橋梁工程科學創(chuàng)造設計之偶然作用

1、橋梁工程科學創(chuàng)造設計之偶然作用一一 地震作用地震作用 * * 地震區(qū)橋梁的設計計算，必須考慮地震力地震區(qū)橋梁的設計計算，必須考慮地震力(earthquake (earthquake force)force)。* * 地震力的計算涉及地震理論、結構動力學、工程地質地震力的計算涉及地震理論、結構動力學、工程地質等多方面的知識。等多方面的知識。* * 詳細計算方法和結構抗震設計可參見詳細計算方法和結構抗震設計可參見公路工程抗震公路工程抗震設計規(guī)范設計規(guī)范(JTJ004)(JTJ004)和和鐵路工程抗震設計規(guī)范鐵路工程抗震設計規(guī)范(GBJ111)(GBJ111)。 地震波傳播地震波傳播震區(qū)地面運動震區(qū)

2、地面運動橋梁基礎受到強迫運動橋梁基礎受到強迫運動橋梁振動。橋梁振動。地震力：指強烈的地面運動引起的結構自身的慣性力地震力：指強烈的地面運動引起的結構自身的慣性力( (地面水平運地面水平運動加速度與結構質量的乘積動加速度與結構質量的乘積) )。 它不僅與地面運動的強烈程度有關，也與結構的動力特性它不僅與地面運動的強烈程度有關，也與結構的動力特性( (頻率頻率和振型和振型) )有關，還與橋址處的地質情況有關。有關，還與橋址處的地質情況有關。 v地震作用分豎直方向和水平方向，經(jīng)驗表明地地震作用分豎直方向和水平方向，經(jīng)驗表明地震的水平運動是導致結構破壞的主要因素。結震的水平運動是導致結構破壞的主要因素

3、。結構抗震驗算時一般只考慮水平地震作用。構抗震驗算時一般只考慮水平地震作用。v衡量地震規(guī)模的大小一般采用：衡量地震規(guī)模的大小一般采用： 震級（震級（magnitude）和烈度（）和烈度（intensity） 震級震級M,表示地震的強弱，一次地震只有一個震級。表示地震的強弱，一次地震只有一個震級。 地震烈度地震烈度I,表示地震引起的地面運動的強烈程度和對工程設施的表示地震引起的地面運動的強烈程度和對工程設施的破壞程度，一次地震有若干個烈度。破壞程度，一次地震有若干個烈度。 地震基本烈度：反映地震本身的劇烈程度。根據(jù)水平地震系數(shù)地震基本烈度：反映地震本身的劇烈程度。根據(jù)水平地震系數(shù)Kh(地面最大水

4、平加速度的統(tǒng)計平均值與重力加速度地面最大水平加速度的統(tǒng)計平均值與重力加速度g的比值的比值)加以劃分的。加以劃分的。 設計烈度：由設計者根據(jù)建橋地區(qū)的基本烈度、橋梁的重要性、設計烈度：由設計者根據(jù)建橋地區(qū)的基本烈度、橋梁的重要性、遭破壞后進行修復的難易程度選用的。遭破壞后進行修復的難易程度選用的。 根據(jù)根據(jù)20012001年版年版中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306)(GB18306)，采用，采用地震動峰值加速度系數(shù)取代地震基本烈度的概念，兩者之間的地震動峰值加速度系數(shù)取代地震基本烈度的概念，兩者之間的關系見表。關系見表?？拐鹪O防的基本要求表述為：抗震設防的基本要求表述為：

5、位于地震動峰值加速度為、和地區(qū)的橋涵工程，應進行位于地震動峰值加速度為、和地區(qū)的橋涵工程，應進行抗震設計；抗震設計； 位于地震動峰值加速度大于或等于地區(qū)的橋涵工程，應進位于地震動峰值加速度大于或等于地區(qū)的橋涵工程，應進行專門的抗震研究和設計。行專門的抗震研究和設計。 地震力的計算方法分靜力法靜力法和動態(tài)法動態(tài)法1、靜力法、靜力法 靜力法是用一個水平方向作用的等效靜止荷載表示地震對結構的作用。 其計算公式如下： iHiiiiiiWkCXgWCXmCP2max02max02 靜力法主要使用于剛度較大結構。規(guī)范規(guī)定：擋土墻、橋臺用靜力法計算地震力。2、反應譜理論、反應譜理論 動態(tài)法主要有反應譜理論反

