桥梁工程 第六章 钢桥

第 6 章 钢梁桥,6.1 概述,6.2 钢板梁桥设计,6.3 钢板梁桥联结系设计,6.4 钢桁梁桥设计,6.1 概述,6.1.1 钢桥特点及发展,6.1.2 钢桥用材,6.1.3钢桥的主要类型,北京交通大学土木建筑工程学院,钢桥:主要承重结构及构件由钢材制造并拼接而成的桥梁结构。 钢桥特点：（1）使用的材料性能好。钢材匀质、各向同性、强度高、弹性模量大，塑性和韧性好、是理想的弹性体，又具有很好的塑性。钢材不仅具备很好的力学性能，还具备很好的加工性能。（2）跨越能力大。虽然钢材容重大，但因其强度高，与钢筋混凝土相比，在相同承载力条件下钢构件截面小，结构自重反而轻，适合于建造大跨度桥梁。,6.1.1 钢桥特点及发展,（3）工业化制造程度高。钢构件多在工厂加工，受环境影响小、易控制、精度高、能大批生产、质量有保证、工业化程度高。 （4）运输方便、安装速度快、施工工期短。通常，钢桥是由小构件运至现场拼装而成的，便于运输，便于无支架安装施工，相对于混凝土结构可缩短工期。 （5）钢桥构件易于修复和更换。 （6）钢桥的缺点主要有：不耐火、易受侵蚀，维护费用高；杆件细长，稳定问题大；列车诱发的振动、噪声相对较大。,由于钢桥的诸多优点，特别是其结构的实际受力状况与理论计算结果非常相符，准确可靠，遂成为近、现代桥梁建造的主要结构。 建设钢桥的历史可以追朔到百年以前，在我国8万多公里的铁路线上，有8000多孔钢桥在服役，其中超过百年的老龄钢桥有160多孔。 1907年建成的上海外白渡桥、1909年通车的兰州黄河老桥等都已成为历史文物，受到保护。但早期的老龄钢桥大多是外国人设计并建造的。 1934年1937年，39岁的茅以升先生带领中国工程师设计并监造了钱塘江大桥（主跨65.84m，全长1453m），开创了我国自行建造钢桥的历史。,中国最早的钢桥制造厂是1894年建立的，已有一百多年的历史。但是，直到上世纪50年代初期，桥梁工厂只有制造铆接桥的技术。1956年，前苏联专家与中国技术人员合作，在沈阳桥梁厂试焊成功第一孔24m焊接板梁，并生产了第一批320孔24m焊接板梁桥，架设在石太线和湛江附近支线上，这是我国第一次制造焊接桥。 1957年，借助前苏联专家的技术和材料，中国建造完成了全长1155.5m、主跨128m的武汉长江公铁两用大桥。该桥的建设培养了中国第一批钢桥设计、施工、制作、研究的工程技术人员，为中国钢桥事业的发展奠定了基础。,1968年，中国人靠自己的技术和材料，自行设计建造了正桥长1576m、铁路桥全长6772m、公路桥全长4588m的南京长江公铁两用大桥。该桥主跨160m，首次使用了国产的16Mnq钢。 上世纪60年代中期，在中国西南成昆铁路建设中，由科研、设计、施工、制造单位组成了栓焊梁战斗组，系统地研究了栓焊钢桥建造技术，编制了我国最早的栓焊钢梁设计暂行办法，并以此为指导，在成昆线上建成了44座不同形式的栓焊钢桥，结束了中国铆接钢桥的历史，开创了中国栓焊钢桥技术发展的新纪元。,上世纪90年代以来，在铁路桥梁方面，1993年使用国产15MnVNq钢建成了主跨214m的九江长江大桥（公铁两用钢桁拱桥），2002年使用国产14MnNbq钢建成了的主跨312m的芜湖长江大桥（公铁两用低塔斜拉桥），2009年建成了主跨504m的武汉天兴州长江大桥已经建成（3片钢桁主梁公铁两用斜拉桥），现在，主跨336m的南京大胜关长江大桥（高速铁路钢桁拱桥）已经合拢，创造了我国公铁两用桥的多项新纪录。 公路钢桥的发展也是突飞猛进，1996年建成通车的长江三峡西陵大桥是中国人自己设计建造的第一座全焊钢箱梁公路桥。2007年建成通车的主跨1018m的苏通长江大桥、2008年建成的主跨552m的重庆朝天门长江大桥、2007年合拢的主跨1650m的西堠门跨海桥分别成为我国已经建成的斜拉桥、拱桥、悬索桥的跨度之最。,6.1.2 钢桥用材,桥梁使用的钢材包括3类：1. 制作桥梁杆件的钢板和型钢等结构钢。 