第九讲钢桥桥面结构与防护

23:221主要内容和课时安排（二）●钢桁架桥桁架桥分类、特点、构造及其作用（2学时）主桁设计原理与强度验算（2学时）主桁节点拼接和撕裂强度验算（2学时）钢桥抗疲劳设计（2学时）钢桥剩余寿命评估（2学时）●钢桥桥面结构与防护（2学时）●钢桁梁架设和常备钢结构（2学时）23:222钢桥的疲劳疲劳基础知识现状疲劳研究理论抗疲劳设计23:223疲劳研究的实质问题对疲劳问题的研究实际上就是对裂纹的研究，包括研究裂纹出现的时间（裂纹萌生寿命）、裂纹扩展的规律、裂纹的检测与控制以及裂纹扩展到临界裂纹的时间（剩余寿命）等等。23:224直接更换疲劳退化桥梁耗资巨大，而且大量的构件试验和老桥实例都表明：维护得较好的桥梁会在保障安全运营的同时具有超过设计预期的剩余寿命。在出现疲劳裂纹后结构可能还有20-80％的剩余寿命，继续使用这些桥梁会带来很大的经济效益。23:225疲劳曲线的数学表达式S与N的数学关系，目前提出下列几个公式：指数函数公式：,其中a和c是两个待定常数，对上式两边求导可得到：这就是半对数公式2，幂函数公式：其中a和c也是朗格待定常数。两边求导数得到：23:226平均应力的影响

平均压应力是有利的，它使疲劳寿命提高。如下图：

S

0N

平均应力对疲劳寿命的影响为压应力为0时为拉应力23:227断裂韧性和判断依据

断裂韧性：（只和材料本身特性有关）23:228断裂韧性和判断依据判断裂纹体是否会发生脆断，判断依据为：

23:229传统抗疲劳设计其中为疲劳容许应力，由疲劳细节查规范表格确定。轴心受拉构件需满足：23:2210各国规范中的细节分级23:2211钢桥疲劳寿命评估基础知识：韧性、裂纹和断裂力学疲劳寿命评估方法

断裂实例分析23:2212应用已知应力，材料，确定结构安全的最大裂纹长度已知裂纹长度，材料，确定结构安全的最大应力23:2213已知应力，裂纹长度，确定结构安全的材料断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等大型零件的重要性能指标。23:2214钢桁架桥的疲劳寿命评估方法S－N疲劳曲线法损伤容限法（断裂力学法）概率断裂力学方法（可靠度+断裂力学）23:2215S－N疲劳曲线法23:2216疲劳曲线材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。疲劳极限23:221723:2218应力历程的形成23:2219雨流计数法23:2220结构工作应力谱（年）23:2221剩余寿命评估计算年损伤寿命线性累积损伤理论+应力谱+S-N曲线评估剩余寿命扣除已用年限23:2222线性累积损伤准则（Miner准则）线性累积损伤原则认为，损伤率之和等于1，即表示构件或连接破坏。23:2223线性累积损伤准则（Miner准则）23:2224由年应力谱推出年寿命损失：总疲劳寿命：N=1/Di剩余寿命：N-NaNa为已使用年限剩余寿命评估23:2225损伤容限法评估剩余寿命的基本流程

23:2226断裂时作用次数计算临界裂纹长度初始裂纹长度荷载作用次数和裂尖应力剩余寿命裂纹扩展规律23:2227疲劳裂纹扩展速度在等幅循环应力条件下，∆σ不变，根据不同的裂缝长度可以估算出不同的，然后将da/dN-∆K对应数据，在双对数坐标纸上，会出下图所示的图形。

da/dN

ⅠⅡⅢ∆K23:2228ABCIIIIII10-8~10-6mm/cyc10-5~10-2mm/cycK=KIC23:2229疲劳裂纹扩展速度该曲线可以近似的用三段直线来表示。这样就可以将该曲线分为三个区段：Ⅰ区：直线很陡，将直线线向下延伸，∆K有一个界限值，在此界限值以下，看不出裂纹扩展，这个界限出现在裂纹扩展速度为m/周或每小时，在界限值下裂纹为非扩展性裂纹，称为界限应力强度因子幅度，或应力强度因子门槛值。它常常对应于要求无限寿命的情况。23:2230疲劳裂纹扩展速度Ⅱ区：lg（da/dN）与lg（∆K）基本上成线性关系这就相当于应用最广泛的帕里斯裂纹扩展公式：

