钢混凝土组合结构桥梁(第一二章)

1、,郑重声明：钢混凝土组合结构桥梁PPT为陈从春等主编大跨度桥梁配套课件，版权属于彭大文老师和陈从春老师，授权交通出版社供购买本教材的师生使用，任何人不得传播或用于商业目的。,第一章 概述 第二章 钢混凝土组合梁 第三章 钢管混凝土拱桥构造 第四章 钢管混凝土拱桥计算 第五章 钢管混凝土拱桥施工技术简介,第二篇 钢混凝土组合结构桥梁,第一章 概述 由两种或两种以上建筑材料相互接合在一起，并在荷载作用下能够共同受力、变形协调、具有整体工作性能的结构称为组合结构。 如果组合结构是由型钢（或钢板）与混凝土这两种材料通过粘结、机械咬合或连接件相互接合，形成整体，则称为钢混凝土组合结构。,第五篇 钢混凝土

2、组合结构桥梁,第一章 概述,1压型钢板与混凝土组合楼板 利用压型钢板铺设在钢梁上，通过连接件和钢梁上翼缘焊牢，然后浇筑混凝土形成组合结构。 压型钢板可以当作模板并承担施工荷载；混凝土硬化后钢板兼作钢筋承担截面上的拉应力。,第一章 概述,2钢混凝土组合梁 通过剪力连接件将钢梁与砼板连接起来而共同受力、变形协调的梁。 充分利用钢抗拉和砼越抗压性能，显著地提高梁的刚度和稳定性。,第一章 概述,3钢骨混凝土结构 在钢筋混凝土内部埋置型钢或焊接钢构件。焊接钢构件是实腹式工字钢或格构式钢构件。 型钢完全被混凝土包裹，防腐性能较好。这种结构使型钢与混凝土各自强度得到提高，改善了结构延性，提高抗震能力。,第一

3、章 概述,4钢管混凝土结构 由普通砼填入薄壁钢管内形成的组合结构称为钢管砼结构。 借助内填砼增强钢管壁的稳定性；借助钢管对砼的约束作用，使核心砼处于三向受压状态，具有更高的抗压强度和变形能力。 工程中常用的钢管砼截面形式有圆形和矩形。,第一章 概述,在钢管混凝土结构中，钢管具有如下功能： 1）钢管是耐侧压的模板； 2）钢管可代替钢筋承担拉力或压力； 3）钢管是劲性承重骨架； 4）钢管提高核心混凝土的抗压强度。,第一章 概述,5外包钢混凝土结构 在钢筋砼构件外侧包有钢板或角钢的结构。 有利于克服钢筋砼构件在吊运、安装过程中容易破损等缺点。,第一章 概述,6预弯组合梁结构 由预弯曲工字形钢梁、砼组

4、成的组合结构，简称预弯梁。具有钢结构、钢筋砼结构及预应力砼结构的特点。 利用配置在砼里的钢梁的自身变形，对砼施加预应力的型钢砼结构。,钢混凝土组合结构类型,第二章 钢混凝土组合梁,第一节 钢混凝土组合梁的发展概况 钢混凝土组合梁出现于19世纪末到20世纪初。主要考虑防火要求，在钢梁外包混凝土，未考虑两者组合工作效应。 60年代以前，基本上按弹性理论进行分析； 60年代开始，逐步转为按塑性理论分析，建立相应计算公式； 70年代开始，组合结构快速发展，能够代替钢结构及钢筋混凝土结构。,第二章 钢混凝土组合梁,71年欧洲成立组合结构委员会； 81年制定了组合结构规范。 钢混凝土组合梁在我国的应用从建

