1.4.3 可变作用
可变作用是指在设计使用年限内其作用位置、大小和方向随时间变化，且变化值与平均值相比不可忽略的作用。按其对桥涵结构的影响程度，又可分为基本可变作用和其他可变作用。基本可变作用又称活载，主要部分是车辆荷载及其影响力；其他可变作用包括自然和人产生的各种变化力。
1.基本可变作用
基本可变作用包括列车活载（铁路）、汽车或平板挂车或履带车活载（公路、城市）、由列车活载或汽车活载引起的动力效应（冲击力）、曲线上的离心力、由活载引起的土侧压力以及人群荷载。对铁路桥梁，还有列车的横向摇摆力。由于公路、城市、铁路桥梁设计荷载中可变荷载部分有较大的区别，现分别介绍如下。
1）公路桥梁基本可变作用
（1）汽车荷载。
桥梁上行驶的车辆种类繁多，荷载情况复杂，设计时不可能对每种情况都进行计算，而是以一种统一的标准荷载进行设计。这种标准是通过统计分析制定出来的，既概括了当前各类车辆的情况，又适当考虑了将来的发展。各类车辆在桥上出现的概率是不同的，因此标准荷载把经常、大量出现的汽车归纳为车道荷载和车辆荷载，并将其作为计算荷载。
汽车荷载分为公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级两个等级，各级公路桥涵设计的汽车荷载等级按表1.1取用。
表1.1 各级公路桥涵设计的汽车荷载等级
注：①二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。②四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。
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、桥台和挡土墙压力等的计算采用车辆荷载。车道荷载与车辆荷载的作用不得叠加。
①计算剪力效应时，集中标准值须乘以1.2的系数。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，为公路-Ⅰ级车道荷载的75%。
②车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同符号影响线上；集中标准值只作用于相应的影响线峰值处。
车道荷载横向分布系数，应按设计车道数布置车辆荷载进行分析计算。
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。
桥梁设计车道荷载数应符合规定。多车道桥梁的汽车荷载应考虑折减。当桥梁设计车道数等于或大于2时，由车辆荷载产生的效应，应按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条设计车道的荷载效应。
大跨径桥梁应考虑车道荷载纵向折减。桥梁的计算跨度大于150 m时，应按规定的纵向折减系数进行折减。桥梁为多车道连续结构时，整个结构应按照其最大的计算跨径的纵向折减系数进行折减。
公路桥梁设置人行道时，应同时计入人群荷载。
①桥梁计算跨径小于或等于50 m时，人群的荷载标准值为3.0 kN/m2；桥梁计算跨径等于或大于150 m时，人群荷载标准值为2.5 kN/m2；桥梁计算跨度大于50 m且小于150 m时，可由曲线线性内插法得到人群荷载标准值。
②跨径不等的连续结构，采用最大计算跨径的人群荷载标准值：城镇郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值为标准值的1.15倍；专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5 kN/m2。
（2）离心力。
当弯道桥梁的曲线半径等于或小于250 m时，须考虑车辆的离心力作用。离心力为车辆荷载（不计冲击力）乘以离心力系数。
（3）人群荷载。
人群荷载一般取为3 kN/m3，城市郊区行人密集地区可为3.5 kN/m2，城市桥梁应根据具体情况另行规定。在计算有人行道的桥梁时，同时考虑人群荷载与汽车荷载，而在计算验算荷载时则不计入人群荷载。
当人行道板为钢筋混凝土板时，还应以1.2 kN集中竖向力作用在一块板上进行验算。计算栏杆时，人群作用于栏杆上的水平推力规定为0.75 kN/m，施力点在栏杆柱顶，人群作用于扶手的竖向力规定为1 kN/m，施力点在上部扶手。
（4）车辆荷载引起的侧向压力。
车辆荷载引起的侧向压力计算，将车辆荷载换算成等代土层厚度h0：
式中：h0为某代土层厚度，m；b0为挡土墙计算长度，m；L0为墙后填土（不考虑车辆荷载）的破坏棱体长度，m；γ为填土的重度，kN/m3；ΣG为布置在b0L。面积内车轮标准荷载总和，kN。
2）城市桥梁基本可变作用（活载）
（1）汽车荷载。
