钢桁架桥

钢桥设计天津大学土木工程系第五章钢桁架桥5.1钢桁架桥定义钢桁架桥按桥面位置的不同，可分为上承式钢桁架桥和下承式钢桁架桥上承式钢桁架桥桥面位于主桁架的上部下承式钢桁架桥桥面位于主桁架的下部5.1钢桁架桥主桁架、联结系、桥面系、制动联结系、桥面、支座及桥墩5.1钢桁架桥主桁架，主要承重结构，主要承受竖向荷载。左右两幅桁架组成上弦杆、下弦杆及腹杆等杆件。节点杆件交汇处大节点斜杆交汇的节点小节点仅有竖杆和弦杆交汇的节点节间长度节点之间的距离横梁的间距纵梁的跨度联结系纵向联结系横向联结系联系主桁架，整体成为几何图形稳定的空间结构纵向联结系主桁架的上、下弦杆平面内：上平纵联与下平纵联5.1钢桁架桥联结系作用承受作用于主桁架、桥面系、桥面和列车上的横向风力承受列车摇摆力及曲线桥上的离心力纵向联结系横向支撑弦杆，减少弦杆在主桁平面外的计算长度横向联结系桥跨结构的横向平面内中间横联桥跨结构中部端横联桥跨结构端部（桥门架下承式钢桁架桥中）设在主桁架的竖杆平面内，中间斜杆平面内中间横联的作用增加钢桁架桥的抗扭刚度，调节两片主桁或两片纵向联结系的受力不均匀性理论和试验表明，桥面架或端横联受力比中间横联大5.1钢桁架桥桥面系纵梁、横梁及纵梁之间的联结系承受并传递竖向荷载和纵向荷载纵桥之间的联结系将两片纵梁联成整体，纵梁间距通常为2m下承式钢桁架桥桥面系主桁的下平纵联平面上纵梁和横梁通常布置在同一平面上制动联结系（制动撑架）作用纵梁上的纵向水平制动力通过制动联结系传至主桁架四根短杆组成，设置在与桥面系相邻的平纵联的中部5.1钢桁架桥桥面下承式简支钢桁架桥通常采用明桥面桥枕、正轨、护轨、护木、钩螺栓及人行道铁路钢桥的桥面明桥面和道碴桥面若采用正交异性板道碴桥面较好5.1钢桁架桥5.2主桁架几何图式拟定几何图式的考虑因素桥位所在地的水文、地质、地形条件等；桥上的运输条件及对桥下净空的要求；便于制造、安装和养护、构造简单、有利于设计标准化；有利于节约钢材，力求经济合理；美观要求。5.2主桁架几何图式5.2主桁架的基本尺寸桁架桥的跨度从以下两个方面综合考虑桥址处的水文地质情况桥上、桥下净空的要求主桁的高度用钢量方面刚度方面容许建筑高度节间长度中等跨度经济节间长度是6~8m，标准设计取8m小跨度桁架桥节间长度小到4m。大跨度桁架桥节间长度有大到15m。5.2主桁架的基本尺寸斜杆倾角合理的倾角，在有竖杆的桁架桥50度左右合理的倾角，在无竖杆的桁架桥60度左右主桁中心距主桁中心距与桁架桥的横向刚度和稳定性有关。我国《桥规》规定，主桁中心距不宜小于跨度的1/20。共有3组图式，6种跨度上承式钢桁梁，跨度有48m,64m,80m，主桁高度为8m，节间长度也为8m，主桁中心距为4m。5.3铁路钢桁架桥标准设计几何图示共有3组图式，6种跨度下承式钢桁梁，跨度有48m,64m,80m，主桁高度为11m，节间长度也为8m，主桁中心距为5.75m。共有3组图式，6种跨度下承式钢桁梁，跨度有96m,112m,128m，主桁高度为16m，节间长度也为8m，主桁中心距为5.75m。5.4主桁杆件内力计算钢桁架桥空间结构杆件之间刚性连接计算机直接进行空间分析《桥规》推荐简化的计算方法划分为若干个平面系统分别计算考虑各个平面系统间的共同作用和相互影响平面系统为:主桁架、平纵联、横联、桥门架（端横联）、纵梁、横梁。