钢桥设计基本知识之钢桁架梁桥

1、钢 桁 梁 桥1第一节 概述一、钢桁梁的组成1、分类：按桥面位置的不同分为上承式桁梁桥、下承式桁梁桥、和双层桁梁桥2、组成：由主桁、联结系、桥面系及桥面组成（一）主桁它是的主要承重结构，承受竖向荷载。主桁架由上、下弦杆和腹杆组成。腹杆又分为斜杆和竖杆；节点分大节点和小节点；节间距指节点之间的距离。2第一节 概述（二）联结系1、分类：纵向联结系和横向联结系2、作用：联结主桁架，使桥跨结构成为稳定的空间结构，能承受各种横向荷载3、纵向联结系分上部水平纵向联结系和下部水平纵向联结系；主要作用为承受作用于桥跨结构上的横向水平荷载、横向风力、车上横向摇摆力及离心力。另外是横向支撑弦杆，减少其平面以外的自

2、由长度。4、横向联结系分桥门架和中横联；主要作用为是增加钢桁梁的抗扭刚度。适当调节两片主桁或两片纵联的受力不均。3第一节 概述（三）桥面系1、组成：由纵梁、横梁及纵梁之间的联结系2、传力途径：荷载先作用于纵梁，再由纵梁传至横梁，然后由横梁传至主桁架节点。（四）桥面桥面是供车辆和行人走行的部分。桥面的形式与钢梁桥及结合梁桥相似。桥面系由纵梁、横梁及纵梁间的联结系组成。主桁是钢桁梁的主要承重结构，它由上弦杆(chord)、下弦杆、腹杆(web member)及节点(node或joint)组成。倾斜的腹杆称为斜杆，竖直的腹杆称为竖杆。 杆件交汇的地方称为节点，纵向两节点之间称为节间，用节点板(gus

3、set plate)及高强螺栓连接各主桁杆件。竖向荷载的传力途径是： 荷载通过桥面传给纵梁，由纵梁传给横梁，再由横梁传给主桁节点，然后通过主桁的受力传给支座，最后由支座传给墩台及基础。 钢桁梁除承受竖向荷载外，还承受横向水平荷载(风力、列车横向摇摆力和曲线桥上的离心力)。由水平纵向联结系直接承担并向下传递。 在两片主桁对应的弦杆之间，加设若干水平布置的撑杆，并与主桁弦杆共同组成一个水平桁架，叫做水平纵向联结系，简称平纵联。 在上弦平面的平纵联，称为上平纵联； 在下弦平面的平纵联，称为下平纵联；下平纵联承担的横向水平力可直接通过支座传给墩台；上平纵联两端则支承在桥门架(portal bracin

4、g)顶端(桥门架由两根端斜杆及其间的撑杆组成)，横向水平力先传给桥门架，再经由桥门架传到支座和墩台。 为增加桥跨结构横向刚度，并使两主桁架受力均匀，常在两主桁竖杆的上部加设若干垂直于桥纵向的撑杆(称为楣杆)，组成中间横联，其几何图式与桥门架相似。桥型铁路桥公路桥平行弦桁架多边形桁架平行弦桁架多边形桁架下承式1/7L（1/51/6.5）L（1/71/10）L（1/5.51/8）L上承式（1/71/8）L（1/81/10）L4第一节 概述二、主桁架的图式及特点（一）、主桁架的常用类型（二）主桁架的主要尺寸先确定桥梁跨度，再确定主桁架的主要尺寸包括：桁架高度、节间长度、斜杆倾角和两片主桁架的中心距。

5、1、主桁高度5第一节 概述2、节间长度铁路钢桥：中、小跨径的桁架，上承式桁架的节间长度一般为36m，下承式桁架的节间长度一般为610m，跨径较大的下承式桁架节间可达1215m。公路钢桥：节间长度可适当增大。3、斜杆倾角斜杆倾角由主桁高度与节间长度的比值决定，有竖杆的桁架的合理倾角为50左右；无竖杆的桁架的合理倾角为60左右。斜杆倾角与桁高、节长有矛盾时，可在合理范围内进行调整。4、主桁架中心距主桁架的中心距离由横向刚度和稳定性决定 ;下承式钢桁梁桥的主桁中心距还应满足桥梁建筑限界的要求,上承式桁梁桥的主桁中心距还要考虑横向倾覆稳定性的要求，抗倾覆稳定安全系数不得小于1.3。在拟定上述尺寸时，要

