现代钢桥-桥面结构

桥面结构 授课老师 张大英 内容 一 概述 钢桥桥面结构主要有 桥面梁格 桥面板 桥面铺装 排水防水系统 人行道 护轮带 栏杆 照明灯具 伸缩缝等 桥面一般构造 桥面系的主要承重结构 桥面系结构的分类 铁路桥面 公路桥面 混凝土桥面 钢桥面 木桥面 结合桥面 非结合桥面 桥面板同时参与桥面系梁格或者主梁共同工作的桥面 桥面系结构的作用 直接承受桥上车轮荷载并且将它传递到主梁的主要结构 设计荷载中 活载比例往往大于恒载 易产生疲劳破坏 桥面铺装原因 轨道的磨耗 损伤等原因 桥面板容易受到冲击 桥面系结构是钢桥各构件中工作状态最为不利的结构之一 正确选择桥面系结构 公路桥桥面 通常采用混凝土桥面和钢桥面 1 保证 耐久性 抗滑性 表面平滑 铁路桥桥面 通常采用混凝土桥面和无道碴的梁格系明桥面 2 保证 轨道稳定 减小振动和噪声 易养护和维修 结合桥面 采用要慎重 结合桥面结构中 桥面板作为主梁的一部分 可以节约材料 但是 桥面结构承受很大的活载和集中荷载作用 容易受到不同的损伤 往往需要维修 结合桥面参与主梁共同作用 桥面维修时会影响桥梁主体受力结构 3 大跨度桥梁的桥面系结构 通常采用钢桥面等轻型桥面结构桥面结构自重在钢桥的总设计荷载中占很大比重 减轻桥面结构重量对于减轻钢桥恒载 提高跨越能力和经济效益意义重大 4 公路钢桥桥面 主要有桥面板和桥面铺装组成 直接承受桥上车轮荷载并将其传递到桥道梁或主梁 公路桥桥面 钢筋混凝土桥面板 桥面板通常采用 钢筋混凝土桥面板 预应力混凝土桥面板 钢桥面板 正交异性钢桥面板 1 各类桥面板的使用范围 钢桥面板 由顶板和纵横加劲组成 既作为桥面直接承受车轮荷载 又是主梁上翼板的一部分 主要应用于大跨度桥梁和主梁高度受限制时 RC PC桥面板 造价低 施工较容易 主要应用于中小跨径桥梁 桥面铺装 桥面保护层 是车轮直接作用的部分 桥面铺装作用 给车轮提供足够摩擦力 防止车辆轮胎或履带直接磨耗行车道板 保护主梁免受雨水侵蚀 分布车辆轮重的集中荷载 2 钢桥桥面铺装 主要有水泥混凝土和沥青混凝土两种形式 水泥混凝土铺装 刚性大 造价低 耐磨性能好 易开裂 摩擦系数小 修补麻烦 适于重载交通的小跨径桥梁 沥青混凝土铺装 造价高 易老化 易变形 摩擦系数大 重量轻 柔性好 振动小 维修养护方便 适于较大跨径桥梁 铁路钢桥桥面 主要有明桥面和道碴桥面两种形式 设有防水层 不设桥面铺装 明桥面 铁路桥最常用的桥面形式 没有道碴 主要有 桥枕 护木 正轨及护轨等 桥枕直接设在主梁或纵梁上 之间的净距不宜超过210mm 护木用于固定桥枕之间的相对位置 铁路桥梁明桥面结构示意图 1 道碴桥面 通常用于通过城市或住宅密集地段的桥梁 有道碴 可以减小噪音 便于维修 但是自重较大 2 铁路桥梁道碴桥面结构示意图 桥面系梁格 桁架桥 拱桥 下承式梁桥等 常设置横梁 纵梁 桁架节点 拱肋 系梁节点 横梁和纵梁在平面上通常布置成梁格的形式 支承桥面板 纵梁连接于横梁上 纵梁支承于横梁顶板上 二 钢筋混凝土桥面 钢筋混凝土桥面板 自重较大 通常5 7kN m2 经济 整体性好 受力可靠 设计施工简单 中小跨径公路钢桥常用桥面形式 桥梁横截面标高通常是变化的 1 翼缘板厚度的变化 