结构本身的特性、结构所处的环境等有关，如地震、基础变位、混凝土收缩徐变、温度变化等，它们是间接作用于结构的，•国际上普遍将所有引起结构反应的原因统称为“作用”，而“荷载”仅限于施加于结构上的直接作用。 4·3·1公路桥涵设计时，汽车荷载的计算图式、荷载等级及其标准值、加载方法和纵横向折减等应符合下列规定：1汽车荷载分为公路一I级和公路一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。∑桥梁结构的整体计算采用车道荷载；∑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。 3各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合规定。各级公路桥涵的汽车荷载等级公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路汽车荷载等公路—Ⅰ公路—Ⅰ公路—Ⅱ公路—Ⅱ公路—Ⅱ级级级级级级∑二级公路为干线公路且重型车辆多时，其桥涵的设计可采用公路一I级汽车荷载。∑四级公路上重型车辆少时。其桥涵设计所采用的公路一Ⅱ级车道荷载的效应可乘以0．8的折减系数，车辆荷载的效应可乘以0．7的折减系数。相当于原来的汽车-10级。 •车道荷载形式 •车辆荷载横向布置 1）公路一I级车道荷载的均布荷载标准值为q=10．5kN／m；x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，P=180kN；K∑桥梁计算跨径等于或大于50m时，P=360kN；K∑桥梁计算跨径在5m一50m之间时，P值采用直K线内插求得。∑计算剪力效应时，上述集中荷载标准值P应乘以Kl·2的系数。 2）公路一Ⅱ级车道荷载的均布荷载标准值qx和集中荷载标准值P按公路一I级车道荷载的0．75倍采用。K3)车道荷载的均布荷载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。公路一I级和公路一Ⅱ级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。 •车道荷载横向分布系数应按设计车道数布置车辆荷载进行计算。•桥涵设计车道数应符合规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应按规定的多车道折减系数折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。 •大跨径桥梁上的汽车荷载应考虑纵向折减。•当桥梁计算跨径大于150m时，应按规定的纵向折减系数进行折减。当为多跨连续结构时，整个结构应按最大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。 4．3．2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。桥梁的自振频率（基频）宜采用有限元方法计算，对于常规结构（简支梁桥、连续梁桥、拱桥、双塔斜拉桥、单跨简支悬索桥），可用公式估算（条文说明P83-84） 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μ5冲击系数μ可按下式计算：当f＜1.5Hz时，μ=0.05当1.5Hz≤f≤14Hz时，μ=0.17671nf－0.0157(4.3.2)当f＞14Hz时，μ=0.45式中f——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1.3。 4．3．5人群荷载标准值按下列规定采用：1当桥梁计算跨径小于或等于50m时，人群荷载标准值为3．0kN／㎡；当桥梁计算跨径等于或大于150m时，人群荷载标准值为2．5kN／㎡；当桥梁计算跨径在50m～150m之间时·可由线性内插得到人群荷载标准值。对跨径不等的连续结构，以最大计算跨径为准。