5、国初期就开始了。 60年代开始，组合结构被推广应用到民用建筑。 70年代末，北京、上海等地建造的高层、超高层建筑中，都采用过组合梁楼盖。 91年南浦大桥和93年杨浦大桥，加劲梁采用钢混凝土组合梁结构。,钢混凝土组合梁应用工程实例,组合结构在桥梁结构中的应用,组合钢板梁桥,Hopital桥（法国, 4跨连续，最大64m）,组合钢板梁桥,千鸟泽川桥（日本）,Lignon桥（法国）,组合箱梁桥槽形截面组合箱梁桥,Bois de Rosset桥（瑞士，1991年完成）；连续梁桥，最大跨径51.3m； 槽形钢截面+横向预应力混凝土桥面板,组合箱梁桥槽形截面组合箱梁桥,千岁高架引桥（日本，1998年完成）

6、,组合箱梁桥钢腹板组合箱梁桥,La Ferte Saint-Aubin桥 (法国),组合箱梁桥波折钢腹板组合箱梁桥,Cognac桥 (法国，1986年完成) 31m+43m+31m, 3跨连续,波折腹板箱梁的构造,组合箱梁桥用波折钢腹板组合箱梁的斜拉桥,栗东桥 (日本),矢作川桥（日本）,组合桁架桥钢桁架腹杆+上下混凝土翼缘板,Arbois桥 (法国，1985年完成) 29.85m+40.4m+29.85m, 3跨连续,横截面的构造,组合桁架桥钢桁架腹杆+上下混凝土翼缘板,Boulonnais桥(法国，97年完成) 44.5m+3*77m+93.5m+5*110 +93.5m+3*77m+44

7、.5m,15跨连续,钢管桁架腹杆的构造,4m预制节段梁，悬臂施工,组合桁架桥钢桁架腹杆+上下混凝土翼缘板,Kinokawa桥(日本，2003年完成) 4跨连续，最大跨度85m,全长268m,节点的构造,钢管桁架腹杆,组合桁架桥钢桁梁(无上弦杆)+混凝土桥面板,Vaihingen Viadukt桥(德国),节点的构造,组合桁架桥钢桁梁(有上弦杆)+混凝土桥面板,Lully高架桥 (瑞士) 29.93m+2142.75m+29.93m,组合桁架桥钢桁架梁(有上弦杆)+混凝土桥面板,Nantenbach铁路桥 (德国) 跨径83.2m+208.0m+83.2m,组合刚构桥钢箱梁+混凝土墩,横浜绿IC

8、桥（日本，97年） 7跨连续刚构桥 32.3m440.0m42.0m40.1m,组合刚构桥钢箱梁+混凝土墩,阿古耶桥（日本）3跨连续刚构桥 3*36m，钢板梁与混凝土固结,混合梁桥钢箱梁+混凝土梁,新川桥（日本，2000年完成） 5跨连续混合梁桥 39.2m40.0m118.0m39.2m40.0m 中跨用钢箱梁,组合拱桥钢管混凝土拱,Antrenas桥（法国） 跨度56m,组合拱桥型钢混凝土拱,用型钢骨架作为拱肋 采用斜拉悬臂施工 闭合后浇注混凝土,杨浦大桥（中国）,组合结构桥梁的技术特点概括,第二章 钢混凝土组合梁,第二节 钢混凝土组合梁的特点与构造 一、钢混凝土组合梁的特点 （1）充分发

9、挥钢材和砼各自特性。对于简支梁，发挥砼受压和钢材受拉性能好的长处。 （2）节省钢材。与钢结构方案比较，节省钢材20%40%，造价降低1030。 （3）增大梁的刚度。钢筋混凝土板参加工作，梁的挠度可减小1/31/2；提高梁的自振频率。,第二章 钢混凝土组合梁,（4）减少结构高度。建筑结构若每层减少十几厘米，将降低房屋造价；桥梁结构高度减小可降低桥面标高，减小路堤长度。 （5）利用安装好的钢梁支模板，节约模板费用，加快施工速度。 （6）抗震与抗剪性能好，整体性强。组合梁比全钢梁桥噪音小。,组合梁弱点： 耐火、耐腐蚀性差。 在钢梁制作过程中需要增加焊接连接件的工序。,第二章 钢混凝土组合梁,二、钢混

