钢结构桥梁的入门

钢结构桥梁的入门级别小跨度与大跨度钢箱梁建国以来长江上几座里程牌式钢桥,高瞻远瞩,胸怀大志,入门开始武汉长江大桥(128m跨度,3号钢Q240)南京长江大桥(160m跨度,16MnqQ345)九江长江大桥(216m跨度,15MnVNqQ420)芜湖长江大桥(312m跨度,14MnNbqQ345)天兴洲长江大桥(504m跨度,14MnNbqQ345)桥梁用钢牌号Q235qDQ345qDQ370qDQ420QD第一个Q为屈服拼音第一个字母,屈服之意;数字235表示屈服强度(是一个应力数值),数字后q为桥梁第一个拼音q,表示为桥梁用结构钢;最后一个大写字母D为钢材等级,钢材等级之分有A、B、C、D、E5个等级,A不做冲击功要求,B表示常温20゜冲击功,C为0゜冲击功,D表示-20゜是冲击功,E为-40独冲击功要求.冲击功与钢材韧性相关,Q345qE联合起来意为:屈服强度为345MPa应力的桥梁用钢,-40゜有冲击功要求,一般不小于47J.钢材安全系数一般取为1.7,那么Q345钢材容许应力为345/1.7=202.9MPa,规范中采用200MPa.Q345中345为屈服强度,抗拉强度更大,一般为容许应力的2.5倍,所以Q345抗拉强度为200*2.5=500MPa,规范中取值510MPa.抗剪容许应力为基本容许应力的0.6倍,局部承压为基本容许应力的1.5倍,规范中Q345钢材抗剪容许应力120MPa,局部承压容许应力为300MPa.钢结构桥梁的设计方法公路钢结构桥梁设计规范2015没出来之前,公路钢结构桥梁仍然采用容许应力法设计:各项荷载系数为1,荷载组合下外力应力只要小于容许应力200MPa即可.现在新出钢桥规范为了与混凝土统一采用两个极限状态设计法一致,钢结构桥梁也采用了极限状态设计法,以Q345qD钢为例说明问题的实质性:容许应力法外荷载组合系数:1x恒载+1x活载+1x其它可变活载荷载组合下的应力小于规范中的容许应力200MPa(345/1.7=203)极限状态法外荷载组合系数:1.2x恒载+1.4x活载+1.4x其它可变活载X0.75综合起来极限状态法相比于容许应力法荷载综合系数采用了1.35荷载组合下的应力小于规范中的容许应力275MPa(345/1.7x1.35=274)所以极限状态法相当于外荷载系数乘了个1.35的数值,相对于容许应力法中的容许应力相应同时乘以1.35的数值,本质一样,游戏而已.钢结构桥梁几个主体问题钢结构核心问题为强度、稳定、疲劳强度受拉杆件或者弯矩中的受拉部位:应力小于容许应力即可,假如为螺栓连接,计算应力时采用净面积计算稳定稳定问题转为强度模式控制,只不过将容许的压应力转换为容许应力x小于1的一个数字,此数字结合杆件的计算长度与杆件回转半径相结合的长细比,如下表稳定问题还包括整体稳定与局部稳定之分,只要构件受压,终究不能离开稳定问题的困扰,这也是拱桥跨径小于斜拉桥、斜拉桥跨径小于悬索桥的主体原因;整体稳定可按上述的稳定应力小于强度容许应力乘以相应于长细比的小于1的折减系数控制,局部稳定按照下表宽厚比控制受压杆件设置的局部加劲肋,解决宽厚比过大的局部稳定问题.