2. 制作钢索和钢绞线的高强钢丝。 3. 制作钢支座的铸钢或锻钢。,我国钢桥杆件主要使用国产钢材碳素结构钢和低合金结构钢，其机械力学性能及冲击韧性等指标见桥梁用结构钢（GB/T714-2000）。 根据对冲击韧性的要求不同，Q235钢材分为A、B、C、D四个等级，Q345钢材分为A、B、C、D、E五个等级。其中A级钢没有冲击韧性的要求，很少用于钢桥。B、C、D、E级钢的冲击韧性试验温度分别为20，0，-20和-40，要求V形缺口冲击功大于27J。按照桥梁钢国家标准，交货质量控制非常严格。,例如：铁路钢桥用钢材交货条件明确规定：Q235q、Q345q应热轧状态交货，Q370qD、Q370qE、Q420qD Q420qE均应正火状态交货； Q370QE钢板实物的冲击韧性交货条件为：-40时的冲击功，板厚小于等于24mm不低于100J, 板厚大于24mm不低于120J； Q420qE钢板实物的冲击韧性交货条件为：-40时冲击功不低于120J。 铁路钢桥所用的基本材料见表6-1，桥梁用钢的基本容许应力见表6-2。,表6-1 铁路钢桥的基本材料,表6-2 钢材的基本容许应力,6.1.3钢桥的主要类型,从钢桥的主要承重结构的受力和传力方式来看，可归纳为梁式钢桥、拱式钢桥和组合体系钢桥。 1. 梁式钢桥 梁式钢桥是主要承受弯矩和剪力的结构，其力学特征是在竖向荷载作用下，截面产生弯矩和剪力。 按照支承方式不同，可分为简支梁桥（图6-1）、连续梁桥（图6-2）和悬臂梁桥（图6-3）。,按照主梁结构形式，可分为钢板梁、钢箱梁、钢桁梁和结合梁(图6-4)； 按照连接方式，可分为铆接钢梁、栓接钢梁、焊接钢梁以及栓焊连接钢梁； 按照截面沿跨度方向有无变化，可分为等截面钢梁和变截面钢梁。,图6-1 简支钢桁梁桥,图6-2 连续钢板梁桥,图6-3 悬臂（简支）钢桁梁桥,图6-4 钢混结合梁桥,2. 拱式钢桥 拱式钢桥是以承受轴力为主、同时也承受弯矩和剪力的结构。其力学特征是在竖向荷载作用下，拱脚产生水平推力。 按照支承方式(包括铰的设置)不同，可分为无铰拱桥（图6-5）、两铰拱桥（图6-6）和三铰拱桥（图6-7）。 按照拱肋的截面形式可分为板式拱、箱式拱、桁式拱。 按照拱脚推力的传递方式可分为有推力拱和无推力拱(系杆拱)（图6-8）。,图6-5 无铰钢拱桥(板式),图6-6 两铰钢拱桥(桁式),图6-7 三铰钢拱桥(箱式),图6-8 系杆钢拱桥,6.2 钢板梁桥设计,6.2.1 钢板梁桥的类型及结构组成 6.2.2 钢板梁桥主梁设计,6.2.1 钢板梁桥的类型及结构组成,钢板梁桥：指主梁采用型钢或钢板，通过焊接、栓接或铆接制成的工字形截面的实腹梁桥。 特点：构造简单、制作容易、可整孔运输及安装。 联结系：由于钢板梁横向抗弯刚度和抗扭刚度较小，为了实现桥梁结构的空间性和整体性并传递横向荷载，使钢板梁的主梁间连接在一起，形成一个整体的结构体系。 钢板梁桥组成：主梁、联结系、桥面系和支座等。,钢板梁桥的类型： 钢板梁桥按桥面设置的位置不同可分为上承式钢板梁桥（见图6-9）和下承式钢板梁桥（见图6-10）。 桥面位于主梁上翼缘为上承式钢板梁桥，桥面位于主梁下翼缘为下承式钢板梁桥。,图6-9 上承式钢板梁桥,图6-10 下承式钢板梁桥,1. 主梁 主梁主要承受竖向荷载，是钢板梁桥的主要承重结构。每片钢板梁按制作方法不同可以分为型钢梁和焊接（或铆接）梁两大类。 当桥梁的跨度较小时并承受的荷载较小时，钢板梁可采用热轧型钢（如工字钢）。 当荷载和跨度较大以及采用变截面梁时，应采用由钢板通过焊接或铆接制成的钢板梁。,由于焊接连接方法的迅速发展，钢板梁大多采用的是焊接梁，铆接梁已经基本上不再应用。主梁截面见图6-11。,(a)铆接钢板梁截面 (b)焊接钢板梁截面 (c)型钢钢板梁截面 图6-11 主梁截面示意图,每片焊接钢板梁由上、下翼缘板和腹板组成，如图6-12所示。为了保证腹板的局部稳定性，一般需要设置竖向加劲肋和水平加劲肋。 