鋼結構橋梁的入門.doc

1、鋼結構橋梁的入門級別小跨度與大跨度鋼箱梁建國以來長江上幾座里程牌式鋼橋,高瞻遠矚,胸懷大志,入門開始 武漢長江大橋(128m跨度,3號鋼Q240)南京長江大橋(160m跨度,16Mnq Q345)九江長江大橋(216m跨度,15MnVNq Q420)蕪湖長江大橋(312m跨度,14MnNbq Q345)天興洲長江大橋(504m跨度,14MnNbq Q345)一、 橋梁用鋼牌號1、 Q235qD Q345qD Q370qD Q420QD第一個Q為屈服拼音第一個字母,屈服之意; 數字235表示屈服強度(是一個應力數值),數字后q為橋梁第一個拼音q,表示為橋梁用結構鋼;最后一個大寫字母D為鋼材等級,

2、鋼材等級之分有A、B、C、D、E5個等級,A不做沖擊功要求,B表示常溫20沖擊功,C為0沖擊功,D表示-20是沖擊功,E為-40獨沖擊功要求.沖擊功與鋼材韌性相關,Q345qE 聯合起來意為:屈服強度為345MPa應力的橋梁用鋼,-40有沖擊功要求,一般不小于47J.鋼材安全系數一般取為1.7,那么Q345鋼材容許應力為345/1.7=202.9MPa,規(guī)范中采用200MPa.Q345中345為屈服強度,抗拉強度更大,一般為容許應力的2.5倍,所以Q345抗拉強度為200*2.5=500MPa,規(guī)范中取值510MPa.抗剪容許應力為基本容許應力的0.6倍,局部承壓為基本容許應力的1.5倍,規(guī)范

3、中Q345鋼材抗剪容許應力120MPa,局部承壓容許應力為300MPa.二、 鋼結構橋梁的設計方法公路鋼結構橋梁設計規(guī)范2015沒出來之前,公路鋼結構橋梁仍然采用容許應力法設計:各項荷載系數為1,荷載組合下外力應力只要小于容許應力200MPa即可.現在新出鋼橋規(guī)范為了與混凝土統一采用兩個極限狀態(tài)設計法一致,鋼結構橋梁也采用了極限狀態(tài)設計法,以Q345qD鋼為例說明問題的實質性:1) 容許應力法外荷載組合系數:1x恒載+1x活載+1x其它可變活載 荷載組合下的應力小于規(guī)范中的容許應力200MPa (345/1.7=203)2) 極限狀態(tài)法外荷載組合系數:1.2x恒載+1.4x活載+1.4x其它可

4、變活載X0.75綜合起來極限狀態(tài)法相比于容許應力法 荷載綜合系數采用了1.35荷載組合下的應力小于規(guī)范中的容許應力275MPa (345/1.7x1.35=274)所以極限狀態(tài)法相當于外荷載系數乘了個1.35的數值,相對于容許應力法中的容許應力相應同時乘以1.35的數值,本質一樣,游戲而已.三、 鋼結構橋梁幾個主體問題鋼結構核心問題為強度、穩(wěn)定、疲勞1) 強度受拉桿件或者彎矩中的受拉部位:應力小于容許應力即可,假如為螺栓連接,計算應力時采用凈面積計算2) 穩(wěn)定穩(wěn)定問題轉為強度模式控制,只不過將容許的壓應力轉換為容許應力x小于1的一個數字,此數字結合桿件的計算長度與桿件回轉半徑相結合的長細比,如

5、下表穩(wěn)定問題還包括整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定之分,只要構件受壓,終究不能離開穩(wěn)定問題的困擾,這也是拱橋跨徑小于斜拉橋、斜拉橋跨徑小于懸索橋的主體原因;整體穩(wěn)定可按上述的穩(wěn)定應力小于強度容許應力乘以相應于長細比的小于1的折減系數控制,局部穩(wěn)定按照下表寬厚比控制受壓桿件設置的局部加勁肋,解決寬厚比過大的局部穩(wěn)定問題.上表為壓桿的局部穩(wěn)定控制指標,對于受彎構件的腹板的抗剪穩(wěn)定,也有相應的要求,防止腹板受剪失穩(wěn),控制指標為腹板的高厚比簡支梁受力的橫梁腹板加勁肋設置,豎向設置間距不大于2m的加勁板,正彎矩上緣受壓部位設置水平向加勁肋.3) 疲勞只要受拉,構件就有疲勞問題,裂紋隨著拉應力的變化擴展,所以受壓構件不

