鋼橋及混凝土橋之橋面設(shè)計基本知識[詳細]

1、鋼橋及混凝土橋之橋面設(shè)計基本知識,內(nèi) 容,一、概述,鋼橋橋面結(jié)構(gòu)主要有： 橋面梁格、橋面板、橋面鋪裝、排水防水系統(tǒng)、人行道、護輪帶、欄桿、照明燈具、伸縮縫等。,橋面一般構(gòu)造,橋面系的主要承重結(jié)構(gòu),橋面系結(jié)構(gòu)的分類,鐵路橋面,公路橋面,混凝土橋面,鋼橋面,木橋面,結(jié)合橋面,非結(jié)合橋面,橋面板同時參與橋面系梁格或者主梁共同工作的橋面,橋面系結(jié)構(gòu)的作用,直接承受橋上車輪荷載并且將它傳遞到主梁的主要結(jié)構(gòu)。,設(shè)計荷載中，活載比例往往大于恒載，易產(chǎn)生疲勞破壞； 橋面鋪裝原因； 軌道的磨耗、損傷等原因；,橋面板容易受到?jīng)_擊,橋面系結(jié)構(gòu)是鋼橋各構(gòu)件中工作狀態(tài)最為不利的結(jié)構(gòu)之一,正確選擇橋面系結(jié)構(gòu),公路橋橋面：

2、通常采用混凝土橋面和鋼橋面,1,保證：耐久性、抗滑性；表面平滑,鐵路橋橋面：通常采用混凝土橋面和無道碴的梁格系明橋面,2,保證：軌道穩(wěn)定；減小振動和噪聲；易養(yǎng)護和維修,結(jié)合橋面：采用要慎重。 結(jié)合橋面結(jié)構(gòu)中，橋面板作為主梁的一部分，可以節(jié)約材料。但是，橋面結(jié)構(gòu)承受很大的活載和集中荷載作用，容易受到不同的損傷，往往需要維修。結(jié)合橋面參與主梁共同作用，橋面維修時會影響橋梁主體受力結(jié)構(gòu)。,3,大跨度橋梁的橋面系結(jié)構(gòu)：通常采用鋼橋面等輕型橋面結(jié)構(gòu) 橋面結(jié)構(gòu)自重在鋼橋的總設(shè)計荷載中占很大比重，減輕橋面結(jié)構(gòu)重量對于減輕鋼橋恒載、提高跨越能力和經(jīng)濟效益意義重大。,4,公路鋼橋橋面,主要有橋面板和橋面鋪裝組成

3、。 直接承受橋上車輪荷載并將其傳遞到橋道梁或主梁。,公路橋橋面鋼筋混凝土橋面板,橋面板通常采用：鋼筋混凝土橋面板、預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板、鋼橋面板 （正交異性鋼橋面板）,1,各類橋面板的使用范圍：,鋼橋面板：由頂板和縱橫加勁組成，既作為橋面直接承受車輪荷載，又是主梁上翼板的一部分。主要應(yīng)用于大跨度橋梁和主梁高度受限制時。,RC、PC橋面板：造價低，施工較容易。主要應(yīng)用于中小跨徑橋梁。,橋面鋪裝：橋面保護層，是車輪直接作用的部分。 橋面鋪裝作用：給車輪提供足夠摩擦力；防止車輛輪胎或履帶直接 磨耗行車道板；保護主梁免受雨水侵蝕；分布車輛 輪重的集中荷載。,2,鋼橋橋面鋪裝：主要有水泥混凝土和瀝青混凝土