城镇郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述规定值的1.15倍。专用人行桥梁。人群荷载标准值为3.5kN／㎡。 2人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内。在纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。3人行道板(局部构件)可以一块板为单元，按标准值4．0kN／㎡的均布荷载计算。4计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取0．75kN／m；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1．0kN／m。4.3.6汽车荷载制动力中小跨径165/90控制 1.4.285桥规、城市桥梁设计规范、铁路桥规简介85桥规桥梁设计荷载的分类•永久荷载（恒载）DeadLoadV结构物自重，桥面铺装，附属设施，土重，土侧压力，基础变位影响力，水浮力，预加应力，砼收缩徐变影响力。 可变荷载LiveLoadV基本可变荷载（活载）：汽车（含冲击力、离心力），平板挂车，履带车，人群及其土侧压力V其它可变荷载：汽车制动力，支座摩阻力，温度影响力，风力，流水压力，冰压力，铁路桥：列车横向摇摆力，冻胀力偶然荷载IncidentalLoadV地震力，船只、漂流物的撞击力，施工荷载等 •永久荷载（恒载）V跨径20~150m，自重占全部设计荷载的30~60%以上。跨径越大，比例越高。V预应力：正常使用极限状态设计时计入承载能力极限状态设计时作为抗力V收缩徐变：超静定混凝土桥梁 •可变荷载车辆荷载计算荷载：公路桥涵设计的荷载标准中把大量、经常出现的汽车荷载排列成车队形式汽车车队：荷载级别的数字表示一辆主车重量（以吨计），除了辆数不限的主车之外，每队车队中均规定有一辆重车 •计算荷载的汽车车队汽车-10级，汽车-15级，汽车-20级，汽车-超20级•在设计四车道桥涵时，考虑到四行车队单向并行通过的机率比较小，计算荷载可以折减30%，但不得小于按两行车队计算的结果。 307050100307030701541545415415汽车—10级501007013050100501001541545415415汽车—15级12070130601207013070130154154104154151.4汽车—20级70130701303012014014070130701301201541541037104154151.41.4汽车—超20级 1.82.51.82.54.04.01.47.08.0100KN、150KN、200KN汽车的平面尺寸300KN汽车的平面尺寸0.62.52.51.82.53.01.47.01.41.81.31.80.515.0横向布置550KN汽车的平面尺寸 •验算荷载：偶然个别出现的平板挂车、履带车V验算荷载的等级：履带-50，挂车-80，挂车-100，挂车-120V履带车顺桥向可多辆行驶，净距不小于50m，平板挂车全桥只通过一辆。同时不考虑冲击力、人群和其他外力。 每条履带单位压力56KN/m总重力500KN履带—500.70.74.52.51.03.2200200200200横向布置挂车—803.51.24.01.22502502502500.5挂车—1000.90.90.91.01.24.01.23.2横向布置300300300300挂车—1201.24.01.2 85规范采用车队荷载的不足之处：1.容易使人误以为标准荷载模式所采用的车辆重力即是实际桥梁上可以通行的车辆，造成公路交通管理上的不便。2.原标准的级差不合理，两级标准之间的荷载水平的级差时大时小3.计算不方便4.标准荷载在结构上产生的效应不连续5.与国际先进标准不接轨。新规范的考虑：计算工作量：动态设计，影响线、峰值常规梁、板结构：横向分布系数计算没改。 •汽车荷载的说明：∑汽车-超20级、挂车-120——相当于公路-I级∑汽车-20级、挂车-100——相当于公路-II级∑汽车-15级、汽车-10级——取消 ∑城市道路车辆荷载•城市汽车荷载等级V城－Ａ级汽车荷载V城－Ｂ级汽车荷载•汽车荷载：V车辆荷载V车道荷载 •横隔梁、行车道板、桥台或挡土墙后土压力的计算应采用车辆荷载。•主梁、主拱和主桁架等的计算应采用车道荷载。•进行桥梁结构计算时不得将车辆荷载和车道荷载的作用叠加。 城－Ａ级车辆荷载：标准载重汽车采用五轴式货车加载，总重700kN车轴编号12345轴重（KN）60140140200160轮重（KN）30707010080总重（700KN）3.6m1.2m6.0m7.2m18.0m0.6m0.6m0.25m1.8m3.0m0.25m0.6m0.6m 城－Ｂ级车辆荷载：标准载重汽车应采用三轴式货车加载，总重300kN车轴编号123轴重（KN）60120120轮重（KN）306060总重（300KN）3.6m1.2m4.8m0.6m0.6m0.25m1.8m0.25m0.6m0.25m •城－Ａ级车道荷载和城－Ｂ级车道荷载应按均布荷载加一个集中荷载计算。•均布荷载和集中荷载的标准值应按桥梁的跨径确定。跨径2-２０m城－Ａ级V计算弯矩，车道荷载的均布荷载标准值qM=22.5kN/m；V计算剪力，均布荷载标准值qQ=37.5kN/mV集中荷载P=140kN 城－B级V计算弯矩，车道荷载的均布荷载标准值qM=19.0kN/m；V计算剪力，均布荷载标准值qQ=25.0kN/mV集中荷载P=130kN •城－Ａ级车道荷载=140KNM=22.5KN/mQ=37.5KN/m•城－B级车道荷载=130KNM=19.0KN/mQ=25.0KN/m •跨径２０m-150m城－Ａ级V计算弯矩，qM=10.0kN/mV计算剪力，qQ=15.0kN/mV集中荷载P=300kNV车道数等于或大于4条时，计算弯矩不乘增长系数。计算剪力乘增长系数1.25。 城－B级V计算弯矩，qM=9.5kN/mV计算剪力，qQ=11.0kN/mV集中荷载P=160kNV车道数等于或大于4条时，计算弯矩不乘增长系数。计算剪力乘增长系数1.30。 •城－Ａ级车道荷载=300KNM=10.0KN/mQ=15.0KN/m•城－B级车道荷载=160KNM=9.5KN/mQ=11.0KN/m ¾车道荷载的横向布置：V每车道为3m宽均布V或等效荷载车轮集中力形式布置V横向轮距同公路桥梁¾设计车道数目与行车道总宽度，车道数的横向折减：按《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77－98）的有关规定执行。 车辆荷载的影响力•冲击力V冲击作用：车辆以较高速度驶过桥梁时，由于桥面不平整、车轮不圆、发动机抖动等原因，使桥梁结构引起振动。V冲击系数：1+µ •制动力V制动力：汽车在桥上刹车时，为克服其惯性力而在车轮与路面之间发生的滑动摩擦力。V1~2车道，按荷载长度内一行汽车车队总重的10%计算。但不小于一辆重车的30%。四车道增加一倍。V履带车、平板挂车不计制动力。 •离心力V曲线桥梁，R≤250m时，须考虑。H=CPVC=127R°土侧压力按换算的等代均布土层厚度计算 铁路列车荷载•铁路列车荷载:中华人民共和国铁道标准活载（简称“中-活载”）•蒸汽机车25025025022022022022022092KN/m80KN/m1.51.51.51.51.51.51.530轴重力单位：KN长度单位：m •中-活载象征性地模拟列车载重的情况V左面的5个集中荷载相当于一台机车的重量V右侧一段30m长的均布荷载大致与两台煤水车及另一台机车相当V最右侧的均布载重表示列车的（货车）车辆载重，其长不限。V对于跨度很短的桥，往往由3个轴重所组成的特种荷载控制设计。 修订的新荷载标准:与国际铁路联盟（UIC）制订的活载标准相一致250250250250KN80KN/m80KN/m0.8m0.8m无限1.6m1.6m1.6m无限 人群荷载•设有人行道的桥梁，在以汽车荷载计算内力时，应同时考虑人行道上人群荷载所产生的内力。