作用（或荷载）及作用（或荷载）效应组合

null 作用（或荷载）及作用（或荷载）效应组合 作用（或荷载）及作用（或荷载）效应组合 新颁布的〈公路桥涵通用〉JTG D60-2004（以下简称〈通用规范JTG D60〉）修订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；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；取消了原汽车荷载等级，改为采用公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级标准汽车荷载，取消了挂车和履带车验算荷载，将验算荷载的影响间接反映在汽车荷载中；将汽车冲击系数以跨径为主要影响因素的计算，改为以结构基频为主要影响因素的计算方法。 一、按承载能力极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合 一、按承载能力极限状态设计时的作用（或荷载）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。 <通用规范JTG D60>规定，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： null1 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： (4.1.6-1) 或 (4.1.6-2) 式中 Sud —— 承载能力极限状态下作用基本组合设计值； γ0 —— 结构重要性系数，按本规范表1.0.9规定的结构设计安全等级采用，对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取1.1、1.0和0.9； γGi—— 第i个永久作用效应的分项系数，应按表4.1.6的规定采用； SGik、SGid—— 第i个永久作用效应的标准值和设计值； nullγQ1 —— 汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)的分项系数，取γQl=1.4。当某个可变作用在效应组合中其值超过汽车荷载效应时，则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽车荷载的分项系数；对专为承受某作用而设置的结构或装置，设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值；计算人行道板和人行道栏杆的局部荷载，其分项系数也与汽车荷载取同值； SQ1k、SQ1d——汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心 力)的标准值和设计值； γQj——在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数，取1.4，但风荷载的分项系数取1.l；null SGjk、SGjd ——在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)外的其他第j个可变作用效应的标准值和设计值； ψc —— 在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力)外的其他可变作用效应的组合系数，当永久作用与汽车荷载和人群荷载(或其他一种可变作用)组合时，人群荷载(或其他一种可变作用)的组合系数取ψc=0.8；当除汽车荷载(含汽车冲击力、离心力)外尚有两种其他可变作用参与组合时，其组合系数取ψc=0.70；尚有三种可变作用参与组合时，其组合系数取ψc=0.60；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时，取ψc=0.50。 null设计弯桥时，当离心力与制动力同时参与组合时，制动力标准值或设计值按70%取用。 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。 null表4.1.6 永久作用效应的分项系数 注：本表编号1中，当钢桥采用钢桥面板时，永久作用效应分项系数取1.1；当采用混凝土桥面板时，取1.2。null作用效应组合表达式中的作用分项系数是在有关作用（恒载、汽车荷载）概率统计分析的基础上，结合结构抗力的统计分析结果，对原《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023—85）进行“校准”，得到用于桥涵设计的结构可靠度指标，然后通过极限状态设计表达式，运用“抗力最小二乘法”或“可靠指标最小二乘法”的优化方法，求得恒载效应分项系数γG=1.2，汽车荷载效应分项系数γQ1=1.4。这两个系数维持了原《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG023—85）相同的量值。 null汽车荷载在公路工程结构中通常被视为主导的可变作用，在设计表达式中与永久作用一样单独列出。 在桥梁设计中，汽车荷载分项系数按不同的作用效应组合采用。当某个可变作用对结构或结构构件确实起到主导影响（在同类效应中其值超过汽车效应），则其分项系数宜采用该作用效应组合的汽车荷载分项系数。对于专为承受某作用而设置的结构或装置，如钢桥的风构，设计时风荷载可被视为主导作用，其分项系数取与汽车荷载同值。但当风荷载参与与其他荷载组合时，以往将该组合作为“附加组合”考虑，同时，风荷载计入瞬时脉动风压的影响，比原规范有较大增加，其分项系数只能取1.1。 