学习单元1.4 公路桥梁上的作用

桥梁结构设计的主要内容之一就是荷载的选定和计算。我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004），以下简称《桥规》（JTG D60—2004），将桥梁结构承受的各种荷载和外力统称为作用。作用使桥梁结构产生内力、变形或裂缝，这些内力、变形、裂缝统称为作用效应。根据它们作用的性质和影响程度的不同，将桥梁作用归纳为永久作用、可变作用和偶然作用三类。公路、城市桥梁各类作用见表1.2。

1.4.1 永久作用

永久作用亦称恒载，它是在设计使用期内，其作用位置和大小、方向不随时间变化或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。永久作用包括：结构物自重、桥面铺装和附属设备的重力、作用于结构上的土重及土侧压力、基础变位作用、水浮力、长期作用于结构上的预应力，以及混凝土收缩和徐变作用。

结构自重、桥面铺装及附属设备等附加重力均属结构重力，结构重力标准值可按常用材料的重度计算。

对于公路桥梁，结构物的自重往往占全部设计荷载的很大部分，例如，当桥梁跨径为20～150m时，结构自重占30%～60%，跨径越大，其所占比重越高。因此，采用轻质、高强材料来减小桥梁结构的自重，应是桥梁建设发展的方向。

1.4.2 可变作用

可变作用是在设计使用期内，其作用位置和大小、方向随时间变化，且其变化值与平均值相比不可以忽略的作用，如各种车辆荷载等。

桥梁设计中需考虑的可变作用有汽车荷载和人群荷载。同时，对于汽车荷载，应计及其冲击力、制动力和离心力。对于所有车辆荷载，尚应计算其所引起的土侧压力。

此外，可变作用还包括支座摩阻力、温度（均匀温度和梯度温度）作用、风荷载、流水压力和冰压力等。

每一种车辆都有许多不同的型号和载重等级，而且随着交通运输事业的发展，车辆的载质量也将不断增大，因此就需要确定一种既能代表目前车辆情况和将来发展需要，又能便于在设计中应用的简明统一的荷载标准，作为桥梁设计计算的依据。我国在对现有车型、行车规律等进行大量实地观测和调查研究的基础上，根据汽车工业的发展和国防建设的需要，2004年颁布的《桥规》（JTG D60—2004）规定了设计公路桥涵或其他受车辆影响的构造物所用的荷载标准。

以下简要介绍桥梁设计中常用的汽车荷载及其影响力和人群荷载。其他可变作用的详细计算方法，可查阅《桥规》（JTG D60—2004）的相应条文。

1.汽车荷载

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-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。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表1.3的规定。

二级公路为干线公路且重型车辆多时，其桥涵设计可采用公路-Ⅰ级汽车荷载。四级公路且重型车辆少时，其桥涵设计所采用的公路-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。

（4）车道荷载的计算图示如图1.17所示。

1）公路-Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值q_k=10.5kN/m；集中荷载标准值按以下规定选取：

桥梁计算跨径小于等于5m，p_k=180kN；

桥梁计算跨径等于或大于50m，p_k=360kN；

桥梁计算跨径在5～50m之间时，p_k采用直线内插法求得。

计算剪力效应时，上述集中荷载标准值p_k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q_k和集中荷载标准值p_k按公路-Ⅰ级车道荷载的0.75倍采用。

3）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。

（5）公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值，车辆荷载的立面、平面布置如图1.18所示，其主要技术指标规定见表1.4。

（6）车道荷载横向分布系数应根据设计车道数按图1.19所示布置车辆荷载进行计算。

（7）桥涵设计车道数应符合表1.5的规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车辆数大于或等于2时，由汽车荷载产生的效应应按表1.6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。

（8）对于大跨径桥梁，应考虑车道荷载纵向折减。当桥梁计算跨径大于150m时，应按表1.7规定的纵向折减系数进行折减。当桥梁为多跨连续结构时，整个结构应按其最大计算跨径的纵向折减系数进行折减。

2.汽车荷载冲击力

车辆行驶过程中，由于桥面不平整、车轮不圆及发动机振动等原因，会引起桥梁结构振动，从而使桥梁结构承受比静荷载要大的竖向荷载作用，这种动力效应称为车辆荷载冲击力。

《桥规》（JTG D60—2004）将这种车辆荷载冲击力以动力系数（1+μ）予以考虑，按下述方法计算：

当f&lt；1.5Hz时，μ=0.05；

当1.5Hz≤f≤14Hz时，μ=767lnf-0.0157；

当f＞14Hz时，μ=0.450。

式中 f——结构基频，Hz；

μ——冲击系数。

对于钢桥、钢筋混凝土和预应力混凝土桥、混凝土桥和砖石拱桥等的上部构造以及支座、橡胶支座或钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车荷载的冲击力。

