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1、第六章 简支钢板梁和钢桁梁桥,内容: 第一节 钢桥概述 第二节 钢板梁桥 第三节 简支钢桁梁桥 第四节 钢桥制造及架设,第一节 钢桥概述 铁: 工业纯铁:含碳量通常在0.008%以下 生铁(或铸铁):含碳量通常在2.11%5%,根据碳的存在形式, 生铁分为白口铁(碳化物)和灰口铁(石墨) 钢:含碳量通常在2.11%以下的合金。 以上各类铁金属材料的分类标准各国并不一致,钢材的优点: 1抗拉、抗压和抗剪强度均较高: 减小截面尺寸,重量较轻,建筑高度较小 2材质较为均匀: 强度变异性不大,容许应力较高 3 明显的屈服台阶: 结构在破坏前发生显著变形,发出预警 因此,钢桥具有很大的跨越能力和良好的使
2、用功能,钢桥的基本特点是: 桥梁构件特别适合用工业化方法来制造,便于运输,工地架设或安装(erection)速度快,施工工期较短; 在受到损伤后,易于修复和更换; 普通钢材的耐候性差、易锈蚀,铁路钢桥采用明桥面时噪声大,维护费用较高,材料价格较高。,1 上承或下承式简支钢板梁 多用于中小跨度的铁路桥 2 上承或下承式简支(或连续)钢桁架梁 常用于较大跨度铁路桥(通常在60-200m跨度以内) 3 钢斜拉桥 常用于大跨度在公路桥 4 钢悬索桥 常用于大跨度在公路桥 5 钢-混凝土结合梁桥 多用于城市桥梁 本章主要介绍 铁路桥,一 钢桥所用的材料 钢桥所用的钢种主要是低碳钢和低合金钢两类。 低碳钢
3、是指含碳量为003一025的钢; 低合金钢是指各种合金元素总含量不超过3的钢。 用来制造钢桥的钢又称桥梁钢,可视其为结构钢的一种。所选用的钢材,既要能适应制造工艺要求,又要能满足使用要求。,钢的化学成分: 指钢中的各种合金元素的多少。 合金元素有碳、锰、硅等,强度较高的钢还包含微量元素铬、镍、钒、铌、氮等。 有害杂质为硫、磷,其含量需加以限制。,钢的主要力学性能指标有强度、延伸率、断面收缩率、冷弯和冲击韧性。,(1)强 度 强度指标是弹性极限、屈服强度(或屈服点)极限强度。 (2)变 形 包括延伸率、断面收缩率、冷弯。 (3)韧 性 钢材的韧性包括冲击韧性和断裂韧性,指钢材在塑性变形和断裂全过
4、程中吸收能量的能力,是钢材强度和塑性指标的综合表现。 脆性转变温度时的冲击值是桥梁用钢的低温冲击要求标准值。,(4)疲 劳 动荷载作用下,结构存在微小的缺陷而导致应力集中,这些潜在裂源点容易产生裂纹。循环次数的增加,裂纹会逐渐扩展,最后导致钢桥断裂。这种现象称为疲劳。 结构出现肉眼可见裂纹前能承受荷载循环作用的次数(通长为200万次),工程上称为结构或材料的疲劳寿命。 影响钢桥疲劳寿命的因素很多,材质是重要的因素之一。,按以前的习惯叫法: 我国桥梁用钢系列按屈服点大致分成三级。 240MPa级的有3号钢(A3q)、16桥(16q); 340MPa级的有16锰桥(16Mnq)、14锰铌桥(14M
5、nNbq);420MPa级的有15锰钒氮桥(15MnVNq-A,-B, -C) 碳素钢,按其质地软硬程度,从17,分为7个号,号码越大者越硬。还按供货条件,只保证机械性能者用A(或甲)表示,只保证化学成分者用B(或乙)表示,对机械性能和化学成分均需保证者用C(或特)表示。桥梁钢,还在钢号后加一个q(或桥)字。 对于低合金钢,是先列平均含碳量(以001为单位),然后依次列出其主要合金元素。若某合金元素平均含量不大于15,在该元素之后就不加数字,若某合金元素平均含量是15一25,就在该元素之后加注2字。,按现行标准,牌号表达方式为: 以代表屈服强度的拼音字母“Q”开头,后接屈服强度(以MPa为单位
