第三章第三章 设计荷载设计荷载 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》(TB10002.1—2005) 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004) 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) 第一节第一节 作用分类和作用代表值作用分类和作用代表值 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 第一节第一节 作用分类和作用代表值作用分类和作用代表值 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(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 表表3 3．．1 1 公路桥梁作用分类表公路桥梁作用分类表 第一节第一节 作用分类和作用代表值作用分类和作用代表值 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。
第一节第一节 作用分类和作用代表值作用分类和作用代表值 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 第一节第一节 作用分类和作用代表值作用分类和作用代表值 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 第一节第一节 作用分类和作用代表值作用分类和作用代表值 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 第二节第二节 永久作用永久作用 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 第三节第三节 可变作用可变作用 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 1 1 列车活载列车活载 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/h nZK—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 《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 1 1 汽车荷载汽车荷载 - -旧公路规范旧公路规范19891989版版 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 1 汽车荷载汽车荷载 - -新公路规范新公路规范 《《通用规范通用规范JTG D62JTG D62》》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 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 新规范新规范 车道荷载的计算图式车道荷载的计算图式 ①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5m~50m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 ②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 ③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 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 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。