6、需檢算疲勞,受拉或者是拉壓交替就會有裂紋擴展的危險,就需檢算疲勞穩(wěn)定,疲勞主要與應力變化幅密切相關,疲勞檢算主要是檢算應力幅 四、 鋼結構橋梁與混凝土箱梁類比鋼箱梁截面混凝土截面對于一個3x30m混凝土現澆預應力匝道箱梁,荷載傳力途徑:荷載-傳力途徑1:橫向通過頂板傳遞給縱腹板(對應縱向1m板條橋面板橫向計算(車輛中車輪荷載) -組成橫框的橋面板的橫向受力-傳力途徑2:通過頂底板及腹板縱向傳遞給橫梁(對應于縱向單梁主梁計算,頂底板抗彎,腹板抗剪,車道荷載計算,受拉部位設置預應力鋼束保證混凝土抗裂,同時鋼束的設置不能使混凝土受壓過大)-縱向受力-傳立途徑3(通過橫梁由橫梁與縱腹板相交之點傳至支座

7、)(對應于橫梁計算,根據橫梁跨度決定是否采用預應力)-橫梁的橫向受力對于3x30m鋼箱梁,16mm厚頂板及頂板位置的縱向加勁肋(U肋、倒T肋、板肋)相當于25cm厚混凝土頂板,14mm厚底板及其加勁肋相當于25cm厚混凝土底板,兩塊14mm厚腹板類式于45cm厚腹板.鋼箱與混凝土承受荷載比較,相應采用Q345qD鋼材與C50混凝土類比:混凝土頂板承受彎矩中的壓力:7800mm*250mm*16.2MPa=31590kN鋼箱梁頂板承受彎矩中的軸力:(7800mm*16mm+705mm*8mm*10)*200MPa=36240kN,可以看出鋼結構承載能力更強.混凝土腹板抗剪:2000mm*450m

8、m*2*0.17*32.6Mpa=9975kN鋼箱梁腹板抗剪:2000mm*14mm*2*120Mpa=6720kN,抗剪混凝土強些,同等跨度的鋼箱梁一恒只有混凝土的1/3.5左右30m跨徑8m橋寬混凝土一恒荷載:8*0.7*26=146kN/m30m跨徑8m橋寬鋼箱梁一恒荷載:8*500kg/=40kN/m=146/3.65kN鋼箱梁相對于混凝土箱梁,上面講述了幾個類同性,類同性1: 16mm厚頂板及頂板位置的縱向加勁肋(U肋、倒T肋、板肋)相當于25cm厚混凝土頂板類同性2: 14mm厚底板及其加勁肋相當于25cm厚混凝土底板類同性3: 兩塊14mm厚腹板類式于45cm厚腹板本質的不同點在

9、于鋼箱梁縱向必須設置間距2m或者3m設置橫隔板(正交各向異性板名稱的由來,縱向頂板加勁肋加勁及橫向橫隔板加勁),以支承頂板上加勁肋的受力,減小頂板加勁肋計算跨度,同時減小較薄的鋼板的畸變變形增強橫向受彎能力,任何鋼結構箱型桿件均需設置隔板,此構造類似與竹子中的隔板,大自然中生物是演化的最合理構造.鋼箱梁的傳力途徑,相比于混凝土傳力途徑,多了一個橫隔板間頂板縱肋的縱向傳力,所以鋼箱梁需要兩個體系相加,原因在此!鋼箱梁傳力:荷載-傳力途徑1:橫向通過16mm厚頂板傳給頂板縱向加勁肋(頂板傳力,第三體系,薄膜力很大不用考慮)-傳力途徑2:頂板縱向加勁肋傳至隔板(縱向加勁肋及頂板組成的構件支撐在間距2