10、凝土组合梁的构造 三个部分构成：钢梁、钢筋混凝土板、剪力键（连接件）。 1. 钢梁：常用截面为工字形和箱形。 1）工字钢梁 采用热轧工字钢做钢梁，截面尺寸小，承载能力有限，用于建筑的中、小跨径组合梁。,第二章 钢混凝土组合梁,2）钢板梁 用钢板焊接成截面工字形钢梁。 尽可能采用3块钢板。板厚不够时，可采用外贴钢板的形式。,第二章 钢混凝土组合梁,3）钢箱梁 用于大跨钢混凝土组合梁桥。 抗扭刚度大，特别适合建造曲线梁桥。,第二章 钢混凝土组合梁,2. 钢筋砼翼缘板 支承于钢梁顶面的钢筋砼板，其作用： 与钢梁共同承担纵向弯矩； 作为桥面板承担横桥方向内力。 翼缘板形式： 现浇砼翼缘板、装配式预制砼

11、翼缘板、装配整体式组合板。,第二章 钢混凝土组合梁,1）现浇砼翼缘板 厚度由钢梁间距和横隔梁的布置而定，为1530cm。 为适应横向内力和设置剪力键需要，在支承边缘设置承托。,第二章 钢混凝土组合梁,2）装配式预制砼翼缘板 预制中间的行车道板，支承在相邻钢梁上缘。 中间设置剪力键部位，预留1030cm现浇段。 伸出的横向钢筋焊接或做成扣环接头。预制板端面作凿毛，浇筑高强砼，连接成整体。,第二章 钢混凝土组合梁,翼缘板沿顺桥方向长度，根据横隔梁间距和吊装能力划分。 负弯矩区段的砼板，可采用后穿入纵向预应力筋连成整体。 主梁间距较大时，可采用先张法预应力板做预制桥面板，提高桥面板抗裂性。,第二章

12、钢混凝土组合梁,3）装配整体式组合板 以先张法预应力砼板兼作模板，在其上直接浇筑砼而形成砼组合结构。 构造简单，施工方便，砼可与桥面铺装层的砼一起浇筑，结构整体性良好。,第二章 钢混凝土组合梁,3. 剪力键（抗剪连接件） 剪力键的作用：承受钢梁和砼翼缘板间的纵向剪力，抵抗两者间的相对滑移，保证钢梁与砼翼板共同受力、协调变形。 剪力键的种类：分为刚性剪力键和柔性剪力键。 目前较多采用栓钉剪力键，属柔性剪力键。,第二章 钢混凝土组合梁,第三节 组合梁截面的弹性计算 1）弹性理论计算方法；2）考虑截面塑性变形的塑性计算方法。 一、弹性设计法基本思路 将两种材料换算为具有相同弹性模量的同一种材料。 把

13、砼截面用等效的钢截面代替，换算后的截面称为换算截面。 按换算截面的几何特征值，利用材料力学公式计算应力和变形。,第二章 钢混凝土组合梁,二、组合梁的换算截面 1. 组合梁桥面板的有效宽度 弯曲变形时，翼板纵向压应力沿宽度分布不均匀。设计中把砼翼板参与钢梁工作的宽度限制在一定范围，称为翼板的计算宽度。 计算宽度范围内的压应力假定是均匀分布。理论上与钢筋砼梁的计算宽度是一致的。,第二章 钢混凝土组合梁,混凝土板计算宽度采用下列三种宽度中的最小者： 1）梁计算跨径的1/3； 2）相邻两梁轴线间的距离S； 3）承托的宽度（如无承托时，则为钢梁上翼板宽度）加12倍的板厚，即 。,第二章 钢混凝土组合梁,