4、兩種形式。 水泥混凝土鋪裝：剛性大、造價低、耐磨性能好；易開裂、摩擦系數(shù)小 、修補麻煩。適于重載交通的小跨徑橋梁。 瀝青混凝土鋪裝：造價高、易老化、易變形；摩擦系數(shù)大、重量輕、柔 性好、振動小、維修養(yǎng)護方便。適于較大跨徑橋梁。,鐵路鋼橋橋面,主要有明橋面和道碴橋面兩種形式，設(shè)有防水層。不設(shè)橋面鋪裝。,明橋面鐵路橋最常用的橋面形式,沒有道碴，主要有：橋枕、護木、正軌及護軌等。 橋枕直接設(shè)在主梁或縱梁上，之間的凈距不宜超過210mm； 護木用于固定橋枕之間的相對位置。,鐵路橋梁明橋面結(jié)構(gòu)示意圖,1,道碴橋面通常用于通過城市或住宅密集地段的橋梁,有道碴，可以減小噪音、便于維修。但是自重較大。,2,鐵

5、路橋梁道碴橋面結(jié)構(gòu)示意圖,橋面系梁格,桁架橋、拱橋、下承式梁橋等，常設(shè)置橫梁、縱梁。,桁架節(jié)點、拱肋、系梁節(jié)點。,橫梁和縱梁在平面上通常布置成梁格的形式，支承橋面板,縱梁連接于橫梁上,縱梁支承于橫梁頂板上,二、鋼筋混凝土橋面,鋼筋混凝土橋面板：自重較大（通常57kN/m2）。 經(jīng)濟、整體性好、受力可靠、設(shè)計施工簡單。 中小跨徑公路鋼橋常用橋面形式。,橋梁橫截面標高通常是變化的。,(1)翼緣板厚度的變化、工地接頭螺栓等引起翼緣板頂面不平整； (2)設(shè)置橋面橫坡或超高的需要。,橋梁橫截面標高的調(diào)整方法,(2) 鋼梁腹板采用不同的截面高度較少采用,工字型鋼板梁橋鋼筋混凝土橋面板倒梯形梗肋,鋼筋混凝土

6、橋面板橫斷面示意圖,鋼箱梁橋鋼筋混凝土橋面板的倒梯形梗肋,1:3以下,1:3以下,梗肋高度較矮、箱梁寬度較小而且恒載增加不大時常采用。,倒梯形梗肋需滿足的條件：,(1)梗肋坡度不宜大于1:3減小橋面板截面變化處的應(yīng)力集中；,(2)梗肋總高度滿足橋面標高需要；,(3)梗肋最小高度的要求如下圖。,梗肋最小高度(mm),鋼板梁橋鋼筋混凝土橋面板懸臂部分構(gòu)造,2,懸臂部分常用截面,主梁外側(cè)設(shè)置有懸臂托梁,鋼筋混凝土橋面板板厚,3,嚴格限制鋼橋的鋼筋混凝土橋面板的強度和裂縫寬度，主要原因如下：,(1)橋面板直接承受車輪荷載作用和車輪荷載的沖擊作用，橋面板的活載占總設(shè)計荷載的比例較大，容易產(chǎn)生疲勞破壞；,

7、(2)鋼橋的剛度一般比鋼筋混凝土橋梁小，橋面板的受力較復(fù)雜。特別是為了減小橋面板跨徑在主梁與主梁之間設(shè)置剛度較小的縱梁時，主梁與縱梁剛度差別較大，使橋面板受力不均勻；,(3)橋面板厚度與鋼筋混凝土主梁梁高相比很小，截面尺寸的誤差對橋面板承載能力的影響較大；,(4)橋面板直接承受超重車輛的車輪集中荷載，使得橋面板承受的實際荷載大于設(shè)計荷載；,(5)橋面板容易受到橋面上雨水等的侵蝕，鋼筋容易被腐蝕。,我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范中對鋼筋混凝土橋面板有較詳細的規(guī)定。 國外通常采取增加板厚和限制橋面板主筋使用應(yīng)力的方法，提高橋面板的承載能力和耐久性。 日本道路橋示方書中對鋼筋混凝土橋面板的一些規(guī)定：,橋面板最

