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2008年11月2日1第六章简支钢板梁和钢桁梁桥2008年11月2日2第一节钢桥概述一般地，将桥跨结构用钢制成，无论其墩台用什么材料建造，均可称之为钢桥。与常用的其它建筑材料相比，钢材是一种抗拉、抗压和抗剪强度均较高的匀质材料，而其重量则相对较轻。因此，钢桥具有很大的跨越能力。当要建造的桥梁跨度特别大，荷载特别重，采用其它建筑材料来建造桥梁有困难时，一般常采用钢桥。钢桥的基本特点：①构件特别适合用工业化方法来制造，便于运输，工地的安装速度也快，因而钢桥的施工工期较短；②钢桥在受到破坏后，易于修复和更换；③耐候性差、易锈蚀，铁路钢桥采用明桥面时噪声大，维护费用高。本节所讨论的钢桥主要以铁路钢桥为主。2008年11月2日3一、钢桥所用的材料z钢种－碳素钢（含碳量为0.03~0.25%的钢）、低合金钢（各种合金元素总含量不超过3％的钢）、高性能钢（高强、具备耐候和防断裂性能）z钢材形状－工字钢、角钢、槽钢、管钢，方钢，T形钢（型材）和钢板（板材）线材——用于混凝土结构z桥梁钢与结构钢前者引用自前苏联，后者用于美、日、欧盟z钢号－碳素钢（A3，A3q等），现标准：GB700－88Q+数字＋质量等级符号＋脱氧方法符号如Q235低合金钢（16Mnq,15MnVN等），现标准：GB/T714－2000国家标准《钢铁产品牌号表示方法》GB221-2000z钢的工艺要求和使用要求－对钢的化学成分和力学性能的要求–化学成分－合金元素：碳、锰、硅等，微量元素铬、镍、钒等，有害杂质：硫、磷等，表6－1，对钢的可焊性的一种评估–力学（机械）性能z拉伸试验（弹性极限、屈服点、极限强度、延伸率、断面收缩）z冷弯试验：检查工艺和质量的指标z冲击试验：夏比（V形缺口）试件，钢材韧性和低温抗脆断性能z疲劳试验（与材料和构造有关）2008年11月2日4力学性能曲线钢材拉伸应力应变曲线冲击值与温度关系曲线2008年11月2日5二、钢桥的连接z钢桥连接指：包括将型钢、钢板组合成杆件与部件，也包括将部件及杆件连接成钢桥结构z连接方式有：销接、铆接、焊接、栓接铆接：常用铆钉直径为22及24mm。铆接是将半成品铆钉加热到1050-1150℃，塞入钉孔，利用铆钉枪将钉身礅粗填满钉孔，并将另一端打成钉头。气动铆钉枪2008年11月2日62008年11月2日72008年11月2日8焊接¾二战后，在钢梁制造引进了焊接技术。焊接结构的截面无削弱，比铆接省料，加工快，且可改善工作环境，但在野外高空作业时受到一定的限制。¾焊接指用电焊机等设备通过电能将被焊钢材和焊接材料（焊条）熔化，形成一条焊缝把两个部件连接在一起。¾焊缝主要有两种，即熔透的对接焊缝和不熔透的角焊缝¾焊接方法有自动焊、半自动焊和手工焊。2008年11月2日9栓接（高强度螺栓连接）栓接是将已在工厂焊接好的杆件与部件运送到工地后，用高强度螺栓拼装连接成钢桥整体。摩擦式高强度螺栓连接－杆件或构件内力N是通过钢板与拼接板表面的摩擦力来传递的。这一摩擦力则是由于高强度螺栓拧紧后，对钢板束施加了强大的夹紧力P产生的。扭矩法拧紧工艺（手动、电动、气动扭矩扳手）栓焊钢桥1高强度螺栓２高强度螺母３高强度垫圈４拼接板5杆件电动扭矩扳手高强度螺栓2008年11月2日102008年11月2日11三、钢桥的结构形式z结构型式：各种桥式均可采用钢材作为建桥材料。z20世纪50~60年代，铁路桥梁多采用上承式简支钢板梁桥，跨度在20~32m之间。在60年代，从节约钢材出发，多采用钢筋混凝土与预应力混凝土梁（跨度不大于32m）。z对于较大跨度（l=56~80m），在80年代及其以前，铁路桥均采用简支或连续钢桁梁桥。所用材料和连接方式从开始的低碳钢和铆接逐步改为低合金钢和栓焊连接。有标准设计可供使用。从80年代中期开始，对于56~96m跨度范围，开始有用混凝土梁代替钢桁架梁的倾向。z对于更大跨度（l96m），目前铁路桥或公铁两用桥是以连续钢桁架梁为主。