1、第一节第一节 钢桥概述钢桥概述铁：铁：工业纯铁：含碳量通常在工业纯铁：含碳量通常在0.008%0.008%以下以下生铁生铁(或铸铁或铸铁)：含碳量通常在：含碳量通常在2.11%5%2.11%5%，根据碳的，根据碳的存在形式，存在形式，生铁分为白口铁（碳化物）和灰口铁生铁分为白口铁（碳化物）和灰口铁（石墨）（石墨）钢：钢：含碳量通常在含碳量通常在2.11%2.11%以下的合金。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钢材的优点:1 1抗拉、抗压和抗剪强度均较高抗拉、抗压和抗剪强度均较高:减小截面尺寸，重量较轻，建筑高度较小减小截面尺寸
2、，重量较轻，建筑高度较小2 2材质较为均匀材质较为均匀:强度变异性不大，容许应力较高强度变异性不大，容许应力较高3 3 明显的屈服台阶明显的屈服台阶:结构在破坏前发生显著变形，发出预警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：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，桥梁构件特别适合用工业化方法来制造，便于运输，工地架设或安装便于运输，工地架设或安装(erection)(erection)速度速度快，施工工期较短；快，施工工期较短；在受到损伤后，易于修复和更换；在受到损伤后，易于修复
3、和更换；普通钢材的耐候性差、易锈蚀，铁路钢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，材桥采用明桥面时噪声大，维护费用较高，材料价格较高。料价格较高。1 1 上承或下承式简支钢板梁上承或下承式简支钢板梁 多用于中小跨度的铁路桥多用于中小跨度的铁路桥2 2 上承或下承式简支上承或下承式简支(或连续或连续)钢桁架梁钢桁架梁 常用于较大跨度铁路桥常用于较大跨度铁路桥(通常在通常在60-200m60-200m跨度以内跨度以内)3 3 钢斜拉桥钢斜拉桥 常用于大跨度在公路桥常用于大跨度在公路桥4 4 钢悬索桥钢悬索桥 常用于大跨度在公路桥常用于大跨度在公路桥5 5 钢钢-混凝土
4、结合梁桥混凝土结合梁桥 多用于城市桥梁多用于城市桥梁本章主要介绍本章主要介绍 铁路桥铁路桥一一 钢桥所用的材料钢桥所用的材料钢桥所用的钢种主要是钢桥所用的钢种主要是低碳钢低碳钢和和低合金钢低合金钢两类。两类。低碳钢低碳钢是指含碳量为是指含碳量为0 00303一一0 02525的钢；的钢；低合金钢低合金钢是指各种合金元素总含量不超过是指各种合金元素总含量不超过3 3的钢。的钢。用来制造钢桥的钢又称用来制造钢桥的钢又称桥梁钢桥梁钢，可视其为，可视其为结构钢结构钢的一的一种。所选用的钢材，种。所选用的钢材，既要能适应制造工艺要求既要能适应制造工艺要求，又要，又要能满能满足使用要求。足使用要求。钢的化
5、学成分：钢的化学成分：指钢中的各种合金元素的多少。指钢中的各种合金元素的多少。合金元素合金元素有碳、锰、硅等，强度较高的钢还有碳、锰、硅等，强度较高的钢还包含包含微量元素微量元素铬、镍、钒、铌、氮等。铬、镍、钒、铌、氮等。有害杂质为有害杂质为硫、磷，其含量需加以限制。硫、磷，其含量需加以限制。钢的主要力学性能指标有钢的主要力学性能指标有强度、延伸率、断面收缩率、强度、延伸率、断面收缩率、冷弯和冲击韧性。冷弯和冲击韧性。(1)(1)强强 度度 强度指标是强度指标是弹性极限、屈服强度弹性极限、屈服强度(或屈服点或屈服点)极限强极限强度。度。(2)(2)变变 形形 包括包括延伸率、断面收缩率、冷弯延
6、伸率、断面收缩率、冷弯。(3)(3)韧韧 性性 钢材的韧性包括钢材的韧性包括冲击韧性和断裂韧性冲击韧性和断裂韧性，指钢材在塑，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。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。冲击要求标准值。(4)(4)疲疲 劳劳 动荷载作用下，结构存在微小的缺陷而导致应力集中，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，裂纹会这些潜在裂源点容易产生裂纹。循环次数的增加，裂纹会