工地接头螺栓等引起翼缘板顶面不平整 2 设置桥面横坡或超高的需要 桥梁横截面标高的调整方法 2 钢梁腹板采用不同的截面高度 较少采用 工字型钢板梁桥钢筋混凝土桥面板倒梯形梗肋 钢筋混凝土桥面板横断面示意图 钢箱梁桥钢筋混凝土桥面板的倒梯形梗肋 1 3以下 1 3以下 梗肋高度较矮 箱梁宽度较小而且恒载增加不大时常采用 倒梯形梗肋需满足的条件 1 梗肋坡度不宜大于1 3 减小桥面板截面变化处的应力集中 2 梗肋总高度满足桥面标高需要 3 梗肋最小高度的要求如下图 梗肋最小高度 mm 钢板梁桥钢筋混凝土桥面板悬臂部分构造 2 悬臂部分常用截面 主梁外侧设置有悬臂托梁 钢筋混凝土桥面板板厚 3 严格限制钢桥的钢筋混凝土桥面板的强度和裂缝宽度 主要原因如下 1 桥面板直接承受车轮荷载作用和车轮荷载的冲击作用 桥面板的活载占总设计荷载的比例较大 容易产生疲劳破坏 2 钢桥的刚度一般比钢筋混凝土桥梁小 桥面板的受力较复杂 特别是为了减小桥面板跨径在主梁与主梁之间设置刚度较小的纵梁时 主梁与纵梁刚度差别较大 使桥面板受力不均匀 3 桥面板厚度与钢筋混凝土主梁梁高相比很小 截面尺寸的误差对桥面板承载能力的影响较大 4 桥面板直接承受超重车辆的车轮集中荷载 使得桥面板承受的实际荷载大于设计荷载 5 桥面板容易受到桥面上雨水等的侵蚀 钢筋容易被腐蚀 我国 公路桥涵设计规范 中对钢筋混凝土桥面板有较详细的规定 国外通常采取增加板厚和限制桥面板主筋使用应力的方法 提高桥面板的承载能力和耐久性 日本 道路桥示方书 中对钢筋混凝土桥面板的一些规定 桥面板最小厚度的要求 车行道部分钢筋混凝土桥面板的最小厚度 单位 mm 表中 L为桥面板活载计算跨径 m 车行道部分桥面板最小厚度除满足上表外 不得小于160mm 钢筋最大使用应力要小于普通钢筋混凝土结构钢筋容许应力的80 结合梁等维修困难的桥梁 钢筋最大使用应力一般控制在普通钢筋混凝土结构钢筋容许应力的67 以内 计算跨径L的规定 简支板和连续板的计算跨径L为沿主筋方向的支承梁间的距离 但是不得大于沿主筋方向的净跨径与跨中断面的板厚之和 如图3 2 7a所示 图3 2 7a 横桥方向 悬臂板的计算跨径L如图3 2 7a所示 计算恒载弯矩时 L取翼缘悬臂部分的1 2处到悬臂端的距离 即 L L恒 计算桥面板的跨径与行车方向垂直情况下的活载弯矩时 L取翼缘悬臂部分的1 2处到距离缘石边缘25cm处的距离 即 L L活 图3 2 7b 顺桥方向 主梁 端横梁 悬臂板的计算跨径L如图3 2 7b所示 计算桥面板的跨径与行车方向平行情况下的活载弯矩时 L取翼缘悬臂部分的1 2处到距离板端10cm处的距离 即 L L活 钢筋混凝土桥面板的配筋 4 短跨方向 长跨方向 1 3以下 1 3以下 主筋 分布筋 梗肋加强筋 配筋示意图 梗肋部分配筋 以下为工字型截面钢板梁桥钢筋混凝土桥面板配筋示意图 斜桥梁端配筋 斜角70 90 斜桥梁端配筋 斜角 70 钢筋混凝土桥面板的受力特性 钢筋混凝土桥面板直接支承于主梁 横梁和纵梁上 根据支承条件和受力不同分为 单向板 双向板 悬臂板 钢筋混凝土桥面板的两种简化计算方法 荷载作用下 由于主梁或纵梁的变形 桥面板的受力特性为弹性支承的连续板 钢桥的钢筋混凝土桥面板的设计必须考虑主梁和纵梁刚度的影响 