钢桥读书笔记

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土木与交通学院2023级土木工程4班

钢桥的特点与类型

钢桥，指桥梁上部结构的主要承重部分用钢材制成。钢材因材料匀质，在营运中钢构件的实际应力与计算值较接近，所以长期来看，钢桥较混凝土桥梁更为安全可靠，另外钢桥还有建桥速度快，使用寿命长，易于更换和修复等优点；与此同时，钢桥对温度以及动载都较为敏感，在长期可变荷载作用下，可能导致结构部分构件发生疲乏破坏；此外，钢材易受大气侵蚀，易生锈，所以钢桥的养护费用较其他材料的桥梁多。总体来说，钢桥具有较多优点可以应用于大中小跨径桥梁中，并且是特大桥梁的不二之选。

钢桥依照力学体系分类分为梁、拱、索三大基本体系。梁式体系以承受弯矩为主，拱式体系以承受压力为主，悬索体系以承受拉力为主。将梁、拱、索三大基本体系进行结构的组合，又出现有组合特点的其他桥型，如斜拉桥等。

钢梁桥

钢梁桥的基本力学体系有简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥；钢梁常用的截

面形式有：钢板梁、钢桁梁和钢箱梁。

普通焊接钢板梁一般由上翼板、腹板和下翼板三块钢板焊接而成，为防止腹板失稳，一般需要设置横向加劲肋和纵向加劲肋。主梁要求有足够的强度和刚度，寻常主梁以截面应力控制设计时的用钢量比以刚度控制设计的用钢量要省，为了有效地发挥钢材的作用和节省钢材，主梁设计应当尽可能采用以截面应力控制设计。

钢桁梁桥的主梁是由位于多个平面内的钢桁架连接形成整体空间结构，来承受荷载作用的空腹式受弯结构。同实腹梁相比，当跨径较大时，桁式主梁具有刚度大、通透性好、用钢量省、制造运输及拼装便利等特点。桁梁桥由主桁、联接系、桥道系组成。

桁梁桥的计算方法主要分为两大类：空间桁架计算方法和平面桁架计算方法。其中空间桁架的结构分析，主要分为两类：第一类是把桁架作为空间杆系结

构、按结构矩阵分析的方法进行；其次类是把空间桁架转换成具有等价板厚的薄壁闭口截面梁，按弯曲扭转理论进行计算。目前国内外工程界比较普遍采用的方法是利用电算软件进行整个上部结构的空间内力计算，这样，不仅主桁架，而且被认为次要的中间横联和上下平联也能够获得比较合理的设计，有利于促进结构设计的合理化。

平面桁架计算是一种简化计算方法，是将钢桁梁的杆件内力分析分为两步进行：第一步，将空间桁架分成若干个平面，按纵梁、横梁、主桁架、上下平联、横向联结系等结构分别进行计算，将平面桁架内各杆件轴线形成的几何图形作为该桁架的计算图式，并假定各节点为铰接。其次步，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。在设计杆件截面时，根据其影响的大小，有区别地将这部分加以考虑。一般把第一步按铰接平面结构计算出的应力称为主要应力而把其次步考虑节点刚性和结构空间作用影响算出的应力称为次要应力。

箱形截面梁桥指其主梁为薄壁闭合截面形式的梁桥。当跨径较大，采用箱型梁梁桥的形式较为合理。钢箱梁的组成部分主要是：顶、底板，腹板和加劲构件。箱形截面梁的顶板用作钢桥面板，如仅按强度计算，所需厚度仅为5~6mm厚的钢板即可，但薄钢板刚度过小，在轮重作用下易产生过大的变形，因此一般用厚度不小于10mm的钢板，同时钢板下面还要用密布的纵肋及垂直于纵肋的、分布较疏的横肋来加劲。这种顶板称为正交异性钢桥面板，其具有很高的承载能力。