上表为压杆的局部稳定控制指标,对于受弯构件的腹板的抗剪稳定,也有相应的要求,防止腹板受剪失稳,控制指标为腹板的高厚比简支梁受力的横梁腹板加劲肋设置,竖向设置间距不大于2m的加劲板,正弯矩上缘受压部位设置水平向加劲肋.疲劳只要受拉,构件就有疲劳问题,裂纹随着拉应力的变化扩展,所以受压构件不需检算疲劳,受拉或者是拉压交替就会有裂纹扩展的危险,就需检算疲劳稳定,疲劳主要与应力变化幅密切相关,疲劳检算主要是检算应力幅钢结构桥梁与混凝土箱梁类比钢箱梁截面混凝土截面对于一个3x30m混凝土现浇预应力匝道箱梁,荷载传力途径:荷载--------传力途径1:横向通过顶板传递给纵腹板(对应纵向1m板条桥面板横向计算(车辆中车轮荷载))---组成横框的桥面板的横向受力-------传力途径2:通过顶底板及腹板纵向传递给横梁(对应于纵向单梁主梁计算,顶底板抗弯,腹板抗剪,车道荷载计算,受拉部位设置预应力钢束保证混凝土抗裂,同时钢束的设置不能使混凝土受压过大)---纵向受力------传立途径3(通过横梁由横梁与纵腹板相交之点传至支座)(对应于横梁计算,根据横梁跨度决定是否采用预应力)-----横梁的横向受力对于3x30m钢箱梁,16mm厚顶板及顶板位置的纵向加劲肋(U肋、倒T肋、板肋)相当于25cm厚混凝土顶板,14mm厚底板及其加劲肋相当于25cm厚混凝土底板,两块14mm厚腹板类式于45cm厚腹板.钢箱与混凝土承受荷载比较,相应采用Q345qD钢材与C50混凝土类比:混凝土顶板承受弯矩中的压力:7800mm*250mm*16.2MPa=31590kN钢箱梁顶板承受弯矩中的轴力:(7800mm*16mm+705mm*8mm*10)*200MPa=36240kN,可以看出钢结构承载能力更强.混凝土腹板抗剪:2000mm*450mm*2*0.17*32.6Mpa=9975kN钢箱梁腹板抗剪:2000mm*14mm*2*120Mpa=6720kN,抗剪混凝土强些,同等跨度的钢箱梁一恒只有混凝土的1/3.5左右30m跨径8m桥宽混凝土一恒荷载:8*0.7*26=146kN/m30m跨径8m桥宽钢箱梁一恒荷载:8*500kg/㎡=40kN/m=146/3.65kN钢箱梁相对于混凝土箱梁,上面讲述了几个类同性,类同性1:16mm厚顶板及顶板位置的纵向加劲肋(U肋、倒T肋、板肋)相当于25cm厚混凝土顶板类同性2:14mm厚底板及其加劲肋相当于25cm厚混凝土底板类同性3:两块14mm厚腹板类式于45cm厚腹板本质的不同点在于钢箱梁纵向必须设置间距2m或者3m设置横隔板(正交各向异性板名称的由来,纵向顶板加劲肋加劲及横向横隔板加劲),以支承顶板上加劲肋的受力,减小顶板加劲肋计算跨度,同时减小较薄的钢板的畸变变形增强横向受弯能力,任何钢结构箱型杆件均需设置隔板,此构造类似与竹子中的隔板,大自然中生物是演化的最合理构造.钢箱梁的传力途径,相比于混凝土传力途径,多了一个横隔板间顶板纵肋的纵向传力,所以钢箱梁需要两个体系相加,原因在此!