桥梁上的荷载分为主力和附加力主力恒载和活载附加力横向附加力、纵向附加力、各个平面系统间的共同作用、节点的刚性连接所引起的附加力对公路钢桥作用在桥梁上的荷载永久荷载和可变荷载5.4主桁杆件内力计算由桁架各个平面系统间的共同作用和节点的刚性连接的影响平纵联和主桁弦杆的共同作用桥面系和主弦杆的共同作用横向框架效应节点刚性次应力5.4.1主力作用下主桁杆件内力步骤简化为各杆件轴线所形成的平面铰接桁架荷载包括恒载和活载开始计算前，估计桥跨结构的恒载计算出恒载和活载内力后进行截面设计然后计算桁架桥的实际恒载如实际恒载与估计恒载相差较大，按实际恒载计算杆件内力重新进行设计对双线铁路桥的主桁弦杆和斜杆换算均布活载=两线活载总和的90%5.4主桁杆件内力计算5.4.1主力作用下主桁杆件内力步骤对竖杆、纵、横梁换算均布活载=两线活载总和的100%对双线铁路桥的主桁杆件验算疲劳一线偏心加载以杠杆原理分配，并考虑双线列车同时作用的影响。铁道钢桥的设计，为现今列车的活载预留发展系数对公路钢桥要考虑偏载最不利情况的横向分布系数对公路钢钢桥也要考虑活载发展系数主力作用下主桁杆件的内力计算结构力学中利用影响线求量值的方法影响线面积法kpINNN)1(5.4主桁杆件内力计算5.4.2横向附加力作用下主桁杆件内力计算铁路钢桁架桥，横向附加力横向风力列车摇摆力对弯道桥、还要考虑离心力公路钢桁架桥，横向附加力只考虑横向风力横向附加力平纵联承受横向附加力对主桁弦杆产生附加内力平纵联的斜杆和横撑产生附加内力桥门架效应由于平纵联的两端联接在桥门架上，平纵联将它所受的横向附加力传递给桥门架，从而使主桁端斜杆和下弦杆也产生附加内力。5.4主桁杆件内力计算5.4.2横向附加力作用下主桁杆件内力计算5.4主桁杆件内力计算5.4.2横向附加力作用下主桁杆件内力计算桥上无车时作用在上平纵联上的横向风力分布荷载(kN/m)作用在下平纵联上的横向风力分布荷载(kN/m)风荷载强度)]4.01(2.04.05.0[hHWwup)]4.01(0.14.05.0[hHWwlow0321WKKKW5.4主桁杆件内力计算5.4.2横向附加力作用下主桁杆件内力计算桥上有车时作用在上平纵联上的横向风力分布荷载(kN/m)作用在下平纵联上的横向风力分布荷载(kN/m))]4.01(2.04.05.0[8.01hHWwup)]4.01(0.14.05.0[8.01hHWwlow)4.01(0.32.08.02Wwup)4.01(0.30.18.02Wwlowupupuplowlowlo5.4主桁杆件内力计算5.4.2横向附加力作用下主桁杆件内力计算列车摇摆力按沿桥长5.5kN/m计算作用在上平纵联上的列车摇摆力作用在下平纵联上的列车摇摆力由于风力与摇摆力同时达到上述最大值的可能性很小，故两者不叠加计算，只取其较大者计算。5.52.0upk5.50.1lowk5.4主桁杆件内力计算5.4.2横向附加力作用下主桁杆件内力计算对公路桥，上、下平纵联上的横向附加力只有横向风力作用在上平纵联上的横向风力分布荷载作用在下平纵联上的横向风力分布荷载WhKwup335.0WhKhhKwlow]5.0[332115.4主桁杆件内力计算5.4.2横向附加力作用下主桁杆件内力计算桥门架效应产生的杆件内力计算桥门架平面刚架，腿杆下端嵌固在下弦端节点上作用在桥门架上的水平力上平纵联传来的横向附加力，即上平纵联作为简支桁架的支座反力附加反力的方向随风向而改变，故和主力作用下的内力组合时应取其最不利组合5.4主桁杆件内力计算5.4.3纵向制动力作用下主桁杆件内力计算纵向荷载因制动或启动而产生的制动力或牵引力制动力的传递路径桥面系的纵梁-制动连接系-平纵联斜杆上-主桁节点上-主桁下弦杆产生附加内力5.4主桁杆件内力计算5.4.3纵向制动力作用下主桁杆件内力计算纵向荷载制动力或牵引力的产生的内力有拉力或压力，对下弦杆来说拉力是最不利的偏心弯矩值当制动力或牵引力传递到固定支座时，因作用力对支座铰中心还有一偏