8、小厚度的要求：,車行道部分鋼筋混凝土橋面板的最小厚度(單位:mm),表中：L為橋面板活載計算跨徑(m),車行道部分橋面板最小厚度除滿足上表外，不得小于160mm。,鋼筋最大使用應(yīng)力要小于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋容許應(yīng)力的80%。,結(jié)合梁等維修困難的橋梁，鋼筋最大使用應(yīng)力一般控制在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋容許應(yīng)力的67%以內(nèi)。,計算跨徑L的規(guī)定：,簡支板和連續(xù)板的計算跨徑L為沿主筋方向的支承梁間的距離，但是不得大于沿主筋方向的凈跨徑與跨中斷面的板厚之和。如圖3-2-7a所示。,圖3-2-7 a) 橫橋方向,懸臂板的計算跨徑L如圖3-2-7a所示。 計算恒載彎矩時，L取翼緣懸臂部分的1/2處到懸臂端的

9、距離，即：L=L恒； 計算橋面板的跨徑與行車方向垂直情況下的活載彎矩時，L取翼緣懸臂部分的1/2處到距離緣石邊緣25cm處的距離，即：L=L活；,圖3-2-7 b) 順橋方向,主梁,端橫梁,懸臂板的計算跨徑L如圖3-2-7b所示。 計算橋面板的跨徑與行車方向平行情況下的活載彎矩時，L取翼緣懸臂部分的1/2處到距離板端10cm處的距離，即：L=L活；,鋼筋混凝土橋面板的配筋,4,短跨方向,長跨方向,1:3以下,1:3以下,主筋,分布筋,梗肋加強筋,配筋示意圖,梗肋部分配筋,以下為工字型截面鋼板梁橋鋼筋混凝土橋面板配筋示意圖,斜橋梁端配筋(斜角7090),斜橋梁端配筋(斜角70),鋼筋混凝土橋面板

10、的受力特性,鋼筋混凝土橋面板直接支承于主梁、橫梁和縱梁上，根據(jù)支承條件和受力不同分為： 單向板、雙向板、懸臂板,鋼筋混凝土橋面板的兩種簡化計算方法,荷載作用下，由于主梁或縱梁的變形，橋面板的受力特性為彈性支承的連續(xù)板。鋼橋的鋼筋混凝土橋面板的設(shè)計必須考慮主梁和縱梁剛度的影響。,鋼筋混凝土橋面板的設(shè)計計算方法,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(JTG D62-2004)中4.1節(jié)板的計算如下：,支點彎矩：,跨中彎矩：,1）板厚與梁肋高度比1/4時，,2）板厚與梁肋高度比1/4時，,與計算跨徑相同的簡支板跨中彎矩,計算整體單向板時，通過車輪傳遞到板上的荷載分布寬度應(yīng)按下列規(guī)定計算：,4.1

11、.3,1. 平行于板的跨徑方向的荷載分布寬度:,2. 垂直于板的跨徑方向的荷載分布寬度：,1）單個車輪在板的跨徑中部時,2）多個相同車輪在板的跨徑中部時，當各單個車輪按公式(4.1.3-2)計算的荷載分布寬度有重疊時,3）車輪在板的支承處時,4）車輪在板的支承附近，距支點的距離為x時，,5）按本條算得的所有分布寬度，均不得大于板的全寬度,6）彼此不相連的預(yù)制板，車輪在板內(nèi)分布寬度不得大于預(yù)制板寬度,板的計算跨徑；,鋪裝層厚度；,多個車輪時外輪之間的中距；,垂直于板跨和平行于板跨方向的車輪著地尺寸。,板的厚度；,三、鋼橋面,鋼橋面由頂板、焊接于頂板上的縱向及橫向加勁肋組成。 頂板設(shè)置防水層、鋪設(shè)

