钢桥与组合结构桥梁课件.ppt

,钢桥与组合结构桥梁(2018),1绪论,任课教师:卫星西南交通大学土木学院,1绪论,1.1桥梁基本概念1.2课程主要内容1.3钢桥及组合结构桥梁概述1.4钢材及桥梁用钢1.5课程任务及方法,1.1桥梁基本概念,桥梁的定义橋说文:“橋，水梁也”樑古人称凿壁架木的悬空仄道为“栈”；称凌空跨沟的横木为“桥”；称作为水上过道的木制建筑为“梁”。桥梁的目的:实现跨越,1.1桥梁基本概念,4,供汽车、火车、行人等跨越障碍（河流、山谷或其它线路）的建筑工程物。,跨越,桥梁的定义,1.1桥梁基本概念,工程土木工程桥梁工程桥梁工程：桥梁建筑的实体建造桥梁所需的科技知识（理论研究、规划、勘测设计、建造和养护维修等）桥梁起源：随历史演进和社会进步逐步发展动力陆地交通运输工具的变化与发展意义：技术，涉及工程设计、建筑材料和制造工艺水平经济，涉及投资，对山区线路尤其如此美学，工程结构物与建筑艺术实体,6,圆木桥：梁桥的雏形,浙江泰顺仕阳碇步桥,Postbridge_Clapper_Bridge_14centuryUK,7,半坡村遗址,庐山天桥,天然石梁桥贵州水城干河天生桥,高135m，宽35m，横顶厚度15m，跨度5060m,半坡村遗址,早期石梁桥,8,世界上最长的天然石拱桥，跨度119.5米，位于美国犹他州国家公园,法国阿尔代什峡谷天然石拱桥,中国最长的天然石拱桥，跨度80米，位于四川涪陵小溪,9,藤桥,索桥,墨脱藤桥,绳索桥绵阳窦团山,10,雅鲁藏布大峡谷索桥,1.1桥梁基本概念,基本类型：梁、拱、索受力特点：弯、压、拉,1.1桥梁基本概念,1.1桥梁基本概念,1.1桥梁基本概念,1.1桥梁基本概念,跨越行为是桥梁结构的本质；跨越能力是桥梁结构的最重要指标。,影响桥梁结构跨越能力实现的主要因素：结构形式材料计算、分析、设计水平施工能力运营荷载（用途）经济能力主观意识,1.1桥梁基本概念,在满足一定的功能的同时，还应该能够安全地承受自然界和人类活动所施加的各种荷载；社会所能为结构建造支付的人力、物力和财力都是有限的，所以，又必须讲求经济；结构固定在不同位置，其规划、设计和施工需因时因地而异，逐个进行；与人类活动密切相关，其是否美观，是否与环境协调，受到重视。,土木工程结构的基本属性,1.1桥梁基本概念,在满足一定的功能的同时，还应该能够安全地承受自然界和人类活动所施加的各种荷载；社会所能为结构建造支付的人力、物力和财力都是有限的，所以，又必须讲求经济；结构固定在不同位置，其规划、设计和施工需因时因地而异，逐个进行；与人类活动密切相关，其是否美观，是否与环境协调，受到重视。,土木工程结构的基本属性,1.1桥梁基本概念,创新,适用,安全,经济,美观,设计6原则,耐久,1.1桥梁基本概念,安全性：结构在使用年限以内，在各种自然情况和荷载作用下，能具有足够的承载能力，能保持适当的安全度，是对每一座桥梁的基本要求。,1.1桥梁基本概念,适用性：能保证行车的通畅、舒适和安全；运量既能满足当前需要，也可适当照顾今后发展；不妨碍桥下交通或通航；综合考虑桥位地区的环境和发展；在使用年限内，桥梁一般只需常规养护维修就可保证日常使用。,1.1桥梁基本概念,经济性：经济是衡量技术水平和作出方案选择的主要因素。桥梁设计应体现出经济特性，需要对桥梁的建造消耗、施工、技术发展和今后使用等因素进行统筹考虑，得出合理的经济结论。,1.1桥梁基本概念,耐久性：耐久性是桥梁结构抵抗自身材料性能退化和自然环境双重因素长期破坏作用的能力。即保证其经久耐用的能力。耐久性越好，结构的使用寿命越长。,1.1桥梁基本概念,美观性：桥梁具有优美的外形，并与周围的环境相协调，这就是对桥梁美观的基本要求。合理的轮廓造型和布局、正确表达力的传递、以及结构风格和色彩与周围环境的和谐一致，是体现美观的主要因素。,1.1桥梁基本概念,创新性：创新是人类所特有的创造性劳动的体现，是人类社会进步的核心动力和源泉。桥梁工程的创新性主要体现在对原有设计理论、结构体系及施工方法的突破和对既有工程实践的超越。