钢箱梁传力:荷载--------传力途径1:横向通过16mm厚顶板传给顶板纵向加劲肋(顶板传力,第三体系,薄膜力很大不用考虑)---------传力途径2:顶板纵向加劲肋传至隔板(纵向加劲肋及顶板组成的构件支撑在间距2m或者3m的横隔板上的受力,车辆中车轮荷载计算,多跨连续梁受力)---顶板纵向加劲肋及顶板的纵向受力,属于第二体系也叫桥面体系,由于是纵向受力,所以需要与第一应力体系相加-------传力途径3:横隔板传递给纵腹板(横隔板与其上下方顶板底板组成的构件在跨度为纵隔版之间间距的横向受力,也叫桥面体系)---横隔板与顶上16mm厚底下14mm厚的横向受力-------传力途径4:纵腹板传至横梁(对应于纵向单梁主梁计算,顶底板抗弯,腹板抗剪,车道荷载计算)---第一体系,也叫主梁体系,纵向受力,与混凝土完全一致------传力途径5(通过横梁由横梁与纵腹板相交之点传至支座)(对应于横梁计算,)-----横梁的横向受力,与混凝土完全类似理解纵向单梁模型------不包含顶板加劲肋的第二体系计算钢结构桥梁构造本章主要简述钢结构桥梁中钢箱梁构造,根据上一章钢箱梁传力其实大体可以确定钢箱梁构造了,本章单独提列,加强名称介绍,构造服务于受力薄壁扁平钢箱梁构造1、总体布置薄壁扁平钢箱梁（梁高与桥宽之比很小）是由顶板、底板、横隔板和纵隔板等板件通过全焊接的方式连接而成，扁平钢箱梁的顶底板通过横隔板及纵隔板等横纵向联结杆件联成整体受力体系。箱梁的顶板通常按桥面横坡要求设置，底板多采用平底板的构造形式。2、顶底板构造钢箱梁顶底板由均面板及纵肋组成，由于顶底板的宽度与板厚之比（宽厚比）较大，设置纵肋的主要目的是防止顶底板在弯曲压应力或者制作、运输、安装架设中不可预料的压应力作用下的局部失稳。另外对钢箱梁顶板而言，设置纵肋可将单桥面板变为正交异形板，大大增加桥面板的抵抗能力，使桥面承受的竖向荷载有效地传递到横隔板及腹板上。纵肋的主要形式有开口加劲肋与闭口加劲肋两种，两者的区别如下：由上表可知，顶底板的纵肋主要用闭口加劲肋，但翼缘顶板加劲肋也可采用开口加劲肋。一般的闭口加劲肋采用U肋，间距一般为600mm左右，开口加劲肋采用平钢板或倒T形截面，间距一般为300mm左右,曲线桥梁由于弯曲半径原因在曲线半径较小时u肋适应曲线能力制造困难而采用开口加劲肋.3、纵隔板构造纵隔板，即钢箱梁腹板，有斜腹板与直腹板两种形式。单箱多室钢箱梁中，外侧腹板一般为斜腹板，其与顶底板共同构成单箱截面，箱梁内部多采用直腹板，将箱梁分为多室。在弯矩和剪力作用下，纵隔板同时存在弯曲应力和剪应力，为防止腹板在弯曲压应力作用下的弯曲失稳，在纵隔板上设有纵向加劲肋，纵向加劲肋一般采用平钢板截面，竖向间距500mm左右；为防止腹板在剪应力作用下的剪切失稳，在纵隔板上设有竖向加劲肋，竖向加劲肋一般采用倒T形截面，纵向间距2m左右。纵向加劲肋纵向连续，在横隔板与竖向加劲肋处穿孔而过，竖向加劲肋与顶底板不相连，距离50mm左右。4、横隔板构造在钢箱梁桥中，由于活载的偏心加载作用以及轮载直接作用在箱梁的顶板上，使得箱梁断面发生畸变和横向弯曲变形，为了减少钢箱梁的这种变形，增加整体刚度，防止过大的局部应力，需要在箱梁的支点处和跨间设置横隔板。横隔板分为中间横隔板和支点横隔板，支点横隔板除了上述作用外，还将承受支座处的局部荷载，起到分散支座反力的作用。4.1中间横隔板中间横隔板被腹板断开，每个箱室一块隔板，与顶底板及腹板焊接。