桥梁工程概论：作用分类和代表值

桥梁的作用按其随时间变化的性质，分为永久作用（permanent action）、可变作用（variable action）、偶然作用（accidental action）和地震作用（earthquake action）。永久作用习惯上称为恒载（dead load），是指在设计基准期内，其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用，如结构重力。可变作用是指在设计基准期内，其量值随时间变化，且其变化与平均值相比有不可忽略的作用，如汽车、人群荷载（习惯上称之为活载，live load）。偶然作用是指在设计基准期内不一定出现，但一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用，如汽车撞击作用。地震作用是一种特殊的偶然作用，2015年之后的公路规范将其单列为一种类型。《铁路桥涵设计规范（极限状态法）》（Q/CR9300—2018）和《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）均按上述方式对作用进行分类，详见表3.1。

《铁路桥涵设计规范》（TB10002—2017）仍然照容许应力法设计，桥梁荷载按作用的性质和发生的概率来进行分类，将桥梁作用分为主力（对应于极限状态法中的永久作用和一部分可变作用）、附加力（对应于不包含在主力中的其他的可变作用）和特殊荷载（对应于偶然作用），见表3.2。主力是经常作用的；附加力不是经常发生的，或者其最大值发生概率较小；特殊荷载是暂时的或者属于灾害性的，如地震、船撞等，发生的概率极小。

比较表3.1和3.2，尽管公路、铁路规范对各种作用的种类有所不同，但基本上大同小异。需要注意的是：有些作用是设计铁路桥或公铁两用桥时所特有的，如列车横向摇摆力、牵引力等；有些作用仅在一本规范中列出，如公路规范中的支座摩阻力，但在按另一本规范设计桥梁时，可视情况加以采用。另外，在设计公铁两用桥时，目前的设计实践是：在铁路活载的基础上，增加公路活载的75%；但对仅承受公路活载的构件，应计及全部公路活载。

表3.1　桥梁作用分类表

表3.2　铁路桥涵荷载分类表

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上述作用的类型，需要根据桥梁的实际情况加以调整。例如，对高速铁路桥梁，还需要考虑列车高速运行产生的气动力，以及长钢轨的收缩力和挠曲力对结构的影响。另外，分类也不是绝对的。例如，铁路钢梁桥的水平联结系（见第六章）主要承受风力和制动力，在设计水平联结系时，就应该视风力和制动力为活载而非附加力。

除了解作用的分类外，还需要明确其大小。这个代表作用大小的数值就称为作用代表值（representative value of an action）。它采用数理统计的方法或根据工程经验加以确定。在进行桥梁结构或构件设计时，需针对不同设计目的采用规定的各种作用代表值。

作用代表值包括作用标准值、频遇值和准永久值。作用标准值（characteristic value of an action）为各种作用的基本代表值，其值可根据作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值（如95%）确定。作用频遇值（frequent value of an action）是可变作用的一种代表值，其可根据在足够长的观测期内作用任意时点概率分布的0.95分位值确定。作用准永久值（quasi-permanent value of an action）是可变作用的另一种代表值，其可根据在足够长的观测期内作用任意时点概率分布的0.5（或略高于0.5）分位值确定。每个代表值的含义是：实际作用超出其规定的代表值的概率不大于1与分位值的差值。例如，对作用频遇值，实际的作用超出频遇值的概率不大于1－0.95＝0.05。

公路、铁路桥涵采用极限状态法（参见第十章）设计时对不同的作用采用不同的代表值。对永久作用和偶然作用，采用标准值。对可变作用，根据不同的极限状态和组合方式采用标准值、频遇值或准永久值。铁路桥涵采用容许应力法时，其各类荷载的代表值相当于上述标准值，没有规定作用的频遇值和准永久值。

在确定作用标准值时，涉及设计基准期（design reference period）。简单地讲，它就是在确定某些作用（这些作用的最大值概率分布与时间有关，如风荷载、车辆活载等）的标准值时需要人为事先规定的一个基准时间参数。对桥梁结构，设计基准期通常取100年。可以理解设计基准期是规范给出的桥梁预期或参考使用年限，但不能简单地将其等同于结构的真实使用寿命。

在明确了各种作用（种类、形式和大小）及其代表值后，就可按结构力学方法进行结构分析。结构对所受作用的响应，如构件承受的弯矩、剪力，结构的位移等，统称为作用效应（effect of an action）。