7、逐渐扩展，最后导致钢桥断裂。这种现象称为疲劳。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结构出现肉眼可见裂纹前能承受荷载循环作用的次数(通通长为长为200200万次万次)，工程上称为结构或材料的疲劳寿命。，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。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
8、(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：按现行标准，牌号表达方式为：以代表屈服强度的拼音字母以代表屈服强度的拼音字母“Q”Q”开头，后接屈服强度开头，后接屈
9、服强度(以以MPaMPa为单位为单位)，再接表示质量等级、脱氧方法等的符号。，再接表示质量等级、脱氧方法等的符号。低碳钢有低碳钢有Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、Q255Q255及及Q275Q275共共5 5种，常用种，常用者是者是Q235(Q235(即即A3A3钢钢)。质量等级分为。质量等级分为A A、B B、C C、D D，共，共4 4级。级。对于对于A A级，无韧性要求；对于级，无韧性要求；对于B B、C C、D D，均需用夏比，均需用夏比V V形缺形缺口口(CharpyV-notch)(CharpyV-notch)试件做冲击试验。试件做冲击试验。低合金高强度结构钢
10、，计有低合金高强度结构钢，计有Q295Q295、Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q460Q460；常用者是；常用者是Q345(Q345(即即16Mn16Mn钢钢)。质量分为。质量分为A A、B B、C C、D D、E E共共5 5级。对于级。对于A A级，无韧性要求；对于级，无韧性要求；对于B B、C C、D D、E E，均需，均需用夏比用夏比(V(V形缺口形缺口)试件做试验。试件做试验。对桥梁钢，另行制订了国标对桥梁钢，另行制订了国标桥梁用结构钢桥梁用结构钢，常用者，常用者为为Q345qQ345q系列钢系列钢(C(C、D D、E E三个等级三个等级)。除碳素钢和低合金钢
11、外，除碳素钢和低合金钢外，低合金超高强度钢低合金超高强度钢(HighStrengthSteel(HighStrengthSteel,简称简称HSS)HSS)，其屈服强度大于其屈服强度大于700MPa700MPa。耐候钢耐候钢(weathering steel)(weathering steel)高性能钢高性能钢(HighPerformance(HighPerformance Steel Steel，简称，简称HPS)HPS)它不仅保持了较高的强度，而且在材料的抗腐蚀和耐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候性能、可焊性、抗断裂和疲劳性
12、能等方面都比传统钢材有明显的提高和改善。有明显的提高和改善。有些国家有些国家(包括我国包括我国)也曾试用铝合金和玻璃钢作也曾试用铝合金和玻璃钢作建桥材建桥材料，特点是重量轻，耐腐蚀性好，但弹性模量和强度低，料，特点是重量轻，耐腐蚀性好，但弹性模量和强度低，造价高。造价高。二、钢桥的连接二、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。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。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，加焊
13、接结构的截面无孔削弱，比铆接结构省料，加工快，且可改善工作环境工快，且可改善工作环境(但在野外恶劣天气下作但在野外恶劣天气下作业时受到一定的限制业时受到一定的限制)。铆接逐步被取代。铆接逐步被取代。2 2 焊接焊接焊接材料有焊丝、焊条、熔剂。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。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钢桥上主要应用电弧焊(埋弧自动焊，气体保护焊埋弧自动焊，气体保护焊)，采用，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，见图角焊缝，见图6 63 3。焊接方法有自动焊、半自动焊和