城市桥梁汽车荷载可分为车辆荷载和车道荷载。桥梁的横隔梁、行车道板、桥台或挡土墙后土压力的计算（局部计算）应采用车辆荷载。桥梁的主梁、主拱和主桁架等的计算（总体计算）应采用车道荷载。当桥面车行道内有轻轨车辆运行时，应按有关轻轨荷载规定进行验算，并取其最不利情况进行设计。当进行桥梁结构计算时，不得将车辆荷载和车道荷载的作用叠加。
（2）汽车冲击力。
对于钢桥、钢筋混凝土和预应力混凝土桥，混凝土桥和砖石拱桥等的上部构造以及支座、橡胶支座或钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车冲击力。对于拱桥、涵洞以及重力式墩台，当填料厚度（包括路面厚度）等于或大于50 cm时，可以不计汽车冲击力。
（3）人群荷载。
人行道板（局部构件）的人群荷载应按5 kN/m2的均布荷载或1.5 kN的竖向集中力分别计算，并作用在一块构件上，取其不利情况。
计算桥上人行道栏杆时，作用在栏杆扶手上的活载：竖向荷载采用1.2 kN/m，水平向外荷载采用1.0 kN/m，两者应分别考虑，不得同时作用。作用在栏杆立柱柱顶的水平推力应为1.0 kN/m，防撞栏杆应采用80 kN横向集中力进行检验，其作用点在防撞栏杆板的中心。
（4）车辆荷载引起的离心力、土侧压力。
车辆荷载引起的离心力、土侧压力的计算应按规定执行，可参照公路桥梁荷载引起的离心力、土侧压力计算公式。
3）铁路桥梁基本可变作用（活载）
（1）列车活载。
列车由机动车和车辆组成，机动车和车辆类型很多，轴重、轴距各异。为规范计算方法，我国根据机动车轴重、轴距对桥梁的不同影响及考虑车辆的发展趋势，制定了中华人民共和国铁路标准活载图式（简称“中-活载”）。
“中-活载”是铁路桥梁设计的主要依据，分普通活载和特种活载。普通活载表征列车活载，前5个集中荷载及其后30 m长度范围内的92 kN/m分布荷载表征“双机联挂”，后面的80 kN/m分布荷载代表车辆荷载；特种活载反映某些轴重较大的车辆对小跨度桥梁的不利影响，计算时应分别按两种活载进行加载，并取结果的较大值。规定采用“中-活载”加载时，标准活载计算图示可任意截取；双线铁路桥梁结构中主要杆件及墩台承受的列车竖向活载设计值为双线活载之和的90%。在检算桥梁横向稳定时，以空车时最大横向风力为不利情况，列车空车竖向活载标准值采用10 kN/m。
（2）离心力。
桥在曲线上时，列车离心力作用于轨顶以上2 m处。离心力的大小为竖向静荷载乘以离心力系数。
（3）列车横向摇摆力。
列车横向摇摆力作用在轨顶面处，其值为5.5 kN/m。一般不考虑空车时的横向摇摆力。
（4）高速铁路桥梁基本可变荷载（活载）。
列车竖向活载应采用ZK活载（中国客运专线标准活载），并符合下列规定。
①对于单线或双线的桥涵结构，各线均应计入ZK活载作用。
②对于多于两线的桥涵结构，应按下列最不利位置考虑：
a.按两条线路在最不利位置承受ZK活载，其余线路不承受列车活载；
b.所有线路在最不利位置承受75%的ZK活载。
③设计加载时，活载图式可以任意截取。对多符号影响线，在同符号影响线各区段进行加载，异符号影响线区段分以下两种情况考虑：
a.异符号影响线区段长度不大于15 m时，可不加活载；
b.异符号影响线区段长度大于15 m时，按空车静荷载10 kN/m加载。
④用空车检算桥梁各部分构件时，其竖向活载应按10 kN/m计算。
⑤桥跨结构或墩台应按其实际使用的施工机械和维修养护可能作用的荷载进行检算。
铺设无缝线路桥梁，桥梁设计应考虑无缝线路桥梁长钢轨纵向力作用。检算支座时，伸缩力、挠曲力、断轨力作用点为墩台支座中心，台顶断轨力作用点为台顶。断轨力可在全联范围内的墩台上分配。
当考虑列车脱轨荷载时，列车脱轨荷载可不计动力系数。对于多线桥，只考虑单线脱轨荷载，且在其他线路上不作用列车活载。
按下列两种情况计算列车脱轨荷载的影响。
①列车脱轨后一侧轮子仍停留在桥面轨道范围内，两条线荷载平行于线路中线，相距为1.4 m，作用于线路中线两侧各2.0 m范围以内的最不利位置。该线荷载在长度为6.4 m的一段上为50 kN/m，前后各接以25 kN/m。
②列车脱轨后已离开轨道范围，但仍停留在桥面上，该荷载为一条平行于线路中线的线荷载，作用于拦渣墙内侧，离线路中心线的最大距离为2.0 m。荷载长度为20 m，其值为80 kN/m。
2.其他可变作用
其他可变作用包括活载制动力或牵引力、风力、温度力、流体压力、水压力和施工荷载等。对于铁路桥梁，人行道荷载归为其他可变作用。
1）制动力
制动力是车辆减速或制动时为克服车辆的惯性力而在路面（或钢轨）与车辆之间发生的滑动摩擦力，其作用于桥跨结构的方向与行车方向一致。牵引力是车辆启动或加速时与路面（或钢轨）间作用的摩擦力，其作用于桥跨结构的方向与行车方向相反。
汽车制动时，车辆与路面间的摩擦系数可达0.5，但是刹车常常只限于车队的一部分车辆，所以制动力并不等于摩擦系数乘以全部车辆荷载。由此得到以下规定。