z公路钢桥的主要结构型式是悬索桥和斜拉桥的加劲梁，以及钢拱桥（包括钢管混凝土拱桥）。z公铁两用桥，均采用大跨度钢桁架结构。2008年11月2日12桥例：郑州黄河铁路桥z位于原黄河铁桥的下游500m处，是京广线上的复线铁路桥，全长2889.8m，有71孔、72个桥墩，每孔为跨度40.7m的上承式钢板梁。z1958年5月动工修建，1960年4月建成通车。2008年11月2日13桥例：成昆线三堆子金沙江桥1969年，简支钢桁梁，192m2008年11月2日14桥例：枝城长江大桥z位于湖北省宜都县的焦枝铁路线上，为公路铁路两用的连续钢桁梁桥z铁路和公路设于桁架下弦同一平面上，桁架间为双线铁路，外侧各有５ｍ宽单车道公路及1.45ｍ宽人行道z铁路桥全长1742.3ｍ，公路桥全长1755.8ｍ。正桥9孔，由1联4×160ｍ带下加劲弦杆的平行弦菱形桁架梁桥和1联5×128ｍ平行弦菱形桁架梁桥组成。在国内铁路桥上首次采和斜拉索单层吊索架悬臂拼装法架设z1971年建成2008年11月2日15桥例：成昆线泸沽安宁河桥1970年，刚性桁梁柔性拱，112m2008年11月2日16宜宾金沙江大桥该桥为铁路单线特大桥，全长1,065米,一联3孔112+176+112米连续铆接钢桁梁，1968年2008年11月2日17长垣东明黄河铁路大桥该桥全长10.3公里，为9孔96m简支钢桁梁和一联4×108.0m连续钢桁梁及一联3×108.0m连续钢桁梁，全长1634.21m，仅用二十个月全部建成，平均和每月成桥500米，创造了国内高速建桥的纪录。此桥也是亚洲昀长的大桥，1985年建成。2008年11月2日18孙口黄河大桥该桥是京九铁路重要工程之一，四联4×108米双线铁路钢桁梁，全长1,735.2米，用钢13,600吨，主桁采用三角形桁架，上、下弦杆和支点处斜杆采用箱形截面，其余斜腹杆为工字形截面。该桥系中国首次采用整体节点构造，1997年建成2008年11月2日19南京长江二桥2008年11月2日20第二节钢板梁桥一、常用的几种板梁桥上承式板梁桥，下承式板梁桥，结（组、叠）合梁桥1、上承式板梁桥主要承重结构－两片工字截面的板梁主梁之间的杆件联结－上平纵联，下平纵联，横联明桥面－主要由桥枕、护木、正轨、护轨等组成适用范围－当跨度小于40m左右时，钢板梁桥比钢桁梁桥经济，因此，小跨度的钢桥常用板梁桥。上承式板梁桥的构造较简单，钢料也较省，可以整孔装运，整孔架设，因此，它是用得昀多的一种钢板梁桥。2008年11月2日21上承式板梁桥组成及横断面图2008年11月2日222、下承式板梁z主要承重结构－两片工字截面的板梁z联结系－设下平纵联，无上平纵联和横联，但加设肱板z桥面系－纵梁和横梁（与“桥面”的区别）z桥面－不是搁置在主梁上，而是搁置在桥面系的纵梁上。z特点–建筑高度h（自轨底至梁底）小；–用料较多（增加了桥面系），制造也费工；–由于较宽而无法整孔运送，增加了装运和架梁的工作量。2008年11月2日23下承式板梁桥组成及横断面图2008年11月2日243、结合梁桥结合梁桥－用抗剪结合器或其他方法将混凝土桥面板与其下的钢板（桁）梁结合成一整体的梁式结构特点－混凝土桥面板参加钢板梁上翼缘承受压应力的工作，提高了桥梁抗弯强度，从而可以节省用钢量或降低建筑高度。公路结合梁桥（见第五章图5－9）铁路结合梁桥（施工繁琐，用料不省，适用于陡坡急弯地段、跨度较大的情况）抗剪器公路：型钢，连接销铁路：联结角2008年11月2日25铁路结合梁桥构造图2008年11月2日26抗剪器2008年11月2日27桥例：石家庄南二环钢箱结合梁公路桥z昀大跨度96m，开口钢箱zΦ22×170剪力钉z1999年竣工2008年11月2日28二、上承式板梁桥的计算结构－由主梁、上平纵联和下平纵联、端横联和中间横联等组成的空间结构荷载－竖向荷载（恒载和活载）和横向荷载（包括风力、列车摇摆力，在弯道桥则还有离心力）简化计算方法－将桥跨结构划分为若干个平面结构，每个平面结构只承受作用在该平面上的力。