钢箱梁在力学分析中属于弹性薄壁杆件，箱梁在偏心荷载作用下的变形与位移，可分成四种基本状态：纵向弯曲、横向弯曲、扭转及畸变。一般来说，箱梁对称挠曲的纵向弯曲应力是主要的，而偏心荷载引起的扭转应力是次要的。假使箱壁较厚，并沿梁的纵向布置有足够数量横隔板，能够限制箱梁的歪扭变形，则畸变应力也不大。

钢拱桥

钢拱桥由于自重轻、水平推力相对较小，结构表现力丰富；同时，强度相

对高，而刚度相对较弱，所以结构形式多样，构造各有差异，有上、中、下承式桥，拱梁组合，提篮拱，单片拱，管拱等。

钢拱桥一般均属于肋拱桥。拱肋是结构的主要承重构件，一般都需要承受

较大的轴向压力。钢拱肋的截面形式有桁架式、管形和箱形。桁架式拱肋的特点在于能够采用较小的材料截面取得较大的纵横向抗弯刚度，且杆件以受轴向力为主，能够发挥材料的特性。与箱形拱肋相比，桁架式拱肋减轻了自重，使拱桥具有更强的跨越能力，而且桁架式拱肋具有每个节间杆件能够灵活地改变截面和钢种的特点。

钢桁拱桥的桁架布置形式是丰富多彩的，在大跨度拱桥中，常见的形式有P、W、K式和再分式桁架等。总的来说，三种布置形式对上下弦杆的受力基本上没有影响，但腹杆受力差异较大：K式桁架与P式桁架相比，竖杆和斜杆的自由长度均减半，有利于受压杆件的稳定，同时竖杆和斜杆的轴力也相应减小；W式桁架的竖杆分担到的轴力很小，其作用仅是在节间较宽时将吊杆力传递给上弦杆和斜杆的相交的节点上，因此不同于P式桁架，其界面尺寸可以尽量降低，杆件发生失稳的可能很小。对斜杆受力而言，三种形式中K式桁架的斜杆受力最小，P式和W式相差无几。综上所述，单从力学性能来讲，K式桁架是大跨桁架拱桥的最好选择，终究大跨桁架桥中单根杆件的长度均很大，受压杆件的稳定往往控制设计。

总的来看，在力学性能方面，K式桁架为最好的选择；从经济性能方面，W式桁架用钢量最小；在构造、施工、及美学方面，P式桁架最具有优势。

悬索桥

传统外锚式悬索桥的上部结构，有主缆、索塔、加劲梁和吊索组成，下部

结构由支撑索塔的桥墩、锚固这主缆的锚碇组成。外锚式悬索桥具有合理的受力形式，其传力顺序为：各类荷载作用效应直接作用与加劲梁，由吊索传递给主要承重结构——主缆，再传至锚碇级桥墩。传力途径简捷，明确。作为悬索桥主要承重结构的主缆只承受拉力，并且全截面受力均匀，可以充分发挥钢材的特性，因而跨径越大，利用效率越高，材料花费越少，造价越低，并且主缆不会受疲乏应力控制。

悬索桥的结构特性要点主要有：跨度比，主缆矢跨比，宽跨比，加劲梁高跨比与高宽比等。悬索桥主缆的矢跨比，是指主缆在主孔内的垂度和主孔跨度的比值。主缆的矢跨比一般都在1/9—1/12之间。矢跨比与主缆拉力和塔承受的压力呈反比。矢跨比与塔的高度有直接影响，它们呈正比关系。钢桥塔的用钢量随

矢跨比的增加而增加，但全桥总用钢量将随矢跨比的加大而略有降低。

梁体越宽，梁体横向挠曲刚度越大，可以十分有效地较少边跨梁体的横向最大挠角，以及减少主跨梁体的横向最大挠角，但对主梁的横向最大挠度减小不是很显著。目前的大跨径桥梁，特别是采用扁平钢箱梁的大跨悬索桥和斜拉桥，为增加抗风稳定性，在箱梁风嘴外侧再增加挑板或在中央分隔带加宽并透风，从表面上来看是增加了梁宽和结构的横向刚度，但实际上主要目的是改善加劲梁的气流条件，增加结构的抗风稳定性。