10、m或者3m的橫隔板上的受力,車輛中車輪荷載計算,多跨連續(xù)梁受力)-頂板縱向加勁肋及頂板的縱向受力,屬于第二體系也叫橋面體系,由于是縱向受力,所以需要與第一應力體系相加-傳力途徑3:橫隔板傳遞給縱腹板(橫隔板與其上下方頂板底板組成的構件在跨度為縱隔版之間間距的橫向受力,也叫橋面體系)- 橫隔板與頂上16mm厚底下14mm厚的橫向受力-傳力途徑4:縱腹板傳至橫梁(對應于縱向單梁主梁計算,頂底板抗彎,腹板抗剪,車道荷載計算)-第一體系,也叫主梁體系,縱向受力,與混凝土完全一致-傳力途徑5(通過橫梁由橫梁與縱腹板相交之點傳至支座)(對應于橫梁計算,)-橫梁的橫向受力,與混凝土完全類似理解縱向單梁模型-

11、不包含頂板加勁肋的第二體系計算五、 鋼結構橋梁構造本章主要簡述鋼結構橋梁中鋼箱梁構造,根據上一章鋼箱梁傳力其實大體可以確定鋼箱梁構造了,本章單獨提列,加強名稱介紹,構造服務于受力薄壁扁平鋼箱梁構造 1、總體布置薄壁扁平鋼箱梁（梁高與橋寬之比很?。┦怯身敯?、底板、橫隔板和縱隔板等板件通過全焊接的方式連接而成，扁平鋼箱梁的頂底板通過橫隔板及縱隔板等橫縱向聯結桿件聯成整體受力體系。箱梁的頂板通常按橋面橫坡要求設置，底板多采用平底板的構造形式。 2、頂底板構造鋼箱梁頂底板由均面板及縱肋組成，由于頂底板的寬度與板厚之比（寬厚比）較大，設置縱肋的主要目的是防止頂底板在彎曲壓應力或者制作、運輸、安裝架設中不

12、可預料的壓應力作用下的局部失穩(wěn)。另外對鋼箱梁頂板而言，設置縱肋可將單橋面板變?yōu)檎划愋伟?，大大增加橋面板的抵抗能力，使橋面承受的豎向荷載有效地傳遞到橫隔板及腹板上?？v肋的主要形式有開口加勁肋與閉口加勁肋兩種，兩者的區(qū)別如下： 由上表可知，頂底板的縱肋主要用閉口加勁肋，但翼緣頂板加勁肋也可采用開口加勁肋。一般的閉口加勁肋采用U肋，間距一般為600mm左右，開口加勁肋采用平鋼板或倒T形截面，間距一般為300mm左右,曲線橋梁由于彎曲半徑原因在曲線半徑較小時u肋適應曲線能力制造困難而采用開口加勁肋. 3、縱隔板構造縱隔板，即鋼箱梁腹板，有斜腹板與直腹板兩種形式。單箱多室鋼箱梁中，外側腹板一般為斜腹板

13、，其與頂底板共同構成單箱截面，箱梁內部多采用直腹板，將箱梁分為多室。在彎矩和剪力作用下，縱隔板同時存在彎曲應力和剪應力，為防止腹板在彎曲壓應力作用下的彎曲失穩(wěn)，在縱隔板上設有縱向加勁肋，縱向加勁肋一般采用平鋼板截面，豎向間距500mm左右；為防止腹板在剪應力作用下的剪切失穩(wěn)，在縱隔板上設有豎向加勁肋，豎向加勁肋一般采用倒T形截面，縱向間距2m左右。縱向加勁肋縱向連續(xù)，在橫隔板與豎向加勁肋處穿孔而過，豎向加勁肋與頂底板不相連，距離50mm左右。 4、橫隔板構造在鋼箱梁橋中，由于活載的偏心加載作用以及輪載直接作用在箱梁的頂板上，使得箱梁斷面發(fā)生畸變和橫向彎曲變形，為了減少鋼箱梁的這種變形，增加整體

14、剛度，防止過大的局部應力，需要在箱梁的支點處和跨間設置橫隔板。橫隔板分為中間橫隔板和支點橫隔板，支點橫隔板除了上述作用外，還將承受支座處的局部荷載，起到分散支座反力的作用。4.1中間橫隔板中間橫隔板被腹板斷開，每個箱室一塊隔板，與頂底板及腹板焊接。橫隔板縱向間距開口加勁肋一般2m左右u肋一般3m，與縱隔板豎向加勁肋交替布置。每塊橫隔板中間都設有進人洞，進人洞的洞口邊緣設有一塊加勁板，寬度100-200mm左右。常規(guī)中小跨度橫隔板形式(板式)大跨度鋼箱梁橫隔板形式(V形或者叉形桁架式隔板,節(jié)省橫隔板鋼材)4.2支點橫隔板支點處的橫隔板比中間橫隔板厚，具體厚度及橫隔板數量由計算確定，一般2-3塊，