C和m由材料决定Ⅲ区:是疲劳的快速扩展阶段，当裂纹尖端的应力强度因子达到材料的断裂韧性时，试样就会发生断裂。23:2231裂尖应力应变场小范围屈服下的应力应变场及K准则时，构件断裂，称为准则

23:2232大范围屈服下的应力应变场及J积分

裂尖能量释放率J积分J准则：当时构件断裂23:2233Paris裂纹扩展公式23:2234Paris公式应用可以计算每次应力循环完成后裂纹扩展量ai可预测经过已知的应力循环次数后的裂纹长度。可以计算出初始裂纹裂纹在已知荷载作用下扩展到临界裂纹的作用次数n，即为剩余寿命。23:2235存在的问题疲劳荷载模型初始裂纹尺寸断裂力学分析模型（裂尖应力难确定）裂纹扩展速率的准确性23:223623:2237彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；连接桥梁、桥面和拱架的拉索、锚具和镏片严重锈蚀。工程质量问题坍塌原因有二，一是工程质量问题，二是工程承发包不合法。此工程无设计专用章，设计手续不全，实际上是私人设计；施工承包者是一个挂靠国有的个体业主，其组织的施工队伍不具备进行市政工程建设的技术力量和设备，不具有合法的市政工程施工资质。调查组结论23:2238

23:2239三向应力裂纹脆化结构脆性断裂23:2240钢桥桥面结构与防护桥面结构自重往往在钢桥的总设计恒载中占有很大的比重，减轻桥面结构重量对于减轻钢桥恒载、提高跨越能力和经济效益有很大的意义。在大跨度桥梁中，通常采用钢桥面等轻型桥面系结构。23:2241公路钢桥桥面

公路钢桥桥面主要由桥面板和桥面铺装组成，是直接承受桥上车轮荷载并且把它传递到桥道梁或主梁的主要结构。公路钢桥桥面板通常采用：①钢筋混凝土桥面板(RC桥面板，reinforcedconcreteslab；②预应力混凝土桥面板(PC桥面板，prestressedconcreteslab)；③钢桥面板(steeldeckslab)或称正交异性钢桥面板(orthotropicsteelplatedeck等结构形23:224223:2243桥面板组成

钢桥面板由顶板和纵横加劲组成，既作为桥面直接承受车轮荷载，又是主梁上翼板的一部分。钢桥面板自重轻，同时可以提高主梁的刚度，减小主梁高度，是大跨度桥梁和主梁高度受到限制时常采用的结构形式。

RC及PC桥面板通常采用现场浇注。为了缩短工期，PC桥面板也有采用预制装配方式。RC及PC桥面板造价低，施工较容易，是中小跨径钢桥采用最多的结构形式。23:2244特殊桥面—钢制格栅

对于吊桥和斜拉桥，为了提高抗风性能，有时还设置部分钢制格栅(grating)桥面。钢制格栅桥面可以使风从桥面通过，但不能承受车轮荷载，通常布置在不承受活载的桥面分隔带等位置。23:2245桥面铺装桥面铺装也称桥面保护层，它是车轮直接作用的部分。桥面铺装的作用在于提供车轮足够的摩擦力、防止车辆轮胎或履带直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水侵蚀，对车辆轮重的集中荷载起分布作用。桥面铺装要求有足够的摩阻系数和强度，防止开裂并保证耐磨性。23:2246钢桥桥面铺装钢桥桥面铺装主要有水泥混凝土和沥青混凝土两种形式。水泥混凝土铺装刚性大、造价低、耐磨性能好，但是它容易开裂，摩擦系数小，修补麻烦，仅适合于重载交通的小跨径桥梁。常用的沥青混凝土铺装有：

普通热拌混合沥青

透水性沥青混凝土

高温拌和浇注式沥青混凝土(GussasPhalt)

改性沥青SMA(StoneMasticAsphalt)

沥青马蹄脂混合料(Masticasphalt)