（1）计算公路桥梁桥上汽车制动力，一个设计车道上由汽车荷载产生的制动标准值按车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%计算，但公路-Ⅰ级汽车荷载的制动力标准值不得小于165 kN，公路-Ⅱ级汽车荷载的制动力标准值不得小于90 kN。同向行驶双车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的2倍，同向行驶三车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的2.34倍，同向行驶四车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的2.68倍。
（2）计算城市桥梁桥上汽车制动力，当采用城-A级汽车荷载设计时，制动力应采用160 kN或10%车道荷载，并取两者中的较大值，但不包括冲击力。当采用城-B级汽车荷载设计时，制动力应采用90 kN或10%车道荷载，并取两者中的较大值，但不包括冲击力。当计算的加载车道为2条或2条以上时，应以2条车道为准，其制动力不折减。
（3）制动力的作用点在设计车道桥面以上1.2 m处，在计算墩台时，可移至桥梁支座中心（铰或滚轴中心），或滑动支座、橡胶支座、摆动支座的底座面上；计算刚构桥、拱桥时，可移至桥面上，但不计因此而产生的竖向力和力矩。
铁路桥制动力或牵引力计算原则规定如下。
①制动力按计算长度内列车竖向静活载的10%计算。
②当制动力与列车离心力同时计算时，制动力或牵引力按列车竖向静活载的7%计算。根据试验资料，制动力最大值仅出现于列车完全停止的瞬间，这表明最大制动力与离心力最大值并不同时出现。
③双线桥应采用单线桥的制动力或牵引力，三线或三线以上的桥应采用双线桥的制动力。
④制动力或牵引力的作用在轨顶以上2 m处，在计算墩台时移至支座中心处；计算台顶时移至轨底；计算钢架结构时移至横杆中心处，但均不计因此而产生的竖向力和力矩。
⑤采用特种活载时，不计算制动力或牵引力。
2）风力
当风以一定的速度向前运动遇到结构物阻碍时，将给结构以风压。对于大跨径桥梁，特别是斜拉桥和悬索桥，风荷载是极为重要的设计荷载，有时甚至起着决定性的作用，即对结构的强度、刚度和稳定性起控制作用。在顺风时，风压常分成平均风压和脉动风压；在横风向，风流经过结构而产生漩涡，因漩涡的特性，横风向还会产生周期风压。一般来说，风对结构作用的计算有三个不同的方面：对于顺风的平均风压，采用静力计算方法；对于顺风的脉动风或横风向的脉动风，则应按随机振动理论计算；对于横风向的周期性风力，使结构产生横风向振动，偏心时还产生扭动振动，通常作为确定荷载进行动力计算。
风速取值是一个比较复杂的问题，它与地理、地形、观测高度、观测取值时距、观测次数等因素有关：平原地区风速大于丘陵山岳区；气流离地面越高，受地面粗糙影响越小，而风速越高；气流从空旷地流入峡谷，流经垭口，则风速明显提高；风速随时间不断变化，瞬时风速可以提高；取值时距增长，则平均风速减少。建筑物承受风力的大小还与受风面的体型有关。
（1）横向风力（横桥方向）。
横向风力为横向风压乘以迎面面积。设计桥墩时，风力在上部构造的作用点假定在迎面面积的形心上；桥梁上部构件有可能被风力掀离支座时，应计算支座锚固的反力；桥台的纵、横向风力不计算。
（2）纵向风力（顺桥方向）。
桥墩上的纵向风力，可按横向风压的70%乘以桥墩迎面面积计算；桁架式上部构造的纵向风力，可按横向风压的40%乘以桁架的迎面面积计算；吊桥塔架上的纵向风力，可按横向风压乘以塔架的迎面面积计算；由上部构造传至桥梁墩台的纵向风力在支座上的作用点，可按汽车制动力在支座上的作用点的规定处理；由上部构造传至桥梁墩台的纵向风力于墩台上的分配，可根据上部构造支座条件，参照其制动力传递的有关规定处理；桥上车辆的纵、横向风力，一般不予考虑。
3）温度影响力
温度变化将在结构中产生变形和影响力。温度影响力的大小应根据当地具体情况、结构物所使用的材料和施工条件等因素计算确定。温度变化范围，应根据桥梁所在地区的气温条件而定。
结构温度变形引起的温度力按结构平均温度计算，即以架梁或结构平均温度为准，确定最高控制温度和最低控制温度，根据控制温度与架梁或结构合龙时的结构平均温度的差值，计算温度变形引起的约束力和结构内力。
4）铁路桥上人行道荷载
铁路桥梁上的人行道只考虑巡道和维修人员通行，维修时放置钢轨、枕木、道砟等，故将人行道荷载列为其他可变作用。设计人行道板时考虑维修时堆放道砟，在离梁中心线2.45 m范围内按10 kN/m2计；2.45 m以外按4 kN/m2计，活载分项系数取1.4。明桥面人行道按4 kN/m2计，活载分项系数取1.1。此外，人行道板还应按竖向集中荷载1.5 kN验算。设计主梁时，人行道活载不与列车活载同时计算。
5）施工荷载
施工荷载是指结构在施工过程中承受的荷载，包括自重、人群荷载、架桥机荷载、风载、温度力、吊机或其他机具的荷载及在构件制造、运送、吊装时作用于构件上的临时荷载。考虑施工荷载时，可视具体情况分别采用各自有关的分项系数。