北京交通大学桥梁工程教案第六章 _简支钢板梁和钢桁梁桥

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。
(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
第六章
内容： 第一节
简支钢板梁和钢桁梁桥
钢桥概述
第二节
第三节 第四节
钢板梁桥
简支钢桁梁桥 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
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
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M22 M24 M27 M30
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。
(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。
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 2 3
4
5
上承或下承式简支钢板梁 多用于中小跨度的铁路桥 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) 钢斜拉桥 常用于大跨度在公路桥 钢悬索桥 常用于大跨度在公路桥 钢-混凝土结合梁桥 多用于城市桥梁
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。
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
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。
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 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
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。
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(weathering steel) 高性能钢(HighPerformance Steel，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 主ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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 用剪力键或抗剪结合器(shear connector)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。
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(floor system） 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。
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。
(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。
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；