竖向加劲肋的布置不仅要满足腹板稳定性的需要，还应考虑联结系的布置。 一般情况下，竖向加劲肋按等距离布置（通常间距2m）。为了尽量减小上翼缘板局部屈曲的可能性，竖向加劲肋上端应与上翼缘板顶紧，在横联处的竖向加劲肋上端还应与上翼缘板焊接。支承处或传递集中外力处的竖向加劲肋应成对设置，其上、下端均与翼缘板顶紧焊牢。,当腹板较高时，还应设置水平加劲肋，且布置在距压翼缘1/41/5腹板高度处。,-主梁上翼缘板 -主梁下翼缘板 -主梁腹板 -端加劲肋 -中间竖向加劲肋 -水平加劲肋 图6-12 主梁及腹板加劲肋,2. 联结系 联结系分为纵向联结系和横向联结系，如图6-13所示。 上平纵联：设置于主梁上翼缘的水平纵向联结系。 下平纵联：设置于主梁下翼缘的水平纵向联结系。横联： 设置于主梁横向平面的联结系。 上、下平纵联的功能是：承受横向荷载并传递到支座；为主梁提供侧向弹性支撑，增加主梁的稳定性；与主梁连接构成一空间受力体系。,图6-13 上承式钢板梁桥主梁及联结系,6.2.2 钢板梁桥主梁设计,1. 主梁内力简化计算 进行钢板梁设计时，首先应计算出作用于板梁任一截面的内力，包括弯矩、剪力和轴力。由于钢板梁（主梁、联结系）实际上是一个既能承受竖向荷载（恒载、活载）又能承受横向荷载（风力、摇摆力、离心力）以及地震和温度作用的空间受力体系，显然，利用有限元法或其它计算方法完成这样的计算得到其内力是可行的，但这样做相对复杂。 工程上常用的做法是：根据钢板梁桥的结构组成、受荷特点及支承方式，将其分成几个简单的平面结构分别进行计算，如竖向荷载作用下的主梁内力计算，横向荷载作用下的平纵联内力计算等。,设计时，主梁截面内力按下式计算：弯曲应力：,(6.1),剪应力：,(6.2),-计算截面恒载产生的弯矩和剪力；,-计算截面活载产生的弯矩和剪力；,-计算截面抵抗矩；,-中性轴以上的毛截面对中性轴的面积矩；,-截面惯性矩；,-腹板厚度,2. 主梁尺寸确定 钢板梁主梁尺寸包括：计算跨度、主梁高度、主梁中心距、主梁截面等。 （1）计算跨度 钢板梁桥的计算跨度：指纵桥向两支座之间的距离。 计算跨度应依据桥位处的地质、地理、水文以及施工、运输等条件确定。在实际选用时宜尽量采用标准跨度的梁。铁路桥梁钢结构设计规范（以下简称桥规）中的标准跨度有20m、24m、32m、40m等。,（2）主梁高度 钢板梁主梁高度：上翼缘板顶面到下翼缘板底面之间的距离。 主梁高度应根据最大梁高、最小梁高和经济梁高确定。最大梁高由桥梁的容许建筑高度、桥梁净空以及桥头线路标高确定；最小梁高则取决于主梁的竖向刚度。 对于简支钢板梁桥，桥规规定在静活载作用下梁跨中的最大挠度不得超过计算跨度的1/900。,主梁高度的选择应小于最大梁高，大于最小梁高并接近经济梁高。实际选择时还应考虑钢厂的供货规格、运输限界等因素。 简支钢板梁桥主梁的最小高度为:,(6.3),式中 -弯曲容许应力；-钢材弹性模量；-钢板梁桥计算跨度；-钢板梁的容许挠跨比；-活载动力系数；-梁上均布恒载和活载。,、,简支钢板梁桥主梁的经济梁高为:,(6.4),式中,-计算系数,当最大弯矩处无孔时，,有孔时，,-计算弯矩,（3）主梁中心距主梁中心距：指两片主梁腹板中线之间的距离，也是梁端截面支座之间的距离。 主梁中心距的确定应考虑如下方面的问题： 1）钢板梁桥的横向刚度主梁中心距越大，钢板梁的横向整体刚度就越大，反之也然。研究表明，桥梁的横向刚度对列车运行的平稳性和安全性影响较大。为了保证桥梁的横向刚度，桥规要求钢板梁主梁中心距不得小于计算跨度的1/15，且不小于2.2m。,2）桥枕的合理跨度对于上承式明桥面钢板梁，桥枕直接设置在主梁上，主梁中心距就是桥枕的跨度。当中心距偏小时，钢轨几乎位于主梁上方，难以利用桥枕受载时发生的弹性变形来降低列车的冲击作用；中心距偏大时，桥枕的跨度增大，为了提供足够的刚度，桥枕的截面就需增大。除此之外，确定主梁中心距时，还应考虑采用架桥机整孔架设的条件。,