14、手工焊。在钢桥的工厂焊焊接方法有自动焊、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。接工作中，大量采用自动焊和半自动焊。3 3 栓接栓接 高强度螺栓、螺母、垫圈高强度螺栓、螺母、垫圈-合称为连接副。合称为连接副。直径：直径：M12-M36M12-M36，长度，长度35-300mm35-300mm；钢桥中常用钢桥中常用M22 M24 M27 M30M22 M24 M27 M30 高强度螺栓主要有高强度螺栓主要有12.912.9级、级、10.910.9级、级、8.88.8级。级。10.910.9级在级在桥梁中最常用。桥梁中最常用。高强度螺栓施拧工艺很重要。常用扭矩法。高强度
15、螺栓施拧工艺很重要。常用扭矩法。铁路桥梁：铁路桥梁：目前基本上在跨度目前基本上在跨度96m96m以下很少新建钢梁桥，以前大致以下很少新建钢梁桥，以前大致在在20-40m 20-40m 跨度采用钢板梁，跨度采用钢板梁，4896m4896m多用钢桁梁。多用钢桁梁。目前跨度大于目前跨度大于96m96m的铁路桥或公铁两用桥，以连续钢桁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、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。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其他型式的铁路钢桥，如钢桁拱
16、、钢管混凝土拱和斜拉桥等，应用有限。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、斜腿刚构性梁柔性拱、斜腿刚构(等结构型式。等结构型式。公路钢桥：公路钢桥：在在8080年代及以前数量十分有限。近年代及以前数量十分有限。近2020余年来，钢桥得余年来，钢桥得到迅猛发展，主要结到迅猛发展，主要结构型式是拱桥、悬索桥和斜拉桥。构型式是拱桥、悬索桥和斜拉桥。第二节第二节 钢板梁桥钢板梁桥一、常用的几种板梁桥一、常用的几种板梁桥1 1上承式板梁桥上承式板梁桥第三节第三节 钢板梁桥钢板梁桥“明桥面”桥面主要由桥枕、护木、正轨等组成。
17、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。上第二节第二节 钢板梁桥钢板梁桥2 2 下承式板梁桥下承式板梁桥主要承重结构是两片主要承重结构是两片工字形板梁。在两片工字形板梁。在两片主梁之间，设置有由主梁之间，设置有由纵梁、横梁及纵梁之纵
18、梁、横梁及纵梁之间的联结系组成的桥间的联结系组成的桥面系面系(floor system(floor system）大大缩小了建筑高度大大缩小了建筑高度(自轨底至梁底自轨底至梁底)。由于要满足建筑限界的要求，无法设置上平纵联，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，加设故在横梁与主梁之间，加设肱板：肱板：1 1肱板对主梁上翼缘起支撑作用，保证上翼缘及腹肱板对主梁上翼缘起支撑作用，保证上翼缘及腹板的稳定；板的稳定；2 2肱板与横梁连成一片，可起横联的作用。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，在结构方面下承式板梁桥与上承式板梁桥相比，在结构方面
19、增加了桥面系，因此用料较多，制造也费工；由于它增加了桥面系，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的宽大，无法整孔运送，因此，增添了运输与架梁的工作量。工作量。所以，当铁路桥梁采用板梁桥时，应尽可能所以，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。不采用下承式而采用上承式。3 3 结合梁结合梁 用剪力键或抗剪结合器用剪力键或抗剪结合器(shear connector)(shear connector)或其他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。式结构，称为结合