横隔板纵向间距开口加劲肋一般2m左右u肋一般3m，与纵隔板竖向加劲肋交替布置。每块横隔板中间都设有进人洞，进人洞的洞口边缘设有一块加劲板，宽度100-200mm左右。常规中小跨度横隔板形式(板式)大跨度钢箱梁横隔板形式(V形或者叉形桁架式隔板,节省横隔板钢材)4.2支点横隔板支点处的横隔板比中间横隔板厚，具体厚度及横隔板数量由计算确定，一般2-3块，间距400-800mm左右。支点横隔板横向在两块斜腹板之间连续，将直腹板断开并焊接在支点横隔板上。支点横隔板与顶底板共同组成支点横梁，进行计算，计算时顶底板有效宽度由《道桥示方书》确定。支点横隔板上一般不设进人洞，但须设置水平加劲肋及竖向加劲肋以防止弯曲失稳与剪切失稳。5、悬臂翼缘构造悬臂翼缘顶板处设置纵向加劲肋，在悬臂最外侧横向1m宽度左右，加劲肋形式多为平钢板截面（不受汽车活载），其它宽度范围内，加劲肋多为倒T形截面或U肋。翼缘横隔板与主梁横隔板对应设置，厚度翼板与主梁横隔板相同或略薄，翼缘底板仅设在有横隔板的位置，宽度200-300mm左右，底板之间用装饰板焊接成整体。钢箱梁计算例子主桥L17联为钢箱梁结构，桥跨布置为(28.5+41+24.25+24.25)=118m。本桥为变截面，桥面标准宽度26m，变截面中，最大宽度35.5m，最小宽度30m，按双向六车道设计。采用单箱多室截面，梁高1800mm，箱梁顶板厚度取16mm，底板及腹板厚度采用14mm，横隔板的纵向布置间距为2m，顶板纵肋采用U肋、I肋及板肋，U肋间距600mm，I肋间距不超过300mm，板肋仅用于翼缘板外边缘，钢材材质为Q345qC。标准截面处箱梁横向设双支座，支座中心距10.5m；变截面处，箱梁横向设三支座，支座间距详见支座布置图。桥面铺装层采用8cmC50钢纤维混凝土，5cmSBS改性沥青混凝土AC-16C及4cmSBS改性沥青马蹄脂碎石混合料SMA-13（掺0.25%聚酯纤维），桥面铺装层总厚度为17cm，采用钢结构防撞护栏。本桥平面分别位于直线上，纵断面分别位于-0.3%的纵坡和R=4000m的竖曲线上。箱梁断面图如下：箱梁26m宽横断面箱梁35.5m宽横断面箱梁30m宽横断面箱梁桥面板布置图如下：传力路径：桥面板—纵肋—横隔板—腹板—支点横梁—支座。三、计算内容1、纵向计算1.1第一体系应力（主梁体系）钢箱梁沿纵向整体受力，其受力特性为连续梁特性，跨中正弯矩最大，支座负弯矩最大。因此利用桥梁建立纵向单梁模型，计算箱梁上下缘的最大拉应力及最大压应力。1.2第二体系应力（桥面体系）钢桥面板作为桥面系直接承受车轮荷载作用，因此由纵肋和顶板组成结构系，把桥面上的荷载传递到横隔板上。针对这一体系，把横隔板间的单根纵肋及一定宽度的桥面板作为整体（工字型截面），将横隔板作为支撑，计算其在外荷载作用下的应力，桥面板宽度根据《道桥示方书》确定。因为纵肋是穿过横隔板保持连续，因此纵肋具有连续梁特性。本桥中，横隔板间距为2m，因此，将纵肋及桥面当做跨度为2m的简支梁计算，可得到桥面的最大压应力；将纵肋及桥面当做跨度为2m的连续梁计算，可得到桥面的最大拉应力。本桥中承受汽车荷载的纵肋就有U肋，又有I肋，因此需分别计算两者，取其中应力的最大值。U肋可以将两腹板合在一起，也简化为工字型截面。