环氧沥青(EPoxyAsphalt)等。23:2247沥青铺装

沥青混凝土铺装造价较高、易老化和变形，但是它摩擦系数大、重量轻、柔性好、振动小，而且维修养护方便，较适合于较大跨径桥梁的桥面铺装。普通热拌混合沥青仅适合于RC或PC桥面板铺装。透水性沥青混凝土是近几年开始采用的高性能铺装材料，造价较高，但它透水性能好、耐磨性能好、摩擦系数大、强度高，特别适合于多雨地区RC或PC桥面板铺装，在日本已经开始被广泛采用。玛蹄脂沥青和环氧沥青混凝土造价高，但它的粘结性和韧性好，主要用于刚度较小、对铺装要求较高的钢桥面铺装。23:2248桥面铺装厚度钢桥RC或PC桥面板的铺装层厚度，热拌混合沥青混凝土通常为5—8cm，玛蹄脂沥青混凝土为5—6cm，透水性沥青混凝土为7—9cm。钢桥面通常采用高温拌和浇注式沥青混凝土、改性沥青、玛蹄脂沥青或环氧沥青混凝土铺装，当钢桥面为焊接时铺装层厚度通常为5—6cm，钢桥面为螺栓连接时铺装层厚度要加厚到为7—8cm。而且，为了保证钢桥面板和桥面铺装形成一个整体，钢桥面板通常要进行表面处理或采取其他措施。人行道可以采用沥青表面处理或铺装层厚为2—3cm的沥青混凝土。对于钢桥面人行道板，可以采用厚度为2—5mm的彩色环氧沥青混凝土铺装。23:2249铁路钢桥桥面铁路桥桥面有明桥(openfloor)和道碴桥面(solidfloor)两种形式，不设桥面铺装.但要设防水层。23:2250铁路明桥面的一般构造23:2251明桥面的一般构造明桥面没有道碴，主要由桥枕、护木、正轨及护轨等组成.桥枕(sleepertie)直接设置在主梁或纵梁上，当主梁间距为2m时，桥枕尺寸一般采用200mmX240mmX3000mm，将24cm竖放，使有较大的抵杭弯矩的能力。桥枕下刻槽，搁于主梁上，用钩螺栓与主梁上翼缘扣紧，以免行车时桥枕跳动，桥枕间的净距，不宜超过210mm.23:2252明桥面的一般构造桥面除正轨外.还设有护轨、护轨两端应延伸到桥台以外一段距离.并弯向轨道中心.在桥枕两端设有护木.用螺拴与桥枕连牢，护木的作用是固定桥枕之间的相对位置.明桥面结构简单，是铁路桥最常采用的桥面形式.为了便于检修，轨道两侧通常还需要设置检修人行道。23:2253道碴桥面

位于坡陡弯急线路上的桥梁，如果仍采用明桥面，将给桥上线路的铺设及养护增添不少困难，这时宜用道碴桥面。铁路桥道碴桥面，有RC或PC桥面、钢桥面和梁格系桥面等形式。梁格系桥面形式，通常在桥面系梁格上设置波纹钢板，道碴填充于钢板上。道碴桥面由于有道碴，可以减小噪音和便于维修。但道碴桥面自重大，通常用于通过城市或住宅较密集地段的铁路桥梁。23:225423:2255桥面系梁格衍架桥、拱桥和下承式梁桥等，通常设置横梁(floorbeam)和纵梁(stringer)，把桥面板荷载传递到衍架节点或拱肋及系梁节点。横梁和纵梁在平面上通常布置成梁格的形式，为桥面梁格系，用于支承桥面板。23:225623:2257纵梁与横梁的连接纵梁与横梁的连接有两种形式。纵梁在横梁处断开，梁端与横梁连接。纵梁连接通过的结构形式，纵梁支承于横梁上。主梁、横梁和纵梁顶面在同一高度时，与桥面板共同作用较好，可以提高桥梁的整体刚度。23:2258横梁与主梁的连接根据桥梁结构和主梁空间，有以下几种方式：

①横梁直接支承于主梁上(上承式)；

②横梁位于主梁中间；

③横梁设置于主梁下端(下承式)；

④横梁由吊杆直接悬吊于主梁之下(下承式拱桥)；

⑤由立柱把横梁支承于主梁之上。23:2259RC桥面板23:2260钢箱梁桥RC桥面板23:2261梁端桥面板由于端横梁与梁端间有一定距离，梁端部的桥面板为悬臂结构。而且，梁端由于伸缩缝、桥面高差和梁端转角等原因，车轮荷载容易产生冲击作用。所以，梁端桥面板必须加强。通常，采用增加梁端桥面板板厚和加强配筋的方法提高桥面板的承载力。当梁端桥面板悬出部分过大，增加桥面板板厚不能满足要求时，可以设置端托架方法减小梁端桥面板的受力，这时，端横梁与端托架等，必须能够独立地承担车轮荷载。