6、應譜理論和時程分析法時程分析法 反應譜理論是一種簡化的動態(tài)分析法，又稱動靜法。橋梁抗震規(guī)范主要采用這種方法計算地震力。 對于高墩或特大跨度的橋梁，應同時采用時程分析法，取最不利結果。（1 1）單質點地震力）單質點地震力 max*maxXXmXmPg WkXXXgXmgPhgggmaxmax*max 水平地震系數(shù)水平地震系數(shù)(地面最大水平加速度的統(tǒng)計平均值與重力加速度地面最大水平加速度的統(tǒng)計平均值與重力加速度g的比值的比值)hk動力放大系數(shù)，表示單質點彈性體系在地震作用下的絕對水平加速度與地面最大水動力放大系數(shù)，表示單質點彈性體系在地震作用下的絕對水平加速度與地面最大水平加速度的比值，平加速度的

7、比值，即以地面最大水平加速度為單位的加速度反應譜即以地面最大水平加速度為單位的加速度反應譜) )（2）多質點系統(tǒng)地震力）多質點系統(tǒng)地震力 多質點系統(tǒng)由于地震引起的復雜振動可以看作自振振型的迭加。 jijjHiijxkWP*njjjjHiziixkWCCP1*二二 船只或漂流物的撞沖作用船只或漂流物的撞沖作用 在通行船舶或有漂流物的河流中，河中墩臺需要考慮船舶或漂流物的撞擊力(collision impact)。 船舶或漂流物與橋梁結構的碰撞過程十分復雜，其與碰撞時的環(huán)境因素(風浪、氣候、水流等)、船舶特性(類型、尺寸、速度、裝載情況、船體強度和剛度等)、橋梁結構特性(尺寸、形狀、材料、質量和抗

8、力等)等有關。 目前，撞擊力通常按靜力法計算，假定船筏作用于目前，撞擊力通常按靜力法計算，假定船筏作用于墩的有效動能轉化為撞擊力墩的有效動能轉化為撞擊力F F所做的功。所做的功。 鐵路規(guī)范計算公式為：鐵路規(guī)范計算公式為：V V船舶或漂流物撞擊墩臺的速度船舶或漂流物撞擊墩臺的速度(m(ms)s)；船舶或漂流物駛近方向與墩臺撞擊點處切線所形成的夾角；船舶或漂流物駛近方向與墩臺撞擊點處切線所形成的夾角；W W船舶或漂流物重船舶或漂流物重(kN)(kN)；C1C1、C2 C2 船舶或漂流物的彈性變形系數(shù)和墩臺船舶或漂流物的彈性變形系數(shù)和墩臺( (砌體材料砌體材料) )的彈性變形的彈性變形系數(shù)系數(shù)(m(

9、mkN)kN)， 缺乏資料時一般假定缺乏資料時一般假定C1+C2=0.0005C1+C2=0.0005公路橋梁規(guī)范按照公路橋梁規(guī)范按照“靜力法靜力法”，并依據(jù)，并依據(jù)20042004年版年版內河內河通航標準通航標準(GB50139)(GB50139)： 給出了一至七級內河航道上、不同噸位的船舶可能產(chǎn)給出了一至七級內河航道上、不同噸位的船舶可能產(chǎn)生的橫橋向和順橋向撞擊作用標準值。生的橫橋向和順橋向撞擊作用標準值。 對近海通行海輪區(qū)域的船舶對近海通行海輪區(qū)域的船舶( (噸級從噸級從3000300050000t)50000t)產(chǎn)產(chǎn)生的橫橋向和順橋向撞擊作用標準值，則是根據(jù)國內外生的橫橋向和順橋向撞擊