15、間距400-800mm左右。支點橫隔板橫向在兩塊斜腹板之間連續(xù)，將直腹板斷開并焊接在支點橫隔板上。支點橫隔板與頂底板共同組成支點橫梁，進行計算，計算時頂底板有效寬度由道橋示方書確定。支點橫隔板上一般不設進人洞，但須設置水平加勁肋及豎向加勁肋以防止彎曲失穩(wěn)與剪切失穩(wěn)。 5、懸臂翼緣構造懸臂翼緣頂板處設置縱向加勁肋，在懸臂最外側橫向1m寬度左右，加勁肋形式多為平鋼板截面（不受汽車活載），其它寬度范圍內，加勁肋多為倒T形截面或U肋。翼緣橫隔板與主梁橫隔板對應設置，厚度翼板與主梁橫隔板相同或略薄，翼緣底板僅設在有橫隔板的位置，寬度200-300mm左右，底板之間用裝飾板焊接成整體。六、 鋼箱梁計算例子

16、主橋L17聯為鋼箱梁結構，橋跨布置為(28.5+41+24.25+24.25)=118m。本橋為變截面，橋面標準寬度26m，變截面中，最大寬度35.5m，最小寬度30m，按雙向六車道設計。采用單箱多室截面，梁高1800mm，箱梁頂板厚度取16mm，底板及腹板厚度采用14mm，橫隔板的縱向布置間距為2m，頂板縱肋采用U肋、I肋及板肋，U肋間距600mm，I肋間距不超過300mm，板肋僅用于翼緣板外邊緣，鋼材材質為Q345qC。標準截面處箱梁橫向設雙支座，支座中心距10.5m；變截面處，箱梁橫向設三支座，支座間距詳見支座布置圖。橋面鋪裝層采用8cmC50鋼纖維混凝土，5cm SBS改性瀝青混凝土A

17、C-16C及4cm SBS改性瀝青馬蹄脂碎石混合料SMA-13（摻0.25%聚酯纖維），橋面鋪裝層總厚度為17cm，采用鋼結構防撞護欄。本橋平面分別位于直線上，縱斷面分別位于-0.3%的縱坡和R=4000m的豎曲線上。箱梁斷面圖如下：箱梁26m寬橫斷面箱梁35.5m寬橫斷面箱梁30m寬橫斷面箱梁橋面板布置圖如下：傳力路徑：橋面板縱肋橫隔板腹板支點橫梁支座。三、計算內容1、縱向計算1.1第一體系應力（主梁體系）鋼箱梁沿縱向整體受力，其受力特性為連續(xù)梁特性，跨中正彎矩最大，支座負彎矩最大。因此利用橋梁建立縱向單梁模型，計算箱梁上下緣的最大拉應力及最大壓應力。1.2第二體系應力（橋面體系）鋼橋面板作

18、為橋面系直接承受車輪荷載作用，因此由縱肋和頂板組成結構系，把橋面上的荷載傳遞到橫隔板上。針對這一體系，把橫隔板間的單根縱肋及一定寬度的橋面板作為整體（工字型截面），將橫隔板作為支撐，計算其在外荷載作用下的應力，橋面板寬度根據道橋示方書確定。因為縱肋是穿過橫隔板保持連續(xù)，因此縱肋具有連續(xù)梁特性。本橋中，橫隔板間距為2m，因此，將縱肋及橋面當做跨度為2m的簡支梁計算，可得到橋面的最大壓應力；將縱肋及橋面當做跨度為2m的連續(xù)梁計算，可得到橋面的最大拉應力。本橋中承受汽車荷載的縱肋就有U肋，又有I肋，因此需分別計算兩者，取其中應力的最大值。U肋可以將兩腹板合在一起，也簡化為工字型截面。 I肋截面 U肋