,1.1桥梁基本概念,桥梁是科学、技术、工程和艺术的结晶,1.1桥梁基本概念,桥梁设计特点：6个原则和3个统一,桥梁设计的3个统一,1.1桥梁基本概念,桥梁的生命周期,规划,勘察,设计,施工,使用,拆除,孕育期,生产,垮塌,成长期,退化期,消亡期,1.1桥梁基本概念,桥梁5种结构体系,梁桥拱桥刚构桥,斜拉桥悬索桥,1.1桥梁基本概念,梁桥,简支梁桥悬臂梁桥连续梁桥,梁为承重结构，主要以其抗弯能力来承受荷载；在竖向荷载作用下，其支承反力也是竖直的；简支的梁部结构只受弯受剪，不承受轴向力增加中间支承，可减少跨中弯矩，更合理地分配内力，加大跨越能力梁式体系分实腹式和空腹式，前者为箱梁与板梁，后者指桁架结构；梁的高度可等高或变高,1.1桥梁基本概念,刚构桥,门式刚构桥斜腿刚构桥T形刚构桥连续刚构桥,刚构桥主梁和腿或墩（台）身构成刚性连接。在竖向荷载作用下,梁的弯矩通常比同等跨径连续梁或简支梁小,其跨越能力大于梁桥。刚构桥具有桥下净空大、造型美观、桥面平顺性好等优点，可作为跨线桥，也适用于跨越深阔河谷等情况。刚构桥是超静定结构，相对于简支梁桥其抗震性能更高。将钢-混凝土组合梁与混凝土桥墩或组合结构桥墩相固结可以形成组合刚构桥。,1.1桥梁基本概念,1.1桥梁基本概念,三铰拱,两铰拱,无铰拱,系杆拱,结构特征：主要承重结构具有曲线外形；受力特点：在竖向荷载作用下，拱主要承受轴向压力，但也受弯受剪。支承反力不仅有竖向反力，也承受较大的水平推力静力学分类：单铰拱、两铰拱、三铰拱和无铰拱拱肋形式：钢桁拱、钢箱拱及钢管混凝土拱施工方法：有支架和无支架施工,中承式,上承式,下承式,拱桥,1.1桥梁基本概念,1.1桥梁基本概念,形式：由梁、塔和斜索组成的组合体系，结构型式多样，造型优美壮观受力：在竖向荷载作用下，梁以受弯为主，塔以受压为主，斜索则承受拉力材料：斜索采用高强钢丝制成，塔采用钢筋混凝土或钢，梁采用钢箱梁、钢桁梁或结合梁,斜拉索,索塔,主梁,斜拉桥,1.1桥梁基本概念,1.1桥梁基本概念,36,组成：主要由索（又称缆）、塔、锚碇、加劲梁等组成受力：在竖向荷载作用下，索受拉，塔受压，锚碇受拉拔反力材料：索通常用高强度钢丝制成圆形大缆，加劲梁多采用钢桁架或扁平箱梁，桥塔可采用钢筋混凝土或钢跨度：因悬索的抗拉性能得以充分发挥且大缆尺寸基本上不受限制，故悬索桥的跨越能力一直在各种桥型中名列前茅,缆,塔,锚锭,加劲梁,悬索桥,1.1桥梁基本概念,1.2课程主要内容,本课程主要讲述钢及钢-混凝土组合结构桥的设计和计算方面的知识，包括：简支桁梁桥钢板梁桥钢箱梁桥正交异性板桥面结合梁桥大跨钢桥,1.混凝土桥,2.钢及钢-砼组合结构桥,3.大跨度桥梁和城市桥梁,4.桥梁振动及抗风抗震,桥梁课程设计,桥梁毕业设计,桥梁工程方向主要课程体系,1.3钢桥及组合结构桥梁概述,“所谓钢桥，以钢结构作为承重结构的桥梁，大跨桥梁中特指以钢结构作为主梁结构桥梁”,钢桥的定义,“所谓钢-混凝土组合桥，是指主要结构由钢及混凝土材料构成的桥梁。”,钢-混凝土组合结构桥的定义,1.3钢桥及组合结构桥梁概述,常见的钢桥结构型式有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁）拱桥（系杆拱，箱形拱、桁架拱）索桥（悬索桥和斜拉桥）按造桥方法，钢桥可分为：铆接桥(工厂制造和工地拼接均为铆接)栓焊桥(工厂制造为焊接，工地拼接为高强度螺栓连接)全焊桥(工厂制造和工地拼接均为焊接)栓焊桥和全焊桥统称为焊接桥,钢桥的分类,1.3钢桥及组合结构桥梁概述,组合结构的分类,1.3钢桥及组合结构桥梁概述,铆接普通螺栓高强螺栓栓焊全焊接,1.3钢桥及组合结构桥梁概述,钢桥的结构,钢板组合件为钢桥基本构件，钢板局部稳定问题相对突出。,5种连接形式,现代钢桥以焊接(或栓焊)为主要连接形式；焊接钢桥的疲劳和脆断问题相对突出。,(1)实腹式板梁、箱梁(2)空腹式桁梁,2种结构形式,1.3钢桥及组合结构桥梁概述,钢桥的特点：跨越能力大；制造、架设、维修方便；(3)安全、可靠；(4)耐候性差、噪声大、维护费用高；(5)腐蚀、疲劳及失稳是钢桥失效的主要原因。,钢材特点：轻质高强、易加工、延性好、本构关系简单准确、易腐蚀。,钢桥的特点主要由钢材的特点所决定,1.4钢材及桥梁用钢,C2.3%,1.4钢材及桥梁用钢,1.4钢材及桥梁用钢,1.4钢材及桥梁用钢,第2章钢结构的材料,Q345qC化学成分,钢材4个基本力学性能,有屈服点钢材的应力-应变曲线,O,E=2.06105MPa,弹性阶段(OA段),弹塑性阶段(AB段),塑性阶段(BC段),强化阶段(CD段),颈缩阶段(DE段),屈服强度fy,抗拉强度fu,比例极限fp,没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。