6、综合考虑各种影响因素，相互协调，尽可能采用标准化和模数化，目的在于使设计、制造、安装、养护和更换工作简化及方便。6第一节 概述三、连续桁梁及悬臂桁梁桥1、连续桁架梁跨度大于120m的多孔桥，采用连续桁梁桥较为合理 。优点：比简支梁节省约810%的钢材 ；竖向及横向刚度均比简支梁大 ；内力分布更趋合理 ，破坏性小易修复。结构布置：每联跨数是两跨或三跨，极少超过五跨 ；二孔连续梁应做成等跨的。三孔时为使各孔弯矩平衡，跨度的合理比例是7:8:7。但为了美观，特别是遇到两联以上的长桥时，也常采用等跨布置 。梁高:通常为跨度的1/71/8, 支座处可适当加高。2、悬臂桁梁锚跨锚跨组合跨悬跨铰一般伸臂长与

7、锚跨之比为1/41/3 ；组合跨与锚跨之比按1.11.4为宜对于挂梁及锚梁的跨中部分高度约为跨度的1/6.51/77第二节 桁梁桥构造一、主桁杆件构造；二、桥面系梁格构造与连结三、节点构造四、联结系构造8我国钢桁梁主桁杆件的宽度b有460、600、720mm等三种；高度h有260、440、600、760、920、l100mm等多种第二节 桁梁桥构造一、主桁杆件构造（一）主桁杆件的截面形式主桁杆件一般采用双壁式截面，有H形和箱形两种（二）主桁杆件的外廓尺寸应考虑下列因素：同一主桁中各杆件的宽度b必须一致；上、下弦杆在各节间的高度应尽可能一致 ；外廓尺寸不宜过大和过小；制作和操作 空间以及标准化制

8、造（三）主桁杆件板件厚度最小板厚限值；H形腹板、翼缘厚度及二者的厚度比 ；局部稳定所需的板件宽厚比；（四）主桁杆件的刚度要求为了防止过大的挠度和振动，杆件有最大长细比限值。 主桁的主要尺寸是指：主桁高度(简称桁高)、节间长度；斜杆倾度及两主桁的中心距，这些尺寸的拟定对桁梁桥的技术经济指标起着重要作用。 (1)桁 高 从用钢量; 挠度; 满足建筑限界的要求。 (2)节间长度 节间长度对桁梁桥的用钢量有一定影响。节长较短，纵梁、横梁数量增多；但梁的截面可小，主桁腹杆也相应变短。一般下承式桁梁节间长度为5512m，或为桁高的0812倍。 (3)斜杆倾度 斜杆倾度影响到节点构造。斜度设置不当，不仅会影

9、响节点板的形状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置在靠近节点中心处，以致削弱节点平面外刚度，增加节点平面内的刚度。根据以往设计经验，斜杆轴线与竖直线的交角以在30一50度范围内为宜。 (4)主桁的中心距 主桁的中心距与桁梁桥的横向刚度有关。为了保证桥梁的横向刚度，主桁的中心距不应小于跨长的120。 对于下承式桁梁桥，主桁中心距还必须满足建筑限界的要求；对于上承式桁梁桥，主桁中心距与桁梁桥的横向倾覆的稳定性有关 主桁的主要尺寸:主桁高度(简称桁高)、节间长度、斜杆倾度及两主桁的中心距。 (1)桁 高 从用钢量;挠度;满足建筑限界的要求。 (2)节间长度 节间长度对桁梁桥的用钢量有一定影响。节长较短，纵

