4 loads
4.1 Introduction
The engineer must consider all the loads that are expected to be applied to the bridge during its service life. Such loads may be divided into two broad categories: permanent loads and transient loads. The permanent loads remain on the bridge for an extended period, usually for the entire service life. Such loads include the self-weight of the girders and deck, wearing surface, curbs, parapets and railings, utilities, luminaries, and pressures from earth retainment. Transient loads typically include gravity loads due to vehicular, railway, and pedestrian traffic as well as lateral loads such as those due to water and wind, ice floes, ship collisions, and earthquakes. In addition, all bridges experience temperature fluctuations on a daily and seasonal basis and such effects must be considered. Depending on the structure type, other loads such as those from creep and shrinkage may be important, and finally, the superstructure supports may move, inducing forces in statically indeterminate bridges.
Transient loads, as the name implies, change with time and may be applied from several directions and/or locations. Typically, such loads are highly variable. The engineerrsquo;s responsibility is to anticipate which of these loads are appropriate for the bridge under consideration as well as the magnitude of the loads and how these loads are applied for the most critical load effect. Finally, some loads act in combination, and such combinations must be considered for the appropriate limit state. A discussion of such considerations is presented in Chapter 3.
The loads appropriate for the design of short- and medium-span bridges are outlined in this chapter. The primary focus is on loads that are necessary for the superstructure design. Other loads are presented with only limited discussion. For example, ship impact is an important and complex load that must be considered for long-span structures over navigable waters. Similarly, seismic loads are of paramount importance in regions of high seismicity and must be considered for a bridge regardless of span length. Some bridges are an integral part of the lifeline network that must remain functional after a seismic event. An understanding of such requirements requires prerequisite knowledge of structural dynamics combined with inelastic material response due to cyclic actions and is therefore discussed only briefly. This specialized topic is considered to be beyond the scope of this book. For reference, the book edited by Chen and Duan (2004) presents additional material on seismic design of bridges.
Each type of load is presented individually with the appropriate reference to the AASHTO Specification including, where appropriate and important, a discussion regarding the development of the AASHTO provisions. The loads defined in this chapter are used in Chapter 5 to determine the load effects (shear and moment) for a girder line (single beam). In Chapter 6, the modeling of the three-dimensional system is discussed along with the reduction of the three-dimensional system to a girder line. The primary purpose of this chapter is to define and explain the rationale of the AASHTO load requirements. Detailed examples using these loads are combined with structural analysis in the subsequent chapters.
4.2 Gravity loads
Gravity loads are those caused by the weight of an object on and the self-weight of the bridge. Such loads are both permanent and transient and applied in a downward direction (toward the center of the earth).
4.2.1 Permanent loads
Permanent loads are those that remain on the bridge for an extended period of time, perhaps for the entire service life. Such loads include:
❑ Dead load of structural components and nonstructural attachments (DC)
❑ Dead load of wearing surfaces and utilities (DW)
❑ Dead load of earth fill (EV)
❑ Earth pressure load (EH)
❑ Earth surcharge load (ES)
❑ Locked-in erection stresses (EL)
❑ Downdrag (DD)
The two letter abbreviations are those used by AASHTO and are also used
in subsequent discussions and examples.
The dead load of the structural components and nonstructural attachments are definitely permanent loads and must be included. Here structural components refer to those elements that are part of the load resistance system. Nonstructural attachments refer to such items as curbs, parapets, barrier rails, signs, illuminators, and guard rails. The weight of such items can be estimated by using the unit weight of the material combined with the geometry. For third-party attachments, for example, the guard rail, the manufacturersquo;s literature often contains weight information. In the absence of more precise information, the unit weights given in Table 4.1 may be used.
