钢桁架的工程应用

20世纪60年代中期，为加快成昆铁路的修建，铁道部和国家科委组成铁路栓焊钢梁科研、设计、制造、安装新技术攻关组，系统地研发了栓焊钢桥新技术。2000年建成的芜湖长江大桥为低塔斜拉连续钢桁梁，其主桁节点拼装为全焊节点，节点外用高强螺栓连接。2003年建成的上海卢浦大桥为全焊刚拱桥。
1.3桁架的历史演变
第1章绪论
1.1钢桥的发展
1894年建成滦河大桥，该桥上部结构由多孔钢桁梁和钢板梁组成。在修建过程中，外国工程师遇到困难而告退，最后由我国工程师詹天佑完成。这是我国工程师第一次主持修建钢桥。1905～1909年满清政府在人民群众“收回路权”这一爱国运动的压力下，被迫用自己国家的资金和人力，修建京张铁路，詹天佑任总工程师。这一条铁路上的钢桥，都是由我国自己设计、制造和安装的。京张铁路的建设，摆脱了帝国主义的控制，靠自力更生建成，在我国铁路史上谱写了光辉的一页。1937年我国建成了钱塘江大桥。该桥全长1072m，公路桥面布置在上层，铁路桥面布置在下层，正桥为16孔65.86m简支钢桁梁，钢梁为铆接，采用浮运架设。该桥为我国著名桥梁专家茅以升负责设计和监督施工，是我国历史上由自己工程师设计和监造的第一座双层公、铁两用大桥。
1.2钢桥的建设
1.2.1钢桥所用的材料
桥梁结构使用的钢种主要有碳素钢和低合金钢两类。50年代我国钢桥主要采用甲3桥低碳钢(A3q)，武汉长江大桥的3×128m连续钢桁梁就是用低碳钢制造的。对于焊接钢梁，用的是16桥钢。由于低碳钢的屈服强度低(240MPa)，用以建造大跨度钢桥，使杆件不可避免地要采用较大的截面尺寸，因而使钢桥的自重加大，钢材用量增加。为了减轻钢梁自重，50年代后期我国开始研究在桥梁上采用高强度低合金钢。我国矿藏资源十分丰富，许多铁矿中已天然带有如锰、硅、钒、钛、铜等各种合金元素，用普通的冶炼方法，即可炼出高质量的低合金钢，其强度、塑性、韧性及焊接性能良好。16锰桥钢(16Mnq)是在60年代研制成功的普通低合金钢，其屈服强度为340MPa。首先用于成昆线上的铁路桥梁，建成了四座跨度为112m的系杆拱桥。又用16Mn桥钢建成南京长江大桥，其最大跨度160m，钢梁总重31545t，比用低碳钢节省钢材约15％。从此，16Mn桥钢成为制造钢梁的主要钢种。为适应发展大跨度栓焊钢梁的需要，自60年代中期起，我国开始研制强度更高的新钢种。70年代研制成功的15锰钒氮桥梁钢，其屈服强度达420MPa，曾用于京承线白河桥和京山线永定新河桥，比用16Mn桥钢节约钢材10％以上，焊接钢板最大厚度达40mm。为改善15MnVN桥梁钢的焊接性能，提高焊后的低温冲击韧性和时效冲击韧性，根据不同部位，将其分为A、B、C三级。A级(15MnVNA)用于非焊接部件；B级(15MnVNB)用于受压工字形或次要焊接部件；C级(15MnVNC)用于受拉和受疲劳控制的主要杆件。C级15MnVN钢的化学成分(％)：C≤0.18；Si＝0.2～0.6；Mn＝1.3～1.7；P≤0.02；S≤0.015；V＝0.18；N＝0.018。C级15MnVN钢的机械性能：极限强度≥560MPa；屈服强度≥420MPa；伸长率δ5≥19％；低温冲击值ak，－10。c≥49J/cm2；时效冲击值a′k≥49J/cm2。
在支架、塔架和桅杆等柱结构中使用的桁架应作为组合压杆考虑其稳定性问题。
1.4.3平面桁架与空间桁架
桁架有平面桁架与空间桁架之分，虽说实际桁架都是空间桁架。理想化的平面桁架不仅各杆轴都是位于同一平面内并通过理想铰的中心的直线，而且外力只作用在桁架平面内的结点上，并维持平衡。实际建筑物所受的荷载常作用于不同方向的几个平面内。因此，必须由一系列平行的平面桁架用联结系组成一个空间体系，以承受各个方向的荷载，如屋架或桥梁。但这种空间桁架体系在设计中通常可分解简化为上述各类平面桁架来计算。