10、作用標準值，則是根據(jù)國內外研究成果，并經(jīng)綜合分析比較確定的。研究成果，并經(jīng)綜合分析比較確定的。 當橋墩配置了防撞設施時，可不計撞擊作用。當橋墩配置了防撞設施時，可不計撞擊作用。 三三 汽車撞擊作用汽車撞擊作用 公路橋梁的某些結構構件公路橋梁的某些結構構件( (如防撞護欄，跨線橋的橋墩等如防撞護欄，跨線橋的橋墩等) )必要必要時可考慮汽車的撞擊作用。時可考慮汽車的撞擊作用。 汽車撞擊力標準值在車輛行駛方向取汽車撞擊力標準值在車輛行駛方向取1000kN1000kN，在車輛行駛垂直，在車輛行駛垂直方向取方向取500kN500kN，兩個方向的撞擊力不同時考慮，兩個方向的撞擊力不同時考慮， 撞擊力作用于

11、行車道以上撞擊力作用于行車道以上1 12m2m處。處。 對于設有防撞設施的結構構件，可視防撞設施的防撞能力，對對于設有防撞設施的結構構件，可視防撞設施的防撞能力，對汽車撞擊標準值予以折減，但折減后的撞擊力不應低于上述規(guī)定值汽車撞擊標準值予以折減，但折減后的撞擊力不應低于上述規(guī)定值的的1/61/6。四四 施工荷載施工荷載 在橋梁設計中，需考慮到結構在建造、運輸、架設安裝等施工在橋梁設計中，需考慮到結構在建造、運輸、架設安裝等施工階段可能遇到的各種臨時荷載，如施工人員、架橋機、掛籃、起吊階段可能遇到的各種臨時荷載，如施工人員、架橋機、掛籃、起吊機具和其他材料或設備的重力。這些施工荷載機具和其他材料

12、或設備的重力。這些施工荷載(siteload)(siteload)的數(shù)值及的數(shù)值及其對結構的影響可視具體情況分析。其對結構的影響可視具體情況分析。 第五節(jié)第五節(jié) 作用效應組合作用效應組合 作用效應組合(combination of action effects) 為了保證橋梁結構的安全和適用,需要根據(jù)作用的特性、橋梁結構的特性、施工方法以及橋位處的環(huán)境等因素，針對結構的不同狀況、不同安全等級、不同設計或驗算內容，確定各種作用效應的取舍以及各種作用效應對結構的共同效果(疊加值)，即作用效應組合. 組合總原則： 作用效應組合應只涉及結構上可能同時出現(xiàn)的作用效應組合應只涉及結構上可能同時出現(xiàn)的作用效

13、應，并以橋梁在施工或運營時可能處于最作用效應，并以橋梁在施工或運營時可能處于最不利受力狀態(tài)為原則。不利受力狀態(tài)為原則。 對鐵路橋和公路橋，由于目前所采用的設計方對鐵路橋和公路橋，由于目前所采用的設計方法不同，故作用效應組合的表達形式也不同法不同，故作用效應組合的表達形式也不同 鐵路橋設計仍采用容許應力法?；镜慕M合方式有三種：鐵路橋設計仍采用容許應力法?；镜慕M合方式有三種： 主力：主力： 表表3.23.2中的恒載與活載的組合；中的恒載與活載的組合； 主力主力+ +附加力：附加力： 表表3.23.2中的恒載、活載及附加力的組合；中的恒載、活載及附加力的組合； 主力主力+ +特殊荷載：表特殊荷載

14、：表3.23.2中的恒載、活載及特殊荷載的組合。中的恒載、活載及特殊荷載的組合。注意：注意：組合中的恒載等并不是表中所列的所有恒載項，而是其中需要組合中的恒載等并不是表中所列的所有恒載項，而是其中需要參加組合的一項或幾項；對活載、附加力、特殊荷載，也是如此。參加組合的一項或幾項；對活載、附加力、特殊荷載，也是如此。僅考慮主力與一個方向僅考慮主力與一個方向( (橫橋向或順橋向橫橋向或順橋向) )的附加力組合。的附加力組合。鐵路橋的荷載組合是各項荷載效應的直接疊加。鐵路橋的荷載組合是各項荷載效應的直接疊加。上述、也適用于公路橋。上述、也適用于公路橋。 在表31及表32所列的各種作用中，有些作用是不