钢筋混凝土桥面板的设计计算方法 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTGD62 2004 中4 1节板的计算如下 支点弯矩 跨中弯矩 1 板厚与梁肋高度比 1 4时 2 板厚与梁肋高度比 1 4时 与计算跨径相同的简支板跨中弯矩 计算整体单向板时 通过车轮传递到板上的荷载分布宽度应按下列规定计算 4 1 3 1 平行于板的跨径方向的荷载分布宽度 2 垂直于板的跨径方向的荷载分布宽度 1 单个车轮在板的跨径中部时 2 多个相同车轮在板的跨径中部时 当各单个车轮按公式 4 1 3 2 计算的荷载分布宽度有重叠时 3 车轮在板的支承处时 4 车轮在板的支承附近 距支点的距离为x时 5 按本条算得的所有分布宽度 均不得大于板的全宽度 6 彼此不相连的预制板 车轮在板内分布宽度不得大于预制板宽度 板的计算跨径 铺装层厚度 多个车轮时外轮之间的中距 垂直于板跨和平行于板跨方向的车轮着地尺寸 板的厚度 三 钢桥面 钢桥面由顶板 焊接于顶板上的纵向及横向加劲肋组成 顶板设置防水层 铺设50 70mm的环氧沥青 SMA沥青 浇筑式沥青铺装层 开口截面纵肋 闭口截面纵肋 钢桥面的构造 纵肋 平行于桥轴方向的纵向加劲肋 有开口截面纵肋和闭口截面纵肋 开口截面纵肋 抵抗局部失稳能力比闭口截面纵肋小 横肋 垂直于桥轴方向的横向加劲肋 一般采用倒T形截面 横梁 为了提高桥梁的整体刚度和荷载横向分布的需要 其中必须加大一部分横肋的断面尺寸 增加横肋的刚度 这种截面尺寸和刚度较大横肋称为横梁 正交异性板 公路钢桥采用的钢桥面板 一般纵肋布置较密 横肋分布较疏 桥面板纵横方向的刚度不同 即钢桥面板纵横方向的受力特性为各向异性 因此 欧美各国便把这种钢桥面板起名叫正交异性板 钢桥面板顶板的最小板厚 一般不得小于12 14mm 重车通行量较大时 板厚最好在14mm以上 横肋 纵肋截面和间距的规定 横肋与纵肋的交叉处 通常采用纵肋连续通过的结构形式 这样 交叉处的横肋截面会被削弱 所以横肋的截面比纵肋高 间距也比纵肋大 开口截面纵肋 抵抗局部失稳能力比闭口截面纵肋小 当采用开口截面纵肋时 横肋间距要小一些 通常为1 0 2 5m 当采用闭口截面纵肋时 横肋间距通常为2 0 4 0m 纵肋可防止顶板屈曲 间距不宜过大 过大时顶板可能产生局部失稳 和导致变形过大影响桥面铺装 纵肋间距也不宜过小 太小不便于桥面板的制作和安装 开口截面纵肋的间距在300 400mm 闭口截面纵肋的间距在600 850mm 我国公路钢桥闭口截面纵肋的中心间距多采用600mm 开口截面纵肋 平钢板 正球头钢板 偏球头钢板 不等边角钢 倒T形截面 结构简单 板厚大 顶板厚度很大 对加劲肋刚度要求很高情况下采用 顶板厚度很大时 较经济 但工厂焊接和工地连接较困难 可弥补平钢板纵肋的不足 减小板厚度 国外常作为型钢生产 闭口截面纵肋 梯形截面 U肋 U字形截面 V字形截面 工厂加工性能和受力性能较好 工地连接也较为方便 采用最多 工厂加工较方便 但工地连接困难 采用较少 受力不好 采用较少 我国公路钢桥倒梯形纵肋 U肋 的口宽多为 A 300mm H 280 300mm B 160 190mm 钢桥面的连接 