20、梁桥。在结合梁桥中，混凝土桥面板参与钢板梁上翼缘受在结合梁桥中，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。钢梁要大。城市立交桥城市立交桥中经常采用结合梁，可以加快施工进中经常采用结合梁，可以加快施工进度，减少对所跨越道路的干扰。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：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在钢板梁上翼缘板面上设置剪力键(抗剪结合器）抗剪结合器）剪力
21、键的型式多样：剪力键的型式多样：1 1可采用一小段型钢；可采用一小段型钢；2 2可采用特制的抗剪联结销，俗称大头栓，形如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。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）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。横联和中间横联等组成的空间结构。作用荷载主要有：竖向荷载作用荷载主要有：竖向荷载(恒载和活载恒载和活载)
22、和横向荷载和横向荷载(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。作用在该平面内的荷载。根据简化：根据简化：1 竖向荷载则由主梁承受，并经支座传给墩台；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。横向荷载则由上、下平
23、纵联承受。计算时将上平纵联视作一个简支的水平桁架，计算时将上平纵联视作一个简支的水平桁架，两端两端支承在端横联上。主梁上翼缘是该桁架的弦杆，平纵联支承在端横联上。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。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，它把下平纵联也看作一个简支的水平桁架，它是由主是由主梁的下翼缘和平纵联的斜杆及横撑所组成。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：作用在上平纵联的横向水平力：列车、桥面、主梁上半部所受列车、桥面、主梁上半部所受的风力和列车摇摆力的风力和列车摇摆力(列车摇摆列车摇摆力不与风力同时计算力不与
24、风力同时计算)。作用在下平纵联的横向水平力：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。只有主梁下半部所承受的风力。由下平纵联传至主梁由下平纵联传至主梁两端的两端的横向反力将直接传给支座。横向反力将直接传给支座。由上平纵联传到梁两端由上平纵联传到梁两端的横的横向反力将通过端横联再传给支向反力将通过端横联再传给支座座 。1 1板梁桥主要尺寸的拟定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)(2)主梁高度主梁高度 主梁高度主梁高度A A根据下列条件来决定：根据下列条件来决定：用钢量最省；用钢量最省；主梁的竖向刚度主梁的竖向刚度(跨中挠度
25、跨中挠度)应满足规范要求；应满足规范要求；尽量使腹板宽度小于供货方便的钢板宽度，以避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免不必要的拼接(splice)(splice)或裁切；或裁切；桥跨的建筑高度尽可能减小；桥跨的建筑高度尽可能减小；梁的总尺寸在运输限界之内；梁的总尺寸在运输限界之内；为便于工厂制造，跨度相近的板梁为便于工厂制造，跨度相近的板梁(例如例如20m20m和和24m24m的板梁的板梁)可采用相同的腹板宽度。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的设计资料，主梁的
