《公路钢结构桥梁设计规范》宣贯第二部分

1、公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）宣宣贯贯2 2同济大学 徐俊 博士2016年8月主要内容新规的背景和主要原则第一章 总则第三章 材料第四章 结构分析第五章 构件设计第六章 连接的构造和计算第七、八、九章第十三章 缆索第十四、十五、十六章5 构件设计板的有效宽度问题加劲肋的设置与计算全新的疲劳荷载模型疲劳验算的方法5.1 一般规定5.2 轴心受力构件5.3 受弯构件5.4 拉弯、压弯构件5.5 抗疲劳设计钢结构桥梁的破坏形式强度刚度脆断稳定疲劳腐蚀5 构件设计强度破坏整体破坏：截面应力达到屈服点fy，截面应变迅速增加最后导致结构破坏（变形过大或断裂）破坏过程l受拉构件：l受弯/

2、拉弯构件：5 构件设计屈服塑性变形强化断裂边缘 屈服塑性铰内力 重分布塑性铰形成 机构倒塌稳定破坏力学角度l弹性屈曲分支点稳定/第一类稳定l弹塑性极值稳定/第二类稳定l倾覆/第三类稳定影响范围l整体失稳l局部失稳（构件的局部失稳/板的局部失稳）5 构件设计稳定破坏5 构件设计疲劳破坏钢结构疲劳：在反复荷载作用下，钢材应力低于极限强度时发生的破坏现象主要出现在正交异性桥面板等复杂应力位置5 构件设计疲劳破坏5 构件设计脆性破坏脆性断裂：在很小的外荷载应力甚至没有外荷载的情况下，钢结构焊缝处出现的断裂破坏现象影响因素：l材料韧性/断裂韧性，与温度有关，夏比试验l局部应力集中l结构刚度l加载速率5

3、构件设计脆性破坏5 构件设计锈蚀破坏锈蚀破坏是指钢结构在复杂环境作用下，因电化学反应导致构件整体或局部变薄，并最终降低结构强度导致的破坏形式影响因素：l材料（不锈钢/铝/锌）l材料杂质（焊缝处）l环境温度与相对湿度l酸/碱/盐污染物l受力状态5 构件设计锈蚀破坏5 构件设计其他破坏形式5.1.1 设计荷载构件应按承载能力极限状态验算强度和稳定，作用效应组合设计值按现行公路桥涵设计通用规范JTG D60规定计算。疲劳计算应按照本章抗疲劳设计与计算的有关规定执行。5 构件设计/5.1 一般规定承载能力极限状态l包括构件和连接的强度破坏、结构、构件丧失稳定及结构倾覆l按承载能力极限状态设计要求计算作

4、用设计值效应的基本组合正常使用极限状态l包括影响结构、构件正常使用的变形、振动及影响结构耐久性的局部损坏；l采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值（频遇值系数取为1.0）计算挠度值疲劳极限状态 按疲劳设计荷载计算5 构件设计/5.1 一般规定验算项目承载能力极限状态l截面极限强度：基本组合l构件整体稳定：基本组合l板件局部稳定：构造控制/考虑局部稳定的有效截面折减系数l倾覆稳定：基本组合（分项系数均1.0）l疲劳：疲劳荷载模型（仅疲劳车）正常使用极限状态l挠度：仅汽车荷载，频遇值系数1.0，不计冲击影响l构件容许最大长细比5 构件设计/5.1 一般规定5.1.2 结构重要性系数进行承载能力极限状态

5、设计时，结构重要性系数应符合现行公路桥涵设计通用规范JTG D60的相关规定。5 构件设计/5.1 一般规定5.1.3 板厚要求除轧制型钢、正交异性板的闭口加劲肋、填板外，其它受力钢构件的板厚不应小于8mm。5 构件设计/5.1 一般规定5.1.4 长细比要求5 构件设计/5.1 一般规定类别杆件长细比主桁架受压弦杆受压或受压-拉腹杆100仅受拉力的弦杆130仅受拉力的腹杆180联结系构件纵向联结系、支点处横向联结系和制动联结系的受压或受压-拉构件130中间横向联结系的受压或受压-拉构件150各种联结系的受拉构件200长细比计算实腹式双轴对称截面杆件实腹式截面为单轴对称杆件绕对称轴弯扭失稳的换