The dead load of the wearing surface (DW) is estimated by taking the unit weight times the thickness of the surface. This value is combined with the DC loads per Tables 3.1 and 3.2 [Tables 3.4.1-1 and 3.4.1-2]. * Note that the load factors are different for the DC and DW loads. The maximum and minimum load factors for the DC loads are 1.25 and 0.90, respectively, and the maximum and minimum load factors for the DW loads are 1.50 and 0.65, respectively. The different factors are used because the DW loads have been determined to be more variable in load surveys than the DC loads. For example, Nowak (1993, 1995) noted the coefficients of variation (standard deviation per mean) for factory-made, cast-in-place (CIP), and asphalt surfaces are 0.08, 0.10, and 0.25, respectively. In short, it is difficult to estimate at the time of design how many layers and associated thicknesses of wearing surfaces maybe applied by maintenance crews during the service life, but it is fairly easy to estimate the weight of other components.
The dead load of earth fills (EV) must be considered for buried structures such as culverts. The E
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4 荷载
4.1 简介
工程师必须考虑在桥梁使用寿命期间预期施加在桥梁上的所有载荷。这种载荷可分为两大类:永久载荷和瞬时荷载。永久载荷通常在整个使用寿命内会长期保留在桥上。这些载荷包括大梁和甲板的自重、磨损表面、路缘石、护墙和栏杆、公用设施、照明设备以及来自挡土墙的压力。可变载荷通常包括由车辆、铁路和行人交通引起的重力载荷，以及由水和风、浮冰、船舶碰撞和地震引起的横向载荷。此外，所有桥梁每天和每季度都会经历温度波动，因此必须考虑这种影响。根据结构类型的不同，其他载荷（例如蠕变和收缩引起的载荷）也很重要。最后，上部结构支架的移动会使超静定桥梁中产生力。
顾名思义，可变载荷随时间而变化，可以从几个方向和位置施加。通常，此类荷载是高度可变的。工程师的职责是预测这些荷载中哪些适用于所考虑的桥梁，荷载的大小和这些荷载如何应用于最关键的荷载效应。最后，一些载荷会共同作用，这些荷载必须考虑适当的极限状态。有关事项的讨论将在第三章中进行。
本章概述了适合中短跨度桥梁设计的荷载，重点集中于上部结构设计所需的载荷，其他荷载仅进行有限的讨论。例如，对于在通航水域上的大跨度结构而言，船舶冲击是一项重要且复杂的载荷。同样，地震荷载在地震高发区中也至关重要，无论跨度如何，桥梁都必须考虑地震荷载。一些桥梁是生命线网络不可或缺的一部分，地震发生后必须保持功能正常。对这些要求的理解需具备结构动力学和由于循环作用而产生的非弹性材料响应的先决知识，这超出了本书的范围，相关知识可参考陈、段(2004)主编的《桥梁抗震设计》一书，在此仅作简要讨论。
