钢桥设计基本知识钢桁架梁桥

钢桥设计基本知识钢桁架梁桥第1页，课件共72页，创作于2023年2月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。第2页，课件共72页，创作于2023年2月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。第3页，课件共72页，创作于2023年2月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。第4页，课件共72页，创作于2023年2月第5页，课件共72页，创作于2023年2月第6页，课件共72页，创作于2023年2月第7页，课件共72页，创作于2023年2月第8页，课件共72页，创作于2023年2月第9页，课件共72页，创作于2023年2月第10页，课件共72页，创作于2023年2月第11页，课件共72页，创作于2023年2月第12页，课件共72页，创作于2023年2月桥面系由纵梁、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(webmember)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(gussetplate)及高强螺栓连接各主桁杆件。第13页，课件共72页，创作于2023年2月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。第14页，课件共72页，创作于2023年2月

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；第15页，课件共72页，创作于2023年2月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(portalbracing)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。第16页，课件共72页，创作于2023年2月第17页，课件共72页，创作于2023年2月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（1/5~1/6.5）L（1/7∼1/10）L（1/5.5∼1/8）L上承式（1/7∼1/8）L（1/8∼1/10）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。

1、主桁高度第18页，课件共72页，创作于2023年2月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3~6m，下承式

桁架的节间长度一般为6~10m，跨径较大的下承式桁架节间可达12~15m。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。第19页，课件共72页，创作于2023年2月第20页，课件共72页，创作于2023年2月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8~10%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1/7~1/8,

支座处可适当加高。

2、悬臂桁梁锚跨锚跨组合跨

悬跨

铰•一般伸臂长与锚跨之比为1/4~1/3

；•组合跨与锚跨之比按1.1~1.4为宜•对于挂梁及锚梁的跨中部分高度约为跨度的1/6.5~1/7第21页，课件共72页，创作于2023年2月7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、联结系构造第22页，课件共72页，创作于2023年2月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。第23页，课件共72页，创作于2023年2月

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5．5—12m，或为桁高的0．8—1．2倍。

第24页，课件共72页，创作于2023年2月(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第25页，课件共72页，创作于2023年2月主桁的主要尺寸: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5.5—12m，或为桁高的0.8—1.2倍。

第26页，课件共72页，创作于2023年2月(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.

第27页，课件共72页，创作于2023年2月(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。第28页，课件共72页，创作于2023年2月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。第29页，课件共72页，创作于2023年2月第30页，课件共72页，创作于2023年2月简化计算误差主要表现在下列几个方面：①由于主桁弦杆变形所引起的平纵联杆件的内力。②桥面系的纵、横梁和主桁弦杆的共同作用。③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。第31页，课件共72页，创作于2023年2月

④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(secondarystress)。

第32页，课件共72页，创作于2023年2月武汉长江大桥，即武汉长江一桥（以下为其一组局部照片）第33页，课件共72页，创作于2023年2月第34页，课件共72页，创作于2023年2月第35页，课件共72页，创作于2023年2月第36页，课件共72页，创作于2023年2月第37页，课件共72页，创作于2023年2月9第二节

桁梁桥构造

二、桥面系梁格构造与连结

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1/7~1/8

第38页，课件共72页，创作于2023年2月10第二节

桁梁桥构造

二、桥面系梁格构造与连结纵梁平面第39页，课件共72页，创作于2023年2月11第二节

桁梁桥构造

二、桥面系梁格构造与连结纵梁剖面第40页，课件共72页，创作于2023年2月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1/4~1/6

第41页，课件共72页，创作于2023年2月13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)第42页，课件共72页，创作于2023年2月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纵梁断缝。I

活动纵梁I安装时临时连接孔

纵梁短伸臂I

I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

≤80m≤80m第43页，课件共72页，创作于2023年2月15

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.外贴式节点第44页，课件共72页，创作于2023年2月16第二节

桁梁桥构造

三、节点构造－节点构造形式

1.外贴式节点第45页，课件共72页，创作于2023年2月17第二节

桁梁桥构造

三、节点构造－节点构造形式

2.

内插式节点第46页，课件共72页，创作于2023年2月18第二节

桁梁桥构造

三、节点构造－节点构造形式

2.

内插式节点第47页，课件共72页，创作于2023年2月19第二节

桁梁桥构造

三、节点构造－节点构造形式

3.全焊节点第48页，课件共72页，创作于2023年2月20第二节

桁梁桥构造

（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。第49页，课件共72页，创作于2023年2月21第二节

桁梁桥构造

四、联结系构造

（一）纵向联结系第50页，课件共72页，创作于2023年2月22第二节

桁梁桥构造

四、联结系构造

（一）纵向联结系第51页，课件共72页，创作于2023年2月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第52页，课件共72页，创作于2023年2月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第53页，课件共72页，创作于2023年2月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)

下承式第54页，课件共72页，创作于2023年2月26第三节

桁梁桥的计算

一、概述

桁梁桥是由主桁架、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。第55页，课件共72页，创作于2023年2月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第56页，课件共72页，创作于2023年2月(1+μ)Nk'

Nk'

σk'(1+μ)Nkσk28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%。

[σ]'

240

[σ]

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=第57页，课件共72页，创作于2023年2月=

=1.2⎩Nd

L

≤[σ]

A=ζ[σ]A+nNNd

+nNL

≤[σ]

A

=ζ(Nd

+

NL)[ζ(Nd

L

d]

=ζ

+(ζ

−1)

Ndηi

=1+(1−

)(amax

−ai)

带入ζ

=1.2

得ηi

=1+

(amax

−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

≤[σ]A⎨

'240200[σ]'

[σ]ζ

='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

)−

N

NL

NLn

==ζ

+(ζ

−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

η

倍，使各件的安全度相一致，达到与最强杆具有同等的检定等级,即做到ni＝nmax

。Ndi

+ηiniNLi

=[σ]'A

=ζ[σ]A

=ζ(Ndi

+

NLi)ni

=ζηi

+(ζ

−1)ai又根据nmax

=ζ

+(ζ

−1)amax

和

ni

=

nmax

得16

1

ζηi

称为活载发展均衡系数第58页，课件共72页，创作于2023年2月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+

μ)。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=

pΩpNk=

ηc(1+μ)

mckΩk+

m人p

人Ωk第59页，课件共72页，创作于2023年2月DM31第三节

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DD1.3PDDDD

aDa

D--+弯矩图剪力图B第60页，课件共72页，创作于2023年2月32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。第61页，课件共72页，创作于2023年2月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75％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）节点的强度检算第62页，课件共72页，创作于2023年2月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0.75[s]

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