6、算长细比格构式构件l分双肢/三肢/四肢l缀件分为缀条和缀板5 构件设计/5.1 一般规定yyyil00zzzli122222222221()4 12zxzxoozxel 四类截面的划分类型1 截面能产生塑性铰，并具有足够转动能力，用于塑性计算类型2 截面呈现塑性抗力，但只具有有限转动能力类型3 截面最不利边缘纤维屈服，但由于局部屈曲不能用足塑性储备类型4 截面抗弯或抗压时必须考虑局部屈曲，即取有效宽度。5 构件设计/5.1 一般规定3类截面l板件局部稳定承载力必须大于等于板件屈服强度l板件局部稳定不控制设计l可按边缘屈服理论计算强度和整体稳定l不需设置加劲肋4类截面l允许板件在屈服前出现局部失

7、稳，局部稳定承载力大于板件使用应力l可以通过设置加劲肋提高板件稳定承载力l可按承载力折减系数法或有效截面法计算强度和整体稳定5 构件设计/5.1 一般规定板的稳定问题4442422422crwwwwDtxxyyx 5 构件设计/5.1 一般规定板的屈曲偏微分方程板的屈曲应力板的边界条件：lx=0或a时 y=0或b时位移函数：屈曲应力的解：5 构件设计/5.1 一般规定220wwx220wwy( , )sinsinmnm xn yw x yAab22222212(1)crEtmnbm=a/bm、n为正整数翘曲系数5 构件设计/5.1 一般规定2)(mmK0 . 4/12K时当时当11222222

8、12(1)crEtmnbmn=1确定值不同边界条件下的翘曲系数5 构件设计/5.1 一般规定不同面内荷载作用下板的弹性失稳5 构件设计/5.1 一般规定非均匀受压板的稳定均匀受剪板的稳定四边简支平板在各种受力图示下的翘曲系数5 构件设计/5.1 一般规定板的翘曲后性能当板的边缘支承具有较大刚度时，有时板的临界翘曲应力虽然不高，但翘曲后并不破坏，板的强度有很大的潜力可以发挥板的挠度将继续发展到较高量值，板中应力发生重分布并在板的中面产生较高的薄膜拉力。应力重分布以及薄膜拉力的出现可以延缓挠度的发展，实际起着对板的支撑作用，从而提高了板的承载力。5 构件设计/5.1 一般规定翘曲后有效板宽5 构件

9、设计/5.1 一般规定板的有效宽度的计算5 构件设计/5.1 一般规定5.1.5 受压加劲肋的稳定要求加劲肋不会局部失稳，对应的构造要求5 构件设计/5.1 一般规定非加载边支撑条件一边简支一边自由一边固定一边自由两边简支一边固定一边简支两边固定翘曲系数K0.4251.2845.426.97理论宽厚比限制15.226.346.554.161.4设计值121230，404040U肋底边U肋腹板刚性加劲肋设置板肋的宽厚比L形、T形钢加劲肋的尺寸球扁钢加劲尺寸闭口加劲肋的尺寸5 构件设计/5.1 一般规定yssfth34512yssftb3451200yssfth3453034518ssyhtf34

10、530ssybtfyssfth345405.1.6 受压加劲板设计刚性加劲肋：加劲肋刚度大失稳模态l加劲肋之间的母板发生以纵、横加劲肋为波节的屈曲l加劲肋之间的母板发生局部失稳纵向加劲肋横向加劲肋5 构件设计/5.1 一般规定*ll,10s lbtAn2*22202*201411,12111 ,llllnnnnnn 3*41bantlt柔性加劲肋：构造布置困难或受力较小时可用。失稳模态l加劲肋会随着母板一起发生平面外的屈曲l母板连同纵、横加劲肋发生整体失稳按正交异性板计算，将加劲肋刚度换算为板的刚度5 构件设计/5.1 一般规定中性轴位置5 构件设计/5.1 一般规定5.1.7 仅考虑局部稳定