每种类型的荷载在适当参考美国国家公路和公路运输协会规范后单独提出，同时适当且重要的地方，对该规范的发展进行讨论。本章中定义的荷载将在在第5章中用于确定主梁线(单梁)的荷载效应(剪力和弯矩)。在第六章中，将三维系统简化为梁线并讨论了三维系统的建模。本章的主要目的是定义和解释美国国家公路和公路运输协会规范中载荷要求的基本原理。使用这些载荷的详细示例将结合结构分析一起在后续章节中给出。
4.2 重力荷载
重力荷载是由桥上物体的重量和桥的自重引起的。这种载荷是永久的和瞬时的，并且方向向下(朝向地球的中心)。
4.2.1 永久荷载
永久荷载是指那些在桥梁上持续时间很长的荷载，可能达到整个使用寿命。这些负载包括:
◎结构件和非结构附件的恒载（DC）
◎磨损面和公用设施的恒载（DW）
◎填土恒载（EV）
◎土压力荷载（EH）
◎土方超载荷载 (ES)
◎锁定安装应力（EL）
◎下拉荷载（DD）
这两个字母的缩写是美国公路运输协会使用的，在随后的讨论和例子中也使用了这种缩写。
结构构件和非结构附件的恒载绝对是永久性荷载，必须包括在内。在这里，结构构件指的是作为抗荷系统一部分的构件。非结构附件是指路缘石、女儿墙、护栏、标志、照明器和护栏等构件。这些物品的重量可以通过使用材料的单位重量和几何结构来估计。对于第三方附件，例如护栏，重量信息通常包含在制造商的文献中。在缺乏更精确信息的情况下，可使用表4.1中给出的单位重量。
磨损表面的恒载（DW）是通过单位重量乘以表面厚度来估算的。根据表3.1和3.2[表3.4.1-1和3.4.1-2]，该值与DC相结合。*注意，对于DC和DW荷载，荷载系数是不同的。DC的最大和最小荷载系数分别为1.25和0.90，而DW的最大和最小荷载系数分别为1.50和0.65。使用不同的系数是因为载荷测量中，DW载荷比DC载荷更易变化。。例如，诺瓦克（1993、1995）指出，工厂制造、现浇（CIP）和沥青表面的变异系数（平均标准偏差）分别为0.08、0.10和0.25。简而言之，在设计时很难估计维护人员在使用寿命期间可能施加了多少磨损表面层，所以相关厚度也很难估计，但其他部件的重量很容易估计。
涵洞等地下结构必须考虑填土的恒载。EV载荷是通过单位重量乘以材料深度来确定的。土-结构相互作用效应可能适用。此时再次应用到表3.1和3.2[表A3.4.1-1和A3.4.1-2]中的荷载系数。
土壤超载荷载的计算方法与EV荷载类似，唯一的区别在于荷载系数。这种差异归因于其可变性。请注意，部分或全部荷载可能在未来某个时间移除，或者可能会更改附加材料（或荷载）。因此，ES荷载的最大荷载系数为1.50，高于典型的EV系数约1.35。同样，最小ES和EV系数分别为0.75和0.90（典型值）。
挡土墙、翼墙或桥台等结构周围的土壤会对结构产生侧向压力。侧向压力是材料的岩土特性、系统几何结构和预期结构运动的函数。大多数工程师都会使用类似于流体压力的模型。AASHTO第3.11节概述了该原理，并在AASHTO第10节中进行了详细说明。
锁定安装应力是施工过程中累积的力效应。它们包括来自后张力的二次力。下拉阻力是由于元素周围的土壤运动而施加在桩或钻孔轴上的力。这种力是永久性的，通常会随着时间而增加。AASHTO第10节“基础”中概述了关于下拉阻力计算的细节。
总之，在结构分析中必须始终考虑永久荷载。一些永久荷载很容易估算，如构件自重，而其他荷载，如侧向土压力，由于涉及更大的可变性，更难估算。当变量较大时，较高的荷载系数用于最大荷载效应，较低的系数用于最小荷载效应。
4.2.2 瞬时荷载