10、梁、横梁数量增多；但梁的截面可小，主桁腹杆也相应变短。 一般下承式桁梁节间长度为5.512m，或为桁高的0.81.2倍。 (3)斜杆倾度 斜杆倾度影响到节点构造。斜度设置不当，不仅会影响节点板的形状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置在靠近节点中心处，以致削弱节点平面外刚度，增加节点平面内的刚度。 根据以往设计经验，斜杆轴线与竖直线的交角以在30一50度范围内为宜。 (4)主桁的中心距 主桁的中心距与桁梁桥的横向刚度有关。为了保证桥梁的横向刚度，主桁的中心距不应小于跨长的1/20. 对于下承式桁梁桥，主桁中心距还必须满足建筑限界的要求；对于上承式桁梁桥，主桁中心距与桁梁桥的横向倾覆的稳定性有关. (

11、5)主桁杆件的截面形式 主桁焊接杆件的截面形式主要有两类：H形截面和箱形截面。 H形截面构造简单，焊接容易，安装方便；截面两轴的回转半径相差较大。适用内力不很大的杆件或长细比相对较小的压杆。 箱形截面对两个主轴的回转半径相近，承受压力方面优于H形杆件，制造时比较费工，焊接变形也较难控制和修整。用于内力较大和长细比较大的压杆或拉一压杆件。 钢桁梁的实际工作状况： 刚性节点的空间结构是高次静不定静结构。可采用空间整体分析方法。常用计算图式的假定-铰接平面结构： 将钢桁梁划分为若干个平面结构，铰接节点，每个平面只承受作用于该平面内荷载的影响。简化计算误差主要表现在下列几个方面： 由于主桁弦杆变形所引

12、起的平纵联杆件的内力。 桥面系的纵、横梁和主桁弦杆的共同作用。 横向框架。 横向框架由横梁、主桁竖杆和横向联结系的楣部杆件所构成。当横梁在竖向荷载作用下梁端发生转动时，竖杆的上端和下端均将产生力矩。在设计竖杆时，应考虑此力矩的影响。 次应力。 主桁各杆件是用高强度螺栓紧固在节点板上，相当于刚性连接，杆端难以自由转动。当主桁在荷载作用下发生变形而节点转动时，连接在同一节点的各杆件之间的夹角不能变化，迫使杆件发生弯曲， 由此在主桁杆件内产生附加的应力，这就是次应力(secondary stress)。 武汉长江大桥，即武汉长江一桥（以下为其一组局部照片）9第二节 桁梁桥构造二、桥面系梁格构造与连结

13、我国铁路下承式各种跨度的栓焊钢桁梁标准设计其桥面系采用统一布置及统一尺寸，见图7.2.2、图7.2.3、图7.2.4纵梁立面铁路桥纵梁的高度一般是其跨度的1/71/810第二节 桁梁桥构造二、桥面系梁格构造与连结纵梁平面11第二节 桁梁桥构造二、桥面系梁格构造与连结纵梁剖面12第二节 桁梁桥构造二、桥面系梁格构造与连结横梁立面铁路桥横梁的高度一般是其跨度的1/41/613第二节 桁梁桥构造二、桥面系梁格构造与连结纵、横梁的连接形式(a)(b)(c)横梁与主桁连接形式(a)(b)(c)14第二节 桁梁桥构造二、桥面系梁格构造与连结纵梁断缝对于跨度大于80m的简支桁梁，一般在跨中的一个节间内应设有

14、纵梁断缝。I活动纵梁I安装时临时连接孔纵梁短伸臂II活动纵梁板铰纵梁短伸臂(a)未设断缝时纵横梁变形(b)设置断缝后纵横梁变形80m80m15第二节 桁梁桥构造三、节点构造钢桁梁的节点既是主桁杆件交汇的地方，也是纵、横联杆件及横梁连接于主桁的地方，它连结位于主桁、纵联、横联三个正交平面内的杆件，构造比较复杂。（一）节点构造形式1.外贴式节点16第二节 桁梁桥构造三、节点构造节点构造形式1.外贴式节点17第二节 桁梁桥构造三、节点构造节点构造形式2. 内插式节点18第二节 桁梁桥构造三、节点构造节点构造形式2. 内插式节点19第二节 桁梁桥构造三、节点构造节点构造形式3.全焊节点20第二节 桁梁