11、影响5 构件设计/5.1 一般规定5 构件设计/5.1 一般规定5.1.8 仅考虑剪力滞影响5 构件设计/5.1 一般规定5.1.8 剪力滞有效宽度5 构件设计/5.1 一般规定通常跨中有效宽度大于中墩处5.1.9 考虑剪力滞及局部稳定先仅仅考虑剪力滞效应在剪力滞效应的有效范围内，再考虑板的局部稳定有效宽度将各段有效宽度的面积求和5 构件设计/5.1 一般规定5.1.10 构件有效截面（吴）轴心受拉杆件l考虑孔洞的影响，有效截面按净截面计算。轴心受压杆件l考虑板件局部稳定的影响l强度考虑孔洞的影响，稳定不考虑孔洞的影响受弯杆件和拉弯杆件、压弯杆件的受拉翼缘l考虑剪力滞影响l考虑孔洞的影响受弯杆

12、件和拉弯杆件、压弯杆件的受压翼缘l强度考虑孔洞的影响，稳定不考虑孔洞的影响l考虑剪力滞影响l考虑板件局部稳定的影响5 构件设计/5.1 一般规定5.2.1 轴心受拉构件轴心受拉构件承载力应满足下式要求（高强度螺栓摩擦型连接处除外）lNd轴心拉力设计值； A0净截面面积。高强度螺栓摩擦型连接处承载力应满足下式要求ln在节点或拼接处，构件一端连接的高强度螺栓数目；ln1所计算截面（最外列螺栓处）上的高强度螺栓数目。5 构件设计/5.2 轴心受力构件00ddNA f1001 0.5ddnNA fn5.2.2 轴心受压构件截面强度lNd最不利截面轴心压力设计值；lAeff,c考虑局部稳定影响的有效截面

13、面积构件整体稳定lNd轴心压力设计值，当压力沿轴向变化时取构件中间1/3部分的最大值；l轴心受压构件整体稳定折减系数，按附录A计算，取两主轴方向的较小值；ley，ez毛截面形心和有效截面形心之间在y轴、z轴方向的距离lWy,eff，Wz,eff考虑局部稳定影响的有效截面相对于y轴和z轴的截面模量。5 构件设计/5.2 轴心受力构件0,deff cdNAf0,ydzdeff cy effz effNeNNefAWW（）轴心受压整体稳定系数5 构件设计/5.2 轴心受力构件2002220.2111140.21(1)1(1)2时：时：,yyE crffE)2 . 0(02,2E crE来源 Perr

14、y（佩利）公式屈曲曲线类型abcd参数 0.20.3.1 轴心受压构件5 构件设计/5.2 轴心受力构件5.3.1在主平面内受弯的实腹式构件翼缘板弯曲正应力应满足以下要求：翼缘板弯曲剪应力未设加劲肋处集中荷载作用下腹板的局部应力正应力x和剪应力共同作用5 构件设计/5.3 受弯构件00,yxdy effMfW 0,()yzdy effz effMMfWW 0vdf wVSIt00zdw xFft l 2201xdvdff5.3.2整体稳定的影响因素荷载类型（非均匀荷载好）荷载作用点位置结构的刚度结构的约束5 构件设计/5.3 受弯构件5.3.2受弯构件的整体稳定受弯构件符合

15、以下情况之一时可不计算梁的整体稳定性：l有铺板（各种钢筋混凝土板和钢板）密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连、能阻止梁受压翼缘的侧向位移时。如叠合梁l工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度L1与其宽度B1之比不超过下表所规定的数值时。其中，梁的支座处设置横梁，跨间无侧向支承点的梁，L1为其跨度；梁的支座处设置横梁，跨间有侧向支承点的梁，L1为受压翼缘侧向支承点间的距离。l箱形截面简支梁，其截面尺寸满足h/b06，且L1/b065(345/fy)时5 构件设计/5.3 受弯构件5 构件设计/5.3 受弯构件钢号跨间无侧向支承点的梁跨间受压翼缘有侧向支承点的梁，不论荷载作用于何处荷载作用在上翼缘荷载作用