虽然汽车是大多数桥梁上最常见的车辆活载，但货车却产生了临界荷载效应。从某种意义上说，汽车在桥旁“感觉”很小而“自由”，更准确地说，与卡车交通相比，汽车交通的荷载效应可以忽略不计。因此，AASHTO设计荷载试图对卡车交通进行建模，卡车交通高度可变、动态，并且可能独立于或与其他卡车荷载一致。主要荷载效应是卡车的重力荷载，但其他效应是显著的，必须加以考虑。这些影响包括冲击（动态影响）、制动力、离心力以及同时存在的其他卡车的影响。此外，不同的设计极限状态可能需要稍有不同的卡车荷载模型。以下各节将更详细地介绍这些载荷。Nowak（1993、1995）提出了许多与活载模型和规范校准相关的研究。我们鼓励对这发展细节感兴趣的读者获取此参考资料以获取更多背景信息。
设计车道
必须确定桥梁可容纳的车道数，这是一个重要的设计标准。桥梁车道设计中使用两个术语：
◎行车道
◎设计车道
行车道是指交通工程师计划通过桥梁的行车道数。车道宽度与行车道相关，通常为12英尺（3600毫米）。设计车道是桥梁工程师用于活载放置的车道名称。设计车道宽度和位置可能与交通车道相同，也可能不同。在这里，AASHTO使用10英尺（3000毫米）的设计车道，为了达到极限效果，车辆将被放置在该车道内。
设计车道的数量是由净车道宽度除以12 英尺（3600 mm）的比率的整数部分确定的[A3.6.1.1.1]。净宽是路缘和障碍物之间的距离。当行车道宽度小于12英尺（3600 mm）时，设计车道数应等于行车道数，设计车道宽度取行车道宽度。对于20至24英尺（6000至7200 mm）的道路宽度，应使用两条设计车道，设计车道宽度应为道路宽度的一半。
应考虑当前和未来设计方案中的交通方向，并在设计中使用最关键的情况。此外，可能存在导致交通模式显著受限或改变的施工绕行计划。这种情况可能会控制设计荷载的某些方面。
在AASHTO第4节和第6章中的活载分布系数部分阐述了卡车的横向分布方式。当需要对使用或需要分析的情况（如杠杆法则、刚性方法和/或严格分析）进行定位时，工程师必须针对临界荷载效应对卡车进行定位。对于外部大梁，这需要将卡车的一个车轮放置在距路缘或护栏2英尺（600 mm）的范围内。如果考虑下一辆卡车，则将其放置在第一辆卡车的4英尺（1200毫米）范围内。如果需要，第三辆卡车应放置在第二辆卡车的6英尺（1800毫米）范围内，以免违反车道要求。对于内梁，一个车轮放置在梁上，其他车轮的位置遵循类似的模式。从实用的角度来看，所有卡车可以在相互之间4英尺（1200毫米）的范围内进行保守的横向放置，与规范意图相比，几乎没有“精度”损失。帕特里克等人。（2006）对此作了详细的概述。在几个例子中，他们采用简单的方法，将车辆放置在4英尺（1200毫米）的横向间距上。
车辆设计荷载
交通研究委员会（TRB）的一项研究被用作AASHTO荷载的基础（TRB，1990）。TRB小组概述了与制定（修订）国家卡车重量政策有关的许多问题。本文件对历史和政策选择以及相关的经济权衡做了极好的总结。对超过法定重量和/或长度限制但定期允许操作的载荷进行了编目。尽管东北部的所有州都允许这种超法定的荷载，许多其他地方，比如来自佛罗里达到阿拉斯加，也允许这样的荷载。通常，这些荷载是短途运输车辆，如固体废物卡车和混凝土搅拌机。尽管高于“法律”限制，但由于州法规中的“祖父”条款，这些车辆被允许正常运行。这些车辆被称为排除车辆。开发荷载模型的工程师认为，排除车辆最能代表当前卡车交通中涉及的极端情况（Kulicki，1992）。
理论上，可以在每次设计中使用所有排除车辆，以达到极端荷载效应（作用范围）。显然，对许多车辆进行分析是一项艰巨的任务，即使这是自动化的。为此开发了一种更简单、更易于操作的模型，称为HL-93（公路荷载，1993年开发）。该模型的目的是规定一组载荷，使得HL-93模型的相同极限载荷效应与排除车辆的近似相同。该模型由三种截然不同的活荷载组成：
◎设计车辆
◎设计串联
◎设计车道