14、2. 等效换算原理（砼换成钢材） 将砼翼板面积换算为等效的钢截面。可导出公式,式中： 钢与混凝土的弹性模量之比,为了保持换算前后砼翼板截面重心高度不变，换算时翼板厚度保持不变，仅变化翼板宽度，将翼板的宽度用 来代替。 代入材料力学公式求得的应力是钢截面应力；砼翼板的真实应力为同一点假想钢截面应力的 倍。,第二章 钢混凝土组合梁,3. 短期荷载效应（永久作用+可变频遇值）设计时组合梁换算截面的几何特征值 换算截面几何特征值，应按换算截面重心轴位于砼翼板下及翼板内两种情况分别计算。,第二章 钢混凝土组合梁,4. 长期荷载效应（永久作用+可变准永久值）设计时的换算截面几何特征值 计算时，混凝土弹性模

15、量应以割线模量代替。割线模量与弹性模量的关系有：,钢桥规中把系数k取值为0.40.5，即： 计算结构重力徐变影响时，取k0.4；计算砼收缩徐变影响时，取k0.5。 这样在长期荷载作用下，考虑混凝土徐变而换算截面时，只要将上述公式中的 用2 代替即可。,第二章 钢混凝土组合梁,三、荷载作用下组合梁的截面应力计算 1钢梁和混凝土的正应力 对于钢梁部分， 对于砼部分，,第二章 钢混凝土组合梁,2钢梁和混凝土的剪应力 对于钢材， 对于砼，,第二章 钢混凝土组合梁,剪应力的计算，按以下规则： 换算截面中和轴位于钢梁腹板内时，钢梁剪应力计算点取换算截面中和轴处（图中点）； 砼部件的剪应力计算点取砼部件与钢

16、梁上缘衔接处（图中点）。,第二章 钢混凝土组合梁,换算截面中和轴位于钢梁以上时，钢梁的剪应力计算点取钢梁腹板计算高度上边缘处（图中点），砼部件剪应力计算点取换算截面中和轴处（图中点）。,第二章 钢混凝土组合梁,四、公路钢混凝土组合梁的截面应力验算 钢梁截面边缘最大应力不能超过钢材屈服点； 砼最大应力不能超过弯曲抗压强度（抗拉强度）。,第二章 钢混凝土组合梁,1. 正应力验算 组合梁桥施工时，利用钢梁作为脚手架。这时组合梁的作用（荷载）效应应按两阶段受力进行计算： 第一阶段：现浇砼层达到强度标准值前，荷载包括钢梁和连接系的自重、浇筑的砼层及施工时附加的其它荷载，由钢梁承担； 第二阶段：现浇砼层达

17、到强度标准值后，组合梁按整体计算，作用（荷载）包括组合梁自重、桥面系自重及使用阶段可变作用（活载），由组合梁整体承担。 按组合后的弯矩进行分别应力计算。,第二章 钢混凝土组合梁,2. 组合梁的刚度计算（挠度） 分别采用作用短期效应组合和作用长期效应组合计算，其中最大值应满足挠度限值的要求。 根据施工阶段钢梁下有、无临时支撑分成两种情况进行挠度计算。,第二章 钢混凝土组合梁,（1）施工阶段钢梁下无临时支撑时： 式中：组合梁的挠度； 钢梁在施工阶段时组合梁自重标准值作用下的挠度； 组合梁在使用阶段分别按作用短期效应组合和长期效应组合计算挠度之较大者； 受弯构件挠度限值，按钢桥规规定：对于简支或连续