16、在下翼缘Q23513.020.016.0Q34510.516.513.0Q39010.015.512.5Q4209.515.012.0hb1b0b2twtwt2t15.3.2受弯构件的整体稳定5 构件设计/5.3 受弯构件0,1yzm yLT yRd yRd zMMMM0,1yzm zRd yLT zRd zMMMM,Rd yy effdMWf,Rd zz effdMWf,LT yy effycr yWfM,LT zz effycr zWfM腹板最小厚度5 构件设计/5.3 受弯构件5.3.3 腹板加劲肋5 构件设计/5.3 受弯构件5.3.3 腹板横向加劲肋腹板横向加劲肋的间距a不得大于腹板

17、高度hw的1.5倍，横向惯性矩应满足：不设纵向加劲肋时，横向加劲肋的间距a应满足下式要求5 构件设计/5.3 受弯构件2422111003457758/wwwwhathha2422111003455877/wwwwhathha33tw wIh t5.3.3 腹板横向加劲肋设置一道纵向加劲肋时，横向加劲肋的间距a应满足下式要求设置两道纵向加劲肋时，横向加劲肋的间距a应满足下式要求5 构件设计/5.3 受弯构件242210.810090012058/wwwwhathha242210.81009009077/wwwwhathha242210.64100300018758/wwwwhathha2422

18、10.64100300014077/wwwwhathha5.3.3 腹板纵向加劲肋5 构件设计/5.3 受弯构件3llwwIh t22.50.451.5lwwa ha h中性轴位置5.3.4支承加劲肋等效压杆应力端部承压应力5 构件设计/5.3 受弯构件BevBev12tw12tw12tw12twbsBBtwtw02Vdsev wRfAB t0Vcdseb wRfAB tBeb=B+2(tf+tb)(1)24242424evsswswevs wswBnbtbtBn tbt（）（）5.4.1 强度验算5 构件设计/5.4 拉弯、压弯构件0R,1ydzzdyddRd yRd zMN eMN eNN

19、MM几何特征A、W的计算：l 受拉翼缘仅考虑剪力滞影响l 受压翼缘同时考虑剪力滞和局部稳定影响RdeffdNAf,Rd yy effdMWf,Rd zz effdMWf整体稳定的验算弯矩作用在一个平面内的整体稳定弯矩同时作用在两个平面内的整体稳定5 构件设计/5.3 受弯构件0,11ydzdm yyRddRd ycr yMN eNNNMN0,11ydzdm yzRddLT yRd ycr zMN eNNNMN0,111ydzzdydm ym zyRdddLT zRd zRd ycr zcr yMN eMN eNNNNMMNN0,111ydzzdydm ym zzRdddRd zLT yRd y

20、cr zcr yMN eMN eNNNNMMNN主要内容基本概念验算公式荷载作用疲劳荷载模型的计算其他影响因素结构抗力疲劳曲线疲劳细节ks的影响5 结构设计/抗疲劳设计勘误5 结构设计/抗疲劳设计什么是疲劳定义：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。与静强度失效相比，疲劳失效有其显著区别：l低应力性 循环应力远低于b甚至yl突发性 无论脆性或塑性材料，疲劳失效总表现为脆断l时间性 疲劳破坏需要经历一定甚至很长时间l敏感性 零件几何形状、表面状态、环境等影响明显l疲劳断口 疲劳源(核)、扩展区(波纹状)

21、、瞬断区(粗粒)5 结构设计/抗疲劳设计疲劳破坏机理A 裂纹源 B 扩展区 C失稳断裂区l 疲劳破坏机理u 裂纹形成。制造过程中不可避免有初始缺陷。对于理想无缺陷结构，晶体界面滑移带的挤出侵入，或者由于氧化、腐蚀、使用中的磨损而形成损伤裂纹。u 裂纹扩展。宏观裂纹形成后，在脉动荷载作用下，裂缝沿垂直于最大正应力方向扩展u 失稳断裂。疲劳破坏的最终阶段，应力强度因子超过材料断裂韧度。与前两阶段不同，在一瞬间发生。 疲劳裂纹的扩展是一个非线性过程。在高周疲劳中，裂纹形成一般占据疲劳寿命的90%以上。裂纹扩展起初近似线性，随后扩展速度迅速增长，直至失稳断裂。裂缝宽度a循环次数N5 结构设计/抗疲劳设