12、5070mm的環(huán)氧瀝青/SMA瀝青/澆筑式瀝青鋪裝層。,開口截面縱肋,閉口截面縱肋,鋼橋面的構(gòu)造,縱肋平行于橋軸方向的縱向加勁肋。有開口截面縱肋和閉口截面縱肋。 開口截面縱肋，抵抗局部失穩(wěn)能力比閉口截面縱肋小。 橫肋垂直于橋軸方向的橫向加勁肋。一般采用倒T形截面。 橫梁為了提高橋梁的整體剛度和荷載橫向分布的需要，其中必須加大一 部分橫肋的斷面尺寸，增加橫肋的剛度，這種截面尺寸和剛度較 大橫肋稱為橫梁,正交異性板公路鋼橋采用的鋼橋面板，一般縱肋布置較密，橫肋分布較疏，橋面板縱橫方向的剛度不同，即鋼橋面板縱橫方向的受力特性為各向異性。因此，歐美各國便把這種鋼橋面板起名叫正交異性板。,鋼橋面板頂板的

13、最小板厚一般不得小于1214mm。重車通行量較大 時，板厚最好在14mm以上。,橫肋、縱肋截面和間距的規(guī)定 橫肋與縱肋的交叉處，通常采用縱肋連續(xù)通過的結(jié)構(gòu)形式，這樣，交叉處的橫肋截面會被削弱。所以橫肋的截面比縱肋高，間距也比縱肋大。開口截面縱肋，抵抗局部失穩(wěn)能力比閉口截面縱肋小。當采用開口截面縱肋時，橫肋間距要小一些，通常為1.02.5m；當采用閉口截面縱肋時，橫肋間距通常為2.04.0m。 縱肋可防止頂板屈曲。間距不宜過大，過大時頂板可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)，和導(dǎo)致變形過大影響橋面鋪裝。縱肋間距也不宜過小，太小不便于橋面板的制作和安裝。開口截面縱肋的間距在300400mm，閉口截面縱肋的間距在600

14、850mm。我國公路鋼橋閉口截面縱肋的中心間距多采用600mm。,開口截面縱肋,平鋼板,正球頭鋼板,偏球頭鋼板,不等邊角鋼,倒T形截面,結(jié)構(gòu)簡單，板厚大,頂板厚度很大，對加勁肋剛度要求很高情況下采用,頂板厚度很大時，較經(jīng)濟。但工廠焊接和工地連接較困難,可彌補平鋼板縱肋的不足，減小板厚度。國外常作為型鋼生產(chǎn),閉口截面縱肋,梯形截面(U肋),U字形截面,V字形截面,工廠加工性能和受力性能較好，工地連接也較為方便。采用最多,工廠加工較方便，但工地連接困難。采用較少,受力不好。采用較少,我國公路鋼橋倒梯形縱肋(U肋)的口寬多為：A=300mm, H=280300mm, B=160190mm。,鋼橋面的

15、連接,鋼橋面板縱肋與橫肋交叉處構(gòu)造,鋼橋面板縱肋與橫肋交叉處連接形式,縱肋與橫肋不連接，不會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，構(gòu)造簡單，便于制作和安裝。適用于受拉區(qū)的縱橫肋交叉結(jié)構(gòu)。,橫肋腹板上開槽便于縱肋的連續(xù)通過和安裝。為了防止縱肋的局部失穩(wěn)，縱肋的單側(cè)與橫肋腹板用角焊縫連接。適用于受壓區(qū)的縱橫肋交叉結(jié)構(gòu)。,閉口截面縱肋與橫隔板或橫梁交叉處的連接結(jié)構(gòu)。 左圖適用于受拉區(qū)頂板。 右圖適用于受壓區(qū)頂板。,鋼橋面板的力學(xué)特性與有效寬度計算,力學(xué)特性,1,鋼橋面板作為橋面系直接承受車輪荷載作用； 鋼橋面板還作為主梁一部分參與主梁共同受力。,力學(xué)行為十分復(fù)雜,按三個基本結(jié)構(gòu)體系對鋼橋面板進行研究,結(jié)構(gòu)體系主梁體系,