钢桥面板纵肋与横肋交叉处构造 钢桥面板纵肋与横肋交叉处连接形式 纵肋与横肋不连接 不会产生焊接残余应力 构造简单 便于制作和安装 适用于受拉区的纵横肋交叉结构 横肋腹板上开槽便于纵肋的连续通过和安装 为了防止纵肋的局部失稳 纵肋的单侧与横肋腹板用角焊缝连接 适用于受压区的纵横肋交叉结构 闭口截面纵肋与横隔板或横梁交叉处的连接结构 左图适用于受拉区顶板 右图适用于受压区顶板 钢桥面板的力学特性与有效宽度计算 力学特性 1 钢桥面板作为桥面系直接承受车轮荷载作用 钢桥面板还作为主梁一部分参与主梁共同受力 力学行为十分复杂 按三个基本结构体系对钢桥面板进行研究 结构体系 主梁体系 由顶板和纵肋组成的结构系看成是主梁 桥梁主要承载构件 的一个组成部分 参与主梁共同受力 在结构系 中 钢桥面板通过顶板与腹板的连接 使桥面板成为主梁的一部分而共同工作 如果把参与主梁共同工作的有效宽度范围内的加劲板看作主梁截面中的一部分 钢桥面板的内力计算与一般梁桥结构的内力计算相同 可利用影响线求出 因此 要解决的问题是 确定钢桥面板有效宽度 结构体系 桥面体系 由纵肋 横肋和顶板组成的结构系 顶板被看成纵肋 横肋上翼缘的一部分 结构系 起到了桥面系结构的作用 把桥面上的荷载传递到主梁和刚度较大的横梁 在结构系 中 钢桥面板可以看成为支承于主梁和横梁上的桥面系结构 它把桥面板自重和桥面板上的外力传递到主梁和横梁 结构体系 盖板体系 把设置在肋上的顶板看成是各向同性的连续板 这个板直接承受作用于肋间的轮荷载 同时把轮荷载传递到肋上 结构系 指的就是直接承受轮重并将轮重传递到加劲肋上的顶板 当顶板上的轮重逐渐增大时 顶板的弯曲应力便逐步进入薄膜应力状态 平板的承载力变得比用一次弯曲理论求出的计算值大得多 所以 在钢桥面板静力强度计算中 结构系 的应力可以忽略不计 但是结构系 的活载应力对加劲肋与顶板焊缝处的疲劳极为不利 在设计中 必须验算它们的疲劳寿命 顶板有效计算宽度 2 钢桥面板有效宽度的示意图 正交异性钢桥面板由盖板和纵横肋组成的肋板式结构 由于剪力滞的影响 在荷载作用下盖板或翼缘板应力不是均匀分布的 如下图 通常腹板附近应力比其他地方大 工程设计计算中通常采用简化计算方法 假设顶板或翼缘板应力按最大应力均匀分布 并且按力的等效原则 由下式确定其计算宽度 即有效分布宽度 日本 道路桥示方书 中推荐的主梁翼缘和钢桥面板纵横肋的有效计算宽度 简化计算方法 1 主梁体系 结构系 有效分布宽度 钢桥面板作为主梁上翼板参与整体受力时 结构计算以主梁为研究对象 主梁将荷载传递到支座 因此 主梁体系有效宽度是指参与主梁共同工作的顶板 包括顶板的加劲肋 宽度 1 简支梁 假设有效宽度 沿桥跨不变 其大小按式 3 3 2 计算 等效跨径l与简支梁的计算跨径L相同 主梁腹板间距的一半或悬臂板宽度 换算跨径 2 连续梁 假设中间支点处的有效宽度 与跨中不同 距中间支点0 2L的范围内 有效宽度按两者内插计算 其余部分与跨中相同 支点处的有效宽度按式 3 3 3 计算 等效跨径按相邻两跨跨径之和的0 2倍计算 跨中的有效宽度按式 3 3 2 计算 其中边跨的等效跨径取该跨跨径的0 8倍计算 中跨取相应跨跨径的0 6倍计算 3 悬臂梁 挂孔的有效宽度计算方法