如图4.1所示，设计卡车（三种独立活载配置中的第一种）是一种模型荷载，类似于典型的半挂车卡车[A3.6.1.2]。前桥为8 kips（35 kN），驱动桥为32 kips（145 kN）位于后面14 英寸（4300 mm），后拖车轴也为32 kips（145 kN），位于14和30 英寸（4300和9000 mm）之间的可变距离。可变范围意味着使用的间距应引起临界荷载效应。长间距通常仅控制卡车前部和后部中位于相邻结构连续跨度（如连续短跨度桥梁）中的位置。设计卡车与AASHTO（2002）标准规范自1944年起相配置使用，通常称为HS20。H表示公路，S表示半挂车，20表示牵引车的重量（吨）（美国惯用单位）。AASHTO（2004）LRFD桥梁规范中所述的新型车辆组合被指定为HL-93。
第二种配置是设计串联，如图4.1（b）所示。它由两个重25 kips（110 kN）的轴组成，每个轴间距为4英寸（1200 mm），这与先前AASHTO标准规范中使用的双联轴相似，但荷载从24 kips（110 kN）改变为25 kips。
第三个荷载是设计车道荷载，由0.064 kips/ft（9.3 N/mm）的均匀分布荷载组成，假设横向占据10 英寸（3000 mm）区域。该荷载与10 英寸（3000 mm）设计车道上施加的64 lb/ft 2（3.1 kPa）的均匀压力相同。该荷载类似于AASHTO标准规范中列出的多年车道荷载，但LRFD车道荷载不需要任何集中荷载。
设计卡车和设计串列车的荷载效应必须分别与设计车道荷载的荷载效应叠加。车道和轴载的组合与早期AASHTO标准规范的要求存在较大偏差，需要单独考虑。这些荷载不是用来模拟任何一辆车或车辆组合的，而是荷载谱及其相关荷载效应。
尽管活载模型是基于排除车辆开发的，但它也与其他动态称重（WIM）研究进行了比较。WIM研究通过使用被动称重技术获得卡车重量数据，因此操作员不知道卡车正在被监控。通常，通过桥上的装备来执行此任务。这些研究者包括黄和诺瓦克（1991a，b），摩西和戈森（1985）。Kulicki（1992）和Nowak（1993）使用这些WIM研究来确认AASHTO中的活荷载。
Kulicki和Mertz（1991）比较了先前AASHTO荷载和当前规定荷载下一跨和两跨连续梁的荷载效应（剪力和力矩）。在他们的研究中，将HS20卡车和车道荷载与1991年代表交通的22辆卡车的最大荷载效应进行了比较。最大力矩与HS20力矩之比如图4.2所示。同样，剪切比如图4.3所示。注意，比率存在显著变化，大多数比率大于1，表明排除车辆的最大值大于模型负载，这是一种非保守情况。一个完美的模型将包含所有跨度长度的统一坐标。这个模型实际上是不可能的，但是设计卡车与设计车道的组合以及设计串联与设计车道的组合给出了改进的结果，如图4.4和4.5所示。注意，与图4.2和4.3相比，变化要小得多，因为在跨度范围内，力矩和剪力以及简单跨度和连续跨度的比值分组更为紧密。这意味着，目前的模型充分代表了当今的交通状况，一个单一的荷载系数可用于所有卡车。注意，在图4.4中，模型的负力矩低估了排除车辆的影响。这种低估是因为排除模型一次只包括桥上的一辆车，可能是对内部支撑处负力矩和反作用力的非保守假设。由于排除车辆可能紧跟另一辆重载卡车，因此认为需要第三个活载组合来模拟此事件。活荷载组合在AASHTO[A3.6.1.3.1]中规定：
对于所有跨度均布荷载下的反弯点之间的负力矩（顶部张力）和内部支撑处的反作用力，两辆设计卡车的效应的90%，其中一辆卡车的前轴和另一辆卡车的后轴之间的间距至少为50 英寸（15000 mm），加上90%的设计车道荷载的影响。每辆卡车的32 kip（145 kN）车轴之间的距离应取14 英寸（4300 mm）。
不产生极端力效应的轴应被忽略。Nowak（1993）将同一车道上的调查车辆与其他车辆与AASHTO荷载模型进行了比较，结果如图4.6和4.7所示。这些时刻被选作例证。M（75）力矩表示测量车辆产生的荷载效应平均值，HS20表示传统AASHTO（2002）标准规范卡车（与设计卡车相同）产生的力矩，LRFD表示当前AASHTO（2004）LRFD荷载产生的力矩。注意，目前的荷载足以代表荷载测量，偏差约为20%。
总之，应考虑三种设计荷载：设
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