心距离h，因而产生弯矩5.4.4由于横向框架效应所引起的主桁杆件内力计算横向框架横向联结系、主桁竖杆及横梁组成附加力矩在竖杆的下端点上部横联与竖杆连接处5.4主桁杆件内力计算5.4.5主桁内力组合及主桁架杆件内力计算主桁架内力组合通常有三种形式主力单独作用：设计容许应力为主力+横向附加力：设计容许应力为主力+纵向制动力：设计容许应力为][][20.1][25.15.5主桁杆件的截面设计及验算主桁杆件的截面形式主要分成两类：H形截面构造简单，易于自动电焊机施焊，焊接变形易控制，工地安装方便y-y轴与x-x轴的回转半径相差较大，作为压杆时，容许应力折减大适用于内力不很大或长度不太大的杆件箱形截面y-y轴与x-x轴的回转半径相近，作为压杆时，容许应力折减小，抗扭刚度大缺点是工厂制造较费工，焊接变形较难控制和矫正适用内力很大或长度较长的杆件5.5主桁杆件的截面设计及验算荷载较小的桥采用轻型桁架，其杆件由单角钢、双角钢、槽钢、工字钢截面设计注意的问题压杆注意几何长度回转半径同一桁架中杆件的宽度应相等截面高度考虑节点处布置几排栓孔受压杆件截面尺寸宽厚比满足局部稳定下弦杆的设计都是受拉杆件，内力较大静强度或疲劳强度控制设计；内力较小刚度控制5.5主桁杆件的截面设计及验算静强度条件疲劳强度条件根据设计经验，毛截面选定截面形式并根据毛截面选配杆件的各部分尺寸计算杆件端部所需的连接螺栓数和初步布置计算杆件的毛截面、净截面、惯性矩及回转半径进行强度（静强度或疲劳强度）和刚度验算刚度验算公式][jAN][minmaxjANN85.0jmAA][5.5主桁杆件的截面设计及验算上弦杆的设计都是受压杆件，一般是整体稳定控制设计，其步骤选定截面形式并假定杆件长细比。确定整体稳定容许应力折减系数根据毛截面选配杆件的各板件尺寸计算所选界面的实际截面面积、惯性矩、回转半径、长细比及容许应力折减系数][1NAm15.5主桁杆件的截面设计及验算上弦杆的设计进行整体稳定、局部稳定及刚度的验算整体稳定刚度验算公式局部稳定][][1mANtbtb5.5主桁杆件的截面设计及验算端斜杆的设计恒载和活载作用，端斜杆承受轴向压力横向力作用下，端斜杆承受附加轴力和弯矩端斜杆的设计按轴心压杆选配截面，按压弯构件进行验算整体稳定验算强度验算，受压翼缘的应力][1211mmWMAN][2.1mmWMAN6.5主桁杆件的截面设计及验算端斜杆的设计局部稳定刚度验算公式tbtb][5.5主桁杆件的截面设计及验算腹杆设计，包括斜杆和竖杆竖向荷载作用下，仅承受拉力或承受压力的斜杆截面设计方法与轴心受拉或轴心受压杆件相同承受异号反复应力的斜杆除静力强度、稳定性及刚度外，还应验算疲劳强度疲劳应力为拉-拉循环或拉-压循环以拉为主疲劳应力为拉-压循环以压为主ndtjANNminmaxndptmax5.5主桁杆件的截面设计及验算腹杆设计，包括斜杆和竖杆竖杆设计，竖杆又分为立杆和吊杆立杆减少上弦杆在主桁平面内的几何长度吊杆承受横梁传来的竖向荷载而轴向受拉吊杆与横梁梁端连接处产生弯矩先按拉杆确定截面尺寸，然后按拉-弯杆件进行疲劳强度和刚度验算立杆一般取与吊杆相同的截面尺寸，不再另行设计。ndtminmax5.6主桁节点的设计节点设计的基本要求重心线应尽量在节点处交于一点杆端螺栓群的合力线与杆件截面重心线一致所有杆件应尽量伸入节点杆端和节点板上连接螺栓孔的位置按样板布置螺栓群各栓孔之间的距离、栓孔与杆件边缘的距离弦杆在节点中心中断，弦杆内侧应设拼接板所有工地安装螺栓的位置应考虑施工时螺栓扳手工作空间立柱与上弦杆的连接拼装吊机在上弦工作时的荷载端节点的构造临时连接杆件的设置节点内不得有积水、积尘的死角及难于油漆和检查的