6、),再接表示质量等级、脱氧方法等的符号。 低碳钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275共5种,常用者是Q235(即A3钢)。质量等级分为A、B、C、D,共4级。对于A级,无韧性要求;对于B、C、D,均需用夏比V形缺口(CharpyV-notch)试件做冲击试验。 低合金高强度结构钢,计有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460;常用者是Q345(即16Mn钢)。质量分为A、B、C、D、E共5级。对于A级,无韧性要求;对于B、C、D、E,均需用夏比(V形缺口)试件做试验。 对桥梁钢,另行制订了国标桥梁用结构钢,常用者为Q345q系列钢(C、D、E三个等级)。,除碳素钢和低合金
7、钢外, 低合金超高强度钢(HighStrengthSteel,简称HSS),其屈服强度大于700MPa。 耐候钢(weathering steel) 高性能钢(HighPerformance Steel,简称HPS) 它不仅保持了较高的强度,而且在材料的抗腐蚀和耐候性能、可焊性、抗断裂和疲劳性能等方面都比传统钢材有明显的提高和改善。 有些国家(包括我国)也曾试用铝合金和玻璃钢作建桥材料,特点是重量轻,耐腐蚀性好,但弹性模量和强度低,造价高。,二、钢桥的连接 钢桥连接有铆接、焊接和高强度螺栓连接(栓接)三种,1铆接(rivetconnection) 铆接是钢桥连接的传统方式,使用历史很长。 第二
8、次世界大战后,钢梁制造引进了焊接技术。焊接结构的截面无孔削弱,比铆接结构省料,加工快,且可改善工作环境(但在野外恶劣天气下作业时受到一定的限制)。铆接逐步被取代 。,2 焊接 焊接材料有焊丝、焊条、熔剂。 焊缝的力学性能均要求不低于母材。 钢桥上主要应用电弧焊(埋弧自动焊,气体保护焊),采用的焊缝型式主要有两种,即熔透的对接焊缝和不熔透的贴角焊缝,见图63。 焊接方法有自动焊、半自动焊和手工焊。在钢桥的工厂焊接工作中,大量采用自动焊和半自动焊。,3 栓接 高强度螺栓、螺母、垫圈-合称为连接副。 直径:M12-M36,长度35-300mm; 钢桥中常用M22 M24 M27 M30 高强度螺栓主
9、要有12.9级、10.9级、8.8级。 10.9级在桥梁中最常用。 高强度螺栓施拧工艺很重要。常用扭矩法。,铁路桥梁: 目前基本上在跨度96m以下很少新建钢梁桥,以前大致在20-40m 跨度采用钢板梁,4896m多用钢桁梁。 目前跨度大于96m的铁路桥或公铁两用桥,以连续钢桁梁为主,例如,跨越长江的武汉长江大桥、南京长江大桥、九江长江大桥、芜湖长江大桥等。 其他型式的铁路钢桥,如钢桁拱、钢管混凝土拱和斜拉桥等,应用有限。 在铁路钢桥发展过程中,也曾采用过箱形简支梁、刚性梁柔性拱、斜腿刚构(等结构型式。 公路钢桥: 在80年代及以前数量十分有限。近20余年来,钢桥得到迅猛发展,主要结构型式是拱桥
10、、悬索桥和斜拉桥。,第二节 钢板梁桥,第三节 钢板梁桥,“明桥面” 桥面主要由桥枕、护木、正轨等组成。 桥枕下刻槽,搁置于主梁上,用钩螺栓与主梁上翼缘扣紧,以免行车时桥枕跳动。 桥枕间的净距,不宜超过21cm,这是为了当列车在桥上掉道时,车轮不致卡于两桥枕之间,列车还能在桥枕上继续滚动前进. 桥面上除正轨外,还设有护轨。护轨两端应延伸到桥台以外一段距离,并弯向轨道中心。护轨的作用就是当列车掉道后,用以控制车轮前进的方向,避免发生翻车事故。 在桥枕两端设有护木,用螺栓与桥枕连牢,护木的作用是固定桥枕之间的相对位置。上,第二节 钢板梁桥,由于要满足建筑限界的要求,无法设置上平纵联,故在横梁与主梁之
