简支钢板梁和钢桁梁桥

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用功能钢桥的基本特点是：①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；②在受到损伤后，易于修复和更换；③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。低碳钢是指含碳量为0．03％一0．25％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(14MnNbq)；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1—7，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0．01％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1．5％，在该元素之后就不加数字，若某合金元素平均含量是1．5％一2．5％，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)，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(weatheringsteel)高性能钢(HighPerformanceSteel，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6．3。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M22M24M27M30高强度螺栓主要有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，48——96m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、悬索桥和斜拉桥。第二节钢板梁桥一、常用的几种板梁桥1．上承式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2下承式板梁桥主要承重结构是两片工字形板梁。在两片主梁之间，设置有由纵梁、横梁及纵梁之间的联结系组成的桥面系(floorsystem）大大缩小了建筑高度(自轨底至梁底)。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．结合梁桥3结合梁用剪力键或抗剪结合器(shearconnector)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。二、钢板梁桥的计算（以铁路上承式板梁桥为例）上承式板梁桥是由主梁、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。作用荷载主要有：竖向荷载(恒载和活载)和横向荷载(包括风力、列车摇摆力，在弯道上的桥还承受离心力)。将桥跨结构作为空间结构来进行内力分析是比较繁杂的。在设计实践中，通常采用简化的计算方法，即把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内的荷载。根据简化：1竖向荷载则由主梁承受，并经支座传给墩台；2横向荷载则由上、下平纵联承受。计算时将上平纵联视作一个简支的水平桁架，两端支承在端横联上。主梁上翼缘是该桁架的弦杆，平纵联的斜杆和横撑是该桁架的腹杆。把下平纵联也看作一个简支的水平桁架，它是由主梁的下翼缘和平纵联的斜杆及横撑所组成。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。1．板梁桥主要尺寸的拟定板梁桥的主要尺寸是指：计算跨度主梁高度主梁中心距(1)计算跨度(2)主梁高度主梁高度A根据下列条件来决定：①用钢量最省；②主梁的竖向刚度(跨中挠度)应满足规范要求；③尽量使腹板宽度小于供货方便的钢板宽度，以避免不必要的拼接(splice)或裁切；④桥跨的建筑高度尽可能减小；⑤梁的总尺寸在运输限界之内；⑥为便于工厂制造，跨度相近的板梁(例如20m和24m的板梁)可采用相同的腹板宽度。从用料经济方面来考虑，根据理论推导并总结过去的设计资料，主梁的经济高度可用下从用料经济方面来考虑，根据理论推导并总结过去的设计资料，主梁的经济高度可用下式：从满足竖向刚度，可得容许最小高度，按挠跨比小于1/800可推出下式：(3)主梁中心距确定主梁中心距时应考虑下列几个方面的问题：①桥枕的合理跨度桥枕的合理跨度大致在2．0—2．5m。②为避免桥跨结构在水平力作用下产生横向倾覆，且具有必要的横向刚度，要求主梁中心距不能太小。规范要求：两主梁中心距不宜小于跨度的1/15，且不应小于2m。③应考虑用铁路架桥机整孔架设的可能性。考虑了上述几方面的因素，我国铁路上承式板梁桥的主梁中心距定为2m。2主梁计算包括：内力计算、截面的选择和验算、加劲肋的计算等。在选定主梁截面时，需要考虑强度、稳定(板的局部稳定和梁的总体稳定)和刚度三个方面的问题。(1)主梁内力计算沿梁选取若干截面(例如将梁分成8等份)，算出各截面处因恒载和活载产生的最大弯矩M和最大剪力Q。(2)主梁截面选择主梁截面选择包括确定腹板和翼缘板的尺寸。腹板厚度一般可选用10mm或12mm，按照规范，主要构件所用钢板厚度不宜小于10mm，以免锈蚀后对截面削弱过大；对跨度等于或大于16m的焊接板梁，腹板厚度不宜小于12mm，以减小焊接所引起的变形。(3)截面应力验算按上述步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。(4)变截面梁可改变翼缘板的宽度或厚度来改变梁的截面。(5)翼缘与腹板的连接焊缝计算(6)梁的总体稳定(7)主梁的局部稳定和腹板中加劲肋的布置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