15、會同時發(fā)生的!,就不可同時參與組合.例如:離心力、風力與列車橫向搖擺力;流水壓力與冰壓力;支座摩阻力與汽車制動力等就不可同時參與組合。另外，基于最不利原則，當某項可變作用對結構產(chǎn)生有利影響時，該項作用不參與組合。 施工階段作用效應的組合，應按計算需要及結構所處條件而定，結構上的施工人員和施工機具設備均應作為臨時荷載加以考慮。組合式橋梁，當把底梁作為施工支撐時，作用效應宜分兩個階段組合，底梁受荷為第一個階段，組合梁受荷為第二個階段。 多個偶然作用不同時參與組合。公路橋公路橋兩種極限狀態(tài)兩種極限狀態(tài): :按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行作用效應組合，

16、取其最不利效應組合進行設計。作用效應組合，取其最不利效應組合進行設計。三種設計狀況：三種設計狀況： 1 1 持久狀況持久狀況 指橋涵使用過程中長期承受結構重力、汽車荷載指橋涵使用過程中長期承受結構重力、汽車荷載等作用的狀況。在該狀況下，要求對設想的結構所有功能進等作用的狀況。在該狀況下，要求對設想的結構所有功能進行設計，即應進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設行設計，即應進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計。計。 2 2 短暫狀況短暫狀況 指橋涵施工過程中承受臨時性作用的狀況。在指橋涵施工過程中承受臨時性作用的狀況。在該狀況下，僅要求進行承載能力極限狀態(tài)設計，必要時才進該狀況下，僅要

17、求進行承載能力極限狀態(tài)設計，必要時才進行正常使用極限狀態(tài)設計。行正常使用極限狀態(tài)設計。 3 3 偶然狀況偶然狀況 指橋涵使用過程中可能偶然遭受的地震等狀況指橋涵使用過程中可能偶然遭受的地震等狀況。在該狀況下，僅要求進行承載能力極限狀態(tài)設計，不需要。在該狀況下，僅要求進行承載能力極限狀態(tài)設計，不需要進行正常使用極限狀態(tài)設計。進行正常使用極限狀態(tài)設計。 在按持久狀況承載能力極限狀態(tài)設計時，按照結構可能破在按持久狀況承載能力極限狀態(tài)設計時，按照結構可能破壞的嚴重程度，將公路橋涵劃分為三個設計安全等級，見表。壞的嚴重程度，將公路橋涵劃分為三個設計安全等級，見表。根據(jù)不同等級，擬定相應的結構重要性系數(shù)與

18、作用效應組合值根據(jù)不同等級，擬定相應的結構重要性系數(shù)與作用效應組合值相乘。相乘。 一一 按承載能力極限狀態(tài)設計時的作用按承載能力極限狀態(tài)設計時的作用（或荷載）效應組合（或荷載）效應組合 公路橋涵結構的承載能力極限狀態(tài)設計，按照可能出現(xiàn)的公路橋涵結構的承載能力極限狀態(tài)設計，按照可能出現(xiàn)的作用，將其分為兩種作用效應組合，作用，將其分為兩種作用效應組合，即基本組合和偶然組合。 作用效應的基本組合是指永久作用設計值效應與可變作作用效應的基本組合是指永久作用設計值效應與可變作用設計值效應的組合。這種組合用于結構的常規(guī)設計，是所有用設計值效應的組合。這種組合用于結構的常規(guī)設計，是所有公路橋涵結構都應該考慮

19、的。作用設計值為作用的標準值乘以公路橋涵結構都應該考慮的。作用設計值為作用的標準值乘以相應的分項系數(shù)。相應的分項系數(shù)。 作用效應的偶然組合是指永久作用標準值、可變作用代作用效應的偶然組合是指永久作用標準值、可變作用代表值和一種偶然作用標準值的效應組合，視具體情況，也可不表值和一種偶然作用標準值的效應組合，視具體情況，也可不考慮可變作用效應參與組合。作用效應偶然組合用于結構在特考慮可變作用效應參與組合。作用效應偶然組合用于結構在特殊情況下的設計，所以不是所有公路橋涵結構都要采用的，一殊情況下的設計，所以不是所有公路橋涵結構都要采用的，一些結構也可采取構造或其他預防措施來解決。些結構也可采取構造或

