钢结构桥梁地基础入门.doc
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1、钢结构桥梁的入门级别小跨度与大跨度钢箱梁建国以来长江上几座里程牌式钢桥,高瞻远瞩,胸怀大志,入门开始武汉长江大桥(128m 跨度,3 号钢 Q240)南京长江大桥(160m 跨度,16Mnq Q345)九江长江大桥(216m 跨度,15MnVNq Q420)芜湖长江大桥(312m 跨度,14MnNbq Q345)天兴洲长江大桥(504m 跨度,14MnNbq Q345)一、桥梁用钢牌号1、Q235qD Q345qD Q370qD Q420QD第一个 Q 为屈服拼音第一个字母,屈服之意; 数字 235 表示屈服强度(是一个应力数值),数字后 q 为桥梁第一个拼音 q,表示为桥梁用结构钢;最后一个
2、大写字母D 为钢材等级,钢材等级之分有 A、B、C、D、E5 个等级,A 不做冲击功要求,B表示常温 20 冲击功,C 为 0 冲击功,D 表示-20 是冲击功,E 为-40 独冲击功要求.冲击功与钢材韧性相关,Q345qEQ345qE 联合起来意为联合起来意为: :屈服强度为屈服强度为 345MPa345MPa 应力的桥梁用钢应力的桥梁用钢,-40,-40 有冲击功有冲击功要求要求, ,一般不小于一般不小于 47J.47J.钢材安全系数一般取为钢材安全系数一般取为 1.7,1.7,那么那么 Q345Q345 钢材容许应力为钢材容许应力为345/1.7=202.9MPa,345/1.7=202
3、.9MPa,规范中采用规范中采用 200MPa.Q345200MPa.Q345 中中 345345 为屈服强度为屈服强度, ,抗拉强度抗拉强度更大更大, ,一般为容许应力的一般为容许应力的 2.52.5 倍倍, ,所以所以 Q345Q345 抗拉强度为抗拉强度为 200*2.5=500MPa,200*2.5=500MPa,规范规范中取值中取值 510MPa.510MPa.抗剪容许应力为基本容许应力的抗剪容许应力为基本容许应力的 0.60.6 倍倍, ,局部承压为基本容许应局部承压为基本容许应力的力的 1.51.5 倍倍, ,规范中规范中 Q345Q345 钢材抗剪容许应力钢材抗剪容许应力 12
4、0MPa,120MPa,局部承压容许应力为局部承压容许应力为300MPa.300MPa.二、二、钢结构桥梁的设计方法钢结构桥梁的设计方法公路钢结构桥梁设计规范 2015 没出来之前,公路钢结构桥梁仍然采用容许应力法设计:各项荷载系数为 1,荷载组合下外力应力只要小于容许应力 200MPa即可.现在新出钢桥规范为了与混凝土统一采用两个极限状态设计法一致,钢结构桥梁也采用了极限状态设计法,以 Q345qD 钢为例说明问题的实质性:1)1) 容许应力法容许应力法外荷载组合系数外荷载组合系数:1x:1x 恒载恒载+1x+1x 活载活载+1x+1x 其它可变活载其它可变活载 荷载组合下的应力小于规范中的
5、容许应力荷载组合下的应力小于规范中的容许应力 200MPa200MPa (345/1.7=203)(345/1.7=203)2)2) 极限状态法极限状态法外荷载组合系数外荷载组合系数:1.2x:1.2x 恒载恒载+1.4x+1.4x 活载活载+1.4x+1.4x 其它可变活载其它可变活载 X0.75X0.75综合起来极限状态法相比于容许应力法综合起来极限状态法相比于容许应力法 荷载综合系数采用了荷载综合系数采用了 1.351.35荷载组合下的应力小于规范中的容许应力荷载组合下的应力小于规范中的容许应力 275MPa275MPa (345/1.7x1.35=274)(345/1.7x1.35=2
6、74)所以极限状态法相当于外荷载系数乘了个所以极限状态法相当于外荷载系数乘了个 1.351.35 的数值的数值, ,相对于容许应力法中相对于容许应力法中的容许应力相应同时乘以的容许应力相应同时乘以 1.351.35 的数值的数值, ,本质一样本质一样, ,游戏而已游戏而已. .三、钢结构桥梁几个主体问题钢结构核心问题为强度、稳定、疲劳强度、稳定、疲劳1)1) 强度强度受拉杆件或者弯矩中的受拉部位受拉杆件或者弯矩中的受拉部位: :应力小于容许应力即可应力小于容许应力即可, ,假如为螺栓连接假如为螺栓连接, ,计计算应力时采用净面积计算算应力时采用净面积计算2)2) 稳定稳定稳定问题转为强度模式控