22、计疲劳试验10000001E71E86080100120140D (MPa)cycles有限寿命区域无限寿命区域韦勒曲线（S-N曲线）5 结构设计/抗疲劳设计疲劳强度的测定，主要是通过从小试件到大型构件实物疲劳试验，获得疲劳性能的真实数据，最终确定相应使用荷载环境下的强度LS/N曲线并不是一直保持直线，当应力幅小于一定值后，结构可以在该应力幅下持续工作到无限次循环，称该应力幅为疲劳极限(fatigue limit，endurance limit)。实际中一般取某个较大的循环次数下的疲劳强度为疲劳极限，称该循环次数为ND，一般取为107。疲劳问题分类按应力状态分类l单轴疲劳单向循环应力作用下的疲

23、劳，单向拉-压、弯曲、扭转循环l 多轴疲劳多向应力作用下的疲劳，又可细分为荷载等比例同步加载和不等比例加载，区别在于主应力方向是否随时间改变按荷载变化情况分类l恒幅疲劳所有荷载峰值、谷值均相等l变幅疲劳荷载峰值、谷值不相等，也称谱荷载l随机疲劳荷载峰值、谷值不相等，且随机出现5 结构设计/抗疲劳设计疲劳寿命影响因素疲劳寿命（N）是指疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数，疲劳计算时通常不考虑疲劳荷载的施加时间，而仅以循环次数为计算依据。l最大应力maxl最小应力minl应力范围=max-minl应力幅a=(max-min)/2= /2l平均应力m=(max+min)/2l应力比R=min/ma

24、x5 结构设计/抗疲劳设计R=-1 对称循环R=0 脉动循环0R1-1R0疲劳的其他影响因素材料属性l不同材料的塑性、韧性、强度、抗腐蚀性能、高温性能、耐磨性能不同，对疲劳寿命的影响显而易见。缺口效应l缺口处，不可避免地要产生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力提高。尺寸效应（大/厚构件的疲劳强度低）l工艺因素：大型零件的加工质量一般比小零件差l比例因素（概率因素）表面状态l表面粗糙度l表面强化效应加载频率/波形/过载/腐蚀/低温5 结构设计/抗疲劳设计Miner线性积商法则疲劳应力幅1疲劳应力幅2疲劳应力幅3疲劳应力幅4n4/N4n1/N1n2/N2n3/N3ni为应力幅i实际的加载次

25、数时间（cycle）Ni为构件在S-N曲线上对应于应力幅i的寿命（cycle）5 结构设计/抗疲劳设计疲劳设计方法基于应力的方法名义应力法真实应力法针对焊缝疲劳 热点(结构)应力法 缺口应力法基于应变的方法局部应力应变法基于裂纹扩展损伤容限法扩展有限单元法高周，弹性，利用S/N曲线判断疲劳寿命低周，弹塑性，利用/N曲线判断疲劳寿命已知初始裂纹，基于断裂力学通过裂纹扩展速度da/dN与K的关系计算裂纹长度NNK5 结构设计/抗疲劳设计验算公式5 结构设计/抗疲劳设计荷载作用的计算公式5 结构设计/抗疲劳设计参数说明5 结构设计/抗疲劳设计荷载模型荷载模型Il车道荷载，用于无限疲劳寿命验算荷载模型IIl车队（两车）荷载，用于有限疲劳寿命验算荷载模型IIIl车辆荷载，用于桥面系构件的有限疲劳寿命验算5 结构设计/抗疲劳设计疲劳荷载模型I荷载l集中荷载为0.7Pk，均布荷载为0.3qkl考虑多车道效应l按杆系方法算内力再按材料力学方法计算应力适用范围l主梁、主桁片验算方法：无限疲劳寿命，简单验算结论：偏保守，不满足时可改用模型II复核（但不是所有时候结果都比模型II的结果小）5 结构设计/抗疲劳设计疲劳荷载模型II荷载l荷载布置l双车车队：中心距大于40m（车辆增多对疲劳的影响增大不多）l