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1、第四节第四节 偶然作用偶然作用 偶然作用偶然作用:地震作用;船只或漂流物（排筏等）撞击作用;汽车撞击作用;施工荷载力.一一 地震作用地震作用*地震区桥梁的设计计算，必须考虑地震力地震区桥梁的设计计算，必须考虑地震力(earthquake(earthquake force)force)。*地震力的计算涉及地震理论、结构动力学、工程地质地震力的计算涉及地震理论、结构动力学、工程地质等多方面的知识。等多方面的知识。*详细计算方法和结构抗震设计可参见公路工程抗震详细计算方法和结构抗震设计可参见公路工程抗震设计规范设计规范(JTJ004)(JTJ004)和铁路工程抗震设计规范和铁路工程抗震设计规范(GB
2、J111)(GBJ111)。地震波传播地震波传播震区地面运动震区地面运动桥梁基础受到强迫运动桥梁基础受到强迫运动桥梁振动。桥梁振动。地震力：指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力地震力：指强烈的地面运动引起的结构自身的惯性力(地面水平运地面水平运动加速度与结构质量的乘积动加速度与结构质量的乘积)。它不仅与地面运动的强烈程度有关，也与结构的动力特性它不仅与地面运动的强烈程度有关，也与结构的动力特性(频率频率和振型和振型)有关，还与桥址处的地质情况有关。有关，还与桥址处的地质情况有关。v地震作用分地震作用分竖直方向竖直方向和和水平方向水平方向，经验表明地，经验表明地震的水平运动是导致结构破坏的主要
3、因素。结震的水平运动是导致结构破坏的主要因素。结构抗震验算时一般只考虑水平地震作用。构抗震验算时一般只考虑水平地震作用。v衡量地震规模的大小一般采用：衡量地震规模的大小一般采用：震级（震级（magnitude）和和烈度（烈度（intensity）震级震级M,表示地震的强弱，一次地震只有一个震级。表示地震的强弱，一次地震只有一个震级。地震烈度地震烈度I,表示地震引起的地面运动的强烈程度和对工程设施的表示地震引起的地面运动的强烈程度和对工程设施的破坏程度，一次地震有若干个烈度。破坏程度，一次地震有若干个烈度。地震基本烈度地震基本烈度：反映地震本身的剧烈程度。根据水平地震系数反映地震本身的剧烈程度。
4、根据水平地震系数Kh(地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度g的比值的比值)加以划分的。加以划分的。设计烈度设计烈度：由设计者根据建桥地区的基本烈度、桥梁的重要性、由设计者根据建桥地区的基本烈度、桥梁的重要性、遭破坏后进行修复的难易程度选用的。遭破坏后进行修复的难易程度选用的。根据根据20012001年版年版中国地震动参数区划图中国地震动参数区划图(GB18306)(GB18306)，采用地，采用地震动峰值加速度系数取代地震基本烈度的概念，两者之间的关震动峰值加速度系数取代地震基本烈度的概念，两者之间的关系见表。系见表。抗震设防的基本要求表述为：抗
5、震设防的基本要求表述为：位于地震动峰值加速度为、和地区的桥涵工程，应进行位于地震动峰值加速度为、和地区的桥涵工程，应进行抗震设计；抗震设计；位于地震动峰值加速度大于或等于地区的桥涵工程，应进位于地震动峰值加速度大于或等于地区的桥涵工程，应进行专门的抗震研究和设计。行专门的抗震研究和设计。地震力的计算方法分静力法静力法和动态法动态法1、静力法、静力法 静力法是用一个水平方向作用的等效静止荷载表示地震对结构的作用。其计算公式如下：静力法主要使用于刚度较大结构。规范规定：挡土墙、桥台用静力法计算地震力。2、反应谱理论、反应谱理论 动态法主要有反应谱理论反应谱理论和时程分析法时程分析法 反应谱理论是一
6、种简化的动态分析法，又称动静法。桥梁抗震规范主要采用这种方法计算地震力。对于高墩或特大跨度的桥梁，应同时采用时程分析法，取最不利结果。（1 1）单质点地震力）单质点地震力 水平地震系数水平地震系数(地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度g的比值的比值)动力放大系数，表示单质点弹性体系在地震作用下的绝对水平加速度与地面最大水动力放大系数，表示单质点弹性体系在地震作用下的绝对水平加速度与地面最大水平加速度的比值，平加速度的比值，即以地面最大水平加速度为单位的加速度反应谱即以地面最大水平加速度为单位的加速度反应谱)（2）多质点系统地震力）多质点系统地震力