作用在悬索桥上的荷载，有静载、活载、风荷载、地震力、温度变化等。设计计算时，一般把它们分成三个方向独立的荷载，即铅直面内荷载、横向荷载和扭转荷载。对包括塔、缆索、桥台、加劲梁等整个结构组成的计算模型的动力设计计算，一般采用以有限位移理论为基础的空间非线性有限元程序计算。

竖直荷载下分析方法主要有：（1）弹性理论，其核心是：不考虑结构体系变形对内力的影响，通过建立结构力学方法方程来求解超静定结构的各项内力。其在加劲梁内力方面的计算误差就无法忽略，往往跨径越大、加劲梁内力计算值就越大。弹性理论只适用于跨度小于200m的悬索桥设计之用，由于它不能考虑恒载初内力及位移非线性影响。（2）挠度理论：其先进性表达于考虑了主要承重结构主缆的变形对结构内力的影响。（3）有限位移理论：应用有限位移理论的矩阵位移法，可综合考虑体系节点位移影响、轴力效应，把悬索桥结构非线性分析方法统一到一般非线性有限元法中，是目前普遍采用的方法。此理论无需挠度理论那些假设，其可处理任意的结构形式和边界条件及任意的初始条件，计算确切。

水平荷载下分析方法：横桥向的水平荷载作用于悬索桥时，荷载分派在主缆与加劲梁上，再传到塔及支点。在水平荷载作用下，主缆与加劲梁的荷载分派状况，决定于主缆的刚度与纵向联结系的刚度。主缆的刚度与主缆的拉力成正比，与主缆长度的平方成反比。而纵向联结系桁架的刚度与水平弯曲的惯性矩成正比，在简支桁架的状况下与跨长的4倍成反比。

钢斜拉桥

钢斜拉桥静力分析基本过程大致可分为以下四步：

第一步：选择主梁、索塔的形式以及构造尺寸，确定恒载的大小。其次步：确定成桥的理想状态，即确定成桥阶段索力、主梁的内力、位移和

桥塔的内力。在这一步骤中，必需选择恒载弯矩的初步分布，即给出最小恒载弯矩分布，并根据初步计算的轴力，确定各控制截面所能承受的正、负弯矩。通过对恒载弯矩分布与截面所能承受的正、负弯矩比较，调整结构尺寸，给出修正后的最大、最小弯矩曲线。

第三步：依照施工过程、方法和计算的需要划分施工阶段，确定计算图式。第四步：计算确定施工阶段的理想状态，经过屡屡反复试算，确定斜拉索的初始张拉力，才可以达到成桥阶段的理想状态。

斜拉桥在设计方面的自由度很大，其荷载主要是依靠主梁，桥塔和斜拉索分担，合理地确定各构件分担的比例是十分重要的，直接关系到斜拉桥的经济性能。

斜拉桥的动力问题：由于斜拉桥结构便捷纤细，在车辆运行、地震和风力作用下，必然会引起种种振动现象。一般来讲，对斜拉桥进行动力分析有三方面问题：一是抗风，二是抗地震，三是行车行人的不适感。

所谓抗风，就是尽力提高结构的动力性能，使其发生危害的临界风俗大于桥址处可能出现的最大风速，从而避免斜拉桥被风摧毁。风力对斜拉桥抗风设计影响最大的是竖向弯曲振动和弯扭联合振动。横向振动是空气作用力和结构物反应间存在相位差而产生的一种发散性振动，常易导致桥梁破坏。为避免出现这种状况，应使结构物的临界风速高于设计风速。

斜拉索的振动问题，斜拉索的振动，严重影响到桥梁的安全运营。拉索振动会引起拉索端部接头部分出现疲乏现象，在索锚结合处产生裂纹，破坏拉索的防腐系统，严重的还会引起拉索的失效。拉索的疲乏和腐蚀是两个联系密切的现象，拉索的频繁