11、间,加设肱板: 1肱板对主梁上翼缘起支撑作用,保证上翼缘及腹板的稳定; 2肱板与横梁连成一片,可起横联的作用。 下承式板梁桥与上承式板梁桥相比,在结构方面增加了桥面系,因此用料较多,制造也费工;由于它的宽大,无法整孔运送,因此,增添了运输与架梁的工作量。所以,当铁路桥梁采用板梁桥时,应尽可能不采用下承式而采用上承式。,3 结合梁 用剪力键或抗剪结合器(shear connector)或其他方法将混凝土桥面板与其下的钢板梁结与成整体的梁式结构,称为结合梁桥。 在结合梁桥中,混凝土桥面板参与钢板梁上翼缘受匝,更高了桥梁的抗弯能力,从而可以节省用钢量或降低建筑高度。试验证明,结合梁承受超载的潜力比钢
12、梁要大。 城市立交桥中经常采用结合梁,可以加快施工进度,减少对所跨越道路的干扰。,使混凝土板与钢板梁结合牢固的措施是: 在钢板梁上翼缘板面上设置剪力键(抗剪结合器) 剪力键的型式多样: 1可采用一小段型钢; 2可采用特制的抗剪联结销,俗称大头栓,形如螺栓,但无螺纹,一端有一圆头,用以阻止混凝土板竖向脱离钢板翼缘。,作用在上平纵联的横向水平力: 列车、桥面、主梁上半部所受的风力和列车摇摆力(列车摇摆力不与风力同时计算)。 作用在下平纵联的横向水平力: 只有主梁下半部所承受的风力。 由下平纵联传至主梁两端的横向反力将直接传给支座。 由上平纵联传到梁两端的横向反力将通过端横联再传给支座 。,按上述步
13、骤所选定的主梁截面尺寸只是初步的,尚需进行较精细的应力验算。内容包括主梁弯曲应力、剪应力、换算应力的验算和疲劳强度的验算。,主梁的翼缘和腹板都是薄板,在外力作用下,如果设计不当,则在梁中最大应力尚未达到屈服强度、结构尚未丧失总体稳定之前,其翼缘或腹板可能局部出现翘曲(warp)而过早丧失稳定。 对于受压翼缘板,其局部稳定性取决于翼缘伸出肢的宽度(自腹板中心算起)对厚度的比值。 对于腹板,为防止其在外力作用下丧失局部稳定,通常用加劲肋来增强其刚度。 加劲肋本身应具有足够的刚度来支持腹板,使其在加劲肋处不发生翘曲。,第三节 简支钢桁梁桥 一、各组成部分及其作用 钢桁梁的组成: 1 桥面 2 桥面系
14、 3 主桁架 4 联结系 5 制动撑架 6 支座。,竖向荷载的传力途径是: 荷载通过桥面传给纵梁,由纵梁传给横梁,再由横梁传给主桁节点,然后通过主桁的受力传给支座,最后由支座传给墩台及基础。,图(c)一图(e)为几种上承式桁梁的几何图式。 对于中等跨度的上承式桁梁桥,其主桁图式常用图(c),较少采用图(d),这是因为图(d)的端竖杆要传递较大的支承反力,且用料较多。对于小跨度的桁梁桥,也可做成图(e)所示的结构型式。,四 桁梁内力分析的基本原理 钢桁梁的实际工作状况: 刚性节点的空间结构是高次静不定静结构。可采用空间整体分析方法。 常用计算图式的假定-铰接平面结构: 将钢桁梁划分为若干个平面结
15、构,铰接节点,每个平面只承受作用于该平面内荷载的影响。 主应力与次应力,次应力。 主桁各杆件是用高强度螺栓紧固在节点板上,相当于刚性连接,杆端难以自由转动。当主桁在荷载作用下发生变形而节点转动时,连接在同一节点的各杆件之间的夹角不能变化,迫使杆件发生弯曲, 由此在主桁杆件内产生附加的应力,这就是次应力(secondary stress)。,武汉长江大桥,即武汉长江一桥(以下为其一组局部照片),五、主桁杆件内力计算要点 按照铰接桁架计算各类作用下各杆件的内力。 杆件恒载内力(轴向力)的计算,可参照现有设计资料,先估算作用在桥跨结构上的恒载(主桁、桥面系和桥面的重力),然后按平面桁架进行。 在计算活载内力之前,需先绘制各杆件的内力影响线并计算相应影响线面积。,目前,常采用的架设方法: 悬(伸)臂法、 拖拉法(或顶推法)、 浮运法等。,1 悬(伸)臂法,降低钢梁安装应力和梁端挠度,几种常用的措施如下: (1)临时加固悬臂支点附近的杆件或梁体 (2)吊索塔架 (3)墩旁托架 (4)半悬臂拼装,大型浮吊(noating crane)的起吊能力大,使钢桥的大段或整体吊装成为可能,在桥梁施工中具有广阔的应用前景。,
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