23kNm•一般公路桥梁的人群荷载规定为25.3kNm城市郊区行人密集地区一般为•可根据实际情况或参照所在地城市桥梁设计的规定予以确定。 偶然荷载V偶然荷载在设计使用期内不一定出现，但一旦出现，其持续时间较短而数值很大。V公路桥梁的抗震设防一般为设计地震烈度8度，连续梁桥、T形刚构桥等为7度。V《公路工程抗震设计规范》V通航河流、有漂流物的河流：桥梁墩台，应考虑船只或漂流物的撞击力。 1.4.3荷载组合85桥规的荷载组合：•组合一（主要设计组合）：基本可变荷载+永久荷载•组合二（附加设计组合）：基本可变荷载+永久荷载+其它可变荷载•组合三（验算组合）：平板挂车、履带车+自重、预应力、土重、土侧压力•组合四（撞击力组合）：基本可变荷载+永久荷载+撞击力•组合五（施工组合）：施工荷载（自重、脚手架、材料机具、人群、风力、拱的单向推力等）•组合六（地震力组合）：（自重、预应力、土重、土侧压力）+地震力 2004桥规的规定1永久作用应采用标准值作为代表值。2可变作用应根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值或准永久值作为其代表值。承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构强度时应采用标准值作为可变作用的代表值。正常使用极限状态按短期效应(频遇)组合设计时，应采用频遇值作为可变作用的代表值；按长期效应(准永久)组合设计时，应采用准永久值作为可变作用的代表值。3偶然作用取其标准值作为代表值。 公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合：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：⎛mn⎞γ0Sud=γ0⎜⎜∑∑γGiSGik+γQ1SQ1k+γQjSQjk⎟⎟⎝i==12j⎠⎛mn⎞γ0Sud=γ0⎜⎜∑∑γGiSGid+SQ1d+ψcSQjd⎟⎟⎝i==12j⎠ 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。 •组合系数：∑1.2×恒荷载+1.4×汽车荷载∑1.2×恒荷载+1.4×汽车荷载+0.8×1.4×人群∑1.2×恒荷载+1.4×汽车荷载+0.7×（1.4×人群+1.1×风荷载）∑1.2×恒荷载+1.4×汽车荷载+0.6×（1.4×人群+1.1×风荷载+1.4×土压力）∑1.2×恒荷载+1.4×汽车荷载+0.5×（1.4×人群+1.1×风荷载+1.4×土压力+1.4×汽车制动力） §1.5桥面布置与构造1.5.1桥面布置与构造1.5.2桥面铺装1.5.3桥梁排水系统1.5.4桥梁伸缩缝1.5.5人行道、栏杆、护栏、灯柱 1.5.1桥面布置与构造•桥面一般布置：–行车道双向车道布置——交通量不大的桥梁单向车道布置——交通量大的桥梁做法：上下行桥梁分离、分隔带双层（多层）桥面布置——充分利用桥梁的承载能力–人行道——城市附近的桥梁–检修道、安全带——郊区或高速公路 多层桥面布置 桥面构造•行车道铺装、排水防水系统、人行道（或安全带）、缘石、栏杆、护栏、照明灯具、伸缩缝栏杆人行道铺装行车道铺装三角垫层行车道铺装人行道防水层安全带缘石1.5％1.5％ •桥面构造直接与车辆、行人接触，对桥梁的主要结构既能传力又能起保护作用•其构造合理性、施工质量和养护质量，直接影响到桥梁的使用功能。•桥面的布置应在桥梁的总体设计中考虑，根据道路的等级、桥梁的宽度、行车要求等条件确定。 •桥面横坡V沥青砼、水泥砼铺装：1.5%-2%V路拱：行车道，抛物线型V人行道，直线型 V桥面横坡的形式¾横坡设在墩台顶部，等厚铺装层，上部结构双向倾斜¾横坡设在墩台顶部，三角垫层，等厚铺装层¾双向倾斜行车道板 1.5.2桥面铺装•保护属于主梁整体部分的行车道板不受车辆轮胎的直接磨耗，防止主梁遭受雨水的侵蚀，并对车辆轮重的集中荷载起一定的分布作用V普通水泥砼铺装表面粗糙，耐磨好V沥青砼铺装较轻，养护方便，通车快¾非严寒地区，小桥，无防水层，铺装厚5~8cm V防水砼铺装¾非冰冻地区需防水时用，厚8~10cm，¾上面可铺2cm沥青磨耗层V具有贴式防水层的铺装¾防水程度高，桥面板位于受拉区时¾“三油二毡”厚1~2cm¾砼保护层厚4cm （2004桥规规定）3.6.1桥面铺装的结构型式宜与所在位置的公路路面相协调。