对于拱桥、涵洞以及重力式墩台，当填料厚度（包括路面厚度）大于或等于50cm时，可以不计汽车荷载的冲击作用。汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数μ采用1.3。

3.汽车离心力

车辆在弯道桥梁上行驶时会产生离心力，曲线半径越小，离心力越大，当弯桥的曲线半径小于或等于250m时，应计算汽车荷载引起的离心力。离心力标准值为车辆荷载（不计冲击力）标准值乘以离心力系数C。离心力系数按下式计算：

式中 V——设计速度，km/h，按桥梁所在路线设计速度采用；

R——曲线半径，m。

离心力的着力点在桥面以上1.2m处。多车道时，车辆荷载标准值也应乘以表1.6规定的横向折减系数。

4.汽车引起的土侧压力

汽车荷载作用在桥台或挡土墙后填土上，引起填土的破坏棱体对桥台或挡土墙产生土侧压力，土侧压力可按下式换算成等代均布土层厚度h（m），公式如下：

式中 γ——土的重度，kN／m³；

l₀——桥台或挡土墙后填土的破坏棱体长度，m；

B——桥台横向全宽或挡土墙的计算长度，m；

∑G——布置在B×l₀面积内的车轮的总重力，kN。

计算涵洞顶车辆荷载引起的竖向土压力时，车轮荷载按其着地面积的边缘向下作30°角扩散分布。

5.汽车制动力

桥上汽车制动力是车辆在制动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阻力。制动力大小与车辆和路面间的摩阻系数及汽车荷载大小有关，考虑到制动常常只出现在一部分车辆上，且制动力只有同向行驶的汽车才能叠加，《桥规》（JTG D60—2004）规定：一个设计车道的制动力标准值按布置在加载长度内车道荷载的10%计，但公路-Ⅰ级汽车荷载的制动力不得小于165kN，公路-Ⅱ级汽车荷载的制动力不得小于90kN。同向行驶双车道的制动力为一个设计车道制动力的2倍，同向行驶三车道的制动力为一个设计车道制动力的2.34倍，同向行驶四车道的制动力为一个设计车道制动力的2.68倍。

制动力的着力点在桥面以上1.2m处，计算墩台时，可移至支座中心线或支座底座面上。计算刚构桥、拱桥时，制动力的着力点可移至桥面上，但不计因此而产生的竖向力和力矩。

6.人群荷载

设计有人行道的桥梁结构，人群荷载的取值规定如下：

当桥梁计算跨径L≤50m时，人群荷载标准值取3.0kN／m²；

当桥梁计算跨径L≥150m时，人群荷载标准值取2.5kN／m²；

当桥梁计算跨径在50～150m之间时，人群荷载标准值可由线性内插法求得。

对跨径不等的连续结构，计算跨径以最大者为准。城镇、郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取前述规定值的1.15倍；专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5kN／m²。

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。

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。

1.4.3 偶然作用

偶然作用是指桥梁结构设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间较短的作用。桥梁设计考虑的偶然作用有地震作用、船舶或漂流物的撞击作用和汽车的撞击作用。

1.地震作用

地震作用主要是指地震时强烈的地面运动引起的结构惯性力。地震作用的强弱不仅与地震时地面运动的强烈程度有关，还与结构的动力特性（频率与振型）有关。过去大多用烈度大小来表示地震作用的强弱，现行《桥规》（JTG D60—2004）不再采用地震烈度的概念，取而代之为地震动峰值加速度系数。公路桥梁的抗震设防起点为地震动峰值加速度等于0.1g。地震动峰值加速度大于或等0.1g地区的公路桥梁，应进行抗震设计。地震作用的计算和结构抗震设计应符合《公路工程抗震设计细则》（JTG／T B02—01—2008）的规定。

2.船舶或漂流物的撞击作用

跨越江、河、海湾的桥梁，必须考虑船舶或漂流物对桥梁墩台的撞击作用：由于精确地确定船舶或漂流物与桥梁的相互作用力十分困难，因而在可能的条件下，应采用实测资料进行计计算。当缺乏实际调查资料时，船舶撞击作用标准值可按《桥规》（JTG D60—2004）中的规定数值采用。

对于桥梁结构，必要时可以考虑汽车的撞击作用。汽车撞击力标准值大小应按《工程桥涵设计规范》（JTG D60—2004）第4.4.3条中的数值采用。

【思考题】

· 桥梁作用的分类。