另一类空间特征明显的空间桁架体系在设计中却不能简化为几个平面桁架，只能选取空间桁架的计算简图来计算，如圆屋顶桁架、水塔锥形塔架、高压输电塔及起重机构架等。为了计算简便，假设空间桁架的结点为完全光滑、可自由转动的球形铰，杆轴仍为直线。当外力只作用于空间桁架结点时，各杆只受轴力。空间桁架的支座形式有两种：一种是把桁架的一部分杆件直接与基础固结(如塔架)；另一种则是在桁架的某些结点处设置空间铰支座(如固定圆球式支座、可动圆柱式支座、可动圆球式支座等等)。
对于静定桁架，考虑桁架各结点的平衡条件(结点受汇交力系作用)，逐个建立结点的投影平衡方程，可求出所有的未知杆力，这种方法称结点法，最适用于简单桁架。求解时，先根据桁架组成特点判定零杆，并尽可能避免联立方程。当只需求少数杆件内力或者对于联合桁架和复杂桁架结点法无法奏效时，宜采用截面法。该法有选择地截断杆件(平面桁架一般不超过三杆)以桁架局部隔离体作为平衡研究对象，列出力矩(或投影)平衡方程即可求得所需杆件轴力。某些桁架(如K式桁架)需要联合应用结点法和截面法求解。对于多杆件的复杂桁架或空间桁架，最好的选择是计算机方法。
旧中国的铁路钢桥建设，由于受到当时的政治、经济和科学技术条件的限制，发展极为缓慢，其中大多数为结构简单的小跨度钢梁，主跨超过100m的只有两座钢桥：一是陇海线上的黑石关伊洛河桥，主跨为128.7m；另一是津浦线上的泺口黄河桥，主跨为164.7m。解放前修建的钢梁大部分由外国制造，由我国自己生产的钢梁总量还不到1000t。建国后，钢梁总产量现已超过450000t。主跨大于100m的铁路钢桥就有十余座，其中有：1957年建成的武汉长江大桥为公、铁两用桥，正桥为三联，每联为3×128m连续铆接钢桁梁，1968年建成的南京长江大桥为公、铁两用桥，上部结构的主要部分由一孔128m的简支钢桁梁和三联3×160m连续钢桁梁组成，主桁杆件采用16锰低合金钢梁桥，用铆钉连接，于1968年建成。1969年建成的成昆线三堆子金沙江桥为192m的简支铆接钢桁梁。1970年左右建成的成昆铁路安宁河桥、同模甸二桥、拉旧桥和迎水河桥均为112m系杆拱栓焊钢桥。1971年建成的枝城长江大桥为公、铁两用桥，由一联5×128m和一联4×160m的连续铆接钢桁梁组成。1977年建成的密云水库白河桥，为3×128m连续栓焊钢桁梁，1982年建成的安康汉江桥为176m的斜腿刚构。
桁架杆件只受轴向力，应力分布均匀，材料强度得到充分利用。从古代的木桁架到近代的钢桁架(薄壁钢杆)和钢筋混凝土(或预应力混凝土)桁架，桁架对材料的适应范围也很广。梁式桁架(桁梁)实际上是对实腹梁中性区的掏空和改进，有助于减轻自重，增加承受外荷载的数量比，适合于向大跨度发展。由构造简单的等截面梁逐渐发展到经济合理的梁式桁架似乎是结构形式发展的必然。实际上，早在结构理论诞生之前就有桁架的工程应用，但从实腹梁到桁架梁的演变过程却无从考证。19世纪中叶以后，随着桁架分析理论的完善，钢桁梁桥得到迅速发展。而等截面梁虽不经济，但在跨度不大和荷载较小的情况下，由于便于制造和施工，在工程中还广为采用。
(3)按所受水平推力分：无推力的梁式桁架(与相应的实体梁结构比较，掏空率大，上下弦杆联合抗弯，腹杆主要抗剪，受力合理，用材经济)和有推力的拱式桁架(拱圈与拱上结构联为一体，整体性好，便于施工，跨越能力强，节省钢材料)。
1.4.2桁架内力特征
理想桁架杆件都是二力杆，其内力只有轴力，而没有弯矩和剪力，截面应力分布均匀。这一受力特点反映了实际桁架结构的主要工作形态，轴力为桁架的主内力。实际桁架(如整体浇筑的钢筋混凝土屋架，采用榫接或螺栓联接的木屋架，铆(栓)接或焊接的钢桁架桥)中由于各杆轴线不一定准确交于结点上，结点也并非理想铰结等原因，还同时存在微小的附加弯矩和剪力对轴力的影响，这种影响是次要的(因结点刚性及桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而异，一般在5%～0.1%)，内力增量称为次内力。
1.2.2制作工艺