桥面铺装应有完善的桥面防水、排水系统。高速公路和一级公路上特大桥、大桥的桥面铺装宜采用沥青混凝土桥面铺装。3.6.3高速公路、一级公路上桥梁的沥青混凝土桥面铺装层厚度不宜小于70mm；二级及二级以下公路桥梁的沥青混凝土桥面铺装层厚度不宜小于50mm。3.6.4水泥混凝土桥面铺装面层(不含整平层和垫层)的厚度不宜小于80mm，混凝土强度等级不应低于C40。 桥面铺装构造沥青表面处治1%20~50cm防水混凝土1.5%8~10cm泄水管沥青混凝土路面5cm20号混凝土保护层4cm防水层1cm1%缘石1.5%贫混凝土 Ⅰ大样 1.5.3桥梁排水系统V桥面纵坡>2%，桥长<50m，不设泄水孔V桥面纵坡>2%，桥长>=50m，设一个泄水管V桥面纵坡<2%，每隔6~8m设一个泄水管°泄水管：要求过水面积不小于2~3cm2/m2,左右对称或交错排列，距缘石20~50cm，可在人行道下设置 （2004桥规规定）3.6.7桥面应设排水设施。跨越公路、铁路、通航河流的桥梁，桥面排水宜通过设在桥梁墩台处的竖向排水管排入地面排水设施中。问题：排水管设在哪里？数量？排水管是桥面损坏的原因之一。 •泄水管的型式V金属泄水管：具有贴式防水层铺装，内径10~15cm，管下端伸出行车道板底面15~20cm以上V钢筋砼泄水管：不设防水层，采用防水砼铺装V横向排水孔道：小跨径桥，预留横向孔V封闭式排水系统：跨线桥、城市桥梁：设置完整的落水管道 •金属与钢筋混凝土泄水管141421420012820402830710072010020114140?10钢筋2×80mm170001100002 1.5.4桥梁伸缩缝•伸缩缝的作用V保证桥跨结构在气温变化、活载作用、砼收缩徐变等影响下按净力图式自由变形V使车辆平顺通过，防止雨水、垃圾泥土等阻塞V减小车辆通过的噪音 伸缩缝的设计与施工要求V适应桥梁温度变化引起的伸缩V桥面平坦，行驶良好V施工安装方便，与桥梁结构连成整体V安全排水、防水V承担车辆荷载V养护、修理、更换方便V经济价廉 （2004桥规）3.5.3桥涵的上、下部构造应视需要设置变形缝或伸缩缝，以减小温度变化、混凝土收缩和徐变、地基不均匀沉降以及其他外力所产生的影响。高速公路、一级公路上的多孔梁(板)桥宜采用连续桥面简支结构，或采用整体连续结构3.6.6桥面伸缩装置应保证能自由伸缩，并使车辆平稳通过。伸缩装置应具有良好的密水性和排水性，并应便于检查和清除沟槽的污物。特大桥和大桥宜使用模数式伸缩装置，其钢梁高度应按计算确定，但不应小于70mm，并应具有强力的锚固系统 伸缩缝的种类V对接式伸缩缝V钢制支承式伸缩缝V组合剪切式（板式）橡胶伸缩缝V模数支承式伸缩缝V无缝式（暗缝型）伸缩缝 对接式伸缩缝•安装图式 模数式伸缩缝•模数式伸缩缝，又称模数支乘式伸缩缝•适用伸缩量80mm~2000mm SG型（模数式）伸缩缝横断面 模数式伸缩缝 SG型（模数式）伸缩缝 模数式伸缩缝•安装图式 板式橡胶伸缩缝•安装效果 板式橡胶伸缩缝装置 W形伸缩装置 钢板叠合式伸缩装置 GP型桥面连续构造 1.5.5人行道、栏杆、护栏、灯柱一、人行道与安全带–人多——人行道0.75米+0.5米的倍数–人少——安全带，0.25~0.5米–高度——0.25~0.4米–做法：现浇——与桥面连成整体预制——做成配件，现场组合安装 栏杆(A)(B)(C)(D)(E)（a）栅栏式（b）栏板式（c）棂格式1（d）棂格式2（e）混合式栏杆示意图 •北京芦沟桥栏杆 钢栏杆¢钢筋混凝土栏杆钢－混凝土组合栏杆 常用照明设备 栏杆、灯柱–栏杆高度——0.8+1.2米，按规范计算水平力–做法：全预制安装现浇栏杆柱、预制安装扶手–灯柱一般均为预制安装 护栏•作用–封闭沿线两側的作用–具有吸收碰撞能量的作用•种类–刚性护拦–半刚性护拦–柔性护拦 刚性护拦 半刚性护拦 柔性护拦（新泽西护栏）'