26、经济高度可用下 从用料经济方面来考虑，根据理论推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，主梁的经济高导并总结过去的设计资料，主梁的经济高度可用下式：度可用下式：从满足竖向刚度，可得容许最小高度，从满足竖向刚度，可得容许最小高度，按挠跨比小于按挠跨比小于1/8001/800可推出下式：可推出下式：(3)(3)主梁中心距主梁中心距 确定主梁中心距时应考虑下列几个方面的问题：确定主梁中心距时应考虑下列几个方面的问题：桥枕的合理跨度桥枕的合理跨度 桥枕的合理跨度大致在桥枕的合理跨度大致在2 202025m5m。为避免桥跨结构在水平力作用下产生横向倾覆，且为避免桥跨结构在水平力作用下产生
27、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要求：两主梁中心距不宜小于跨度的1/151/15，且不应小于，且不应小于2m2m。应考虑用铁路架桥机整孔架设的可能性。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的主梁中心距定为2m2m。2 2 主梁计算主梁计算 包括：内力计算、截面的选择和验算、加劲肋的计包括：内力计算、截面的选择和验算、加劲肋的计算等。算等。在选定主梁截面时，需要考虑强度、稳定在选定主梁截面
28、时，需要考虑强度、稳定(板的局板的局部稳定和梁的总体稳定部稳定和梁的总体稳定)和刚度三个方面的问题。和刚度三个方面的问题。(1)(1)主梁内力计算主梁内力计算 沿梁选取若干截面沿梁选取若干截面(例如将梁分成例如将梁分成8 8等份等份)，算出各截，算出各截面处因恒载和活载产生的最大弯矩面处因恒载和活载产生的最大弯矩M M和最大剪力和最大剪力Q Q。(2)(2)主梁截面选择主梁截面选择 主梁截面选择包括确定腹板和翼缘板的尺寸。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腹板厚度一般可选用10mm10mm或或12mm12mm，按照规范，主要构件所用钢板厚度不宜小于按照规范，主要构件所用
29、钢板厚度不宜小于10mm10mm，以免锈蚀后对截面削弱过大；以免锈蚀后对截面削弱过大；对跨度等于或大于对跨度等于或大于16m16m的焊接板梁，腹板厚度不宜小的焊接板梁，腹板厚度不宜小于于12mm12mm，以减小焊接所引起的变形。，以减小焊接所引起的变形。(3)(3)截面应力验算截面应力验算 按上述步骤所选定的主梁截面尺寸只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。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。力的验算和疲劳强度的验算。(4)(4)变截面梁变截面梁 可改变翼缘板的宽度
30、或厚度来改变梁的截面。可改变翼缘板的宽度或厚度来改变梁的截面。(5)(5)翼缘与腹板的连接焊缝计算翼缘与腹板的连接焊缝计算(6)(6)梁的总体稳定梁的总体稳定(7)(7)主梁的局部稳定和腹板中加劲肋的布置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，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能局部出现翘曲(warp)(warp)而过早丧失稳定。而过早丧失稳定。对于受压翼缘板，其局
31、部稳定性取决于翼缘伸对于受压翼缘板，其局部稳定性取决于翼缘伸出肢的宽度出肢的宽度(自腹板中心算起自腹板中心算起)对厚度的比值。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。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。其在加劲肋处不发生翘曲。第三节第三节 简支钢桁梁桥简支钢桁梁桥一、各组成部分及其作用一、各组成部分及其作用钢桁梁的组成：钢桁梁的组成：1 1 桥面桥面2 2 桥面系桥面系3 3 主桁架主桁架4 4 联结系联结系5 5
32、 制动撑架制动撑架6 6 支座。支座。桥面系由纵梁、横梁及纵梁间的联结系组成。桥面系由纵梁、横梁及纵梁间的联结系组成。主桁是钢桁梁的主要承重结构，它由上弦杆主桁是钢桁梁的主要承重结构，它由上弦杆(chord)(chord)、下弦杆、腹杆、下弦杆、腹杆(web member)(web member)及节点及节点(node(node或或joint)joint)组成。倾斜的腹杆称为斜杆，组成。倾斜的腹杆称为斜杆，竖直的腹杆称为竖杆。竖直的腹杆称为竖杆。杆件交汇的地方称为节点，纵向两节点之杆件交汇的地方称为节点，纵向两节点之间称为节间，用节点板间称为节间，用节点板(gusset plate)(guss