15、桥构造（二）节点的基本要求受力制造、安装和养护各杆件轴线应尽量在节点处交于一点，如有偏心，应计算偏心影响；对于联结系杆件偏心影响不大，可不考虑。所需的连接螺栓个数：主桁杆件应按杆件的承载力计算；联结系杆件按杆件内力计算。杆件进入节点板的第一排螺栓数，可适当少布置几个，以减少杆件的截面削弱。弦杆在节点中心中断时，一般均需添设弦杆拼接板。所有杆件应尽量向节点中心靠拢，连接螺栓应布置紧凑，使节点板平面尺寸小些，也有利于降低节点刚性次应力和增加节点板在面外的刚度。为了加强节点板在面外的刚度、屈曲稳定和抗碰撞能力，必要时得在节点板的自由地段设置加劲角钢或隔板。节点板形状应简单端正，不得有凹角。标准设计的

16、节点板。同一杆件两端的螺栓排列应尽量一致。应避免不同平面内的栓钉钉头发生冲突。所有工地安装螺栓的位置，均应考虑施工时螺栓扳手工作的空间。节点内不得有积水、积尘的死角及难于油漆和检查的地方。21第二节 桁梁桥构造四、联结系构造（一）纵向联结系22第二节 桁梁桥构造四、联结系构造（一）纵向联结系23第二节 桁梁桥构造四、联结系构造（一）纵向联结系制动联结系24第二节 桁梁桥构造四、联结系构造（一）纵向联结系图7.2.17 下平纵联上板铰示意图25图7.2.18 桥门架与横联的几种图式第二节 桁梁桥构造四、联结系构造（一）横向联结系(a) 上承式(b) 下承式26第三节 桁梁桥的计算一、概述桁梁桥是

17、由主桁架、平纵联、横联和桥面系组成的空间结构。空间桁架的结构分析，主要可分为两类。第一类方法是把桁架作为空间杆系结构，按结构矩阵分析的方法进行。第二类方法是把空间桁架转换成薄壁闭口截面梁，按弯曲扭转的结构进行分析简化计算方法桁梁桥的简化计算方法是把钢桁梁的杆件内力分析分为两步进行：第一步，把刚性节点的空间结构分解为纵梁、横梁、主桁、纵联、横联这样一些独立的平面结构分别进行计算，并假定各节点为铰接的。各平面结构只承受作用于该结构平面内的荷载，两个平面结构共有的杆件的内力按两个平面结构分别计算出的内力叠加。第二步，采用近似方法计算在第一步中没有考虑的节点刚性和结构空间作用的影响。一般把第一步按铰接

18、平面结构算出的应力称为主要应力或主应力，而把第二步考虑节点刚性与结构空间作用影响算出的应力称为次应力。27第三节 桁梁桥的计算一、概述图7.3.1 荷载作用下钢桁梁实际工作状况(1+)Nk Nk k(1+)Nkk28设计活载的比值。第三节 桁梁桥的计算二、主桁架的计算（一）永久荷载计算1、根据已有设计资料估算桁梁自重；2、根据理论公式计算桁架自重(二) 活载内力计算1、活载发展系素的考虑在铁路钢桥设计中，为了保证在较长时期内能适应机车车辆载重量增大的需要，设计时应在现今使用的列车活载基础上预留一个发展系数。可采取二种方法：(1) 使计算活载等级大于现行运行列车的活载等级;(2) 使设计容许应力

19、低于实际容许的应力。我国现行铁路桥规的钢桥设计采用后一种方法。设计容许应力究竞降低多少才合理主要考虑的因素有：(1) 钢桥合理使用年限（即设计基准期，一般为l00年）；(2)活载的增长速度；(3)考虑应力储备所需附加投资的有效利用。在我国将钢桥所用钢材的设计容许应力按实际容许应力(通常称为检定容许应力)降低20%。 240 200预留的活载发展系数：实际上能承担更高等级的活载(通常称为检定活载等级)与= =Nkn= =1.2Nd L A=A+nNNd +nNL A =(Nd + NL)(Nd L d = +( 1) Ndi =1+(1 )(amax ai) 带入 =1.2 得i =1+ (am