7、 多质点系统由于地震引起的复杂振动可以看作自振振型的迭加。二二 船只或漂流物的撞冲作用船只或漂流物的撞冲作用 在通行船舶或有漂流物的河流中，河中墩台需要考虑船舶或漂流物的撞击力(collision impact)。船舶或漂流物与桥梁结构的碰撞过程十分复杂，其与碰撞时的环境因素(风浪、气候、水流等)、船舶特性(类型、尺寸、速度、装载情况、船体强度和刚度等)、桥梁结构特性(尺寸、形状、材料、质量和抗力等)等有关。目目前前，撞撞击击力力通通常常按按静静力力法法计计算算，假假定定船船筏筏作作用用于于墩的有效动能转化为撞击力墩的有效动能转化为撞击力F F所做的功。所做的功。铁路规范计算公式为：铁路规范计
8、算公式为：VV船舶或漂流物撞击墩台的速度船舶或漂流物撞击墩台的速度(m(ms)s)；船船舶舶或或漂漂流流物物驶驶近近方方向向与与墩墩台台撞撞击击点点处处切线所形成的夹角；切线所形成的夹角；WW船舶或漂流物重船舶或漂流物重(kN)(kN)；C1C1、C2 C2 船船舶舶或或漂漂流流物物的的弹弹性性变变形形系系数数和和墩墩台台(砌砌体体材材料料)的的弹弹性性变变形形系系数数(m(mkN)kN)，缺乏资料时一般假定缺乏资料时一般假定C1+C2=0.0005C1+C2=0.0005公路桥梁规范按照公路桥梁规范按照“静力法静力法”，并依据，并依据20042004年版内河年版内河通航标准通航标准(GB50
9、139)(GB50139)：给出了一至七级内河航道上、不同吨位的船舶可能产给出了一至七级内河航道上、不同吨位的船舶可能产生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值。生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值。对近海通行海轮区域的船舶对近海通行海轮区域的船舶(吨级从吨级从300050000t)300050000t)产产生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值，则是根据国内外生的横桥向和顺桥向撞击作用标准值，则是根据国内外研究成果，并经综合分析比较确定的。研究成果，并经综合分析比较确定的。当桥墩配置了防撞设施时，可不计撞击作用。当桥墩配置了防撞设施时，可不计撞击作用。三三 汽车撞击作用汽车撞击作用 公路桥梁的某些结构构件公路
10、桥梁的某些结构构件(如防撞护栏，跨线桥的桥墩等如防撞护栏，跨线桥的桥墩等)必要必要时可考虑汽车的撞击作用。时可考虑汽车的撞击作用。汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取汽车撞击力标准值在车辆行驶方向取1000kN1000kN，在车辆行驶垂直，在车辆行驶垂直方向取方向取500kN500kN，两个方向的撞击力不同时考虑，两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上撞击力作用于行车道以上1 12m2m处。处。对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击标准值予以折减，但折减后的撞击力不应低于上述规定值汽车撞击标准值予以折减，但折
11、减后的撞击力不应低于上述规定值的的1/61/6。四四 施工荷载施工荷载 在桥梁设计中，需考虑到结构在建造、运输、架设安装等施工在桥梁设计中，需考虑到结构在建造、运输、架设安装等施工阶段可能遇到的各种临时荷载，如阶段可能遇到的各种临时荷载，如施工人员、架桥机、挂篮、起吊施工人员、架桥机、挂篮、起吊机具和其他材料或设备的重力。机具和其他材料或设备的重力。这些施工荷载这些施工荷载(siteload)(siteload)的数值及的数值及其对结构的影响可视具体情况分析。其对结构的影响可视具体情况分析。第五节第五节 作用效应组合作用效应组合 作用效应组合(combination of action eff
12、ects)为了保证桥梁结构的安全和适用,需要根据作用的特性、桥梁结构的特性、施工方法以及桥位处的环境等因素，针对结构的不同状况、不同安全等级、不同设计或验算内容，确定各种作用效应的取舍以及各种作用效应对结构的共同效果(叠加值)，即作用效应组合.组合总原则：作用效应组合应只涉及结构上可能同时出现的作用效应组合应只涉及结构上可能同时出现的作用效应，并以桥梁在施工或运营时可能处于最不作用效应，并以桥梁在施工或运营时可能处于最不利受力状态为原则。利受力状态为原则。对对铁路桥铁路桥和和公路桥公路桥，由于目前所采用的设计方，由于目前所采用的设计方法不同，故法不同，故作用效应组合的表达形式也不同作用效应组合
13、的表达形式也不同 铁路桥设计仍采用容许应力法。基本的组合方式有三种：铁路桥设计仍采用容许应力法。基本的组合方式有三种：主力：主力：表表3.23.2中的恒载与活载的组合；中的恒载与活载的组合；主力主力+附加力：附加力：表表3.23.2中的恒载、活载及附加力的组合；中的恒载、活载及附加力的组合；主力主力+特殊荷载：表特殊荷载：表3.23.2中的恒载、活载及特殊荷载的组合。中的恒载、活载及特殊荷载的组合。注意：注意：组合中的恒载等并不是表中所列的所有恒载项，而是其中需要组合中的恒载等并不是表中所列的所有恒载项，而是其中需要参加组合的一项或几项；对活载、附加力、特殊荷载，也是如此。参加组合的一项或几项