18、梁由汽车荷载（不计冲击力）所引起的竖向挠度不应超过L/600（其中L为梁的计算跨径）。,第二章 钢混凝土组合梁,（2）施工阶段钢梁下有临时支撑时： 式中：组合梁分别按作用短期效应组合和长期效应组合计算的挠度之较大者。,组合梁桥应根据挠度计算值设置预拱度，预拱度值按结构自重和1/2可变荷载频遇值计算的挠度值之和采用。 当由荷载短期效应组合并考虑荷载长期效应影响产生的挠度不超过计算跨径的1/1600时，可不设预拱度。,第二章 钢混凝土组合梁,五、温度应力和砼的收缩应力 钢与砼的线膨胀系数几乎相等，它们的温度变形基本是协调的。 组合梁的温度应力主要来自钢梁和砼温度的差异： 钢的导热系数很大，当环境温

19、度突变时，钢材温度很快就接近环境温度； 砼导热系数只有钢材的1/50，就在组合梁的钢和砼板之间产生了温度差异。,第二章 钢混凝土组合梁,露天条件下，气温突变在15上下，组合梁的钢梁与混凝土翼板的温差为10左右。所以露天条件下的组合梁或直接受热源作用的组合梁，一定要计算由于温差引起的温度应力。 一般情况下的室内组合梁，温差应力可不予考虑。,（1）公路桥梁温差应力 钢梁温度高于混凝土温度，两者之差为t，可导出组合梁的温差应力计算式。 其应力分布见c图。 将它们和荷载引起截面应力叠加后，可能是有利影响，也可能是不利影响。,第二章 钢混凝土组合梁,（2）混凝土收缩应力 砼的收缩应变相当于1520的温差

20、滑移应变。 考虑到砼收缩是长期作用，一般以考虑徐变影响的有效弹性模量来取代计算式中的砼弹性模量。,第二章 钢混凝土组合梁,第五节 抗剪连接件设计 一、抗剪连接件的常用类型 连接件是用来承受接触面之间的纵向剪力，抵抗二者之间的相对滑移； 连接件还起到抵抗钢筋砼板与钢梁之间的掀起作用。 剪力键形式很多，可以分类为三种：栓钉、型钢和钢筋剪力键,第二章 钢混凝土组合梁,1、栓钉剪力键 钉杆常用直径1619mm，被焊钢梁翼板厚度2.5倍；栓钉长与直径之比应4。 为抵抗掀起作用，栓杆上部做成大头或弯钩，大头直径栓杆直径的1.5倍。,第二章 钢混凝土组合梁,2、型钢剪力键 主要有槽钢，T形钢和方钢三种。 槽

21、钢的上肢（翼缘）有抵抗掀起作用，而T钢和方钢则必须加焊直径12mm左右的箍筋才能保证不被掀起。,第二章 钢混凝土组合梁,3、钢筋剪力键 可以做成弯筋和螺旋筋两种形式。弯筋和螺旋筋直径为10mm20mm；螺距为75mm125mm。,第二章 钢混凝土组合梁,剪力键分为柔性剪力键和刚性剪力键： 柔性剪力键，刚性小，破坏时变形大。适用承受冲击作用的桥梁结构。 刚性剪力键（图d、e），刚性大，破坏时变形小，容易造成砼局部压碎或剪切破坏。适用于预制砼板。,第二章 钢混凝土组合梁,二、抗剪连接件的计算 连接件设计可分为弹性设计法与塑性设计法（略）。,三、单个抗剪连接件的设计承载力 我国现行建筑钢结构设计规范

22、提供了几种连接件的抗剪设计承载力（P569-570） （略） 。 介绍适用于公路桥梁按弹性方法或塑性方法计算的承载力设计值 以供参考。,第二章 钢混凝土组合梁,第六节 组合梁的截面设计 截面设计包括：截面形式、梁高，主梁有效宽度及构造细节。 一、截面选择及梁高确定 跨径10m以内简支梁，可以采用轧制的工字型钢做钢梁。 荷载稍大时，可在工字钢下翼板上加焊钢板，增加钢梁的承载力。,第二章 钢混凝土组合梁,跨径较大或荷载较大时，可采用焊接工字形钢板梁作为组合梁的钢梁； 亦可采用承托，以增加梁的高度。由于工字钢上缘混凝土承担压应力，因此工字钢下翼板应比上翼板宽一些，以增加钢梁下缘的抗拉能力。,第二章