I肋截面U肋截面顶板既受第一体系应力，又受第二体系应力，因此顶面总应力应将两者的最大应力对应叠加（拉+拉，压+压）；底板仅受第一体系应力，所以纵向单梁模型中的应力即为底板的实际应力。应力叠加过程如下表所示。根据纵向正应力计算结果，可判断梁高、顶底板厚度是否合适，根据纵向剪应力结果，可判断腹板厚度及腹板个数是否合适。2、横向计算1.1普通横隔板计算普通位置横隔板承受纵肋传递过来的力，再传递到两侧纵腹板上，横隔板横向受弯，可简化为两端简支于腹板的简支梁计算，直接承受车辆荷载，截面为工字型截面，顶底板宽度按《道桥示方书》计算。注意车辆荷载要按最不利位置加载。图中，q1+q2为自重+二恒，p2为车辆荷载的车轮作用点。根据正应力大小可判断横隔板间距是否合适（横隔板间距影响顶底板有效宽度）；根据剪应力大小可判断横隔板厚度是否合适。1.2支点横梁计算支点横梁承受纵腹板传递的力，再传递给支座，支点横梁横向受弯，可简化为简支于支座上的简支梁或者连续梁，承受腹板的竖向力。支点横梁为两块横隔板或三块横隔板组成，截面为箱型截面，顶底板宽度按《道桥示方书》计算。腹板的竖向力大小按该支座处的总支反力平分（乘以一定的偏载系数）。根据支点横梁正应力大小可判断横梁腹板（即横隔板）间距、顶底板厚度是否合适（在支点处顶底板会加厚），根据支点横梁剪应力可判断横梁腹板厚度及横梁腹板个数是否合适。1.3悬臂翼缘计算悬臂横隔板横向受弯，简化为一端固结于主梁腹板的悬臂梁计算其弯曲应力，计算截面取一工字型截面，顶板按《道桥示方书》计算其有效宽度。根据正应力可判断底板宽度及厚度是否合适，根据剪应力判断横隔板厚度是否合适。注意翼缘横隔板被纵肋削弱的部分很大，剪应力不应过高。3、支承加劲肋计算钢箱梁在支承处应设置成对的竖向加劲肋。支承加劲肋直接承受支座反力的作用，不仅需要验算支承垫板处腹板和加劲肋的直接承压应力，而且必须计算腹板和加劲肋中的竖向应力。3.1支点处承压应力计算σb≦[σb]式中：[σb]—局部承压容许应力；Rv—支座反力；n—单个支座竖向加劲肋个数；t1—竖向加劲肋厚度；d—竖向加劲肋宽度；B—支座垫板横向宽度；t—下翼板厚度；td—横隔板厚度。3.2竖直方向应力计算σ≦[σc]式中：[σc]—轴心受压容许应力；Bev—腹板竖直方向应力有效计算宽度，按下式计算：Bev=bs+30*td（bs<30*td）Bev=60*td（bs>30*td）Bs—竖向加劲肋横向间距。四、细部构造1、翼缘处纵向加劲肋的焊接翼缘处横隔板高度较小，并且还要开孔以保证纵向加劲肋穿过，因此在开孔截面横隔板的剪力将大大增加。为了防止剪力过大，翼缘处纵向加劲肋与横隔板间的焊接须增加焊接垫板，以增大横隔板的受剪面积。2、支承加劲肋的布置支承加劲肋的布置不仅与计算有关，同时也与支座的螺栓位置有关，在考虑支承加劲肋的横向间距时，应注意不要与支座的螺栓位置冲突。3、翼缘底板对应加劲肋翼缘底板的一端焊接于斜腹板外侧，为防止腹板被顶弯，在腹板内侧与翼缘底板对应的位置应设置一块水平加劲肋，由于翼缘底板布置在翼缘横隔板两侧，而翼缘横隔板位置又与主梁横隔板对应，因此该水平加劲肋也处于主梁横隔板左右，其总宽度不应小于翼缘底板的总宽度，长度600mm左右。4、顶底