33、et plate)及高强及高强螺栓连接各主桁杆件。螺栓连接各主桁杆件。竖向荷载的传力途径是：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。座，最后由支座传给墩台及基础。钢桁梁除承受竖向荷载外，还承受钢桁梁除承受竖向荷载外，还承受横向水平荷载横向水平荷载(风力、列车横向摇摆力和曲线桥上的离心力风力、列车横向摇摆力和曲线桥上的离心力)。由水由水平纵向联结系平纵向联结系直接承担并向下传递。直接承担并向下传递。在两片主桁对应的弦杆
34、之间，加设若干水平布置在两片主桁对应的弦杆之间，加设若干水平布置的撑杆，并与主桁弦杆共同组成一个水平桁架，叫做的撑杆，并与主桁弦杆共同组成一个水平桁架，叫做水平纵向联结系，简称平纵联。水平纵向联结系，简称平纵联。在上弦平面的平纵联，称为上平纵联；在上弦平面的平纵联，称为上平纵联；在下弦平面的平纵联，称为下平纵联；在下弦平面的平纵联，称为下平纵联；下平纵联承担的横向水平力可直接通过支座传给墩台；下平纵联承担的横向水平力可直接通过支座传给墩台；上平纵联两端则支承在桥门架上平纵联两端则支承在桥门架(portal bracing)(portal bracing)顶端顶端(桥桥门架由两根端斜杆及其间的撑
35、杆组成门架由两根端斜杆及其间的撑杆组成)，横向水平力先传，横向水平力先传给桥门架，再经由桥门架传到支座和墩台。给桥门架，再经由桥门架传到支座和墩台。为增加为增加桥跨结构横向刚度桥跨结构横向刚度，并使两主桁架受力均匀，并使两主桁架受力均匀，常在两主桁竖杆的上部加设若干垂直于桥纵向的撑杆常在两主桁竖杆的上部加设若干垂直于桥纵向的撑杆(称称为楣杆为楣杆)，组成中间横联，其几何图式与桥门架相似。组成中间横联，其几何图式与桥门架相似。二、主桁的几何图式二、主桁的几何图式常用的主桁几何图式常用的主桁几何图式见下图见下图 图图(a)(a)表示的几何图式称为三角表示的几何图式称为三角型腹杆体系，是在华仑桁架型
36、腹杆体系，是在华仑桁架(Warren(Warren TrussTruss，即该图中去掉所有竖杆后形，即该图中去掉所有竖杆后形成的桁架成的桁架)的基础上再分形成的。具的基础上再分形成的。具有这种图式的桁梁桥构造简单，部有这种图式的桁梁桥构造简单，部件类型较少，适应设计定型化，有件类型较少，适应设计定型化，有利于制造与安装利于制造与安装.图图(b)(b)中斜杆的布置有所变化，中斜杆的布置有所变化，该类桁架称为豪式该类桁架称为豪式(Howe)(Howe)桁架。在桁架。在竖向荷载作用下，图竖向荷载作用下，图(b)(b)的竖杆较图的竖杆较图(a)(a)的竖杆受力大，受压斜杆的数量的竖杆受力大，受压斜杆的
37、数量也较多，而且弦杆内力在每个节间也较多，而且弦杆内力在每个节间都有变化，因而图都有变化，因而图(b)(b)采用相对较少。采用相对较少。图图(c)(c)一图一图(e)(e)为几种上承式桁梁的几何图式。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，其主桁图式常用对于中等跨度的上承式桁梁桥，其主桁图式常用图图(c)(c)，较少采用图，较少采用图(d)(d)，这是因为图，这是因为图(d)(d)的端竖杆要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，也可做成图梁桥，也可做成图(e)(e)所示的结构型式。所示的结构型式。对于特大跨度
38、的桁梁，为同时满足对于特大跨度的桁梁，为同时满足:1 1 桥梁工厂适应节长为桥梁工厂适应节长为8m8m的桁梁制造设备。的桁梁制造设备。2 2 保持斜杆适当的倾度保持斜杆适当的倾度.3 3 桁梁桥的竖向刚度要求。桁梁桥的竖向刚度要求。图图(g)(g)或图或图(h)(h)可用作大跨度或特大跨度桁梁的图可用作大跨度或特大跨度桁梁的图式。图式。图(g)(g)称为再分式，图称为再分式，图(h)(h)称为米字型。称为米字型。三、主桁的主要尺寸及杆件截面形式三、主桁的主要尺寸及杆件截面形式 主桁的主要尺寸是指：主桁高度主桁的主要尺寸是指：主桁高度(简称桁高简称桁高)、节间、节间长度；斜杆倾度及两主桁的中心距