19、截面頂板既受第一體系應力，又受第二體系應力，因此頂面總應力應將兩者的最大應力對應疊加（拉+拉，壓+壓）；底板僅受第一體系應力，所以縱向單梁模型中的應力即為底板的實際應力。應力疊加過程如下表所示。根據縱向正應力計算結果，可判斷梁高、頂底板厚度是否合適，根據縱向剪應力結果，可判斷腹板厚度及腹板個數是否合適。2、橫向計算1.1普通橫隔板計算普通位置橫隔板承受縱肋傳遞過來的力，再傳遞到兩側縱腹板上，橫隔板橫向受彎，可簡化為兩端簡支于腹板的簡支梁計算，直接承受車輛荷載，截面為工字型截面，頂底板寬度按道橋示方書計算。注意車輛荷載要按最不利位置加載。 圖中，q1+q2為自重+二恒，p2為車輛荷載的車輪作用點

20、。根據正應力大小可判斷橫隔板間距是否合適（橫隔板間距影響頂底板有效寬度）；根據剪應力大小可判斷橫隔板厚度是否合適。 1.2支點橫梁計算 支點橫梁承受縱腹板傳遞的力，再傳遞給支座，支點橫梁橫向受彎，可簡化為簡支于支座上的簡支梁或者連續(xù)梁，承受腹板的豎向力。支點橫梁為兩塊橫隔板或三塊橫隔板組成，截面為箱型截面，頂底板寬度按道橋示方書計算。腹板的豎向力大小按該支座處的總支反力平分（乘以一定的偏載系數）。根據支點橫梁正應力大小可判斷橫梁腹板（即橫隔板）間距、頂底板厚度是否合適（在支點處頂底板會加厚），根據支點橫梁剪應力可判斷橫梁腹板厚度及橫梁腹板個數是否合適。 1.3懸臂翼緣計算 懸臂橫隔板橫向受彎，

21、簡化為一端固結于主梁腹板的懸臂梁計算其彎曲應力，計算截面取一工字型截面，頂板按道橋示方書計算其有效寬度。 根據正應力可判斷底板寬度及厚度是否合適，根據剪應力判斷橫隔板厚度是否合適。注意翼緣橫隔板被縱肋削弱的部分很大，剪應力不應過高。3、支承加勁肋計算鋼箱梁在支承處應設置成對的豎向加勁肋。支承加勁肋直接承受支座反力的作用，不僅需要驗算支承墊板處腹板和加勁肋的直接承壓應力，而且必須計算腹板和加勁肋中的豎向應力。3.1支點處承壓應力計算bb式中：b局部承壓容許應力； Rv支座反力； n單個支座豎向加勁肋個數； t1豎向加勁肋厚度； d豎向加勁肋寬度； B支座墊板橫向寬度； t下翼板厚度； td橫隔板

22、厚度。3.2豎直方向應力計算c式中：c軸心受壓容許應力； Bev腹板豎直方向應力有效計算寬度，按下式計算：Bev=bs+30*td（bs30*td） Bs豎向加勁肋橫向間距。四、細部構造1、翼緣處縱向加勁肋的焊接翼緣處橫隔板高度較小，并且還要開孔以保證縱向加勁肋穿過，因此在開孔截面橫隔板的剪力將大大增加。為了防止剪力過大，翼緣處縱向加勁肋與橫隔板間的焊接須增加焊接墊板，以增大橫隔板的受剪面積。 2、支承加勁肋的布置 支承加勁肋的布置不僅與計算有關，同時也與支座的螺栓位置有關，在考慮支承加勁肋的橫向間距時，應注意不要與支座的螺栓位置沖突。3、翼緣底板對應加勁肋 翼緣底板的一端焊接于斜腹板外側，為防止腹板被頂彎，在腹板內側與翼緣底板對應的位置應設置一塊水平加勁肋，由于翼緣底板布置在翼緣橫隔板兩側，而翼緣橫隔板位置又與主梁橫隔板對應，因此該水平加勁肋也處于主梁橫隔板左右，其總寬度不應小于翼緣底板的總寬度，長度600mm左右。 4、頂底板及腹板的加厚區(qū)長度在支點橫梁的計算中，箱梁頂底板作為截面的一部分參與了計算，為了減