20、ax ai)29第三节 桁梁桥的计算(二) 活载内力计算 1、活载发展系素的考虑Nd + NL A 240200 =钢桁梁桥中某根杆件的恒载内力为Nd；设计活载内力为 NL，在设计活载和检定活载作用下该构件应满足：+ N ) NNL NLn = +( 1)a对同一座桥中的不同构件，由于a值是不相等的，则n值也不同， n min n i n max 。n值小，杆件能承受的活载潜力也小些，故整个钢桁梁桥活载通过能力将由n最小的杆件控制，而所有n较大的那些较强杆件的潜力均不能充分利用。这显然是不合理的。解决这一矛盾的有效办法是将所有较弱构件的设计活载内力人为提高 倍，使各件的安全度相一致，达到与最强

21、杆具有同等的检定等级,即做到ninmax 。Ndi +iniNLi =A =A =(Ndi + NLi)ni =i +( 1)ai又根据nmax = +( 1)amax 和 ni = nmax 得161i 称为活载发展均衡系数30第三节 桁梁桥的计算(二) 活载内力计算桁架梁的弦杆、斜杆、竖杆及支座反力均需按照影响线计算最大荷载，影响线面积计算见图7-3-2；要考虑车辆及人群荷载的横向分布系数mc和m人 ；考虑车辆活载对桥梁的动力作用的冲击系数(1+ )。主桁材件内力N= Np+ Nk其中：恒载所产生的内力活载所产生的内力Np= ppNk= c(1+) mckk+ m人p 人kDM31第三节

22、桁梁桥的计算三、桥面系计算计算原则：将纵横梁分别按简支梁计算内力，对支点弯矩进行调整 。（一）纵梁内力计算桥规规定：纵梁跨中弯矩及支点反力可按简支梁计算；纵梁支点负弯矩则按跨中弯矩的0.6倍计算。(二) 中间横梁的内力计算桥规规定横梁近似按简支梁计算，跨度等于主桁中心距（三）端横梁(起重横梁)的内力计算端横梁采用与中间横梁相等的截面，一般内力不必检算；铁路桥规规定：起重横梁所受荷载按起顶重量P超载30%计算DD1.3PDDDDaDaD-+弯矩图剪力图B32第三节 桁梁桥的计算三、桥面系计算（四）纵梁与横梁的连接计算有承受支点弯矩的板件时：竖向角钢上承受支点反力的螺栓数要比按简支梁反力算出的数字

23、增加10。无承受支点弯矩的板件时：竖向角钢上承受支点反力的螺栓数，在纵梁腹板上的按简支梁反力增加20；在横梁腹板上的按简支梁反力增加40（五）横梁与主桁的连接计算有承受支点弯矩的板件时：竖向角钢上承受支点反力的螺栓数要比按简支梁反力算出的数字增加10。无承受支点弯矩的板件时：竖向角钢上承受支点反力的螺栓数，在横梁腹板上的按简支梁反力增加10；主桁上的连接螺栓数：单线桥增加20%；双线桥及公铁两用桥应根据实际支点反力与支点弯矩的大小，通过计算确定。33第三节 桁梁桥的计算四、节点计算（一）杆件的连接计算1. 杆端连接螺栓个数的计算：主桁杆件按杆件的承载能力计算；主桁腹杆可按1.1倍的杆件内力与7

24、5的杆件净面积强度较大值进行计算；对联结系按杆件内力N计算。（二）节点的强度检算34第三节 桁梁桥的计算（二）节点的强度检算1. 节点板撕破强度的检算节点板的撕破强度应较被连接杆件至少大10，撕破截面的容许应力为：垂直于被连接杆件轴线的截面为基本容许应力s ；斜交或平行于被连接杆件轴线的截面为0.75s沿图示1-2-3-4、1-2-3-5、1-2-3-6-7截面撕破2. 节点板中心竖直截面的法向应力和剪应力检算检算所受剪力较大的7-7截面。根据平衡条件求该截面的法向力N和剪力Q，按偏心受力构件验算。3.腹杆与弦杆间节点板水平截面的法向应力与剪应力检算检算所受剪力较大的9-9截面。根据平衡条件求该截面的剪力T，计算剪应力和偏心力矩引起的法向应力。35第三节 桁梁桥的计算五、联结系的计算（一）纵向联结系的计算计算杆件内力时，可将简支桁架桥的纵向联结系当作水平放置的简支铰接桁架计算下36第三节 桁梁桥的计