39、，这些尺寸的拟定对长度；斜杆倾度及两主桁的中心距，这些尺寸的拟定对桁梁桥的技术经济指标起着重要作用。桁梁桥的技术经济指标起着重要作用。(1)(1)桁桁 高高 从用钢量从用钢量;挠度挠度;满足建筑限界的要求。满足建筑限界的要求。(2)(2)节间长度节间长度 节间长度对桁梁桥的用钢量有一定影响。节长较短节间长度对桁梁桥的用钢量有一定影响。节长较短，纵梁、横梁数量增多；但梁的截面可小，主桁腹杆也，纵梁、横梁数量增多；但梁的截面可小，主桁腹杆也相应变短。一般下承式桁梁节间长度为相应变短。一般下承式桁梁节间长度为5 5512m512m，或，或为桁高的为桁高的0 081812 2倍。倍。(3)(3)斜杆倾
40、度斜杆倾度 斜杆倾度影响到节点构造。斜度设置不当，不仅会斜杆倾度影响到节点构造。斜度设置不当，不仅会影响节点板的形状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置在影响节点板的形状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置在靠近节点中心处，以致削弱节点平面外刚度，增加节点靠近节点中心处，以致削弱节点平面外刚度，增加节点平面内的刚度。根据以往设计经验，斜杆轴线与竖直线平面内的刚度。根据以往设计经验，斜杆轴线与竖直线的交角以在的交角以在3030一一5050度范围内为宜。度范围内为宜。(4)(4)主桁的中心距主桁的中心距 主桁的中心距与桁梁桥的横向刚度主桁的中心距与桁梁桥的横向刚度有关。为了保证桥梁的横向刚度，主桁的中心距不应
41、小有关。为了保证桥梁的横向刚度，主桁的中心距不应小于跨长的于跨长的1 12020。对于下承式桁梁桥，主桁中心距还对于下承式桁梁桥，主桁中心距还必须满足建筑限界的要求；对于上承式桁梁桥，主桁必须满足建筑限界的要求；对于上承式桁梁桥，主桁中心距与桁梁桥的横向倾覆的稳定性有关中心距与桁梁桥的横向倾覆的稳定性有关 主桁的主要尺寸主桁的主要尺寸:主桁高度主桁高度(简称桁高简称桁高)、节间长度、斜杆倾度及两主桁的、节间长度、斜杆倾度及两主桁的中心距。中心距。(1)(1)桁桁 高高 从用钢量从用钢量;挠度挠度;满足建筑限界的要求。满足建筑限界的要求。(2)(2)节间长度节间长度 节间长度对桁梁桥的用钢量有一
42、定影响。节长较短节间长度对桁梁桥的用钢量有一定影响。节长较短，纵梁、横梁数量增多；但梁的截面可小，主桁腹杆也，纵梁、横梁数量增多；但梁的截面可小，主桁腹杆也相应变短。相应变短。一般下承式桁梁节间长度为一般下承式桁梁节间长度为5.512m5.512m，或为桁高的，或为桁高的0.81.20.81.2倍。倍。(3)(3)斜杆倾度斜杆倾度 斜杆倾度影响到节点构造。斜度设置不当，不仅会斜杆倾度影响到节点构造。斜度设置不当，不仅会影响节点板的形状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置在影响节点板的形状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置在靠近节点中心处，以致削弱节点平面外刚度，增加节点靠近节点中心处，以致削弱节点平面外
43、刚度，增加节点平面内的刚度。平面内的刚度。根据以往设计经验，斜杆轴线与竖直线的交角以在根据以往设计经验，斜杆轴线与竖直线的交角以在3030一一5050度范围内为宜。度范围内为宜。(4)(4)主桁的中心距主桁的中心距 主桁的中心距与桁梁桥的横向刚度有关。为了保证主桁的中心距与桁梁桥的横向刚度有关。为了保证桥梁的横向刚度，主桁的中心距不应小于跨长的桥梁的横向刚度，主桁的中心距不应小于跨长的1/20.1/20.对于下承式桁梁桥，主桁中心距还必须满足建筑限对于下承式桁梁桥，主桁中心距还必须满足建筑限界的要求；对于上承式桁梁桥，主桁中心距与桁梁桥的界的要求；对于上承式桁梁桥，主桁中心距与桁梁桥的横向倾覆
44、的稳定性有关横向倾覆的稳定性有关.(5)主桁杆件的截面形式 主桁焊接杆件的截面形式主要有两类：H形截面和箱形截面。H形截面构造简单，焊接容易，安装方便；截面两轴的回转半径相差较大。适用内力不很大的杆件或长细比相对较小的压杆。箱形截面对两个主轴的回转半径相近，承受压力方面优于H形杆件，制造时比较费工，焊接变形也较难控制和修整。用于内力较大和长细比较大的压杆或拉一压杆件。四四 桁梁内力分析的基本原理桁梁内力分析的基本原理钢桁梁的实际工作状况：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。用空间整体分析方法。常用计算图式