null关于公式（4.1.6-1）、（4.1.6-2）中的作用效应组合系数ψc，在多数情况下，桥涵结构上往往同时作用多个荷载，但是本规范确定的恒载分项系数、汽车荷载分项系数以及赖以建立这些系数的可靠度指标，是在只有恒载和汽车荷载作用的最基本组合下确定的，当结构上作用着多于上述荷载时，综合荷载效应最大值的统计规律也发生相应的变化，从而影响了结构可靠度指标和恒载、汽车荷载分项系数的取值。因此，在保持可靠度指标、恒载和汽车荷载分项系数不变的情况下，对多个可变荷载参与效应组合时，引入其值小于1.0的荷载效应组合系数ψc对荷载标准值效应作等值折减。组合系数γc是针对可变荷载效应的不同比值，通过优化方法确定的，它随参与组合的可变荷载的增加而减小，本规范给出的ψc值是经优化计算后适当提高的数值。 null例如：（1）除汽车荷载效应外，只有一种其他可变作用参与组合时，取ψc=0.8 （2）除汽车荷载效应外，尚有两种其他可变作用参与组合时，取ψc=0.7   （3）除汽车荷载效应外，尚有三种其他可变作用参与组合时，取ψc=0.6   二、按正常使用极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合 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及构件的抗裂，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1的准永久值系数φ2的得到。null<通用规范JTG D62>规定，公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合； 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： (4.1.7-1) 式中 Ssd——作用短期效应组合设计值； φ1j——第j个可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）φ1=0.7，人群荷载φ1=1.0，风荷载φ1=0.75，温度梯度作用φ1=0.8，其他作用φ1=1.0； φ1jSQjk——第j个可变作用效应的频遇值。null2 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： (4.1.7-2) 式中 Sld——作用长期效应组合设计值； φ2j——第j个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）φ2=0.4，人群荷载φ2=0.4，风荷载φ2=0.75，温度梯度作用φ2=0.8，其他作用φ2=1.0； φ2jSQjk——第j个可变作用效应的准永久值。 三、汽车荷载计算图式及加载方法 三、汽车荷载计算图式及加载方法 <通用规范JTG D62>规定，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4.3.1-1的规定。null表4.3.1-1 各级公路桥涵的汽车荷载等级 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—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—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。 null4 车道荷载的计算图式见图4.3.1-1。 1）公路—I级车道荷载的均布荷载标准值为qk=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，Pk=180kN；桥梁计算跨径等于或大于50m时，Pk=360kN；桥梁计算跨径在5m~50m之间时，Pk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Pk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qk和集中荷载标准值Pk按公路—I级车道荷载的0.75倍采用。 null3）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。 5 车辆荷载的立面、平面尺寸见图4.3.1-2，主要技术指标规定于表4.3.1-2。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。 null表4.3.1-2 车辆荷载的主要技术指标 null图4.3.1-2 车辆荷载的立面、平面尺寸（图中尺寸以米为单位） null图4.3.1-3 车辆荷载横向布置（图中尺寸以米为单位） null6 车道荷载横向分布系数应按设计车道数如图4.3.1-3布置车辆荷载进行计算。 7 桥涵设计车道数应符合表4.3.1-3的规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应按表4.3.1-4规定的多车道折减系数进行折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。 null表4.3.1-3 桥涵设计车道数null表4.3.1-4 横向折减系数 8 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，应按表4.3.1-5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。 null表4.3.1.5 纵向折减系数 对〈通用规范JTG D62〉的上述规定，应加以说明的是： （1）规范给出的车道荷载是个虚拟荷载，它的标准值qk和Pk是由对汽车车队（车重和车间距）的测定和效应分析得到的。通过对各种桥型的各种跨径的大量试算，进行车道荷载效应与原规范汽车—超20级和汽车—20级效应的比较。