14、；对活载、附加力、特殊荷载，也是如此。仅考虑主力与一个方向仅考虑主力与一个方向(横桥向或顺桥向横桥向或顺桥向)的附加力组合。的附加力组合。铁路桥的荷载组合是各项荷载效应的直接叠加。铁路桥的荷载组合是各项荷载效应的直接叠加。上述上述、也适用于公路桥。也适用于公路桥。在表31及表32所列的各种作用中，有些作用是不会同时发生的!,就不可同时参与组合.例如:离心力、风力与列车横向摇摆力;流水压力与冰压力;支座摩阻力与汽车制动力等就不可同时参与组合。另外，基于最不利原则，当某项可变作用对结构产生有利影响时，该项作用不参与组合。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
15、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。多个偶然作用不同时参与组合。公路桥公路桥两两种种极极限限状状态态:按按承承载载能能力力极极限限状状态态和和正正常常使使用用极极限限状状态态进进行行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计。作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计。三种设计状况：三种设计状况：1 1 持持久久状状况况 指指桥桥涵涵使使用用过过程程中中长长期期承承受受结结构构重重力力、汽汽车车荷荷载载等等作作用用的的状状况况。在在该该状状况况下下，要要求求对对设设想想的的结结构构所所有有功功
16、能能进进行行设计，即应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。设计，即应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。2 2 短短暂暂状状况况 指指桥桥涵涵施施工工过过程程中中承承受受临临时时性性作作用用的的状状况况。在在该该状状况况下下，仅仅要要求求进进行行承承载载能能力力极极限限状状态态设设计计，必必要要时时才才进进行行正正常使用极限状态设计。常使用极限状态设计。3 3 偶偶然然状状况况 指指桥桥涵涵使使用用过过程程中中可可能能偶偶然然遭遭受受的的地地震震等等状状况况。在在该该状状况况下下，仅仅要要求求进进行行承承载载能能力力极极限限状状态态设设计计，不不需需要要进进行行正常使用极限状态
17、设计。正常使用极限状态设计。在按持久状况承载能力极限状态设计时，按照结构可能破在按持久状况承载能力极限状态设计时，按照结构可能破坏的严重程度，将公路桥涵划分为三个设计安全等级，见表。坏的严重程度，将公路桥涵划分为三个设计安全等级，见表。根据不同等级，拟定相应的根据不同等级，拟定相应的结构重要性系数结构重要性系数与与作用效应组合值作用效应组合值相乘相乘。一一 按承载能力极限状态设计时的作用按承载能力极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合（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，作用，将其
18、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作用效应的基本组合是指永久作用设计值效应与可变作是指永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合。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。相应的分项系数。作用效应的偶然组合作用效应的偶然组合是指永久作用标准值、可变作用代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
19、作用效应参与组合。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。些结构也可采取构造或其他预防措施来解决。通用规范通用规范JTG D60JTG D60规定，公路桥涵结构按承规定，公路桥涵结构按承载能力极载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合：1 1 基本组合基本组合 永久作用的永久作用的设计值设计值效应与可变作用效应与可变作用设计值设计值效应相组合，其效应组合表达式为：效应相组合，其效应组合表达式为：或或