23、钢混凝土组合梁,二、组合梁其它部分的尺寸估算 组合梁截面高度h 确定后，可估算钢梁其它尺寸。 1估算钢梁高度 可取同跨径普通钢梁高度的0.750.85倍。 2估算钢梁腹板高度 式中, 组合梁全高； 桥面板厚度，可取1535cm，当主梁或横隔板间距较小时可取下限，否则取上限； 钢梁的底板厚度，可取25cm，视跨径而定。,第二章 钢混凝土组合梁,3估算钢梁腹板厚度 式中, 梁支点截面作用的最大工作剪力（正常使用极限状态）； 钢材的容许剪应力。 按上式求出的钢梁腹板厚度应满足局部稳定性的要求，且24mm tf 10mm （减少锈蚀对截面削弱的影响、便于加工制造）。,第二章 钢混凝土组合梁,4钢梁的翼

24、缘板尺寸 在钢板梁设计时，可用公式估算钢板梁的上、下翼板的截面积: 对于组合梁，可取（h-hd/2）代替上式中的h，估算出组合梁钢梁下翼缘板所需要的截面积。,第二章 钢混凝土组合梁,根据上式钢梁底板面积Ad，选定底板厚度t，即可求出底板宽度bsx，反之亦然。 对于组合梁的钢梁，通常下翼板面积上翼板面积，设计中将Ad值放大1.05倍，而上缘板的面积可取（1/41/2）Ad或按照构造要求确定。,第二章 钢混凝土组合梁,三、剪力键的构造要求 1. 一般规定 1）剪力键抗掀起端头的底面位置（栓钉端头底面、槽钢上翼缘内侧）应高于底部钢筋30mm。 2）剪力键最大间距混凝土翼板（包括承托）厚度的4倍，同时

25、600mm。,3）剪力键的外侧边到混凝土翼板边之间的距离100mm。 4）剪力键外侧边与钢梁翼缘边之间的距离应20mm。 5）剪力键顶面的混凝土保护层厚度1015mm。,第二章 钢混凝土组合梁,2. 栓钉剪力键的特殊构造要求 1）如果钢梁翼缘承受拉应力，则栓钉杆直径钢梁翼缘板厚度1.5倍；如果钢梁翼缘不受拉应力，则栓钉杆直径应钢梁翼缘板厚度2.5倍。 2）栓钉沿梁跨度方向的间距钉杆直径的6倍。栓钉垂直于跨度方向间距钉杆直径4倍。,3. 弯筋剪力键的特殊构造要求 1）弯筋剪力键宜在钢梁翼缘上成对设置，双面侧焊缝长度4倍钢筋直径。 2）弯起筋的角度宜为45，弯折方向指向纵向水平剪力方向。在跨中纵向

26、剪力可能产生变化处，须在两个方向均有弯起钢筋。 3）弯筋剪力键自弯起点的总长度25倍钢筋直径，其中水平段长度10倍钢筋直径。 4）桥面板厚度0.7倍弯筋剪力键间距桥面板厚度2倍。,钢砼组合梁施工流程一般为： 钢梁预制并焊接剪力连接件架设钢梁安装横梁（横隔梁）及小纵梁（有时不设小纵梁） 安装预制混凝土板并浇筑接缝混凝土或支搭现浇混凝土桥面板的模板并铺设钢筋现浇混凝土养护拆除临时支架或设施。,第七节 组合梁的施工,一、施工工艺流程 1施工准备：平整场地、铺设平台、接通电源、安置焊机、准备切割机具、砂轮等。 2号料及下料：预留焊接收缩余量及切割、刨边和铣平等的加工余量，与一般钢结构制造方法相同。 3腹板及其拼接：设坡口