（竖向荷载由两片主梁承受，横向荷载由上、下平纵联承受）计算内容板梁桥主要尺寸的拟定（计算跨度、主梁高度和主梁中心距）主梁内力分析应力（弯曲应力、剪应力、疲劳强度、焊缝应力、主应力等）验算梁的总体稳定和板的局部稳定验算腹板加劲肋的布置及其应力、稳定性验算2008年11月2日29第三节下承式简支桁架桥一、简支桁架桥各组成部分及其作用组成－桥面、桥面系、主桁、联结系和支座桥面－明桥面（正轨、护轨、桥枕、护木、钩螺栓及人行道）桥面系－纵梁、横梁及纵梁间的联结系主桁－由上弦杆、下弦杆、腹杆（斜杆，竖杆）及节点组成联结系－水平纵向联结系（简称平纵联，分上平纵联，下平纵联），横向联结系支座－多采用钢支座，见第七章传力途径－竖向：纵梁→横梁→主桁节点→主桁→支座→墩台；横向：上平纵联→桥门架→支座；下平纵联→支座2008年11月2日30铁路下承式简支桁架桥各组成部分明桥面与桥面系下弦杆上弦杆节点竖杆斜杆2008年11月2日31铁路下承式简支桁架桥各组成部分分解图横梁2008年11月2日32铁路上承式钢桁梁组成部分2008年11月2日33二、主桁的几何图式(a)三角形腹杆体系；(b)斜杆方向变化；(c)(d)上承式三角形桁架；(e)上承鱼腹形桁架；(f)折线形三角桁架；(g)再分式三角桁架；(h)米字形桁架2008年11月2日34常用桁架的英文名称常用桁架的英文名称2008年11月2日35WarrenTruss德国的一座高速铁路桥德国的一座高速铁路桥Newburgh-BeaconBridgeNewburgh,NewYork桥例桥例JacquesCartierBridgeinCanada2008年11月2日36桁架在桥梁中的应用桁架在桥梁中的应用2008年11月2日37三、主桁的主要尺寸z桁高－经济高度，跨度的1/15~1/10，满足桥上净空要求z节间长度－一般为桁高的0.8~1.2倍z斜杆倾度－与竖直线的交角在30°~50°范围内为宜z主桁中心距－不应小于跨长的1/20，满足桥上净空要求z主桁尺寸与主桁图式有密切关系，各主要尺寸之间也相互关联z标准设计－跨度为48、64、80m时，主桁采用三角形桁架，桁高11m，节间长度8m，主桁中心距5.75m，斜杆倾度在30°~50°范围内2008年11月2日38杆件截面形式及选择v杆件截面：H型和箱形H型：构造简单，易于施焊，焊接变形较易控制，截面对x-x轴的回转半径小；适于内力不很大和长细比较小的压杆，常见型式箱形：抗扭刚度大，制造较费工，适用于受力较大的压杆或拉－压杆，特大跨度钢桁梁桥用2008年11月2日39四、桁架内力分析原理z简化：空间结构→平面结构（考虑各平面结构之间的相互作用，两平面结构所共有杆件的内力叠加）；节点：铰结z（半）刚性连接→铰接，计算内力的修正（以下三种情况）横向框架次应力效应主桁下弦杆伸长对纵、横梁的影响2008年11月2日40五、桁架杆件内力计算要点z主桁杆件内力（杆件内力影响线→恒载、活载加载→杆件截面选择→验算）z纵、横梁内力（按两端简支计算）z横向附加力（风力、列车横向摇摆力等）产生的内力（计算对象为平纵联和桥门架）z纵向水平力（制动力或牵引力）产生的内力（计算对象为下平纵联和下弦杆）平行弦三角桁架2008年11月2日41构造示例（主桁节点）传统主桁节点主桁整体节点，长东黄河二桥，钢桁梁，跨度为3×108m﹢9×96m，1999年5月竣工2008年11月2日42构造示例（传统节点）2008年11月2日43构造示例（横梁与主桁节点的连接）2008年11月2日44第四节钢桥制造及安装一、钢桥制造z作样－制作样板，样杆、样条z号料－利用样板、样杆、样条在选用的材料上划线，号孔（样冲）z切割－将号好的料用精密切割、手工氧切或剪切制成整备的零件z矫正－将切割好的零件，滚压整平，加工矫正（预处理工艺）z边缘加工－根据要求对零件的边缘进行刨或铣，使外观整齐美观z制孔－用覆盖式样板或立体式机器样板在零件上进行钻孔