按车道荷载计算的效应与原规范比较有升有降，总体上升的多，降的少。试算中同时发现，公路—II级车道荷载可以按公路—I级车道荷载的0.75倍采用。规定当计算剪力效应时，集中荷载标准值Pk应在原规定值的基础上提高1.2倍，其主要用于验算下部结构或上部结构腹板的。null（2）汽车荷载横向分布系数。桥梁设计时，为取得主梁的最大受力，汽车荷载在桥面上需要偏心加载，其方法仍可按图4.3.1-3所示的车辆荷载横向布置偏心加载确定。 （3）横桥向设计车道布置及多车道横向折减系数。表4.3.1-3列出了桥面宽度与设计车道数的关系，是以公路工程技术标准规定的一个行车道宽度为3.50~3.75m建立的，也即在某一设计车道数下所建立的行车道宽度，既能适用于3.50m又能容纳3.75m。设N为设计车道数，表中的下限为3.5N，上限为3.5(N+1)。如N=3，车辆单向行驶时，行车道宽度即为3.5×3=10.5m~3.5×4=14.0m，它也容纳了3.75×3=11.25m。但是，在以往的桥梁设计中常遇失去行车道数的概念，在按规范规定的偏载加载时，null将双车道的行车道宽度布置了三行车队进行计算，例如，以往设计经常出现9.0m的行车道宽度布置了三行车队的事例，而9.0m甚至于10.0m按表4.3.1-3规定仍属于双车道。这样，就加大了桥梁的设计荷载，造成无谓的浪费。当车辆双向行驶时，行车道的下限宽度仍为3.5N，但上限宽度应为3.5(N+2)。 多车道横向折减的含义是，在桥梁多车道上行驶的汽车荷载使桥梁构件的某一截面产生最大效应时，其同时处于最不利位置的可能性大小，显然，这种可能性随车道数的增加而减小，而桥梁设计时各个车道上的汽车荷载都是按最不利位置布置的，因此，计算结果应根据上述可能性的大小进行折减。这是个概率事件，可以认为各车道上的汽车荷载加载是互不相关的，按重复独立试验随机事件的概率理论，建立多车道横向折减系数与相关变量的关系式，得到折减系数的具体数值。 null汽车荷载纵向折减系数。规范规定的汽车荷载标准值是在特定的条件下确定的，例如，在汽车荷载的可靠性分析中，用于计算各类桥型结构效应的车队，采用了自然堵塞时的车间间距；汽车荷载本身的重力，也采用了路上运煤车或其他重车居多的调查资料。但是，在实际桥梁上通行的车辆不一定都能达到上述条件，特别是大跨径的桥梁。所以，国外有些规范对车辆荷载适用跨径做了限制。本规范采用纵向折减的方法，对特大跨径桥梁的计算效应进行折减。折减系数α采用专研究得到的下列公式：α（L0）=0.97913－4.7185×10－5L0，式中L0为计算跨径，以m计。折减系数α以加载长度为函数更合理些，但考虑到折减值较小，且跨径很大的桥梁才进行折减，α以L0为函数计算起来更方便一些。 四、汽车荷载冲击系数 四、汽车荷载冲击系数 汽车的冲击系数是汽车过桥时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数。 冲击影响与结构的刚度有关。一般来说，跨径越大、刚度越小对动荷载的缓冲作用越强，以往规范近似地认定冲击力与计算跨径成反比（直线变化），无论是梁式桥还是拱式桥等，均规定在一定的跨径范围内考虑汽车荷载的冲击力作用，此模式计算方便，但不能合理、科学地反映冲击荷载的本质。本次规范修订，结合公路桥梁可靠度研究的成果，采用了结构基频来计算桥梁结构的冲击系数。 null汽车荷载的冲击系数可表示为： （4-2） 式中 Yjmax——在汽车过桥时测得的效应时间历程曲线上，最大静力效应处量取的最大静力效应值； Ydmax——在效应时间历程曲线上最大静力效应处量取的最大动效应值。 〈通过规范JTG D60〉规定，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。 null4 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μ。 5 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=0.1767lnf－0.0157 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。 null桥梁结构的基频反映了结构的尺寸、类型、建筑材料等动力特性内容，它直接反映了冲击系数与桥梁结构之间的关系。不管桥梁的建筑材料、结构类型是否有差别，也不管结构尺寸与跨径是否有差别，只要桥梁结构的基频相同，在同样条件的汽车荷载下，就能得到基本相同的冲击系数。本规范采用的冲击系数的曲线与美国、加拿大、日本、法国等国家的相关标准规定的曲线的变化规律是一致的。 桥梁的自振频率（基频）宜采用有限元方法计算，对于如下常规结构，当无更精确方法计算时，也可采用下列公式估算： 1 简支梁桥： （4-3） mc = G/g （4-4） null式中 l——结构的计算跨径（m）； E——结构材料的弹性模量（N/m2）； Ic——结构跨中截面的截面惯矩（m4）； mc——结构跨中处的单位长度质量（kg/m），当换算为重力计算时，其单位应为（Ns2/m2）； G——结构跨中处延米结构重力（N/m）； g——重力加速度，g=9.81（m/s2） null2 连续梁桥： （4-5） （4-6） 计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时，采用f1；计算连续梁的冲击力引起的负弯矩效应时，采用f2。 3 拱桥： （4-7） 式中的ω1为频率系数，可按下列公式计算： null1）当主拱为等截面或其他拱桥（如桁架拱、刚架拱等）时： （4-8） 其中 f——拱桥矢跨比。 2）当主拱为变截面拱桥时： （4-9） 式中的ri为系数，可按下式确定： （4-10） 其中，n为拱厚变化系数，Ri、Ti的数值由表4-4查得。 null表4-4 系数Ri、Ti值