23:226223:2263钢桥RC桥面板特点钢桥的钢筋混凝土桥面板的强度和裂缝宽度限制比钢筋混凝土桥梁更高，原因如下：

(1)桥面板直接承受车轮荷载作用和车轮荷载的冲击作用，桥面板的活载占总设计荷载的比例较大，容易产生疲劳破坏。

(2)钢桥的刚度一般比钢筋混凝土桥梁小，桥面板的受力较复杂。特别是为了减小桥面板跨径在主梁与主梁之间设置刚度较小的纵梁时，主梁与纵梁刚度差别较大，使桥面板受力不均匀。23:2264钢桥RC桥面板特点(3)桥面板厚度与钢筋混凝土主梁梁高相比很小，截面尺寸的误差对桥面板承载能力的影响较大。

(4)桥面板直接承受超重车辆的车轮集中荷载，使得桥面板承受的实际荷载大于设计荷载。

(5)桥面板容易受到桥面上雨水等的侵蚀，钢筋容易被腐蚀。23:2265RC桥面板板厚23:226623:2267钢桥钢筋混凝土桥面板的配筋

钢桥钢筋混凝土桥面板的配筋由主要受力方向的主筋、与主筋垂直或斜交的分布筋、梗肋加强筋和梁端桥面板加强筋等组成。根据国外的经验和研究成果，钢桥的钢筋混凝土桥面板配筋比普通钢筋混凝土桥梁的桥面板配筋要多。23:2268日本《道路桥示方书》对钢桥的钢筋混凝土桥面板配筋的规定(1)应该采用螺纹钢筋，原则上钢筋直径采用13mm、16mm或19mm；

(2)钢筋保护层厚3cm以上；

(3)钢筋中心间距10cm以上30cm以下，并且受拉主筋间距不得超过桥面板的总厚度；

(4)截面内受压侧钢筋原则上不得少于受拉主筋的1／2；

(5)连续板的主筋可以在距支点L／6处(L为桥面板计算跨径)弯起，跨中断面受拉主筋的80％和支点断面受拉主筋的50％以上的主筋必须连续通过不得弯起。23:2269(6)桥面板梗肋高度大于8cm时，梗肋内需要设置直径不小于13mm的构造钢筋，钢筋间距不得大于桥面板下缘钢筋间距的2倍；

(7)梁端桥面板没有端横梁等支承时，从梁端到l／2桥面板跨度范围内，桥面板横桥向钢筋用量，应为同等跨径连续板或简支板所需主筋用量的2倍。日本《道路桥示方书》对钢桥的钢筋混凝土桥面板配筋的规定23:2270RC桥面板配筋图23:2271RC桥面板的计算钢桥钢筋混凝土桥面板的设计主要有以下两种简化计算方法：

(1)假设钢筋混凝土桥面板为刚性支承于主梁或纵梁上，同时利用“荷载有效分布宽度的概念”把桥面板进一步简化为梁计算，然后考虑主梁的约束作用对计算结果进行修正的方法；我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)中，关于桥面板的设计计算就是采用这种计算方法。

(2)第二种是采用经验公式的设计计算方法；例如，美国ASSHTO和日本《道路桥示方书》中有关钢筋混凝土桥面板设计计算方法的规定，就是采用经验公式的计算方法。23:2272桥面结构23:2273钢桥的腐蚀环境南方的湿热和酸雨，北方的寒冷和冰盐，沿海的盐雾等，都是造成桥梁钢材腐蚀的主要因素。23:2274大气腐蚀桥梁长期暴露在空气中，由于空气中的水分、氧气和腐蚀介质(如雨水中杂质、烟尘、表面沉积物等联合作用)的化学和电化学作用而引起的金属腐蚀现象称为大气腐蚀。受太阳光紫外线、热辐射的影响，空气中温度和温度等的作用造成金属微观颗粒裂解、分解，引起外观、力学性能、物理性能的退化现象，--材料老化，结构老龄化。23:2275钢铁的腐蚀过程23:2276钢铁防护的实质目的钢铁的腐蚀主要是个电化学过程，这个过程发生于钢铁表面与它所接触介质之间，因为钢铁有倾向于溶解在包解质溶液之中并被氧所氧化的性质，因此，腐蚀过程需要钢铁和水、氧接触。钢铁在没有和水与氧接触时并不生锈！钢铁防护的实质目的：截断钢材与水和氧的接触通道！23:2277钢梁在那些部位容易锈蚀?