7、制稳定问题转为强度模式控制, ,只不过将容许的压应力转换为容许应力只不过将容许的压应力转换为容许应力 x x 小于小于1 1 的一个数字的一个数字, ,此数字结合杆件的计算长度与杆件回转半径相结合的长细比此数字结合杆件的计算长度与杆件回转半径相结合的长细比, ,如下表如下表稳定问题还包括整体稳定与局部稳定之分稳定问题还包括整体稳定与局部稳定之分, ,只要构件受压只要构件受压, ,终究不能离开稳定终究不能离开稳定问题的困扰问题的困扰, ,这也是拱桥跨径小于斜拉桥、斜拉桥跨径小于悬索桥的主体原这也是拱桥跨径小于斜拉桥、斜拉桥跨径小于悬索桥的主体原因因; ;整体稳定可按上述的稳定应力小于强度容许应力
8、乘以相应于长细比的小整体稳定可按上述的稳定应力小于强度容许应力乘以相应于长细比的小于于 1 1 的折减系数控制的折减系数控制, ,局部稳定按照下表宽厚比控制局部稳定按照下表宽厚比控制受压杆件设置的局部加劲肋受压杆件设置的局部加劲肋, ,解决宽厚比过大的局部稳定问题解决宽厚比过大的局部稳定问题. .上表为压杆的局部稳定控制指标上表为压杆的局部稳定控制指标, ,对于受弯构件的腹板的抗剪稳定对于受弯构件的腹板的抗剪稳定, ,也有相应也有相应的要求的要求, ,防止腹板受剪失稳防止腹板受剪失稳, ,控制指标为腹板的高厚比控制指标为腹板的高厚比简支梁受力的横梁腹板加劲肋设置简支梁受力的横梁腹板加劲肋设置,
9、 ,竖向设置间距不大于竖向设置间距不大于 2m2m 的加劲板的加劲板, ,正弯正弯矩上缘受压部位设置水平向加劲肋矩上缘受压部位设置水平向加劲肋. .3)3) 疲劳疲劳只要受拉只要受拉, ,构件就有疲劳问题构件就有疲劳问题, ,裂纹随着拉应力的变化扩展裂纹随着拉应力的变化扩展, ,所以受压构件不需检所以受压构件不需检算疲劳算疲劳, ,受拉或者是拉压交替就会有裂纹扩展的危险受拉或者是拉压交替就会有裂纹扩展的危险, ,就需检算疲劳稳定就需检算疲劳稳定, ,疲劳主疲劳主要与应力变化幅密切相关要与应力变化幅密切相关, ,疲劳检算主要是检算应力幅疲劳检算主要是检算应力幅四、四、钢结构桥梁与混凝土箱梁类比钢
10、结构桥梁与混凝土箱梁类比钢箱梁截面钢箱梁截面混凝土截面混凝土截面对于一个 3x30m 混凝土现浇预应力匝道箱梁,荷载传力途径荷载传力途径: :荷载荷载-传力途径传力途径 1:1:横向通过顶板传递给纵腹板横向通过顶板传递给纵腹板( (对应纵向对应纵向 1m1m 板条桥面板横板条桥面板横向计算向计算( (车辆中车轮荷载车辆中车轮荷载) ) -组成横框的桥面板的组成横框的桥面板的横向横向受力受力-传力途径传力途径 2:2:通过顶底板及腹板纵向传递给横梁通过顶底板及腹板纵向传递给横梁( (对应于纵向单梁主梁计算对应于纵向单梁主梁计算, ,顶底板抗弯顶底板抗弯, ,腹板抗剪腹板抗剪, ,车道荷载计算车道
11、荷载计算, ,受拉部位设置预应力钢束保证混凝土抗裂受拉部位设置预应力钢束保证混凝土抗裂, ,同时钢束的设置不能使混凝土受压过大同时钢束的设置不能使混凝土受压过大) )-纵向纵向受力受力-传立途径传立途径 3(3(通过横梁由横梁与纵腹板相交之点传至支座通过横梁由横梁与纵腹板相交之点传至支座) )( (对应于横梁计算对应于横梁计算, ,根据横梁跨度决定是否采用预应力根据横梁跨度决定是否采用预应力) )-横梁的横梁的横向横向受力受力对于 3x30m 钢箱梁,16mm 厚顶板及顶板位置的纵向加劲肋(U 肋、倒 T 肋、板肋)相当于 25cm 厚混凝土顶板,14mm 厚底板及其加劲肋相当于 25cm 厚
12、混凝土底板,两块 14mm 厚腹板类式于 45cm 厚腹板.钢箱与混凝土承受荷载比较,相应采用相应采用 Q345qDQ345qD 钢材与钢材与 C50C50 混凝土类比混凝土类比:混凝土顶板承受弯矩中的压力:7800mm*250mm*16.2MPa=31590kN钢箱梁顶板承受弯矩中的轴力:(7800mm*16mm+705mm*8mm*10)*200MPa=36240kN,可以看出钢结构承载能力更强.混凝土腹板抗剪:2000mm*450mm*2*0.17*32.6Mpa=9975kN钢箱梁腹板抗剪:2000mm*14mm*2*120Mpa=6720kN,抗剪混凝土强些,同等同等跨度的钢箱梁一恒