20、其他預防措施來解決。 通用規(guī)范通用規(guī)范JTG D60JTG D60規(guī)定，公路橋涵結構按承規(guī)定，公路橋涵結構按承載能力極載能力極限狀態(tài)設計時，應采用以下兩種作用效應組合： 1 1 基本組合基本組合 永久作用的永久作用的設計值設計值效應與可變作用效應與可變作用設計值設計值效應相組合，其效應組合表達式為：效應相組合，其效應組合表達式為： 或或 0ud0GiGikQ1Q1KQjQjk12mncijSSSS0ud0GidQ1dcQjd12mnijSSSS承載能力極限狀態(tài)下基本組合的作用效應組合設計值；承載能力極限狀態(tài)下基本組合的作用效應組合設計值；結構重要性系數(shù)，對應于設計安全等級一級、二級和三級的橋涵

21、，結構重要性系數(shù)，對應于設計安全等級一級、二級和三級的橋涵，分別取分別取1.11.1，1.01.0和和0.90.9；第第i i個永久作用效應的分項系數(shù)；個永久作用效應的分項系數(shù)；分別為第分別為第i i個永久作用效應的標準值和設計值；個永久作用效應的標準值和設計值；汽車荷載效應汽車荷載效應( (含沖擊力、離心力含沖擊力、離心力) )的分項系數(shù)；的分項系數(shù)；分別為汽車荷載效應分別為汽車荷載效應( (含沖擊力、離心力含沖擊力、離心力) )的標準值和設計值；的標準值和設計值；除汽車荷載效應除汽車荷載效應( (含沖擊力、離心力含沖擊力、離心力) )、風荷載外的其他第、風荷載外的其他第j j可變作可變作用

22、效應的分項系數(shù)；用效應的分項系數(shù)；除汽車荷載效應除汽車荷載效應( (含沖擊力、離心力含沖擊力、離心力) )外的其他第外的其他第j j個可變作用效應個可變作用效應的標準值和設計標準值和設計值；的標準值和設計標準值和設計值；除汽車荷載效應除汽車荷載效應( (含沖擊力、離心力含沖擊力、離心力) )外的其他可變作用效應的組合外的其他可變作用效應的組合系數(shù)；系數(shù)；由于若干個獨立可變作用效應同時出現(xiàn)的概率較小，故采用由于若干個獨立可變作用效應同時出現(xiàn)的概率較小，故采用這一系數(shù)對這些作用效應的組合予以折減，它隨著可變作用項數(shù)的這一系數(shù)對這些作用效應的組合予以折減，它隨著可變作用項數(shù)的增加而減少。增加而減少。

23、 0ud0GiGikQ1Q1KQjQjk12mncijSSSS0ud0GidQ1dcQjd12mnijSSSSuds0GiQidGik、ss1QdQk、Qss11QjQjdQjk、ssc 2 2 偶然組合偶然組合 永久作用標準值效應與可變作用某種代表值效應、一永久作用標準值效應與可變作用某種代表值效應、一種偶然作用標準值效應相組合。種偶然作用標準值效應相組合。 偶然作用的效應分項系數(shù)??；偶然作用的效應分項系數(shù)??； 與偶然作用同時出現(xiàn)的可變作用，可根據(jù)觀測資與偶然作用同時出現(xiàn)的可變作用，可根據(jù)觀測資料和工程經(jīng)驗取用適當?shù)拇碇怠Ａ虾凸こ探?jīng)驗取用適當?shù)拇碇怠?地震作用標準值及其表達式按現(xiàn)行地震作用標準值及其表達式按現(xiàn)行公路工程抗公路工程抗震設計規(guī)范震設計規(guī)范規(guī)定采用。規(guī)定采用。 偶然組合用于結構在特殊情況下偶然組合用于結構在特殊情況下( (如地震如地震) )的設計，不的設計，不是所有公路橋梁都要采用。是所有公路橋梁都要采用。二正常使用極限狀態(tài)設計時的作用（或荷載）效應組合二正常使用極限