20世纪五六十年代之前，我国建设钢桥所用结构是铆接，采用的工艺很简陋，大都采用手工操作，人工测量组装，组装后扩孔。在建造武汉长江大桥时，引用了当时前苏联的经验，采用覆盖式样板和立体式机器样板。这一设备对我国钢梁制造的工厂化和标准化起了很大的作用，大大加快了我国建国初期的钢梁制造速度。近年来随着计算机的发展，已逐步采用先进的程序控制钻床取代覆盖式样板，大大加快了钢桥制造的现代化。
1.4桁架种类及其内力特征
1.4.1平面桁架ຫໍສະໝຸດ 类(1)根据桁架的外形分为：平行弦桁架(便于布置双层结构；利于标准化生产，但杆力分布不够均匀)、折弦桁架(如抛物线形桁架梁，外形同均布荷载下简支梁的弯矩图，杆力分布均匀，材料使用经济，构造较复杂)、三角形桁架(杆力分布更不均匀，构造布置困难，但斜面符合屋顶排水需要)。
桁架的外形取决于弦杆的布置。若按桁架腹杆系的布置，则桁架还可细分为三角形腹系(即华伦式桁架)、带竖杆的三角形腹系、半斜杆腹系(如K式桁架)和组合腹系(亦称再分式桁架)。
(2)由桁架几何组成方式分为：简单桁架(由一个基本铰结三角形依次增加二元体组成)、联合桁架(由几个简单桁架按几何不变体系的简单组成规则联合组成)、复杂桁架(不同于前两种的其它静定桁架)。
旧中国的公路钢桥的建设，也遭遇和铁路钢桥同样的命运。天津的金华、金汤、旧万国开启桥，广州的海珠开启桥，上海的外白渡桥、浙江路桥、新闸路桥等，都是由外国人设计或向外国贷款建造的。新中国成立后，我国公路钢桥建设获得较大的发展。1972年修建的北镇黄河桥，主跨长112.7m，为连续钢桁梁，是我国目前跨度较大的一座公路梁式桥。1966年修建的广西东兰红水河桥，为上承钢桁梁与钢筋混凝土板相结合的结合梁桥，跨长66m，是我国目前跨度最大的公路结合梁桥。1955年建成的武汉汉水桥，为54m＋88m十54m刚性梁柔性拱组合体系公路钢桥。1966年和1969年建成的四川渡口二号和三号桥，跨长180m和181m，为公路钢拱桥。我国已建成的大跨度公路钢桥，以悬索桥较多。50年代我国公路悬索桥最大跨度为126m；60年代为186m；70～80年代已发展到400～500m。如1984年建成的拉萨河达孜悬索桥，其主索跨度为500m，是我国目前最大跨度的桥梁；1987年在山东东营市修建了一座主跨为288m的公路钢斜拉桥。
建国以来，我国钢桥建造的科学技术水平发展迅速。武汉长江大桥第一次征服了长江天堑，实现了我国人民多年来梦寐以求的夙愿，它的建成反映了我国桥梁事业的飞跃，是我国钢桥发展史上的一个里程碑。南京长江大桥，首次使用国产低合金钢材，在结构上和跨度上又向前迈进了一步。栓焊钢梁、斜腿薄壁箱形钢梁、钢斜拉桥的采用，反映了我国钢桥建造技术进入了世界先进行列。我国仅在长江上已有各种型式的桥梁29余座，其中接近半数为钢桥，万里长江成了中国当代桥梁的展台。关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L≥600m，大跨径斜拉桥L≥400m，进行不完全统计，90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座(其中日本6座)，大跨径斜拉桥有15座(其中日本6座)。按跨径大小排序，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥(L=1385m)排名第四(图1-1)，香港青马大桥(L=1377m)排名第五；日本明石海峡大桥L=1990m，居首位(图1-2)；丹麦的Great Belt大桥L=1624m，排名第二。而在全部斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九(南京长江二桥L=628m，排第三位；武汉长江三桥L=618m ，排第四位)。其中“不少已跻身‘世界级’桥梁，展示出中国当代建桥技术达到了世界先进水平。