有酸碱等物相接触部位容易产生锈蚀外，当遇水和氧时，钢梁在下列处所较一般部位容易生锈：板束缝隙角落处。有氧化皮处。如果钢梁杆件表面有氧化外表，那么它对铁来说就起着阴极作用，阳极部分〔即铁)就会发生锈蚀，而且锈蚀发展很快。23:2278锈蚀处。如锈蚀未除尽，锈蚀处成阴极，附近的铁成阳极，锈蚀将不断扩大。部分涂有油漆，部分不涂油漆，在不涂漆处将生锈。漆膜过薄处比一般厚度的漆膜处所易锈蚀。又如型钢、钢板边缘楞角部位，涂漆后易往两边收缩，尖端处漆膜薄，易早期产生锈蚀。铁路纵梁上翼缘支承桥枕的表面。因在过车时经常承受摩擦，加上该处容易积水，通凤不良，所以比一般地点容易锈蚀。钢梁在那些部位容易锈蚀?

23:2279防止钢铁锈蚀的方法1.改变金属的组成，制成耐腐蚀的合金乡例如在钢中加入络以制成不锈钢，研究在钢中掺入铜以提高耐腐蚀性；2.用金属涂层保护，例如在钢梁表面上电镀或喷镀锡、锌、络等。3.用化学氧化处理保护，钢铁表面经化学反应形成保护性的薄膜以提高防腐能力和增加金属与漆膜附着力，这叫做金属表面的化学转变，如氧化、鉻化、磷化等。23:22804.阳极保护，例如将钢铁与锌作为电解池的两极，那么被保护的钢铁阴极，腐蚀就集中到阳极的锌上。5.用非金属保护层保护，例如用涂油漆，塑料，搪瓷等方法将钢铁表面保护起来，不使钢铁直接和周围的介质相接触而防止锈蚀。防止钢铁锈蚀的方法23:2281腐蚀已成各国桥梁公害我国早期建设的南京长江大桥和武汉长江大桥均需每隔2—3年对钢桥主体部分进行刷油漆维护；英国早期建设的苏格兰第四大桥每隔三年油漆一遍，每油漆涂装一起也正好三年时间，24人的油漆涂装队伍长年满负荷工作；23:2282美国1998年统计，美国共有589335座桥梁，因为腐蚀率达到35.4%，为此美国设立桥梁研究和建设创新基金，以期开发桥梁防腐蚀新材料新技术。目前美国每个州每年都要拿出数千万美元用于桥防腐蚀涂装维修。金属腐蚀已经成为桥梁的一大灾害，维修带来很大困难，特别是难以接近的地方，必须有庞大昂贵的专有设备配合.能使防腐蚀涂装得以充分进行。据统计，防腐蚀涂装费用将占维修管理总费用的10%以上。23:2283腐蚀威胁桥梁寿命腐蚀导致的事故率达到18.3%23:2284桥梁防腐蚀技术1．钢箱梁外表面钢箱梁外表面主要指底板、上下斜腹板的外表面。它们直接暴露在大气中，是钢箱梁最容易腐蚀的部位，建桥时也主要针对此部分易发生腐蚀而设置检修小车对钢箱梁的结构和腐蚀问题进行定期检修和维护。

(1)涂装体系钢箱梁防腐蚀涂装体系通常是由底层、封闭层、中间层和面层组成的综合防腐蚀系统，任何一种涂料都无法保证同时对钢铁具有隔离、抗紫外线和阴极保护等功能，只有通过它们的互相组合，才能组成有效的防腐蚀涂装体系。23:2285防腐蚀底层

①防腐蚀底层功能要求防腐蚀涂装底层与钢铁直接接触，对钢铁表面具有钝化缓蚀作用、阴极保护作用，即含有防腐蚀底层的钢铁表面直接暴露在腐蚀介质中时，它应对钢板具有防腐蚀保护。防腐蚀底层应与钢铁具有优良的涂层结合力，以保持整个涂装层在防腐蚀寿命期内，涂层结合牢靠，避免因涂层附着力差而导致涂装层脱落而提前失效，防腐蚀涂装底层对整个涂层的耐腐蚀寿命