,钢材的单调拉伸应力应变曲线,第2章钢结构的材料,C,V,Nb,Si,Mn,Al,S,P,Cr,Ni,O,H,N,Ti,化学元素,C,V,Nb,Si,Mn,Al,S,P,Cr,Ni,O,H,N,Ti,化学元素,1.4.1化学成分,碳（C）0.2,随着含碳量的提高，钢的强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。,锰（Mn）1.01.7,提高强度除硫对钢的热脆影响改善钢的冷脆倾向,对焊接性能不利,硅（Si）,硅的含量在一般镇静钢中为0.120.30，在低合金钢中为0.20.55。,与锰共同除氧。细化晶粒提高强度,恶化焊接性能恶化抗锈蚀性能,硫（S）,A,B,C,D,0.05,0.01,温度11001200时，硫化铁熔化使钢材变脆，能引发热裂纹,磷（P）,O,S,N,P,氧（O）、氮（N）,氮可作为一种合金元素来提高低合金钢的强度和抗腐蚀性,氢脆氢温度的降低而降低，在结构疏松区域富集生成氢分子，产生巨大的内压力，使钢材开裂,氢（H）,含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。,1.4钢材及桥梁用钢,冶金缺陷,钢的熔炼和浇注工艺决定了钢的化学成分和金相组织，同时也造成一些缺陷。,偏析：钢中化学成分不一致性和不均匀性。,硫磷偏析使塑性、冷弯性能、冲击韧性及可焊性变坏,夹杂：钢中含硫化物和氧化物等杂质。,硫化物引起“热脆”，氧化物降低机械性能和工艺性能,裂纹：钢材微观或宏观开裂。,降低冷弯性能、冲击韧性、疲劳强度及抗脆性破坏能力,分层：钢材厚度方向不密合。,降低冷弯性能、冲击韧性、疲劳强度及抗脆性破坏能力,1.4钢材及桥梁用钢,钢材合理选用,(1)结构或构件的重要性（主要的、一般的、次要的）(2)荷载性质（静力荷载还是动力荷载）(3)连接方式（焊接还是其它连接）(4)工作环境（温度及腐蚀介质）(5)结构构件的受力状态(6)钢板厚度,1、原则：保证结构可靠安全，同时要经济合理。,2、选择使用钢材时，应考虑的主要因素：,1.4钢材及桥梁用钢,较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。容易生产，价格便宜。,承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。,1.4钢材及桥梁用钢,桥梁（特别是铁路桥梁）,1.4钢材及桥梁用钢,除不需要考虑疲劳的非焊接构件之外，在钢桥中很少采用,冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功(冲击韧性值Akv,单位J或akv单位J/cm2)来表示。,1.4钢材及桥梁用钢,铁路桥梁典型钢种,1.4钢材及桥梁用钢,铁路桥梁基本材料,检修道、栏杆、行车道路缘石、防撞护栏及路灯底座、排水设施等可采用Q235C，检查车轨道型钢(螺栓连接)可采用Q235B,1.4钢材及桥梁用钢,公路桥梁典型钢种,1.4钢材及桥梁用钢,Z向钢（抗层状撕裂钢）,钢板厚度较大或承受板厚方向拉力易发生层状撕裂。,Z向性能：沿板厚方向的受力性能，以断面收缩率作为评定指标。,拉伸试验试件：圆柱体（d0=10mm;l01.5d0）,1.4钢材及桥梁用钢,Z向钢：特殊冶练、处理钢材，使含硫量为一般钢材的1/5(0.005%)以下，截面收缩率在15%以上，减少钢材内部的非金属夹层(主要为硫化物、氧化物、硅酸盐等)，提高厚度方向性能Z向钢板的标志是在母级钢钢号后面加上Z向钢板等级标志Z15、Z25、Z35，Z字后面的数字为截面收缩率的指标(%)，如Q345D-Z25,摘自GB5313-85,1.4钢材及桥梁用钢,1.4钢材及桥梁用钢,典型结构材料强度比较：混凝土3060MPa(抗压)结构钢200500MPa(屈服)钢轨钢5001000MPa高强钢丝16701980MPaGFRP(GlassFibreReinforcedPolymer)1400MPaCFRP(CarbonFibreReinforcedPolymer)19003400MPaAFRP(AramidFibreReinforcedPolymer)20002400MPa,1.5课程任务及方法,课程3大任务：,1.5课程任务及方法,学习方法：,读文