16、由頂板和縱肋組成的結(jié)構(gòu)系看成是主梁（橋梁主要承載構(gòu)件）的一個組成部分，參與主梁共同受力。 在結(jié)構(gòu)系中，鋼橋面板通過頂板與腹板的連接，使橋面板成為主梁的一部分而共同工作。如果把參與主梁共同工作的有效寬度范圍內(nèi)的加勁板看作主梁截面中的一部分，鋼橋面板的內(nèi)力計算與一般梁橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算相同，可利用影響線求出。 因此，要解決的問題是確定鋼橋面板有效寬度,結(jié)構(gòu)體系橋面體系,由縱肋、橫肋和頂板組成的結(jié)構(gòu)系，頂板被看成縱肋、橫肋上翼緣的一部分。結(jié)構(gòu)系起到了橋面系結(jié)構(gòu)的作用，把橋面上的荷載傳遞到主梁和剛度較大的橫梁。 在結(jié)構(gòu)系中，鋼橋面板可以看成為支承于主梁和橫梁上的橋面系結(jié)構(gòu)，它把橋面板自重和橋面板上的外力

17、傳遞到主梁和橫梁。,結(jié)構(gòu)體系蓋板體系,把設(shè)置在肋上的頂板看成是各向同性的連續(xù)板，這個板直接承受作用于肋間的輪荷載，同時把輪荷載傳遞到肋上。 結(jié)構(gòu)系，指的就是直接承受輪重并將輪重傳遞到加勁肋上的頂板。當頂板上的輪重逐漸增大時，頂板的彎曲應(yīng)力便逐步進入薄膜應(yīng)力狀態(tài)，平板的承載力變得比用一次彎曲理論求出的計算值大得多。所以，在鋼橋面板靜力強度計算中，結(jié)構(gòu)系的應(yīng)力可以忽略不計。但是結(jié)構(gòu)系的活載應(yīng)力對加勁肋與頂板焊縫處的疲勞極為不利，在設(shè)計中，必須驗算它們的疲勞壽命。,頂板有效計算寬度,2,鋼橋面板有效寬度的示意圖,正交異性鋼橋面板由蓋板和縱橫肋組成的肋板式結(jié)構(gòu)，由于剪力滯的影響，在荷載作用下蓋板或翼緣

18、板應(yīng)力不是均勻分布的，如下圖。通常腹板附近應(yīng)力比其他地方大。 工程設(shè)計計算中通常采用簡化計算方法，假設(shè)頂板或翼緣板應(yīng)力按最大應(yīng)力均勻分布，并且按力的等效原則，由下式確定其計算寬度，即有效分布寬度。,日本道路橋示方書中推薦的主梁翼緣和鋼橋面板縱橫肋的有效計算寬度。簡化計算方法,1.主梁體系（結(jié)構(gòu)系）有效分布寬度,鋼橋面板作為主梁上翼板參與整體受力時，結(jié)構(gòu)計算以主梁為研究對象，主梁將荷載傳遞到支座。因此，主梁體系有效寬度是指參與主梁共同工作的頂板（包括頂板的加勁肋）寬度。,（1）簡支梁,假設(shè)有效寬度,沿橋跨不變，其大小按式（3-3-2）計算，,等效跨徑l與簡支梁的計算跨徑L相同。,主梁腹板間距的一半或懸臂板寬度,換算跨徑,（2）連續(xù)梁,假設(shè)中間支點處的有效寬度,與跨中不同，距中間支點0.2L的范圍內(nèi)，,有效寬度按兩者內(nèi)插計算，其余部分與跨中相同。,支點處的有效寬度按式（3-3-3）計算，等效跨徑按相鄰兩跨跨徑之和的0.2倍計算； 跨中的有效寬度按式（3-3-2）計算，其中邊跨的等效跨徑取該跨跨徑的0.8倍計算，中跨取相應(yīng)跨跨徑的0.6倍計算。,（3）懸臂梁,掛孔的有效寬度計算方法與簡支梁相同