13、只有混凝土的跨度的钢箱梁一恒只有混凝土的 1/3.51/3.5 左右左右30m 跨径 8m 桥宽混凝土一恒荷载:8*0.7*26=146kN/m30m 跨径 8m 桥宽钢箱梁一恒荷载:8*500kg/=40kN/m=146/3.65kN钢箱梁相对于混凝土箱梁,上面讲述了几个类同性类同性, ,类同性 1: 16mm 厚顶板及顶板位置的纵向加劲肋顶板及顶板位置的纵向加劲肋(U(U 肋、倒肋、倒 T T 肋、板肋肋、板肋) )相当于25cm 厚混凝土顶板类同性 2: 14mm 厚底板及其加劲肋底板及其加劲肋相当于 25cm 厚混凝土底板类同性 3: 两块 14mm 厚腹板类式于 45cm 厚腹板本质
14、的不同点在于钢箱梁纵向必须设置间距本质的不同点在于钢箱梁纵向必须设置间距 2m2m 或者或者 3m3m 设置横隔板设置横隔板( (正交各向正交各向异性板名称的由来异性板名称的由来, ,纵向顶板加劲肋加劲及横向横隔板加劲纵向顶板加劲肋加劲及横向横隔板加劲), ),以支承顶板上加劲以支承顶板上加劲肋的受力肋的受力, ,减小顶板加劲肋计算跨度减小顶板加劲肋计算跨度, ,同时减小较薄的钢板的畸变变形增强横向受同时减小较薄的钢板的畸变变形增强横向受弯能力弯能力, ,任何钢结构箱型杆件均需设置隔板任何钢结构箱型杆件均需设置隔板, ,此构造类似与竹子中的隔板此构造类似与竹子中的隔板, ,大自然大自然中生物是
15、演化的最合理构造中生物是演化的最合理构造. .钢箱梁的传力途径钢箱梁的传力途径, ,相比于混凝土传力途径相比于混凝土传力途径, ,多了一个横隔板间顶板纵肋的纵向传多了一个横隔板间顶板纵肋的纵向传力力, ,所以钢箱梁需要两个体系相加所以钢箱梁需要两个体系相加, ,原因在此原因在此! !钢箱梁传力钢箱梁传力: :荷载荷载-传力途径传力途径 1:1:横向通过横向通过 16mm16mm 厚顶板传给顶板纵向加劲肋厚顶板传给顶板纵向加劲肋( (顶板传力顶板传力, ,第三体系第三体系, ,薄膜力很大不用考虑薄膜力很大不用考虑) )-传力途径传力途径 2:2:顶板纵向加劲肋传至隔板顶板纵向加劲肋传至隔板( (
16、纵向加劲肋及顶板组成的构件支撑纵向加劲肋及顶板组成的构件支撑在间距在间距 2m2m 或者或者 3m3m 的横隔板上的受力的横隔板上的受力, ,车辆中车轮荷载计算车辆中车轮荷载计算, ,多跨连续梁受力多跨连续梁受力) )- - -顶板纵向加劲肋及顶板的顶板纵向加劲肋及顶板的纵向纵向受力受力, ,属于第二体系也叫桥面体系属于第二体系也叫桥面体系, ,由于是纵向受由于是纵向受力力, ,所以需要与第一应力体系相加所以需要与第一应力体系相加-传力途径传力途径 3:3:横隔板传递给纵腹板横隔板传递给纵腹板( (横隔板与其上下方顶板底板组成的构件横隔板与其上下方顶板底板组成的构件在跨度为纵隔版之间间距的横向
17、受力在跨度为纵隔版之间间距的横向受力, ,也叫桥面体系也叫桥面体系) )- 横隔板与顶上横隔板与顶上 16mm16mm厚底下厚底下 14mm14mm 厚的横向受力厚的横向受力-传力途径传力途径 4:4:纵腹板传至横梁纵腹板传至横梁( (对应于纵向单梁主梁计算对应于纵向单梁主梁计算, ,顶底板抗弯顶底板抗弯, ,腹板抗腹板抗剪剪, ,车道荷载计算车道荷载计算) )-第一体系第一体系, ,也叫主梁体系也叫主梁体系, ,纵向纵向受力受力, ,与混凝土完全一致与混凝土完全一致-传力途径传力途径 5(5(通过横梁由横梁与纵腹板相交之点传至支座通过横梁由横梁与纵腹板相交之点传至支座) )( (对应于横梁计
18、算对应于横梁计算,) ,)-横梁的横梁的横向横向受力受力, ,与混凝土完全类似与混凝土完全类似理解纵向单梁模型理解纵向单梁模型-不包含顶板加劲肋的第二体系计算不包含顶板加劲肋的第二体系计算五、钢结构桥梁构造本章主要简述钢结构桥梁中钢箱梁构造本章主要简述钢结构桥梁中钢箱梁构造, ,根据上一章钢箱梁传力其实大体可以确根据上一章钢箱梁传力其实大体可以确定钢箱梁构造了定钢箱梁构造了, ,本章单独提列本章单独提列, ,加强名称介绍加强名称介绍, ,构造服务于受力构造服务于受力薄壁扁平钢箱梁构造薄壁扁平钢箱梁构造1 1、总体布置、总体布置薄壁扁平钢箱梁(梁高与桥宽之比很小)是由顶板、底板、横隔板和纵隔板等
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