20、 承载能力极限状态下基本组合的作用效应组合设计值；承载能力极限状态下基本组合的作用效应组合设计值；结构重要性系数，对应于设计安全等级一级、二级和三级的桥涵，结构重要性系数，对应于设计安全等级一级、二级和三级的桥涵，分别取分别取1.11.1，1.01.0和和0.90.9；第第i i个永久作用效应的分项系数；个永久作用效应的分项系数；分别为第分别为第i i个永久作用效应的标准值和设计值；个永久作用效应的标准值和设计值；汽车荷载效应汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)的分项系数；的分项系数；分别为汽车荷载效应分别为汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)的标准值和设计值；的标准值
21、和设计值；除汽车荷载效应除汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)、风荷载外的其他第、风荷载外的其他第j j可变作用可变作用效应的分项系数；效应的分项系数；除汽车荷载效应除汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)外的其他第外的其他第j j个可变作用效应的个可变作用效应的标准值和设计标准值和设计值；标准值和设计标准值和设计值；除汽车荷载效应除汽车荷载效应(含冲击力、离心力含冲击力、离心力)外的其他可变作用效应的外的其他可变作用效应的组合组合系数；系数；由于若干个独立可变作用效应同时出现的概率较小，故采用由于若干个独立可变作用效应同时出现的概率较小，故采用这一系数对这些作用效应的组
22、合予以折减，它随着可变作用项数的这一系数对这些作用效应的组合予以折减，它随着可变作用项数的增加而减少。增加而减少。2 2 偶然组合偶然组合 永永久久作作用用标标准准值值效效应应与与可可变变作作用用某某种种代代表表值值效效应应、一一种偶然作用标准值效应种偶然作用标准值效应相组合。相组合。偶然作用的效应分项系数取；偶然作用的效应分项系数取；与与偶偶然然作作用用同同时时出出现现的的可可变变作作用用，可可根根据据观观测测资资料和工程经验取用适当的代表值。料和工程经验取用适当的代表值。地地震震作作用用标标准准值值及及其其表表达达式式按按现现行行公公路路工工程程抗抗震设计规范规定采用。震设计规范规定采用。
23、偶偶然然组组合合用用于于结结构构在在特特殊殊情情况况下下(如如地地震震)的的设设计计，不不是所有公路桥梁都要采用。是所有公路桥梁都要采用。二正常使用极限状态设计时的作用（或荷载）效应组合二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需要进行正常使用极限状态设计的结构，结构，通用规范通用规范JTG D62JTG D62规定：规定：需要考虑可变作用的需要考虑可变作用的短期效应组合短期效应组合和和长期效应组合长期效应组合，其可变作其可变作用用代表值采用频遇值和准永久值。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
24、设计仅涉及结构构件的抗裂、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。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的的频遇值系数频遇值系数1 1得到。得到。可变作用的准永久值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
25、乘以小于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 1的的准永久值系数准永久值系数2 2的得到。的得到。1 1 作用短期效应组合作用短期效应组合 永久作用标准值效应与可变作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：用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：2 2 作用长期效应组合作用长期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用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：准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：当需对结构构件进行持久状况和短暂状况下当需对结构构件进行持久状况和短暂状况下的截面的截面混凝土或钢筋应力计算时，混凝土或钢筋应力计算时，除特别指明外，除特别指明外，各作用效应的各作用效应的分项系数应取为分项系数应取为，各项应力限值应，各项应力限值应按各设计规范的相应规定采用。按各设计规范的相应规定采用。