45、的假定常用计算图式的假定-铰接平面结构：铰接平面结构：将钢桁梁划分为若干个平面结构，铰接节点，每将钢桁梁划分为若干个平面结构，铰接节点，每个平面只承受作用于该平面内荷载的影响。个平面只承受作用于该平面内荷载的影响。主应力与次应力主应力与次应力 简化计算误差主要表现在下列几个方面：简化计算误差主要表现在下列几个方面：由于主桁弦杆变形所引起的平纵联杆件的内力。由于主桁弦杆变形所引起的平纵联杆件的内力。桥面系的纵、横梁和主桁弦杆的共同作用。桥面系的纵、横梁和主桁弦杆的共同作用。横向框架。横向框架。横向框架由横梁、主桁竖杆和横向联结系的楣部杆横向框架由横梁、主桁竖杆和横向联结系的楣部杆件所构成。当横梁
46、在竖向荷载作用下梁端发生转动时件所构成。当横梁在竖向荷载作用下梁端发生转动时，竖杆的上端和下端均将产生力矩。在设计竖杆时，竖杆的上端和下端均将产生力矩。在设计竖杆时，应考虑此力矩的影响。应考虑此力矩的影响。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，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的各杆件之间的夹角不能变化，迫使杆件发生弯曲，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
47、，这就是次应力由此在主桁杆件内产生附加的应力，这就是次应力(secondary stress)(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）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。按照铰接桁架计算各类作用下各杆件的内力。杆件恒载内力杆件恒载内力(轴向力轴向力)的计算，可参照现有设的计算，可参照现有设计资料，先估算作用在桥跨结构上的恒载计资料，先估算作用在桥跨结构上的恒载(主桁、桥主桁、桥面系和桥面的重力面系和桥面的重力)，然后按平面桁架进行。，然后按
48、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。影响线并计算相应影响线面积。六、连续钢桁梁桥的特点六、连续钢桁梁桥的特点连续桁架桥具有下列优点：连续桁架桥具有下列优点：便于采用伸臂法架设钢梁。便于采用伸臂法架设钢梁。具有较大的竖向刚度和横向刚度。具有较大的竖向刚度和横向刚度。用钢量较省。用钢量较省。易于修复。易于修复。连续桁架桥的不足：连续桁架桥的不足：基础沉降会使杆件内力发生变化。基础沉降会使杆件内力发生变化。制动墩受力较大，桥墩及基础尺寸也增大。制动墩受力较大，桥墩及基础尺寸也增大。第四节第四节 钢桥制造及架设钢桥制
49、造及架设一一 钢桥制造钢桥制造 钢桥制造应以桥梁的技术设计图纸为依据，绘制施钢桥制造应以桥梁的技术设计图纸为依据，绘制施工详图。工详图。钢桥计算机辅助制造钢桥计算机辅助制造(CAM)(CAM)和计算机一体化制造和计算机一体化制造(CIM)(CIM)得到重视，以数值控制为中心的能自动制图、自得到重视，以数值控制为中心的能自动制图、自动气割、自动制孔的所谓数控机床已逐步付诸实用。动气割、自动制孔的所谓数控机床已逐步付诸实用。目前桥梁工厂采用数控钻床和微机数控多头切割机见图目前桥梁工厂采用数控钻床和微机数控多头切割机见图6 61313和图和图6 61414。常规钢桥制造包括下列工艺过程：常规钢桥制造
50、包括下列工艺过程：作样、作样、号料、号料、切割、切割、矫正、矫正、边缘加工、边缘加工、制孔、制孔、组焊、组焊、焊接、焊接、整形、整形、检验、检验、试装等。试装等。二、钢桥架设二、钢桥架设目前，常采用的架设方法：目前，常采用的架设方法：悬悬(伸伸)臂法、臂法、拖拉法拖拉法(或顶推法或顶推法)、浮运法等。浮运法等。1 1 悬悬(伸伸)臂法臂法降低钢梁安装应力和梁端挠度，几种常用的措施如下：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临时加固悬臂支点附近的杆件或梁体(2)吊索塔架吊索塔架(3)墩旁托架墩旁托架(4)半悬臂拼装半悬臂拼装 2 2拖拉法架设钢梁拖
