桥梁工程常用材料与计算方法PPT课件

1 桥梁工程常用材料与计算方法 主讲 李凡2011年6月17日 2 重点讲解内容 材料的强度构件的正确使用构件的连接简单计算 3 单位 1t 10kN 10000N1kg 10N1MPa 1000kPa 1N mm2 100t m21kPa 0 1t m21Pa 1N m2 碗扣支架施工地基承载力为什么要求大于150kPa 混凝土垫块0 4m 0 4m 0 16m2150kPa 150 0 1t m2 0 16m2 2 4t碗扣支架立柱承载力按2t 根设计 4 容重 密度 钢材7 85t m3 78 5kN m3砂石料15kN m3左右混凝土24kN m3左右 与标号有关 钢筋混凝土2 5t m3 25kN m3 配筋率 2 松木0 6t m3 6kN m3淤泥质粘土 粉砂17 20kN m3 5 结构设计需考虑的12个主要方面 强度 承载能力 刚度 正常使用 经济性 通用性 周转性 操作简便 使用数量 次数 时间 运输便利 与永久结构匹配 温度影响 材料选择 尺寸配合 稳定性 结构设计 主要 次要 6 词语解释 强度 刚度 稳定性是结构设计中最基本的要求 稳定性主要靠理论分析 有些计算软件可以对整体分析 包括整体稳定性和局部稳定性 经济性要靠对力学理论的掌握及列表比较 材料选择要选用常用的型材 最好是自有的 尺寸配合包括2个方面 构件间尺寸配合和型材定尺寸合理利用 使用数量 次数 时间主要关系到安全系数的取值 与永久结构匹配就是看主体工程中有没有与临时工程相同的材料 7 3 3m 2 1m 40b工字钢12m 3 3 3m 2 1m 8 钢材的品种和牌号 碳素结构钢Q 钢材屈服点 屈服强度 A B C D 质量等级 化学成分和机械性能不同 主要区别为含碳量由高到低 工地所用钢板和型钢的牌号多为Q235B A3 低合金结构钢Q345 16Mn 平均含碳量0 16 主要合金元素为锰贝雷片的牌号Q345常用钢梁的牌号Q345qD 9 10 钢材的强度设计值 11 常用材料强度 立方体混凝土 C50为50MPa 钢筋 级R235 级HRB335 级HRB400钢板 型钢215 235MPa钢绞线1260 1860MPa S15 24平行钢丝1410 1670MPa 7精轧螺纹钢PSB785 1080 980 1230MPaJL 黄色为设计强度 蓝色为屈服强度 红色为极限抗拉强度 12 强度计算 抗弯强度抗拉强度抗压强度抗剪强度 13 抗弯强度 简支梁 L P 抗弯强度验算公式 M W 得出结果与设计值比较 M PL 4 L q M qL2 8 集中荷载 均布荷载 14 抗弯强度算例 40b工字钢简支梁 5m 200kN M W 300 103 1139 263 4MPa M PL 4 1 2 200 5 4 300kN m 5m 40kN m M qL2 8 1 2 40 52 8 150kN m 集中荷载 均布荷载 M W 150 103 1139 131 7MPa 40b工字钢截面特性 Ix 22781cm4Wx 1139cm3 不满足设计强度 15 CAD辅助设计 截面特性查询 制图和查询时最好使用cm单位 得出的数值即为cm4 主力矩与质心的X Y方向 I 223757 6085沿 1 00000 0000 J 53151 5221沿 0 00001 0000 CAD命令 reg 合集 差集 并集 面域 质量特性 I IxJ Iy 16 常用型钢承载弯矩M I40b 24 5t mI20a 5 1t m 20a 3 8t m 16a 2 3t m321型贝雷片 78 8t m加强贝雷片 168 7t m 根据 W得出 未含安全系数 取值215MPa 17 200型尺寸3048 2234mm 321型尺寸3000 1500mm 18 铁是纯净物钢是混合物钢铁中均含有少量合金元素和杂质的铁碳合金 按含碳量不同可分为 生铁 含C为2 0 4 5 钢 含C为0 05 2 0 熟铁 含C小于0 05 钢系由生铁再炼而行 有较高的机械强度和韧性 还具有耐热 耐腐蚀 耐磨等特殊性能 铁与钢的区别 铁在自然界中蕴藏量极为丰富 占地壳元素含量的5 居地球物质中的第四位 铁元素很活泼 容易与其它物质结合 习惯上常说的钢铁是对钢和铁的总称 钢和铁是有区别的 所谓钢铁 主要由两个元素构成 即铁和碳 一般碳和元素铁形成化合物 叫铁碳合金 含碳量多少对钢铁的性质影响极大 含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化 由铁原子构成的物质叫纯铁 纯铁杂质很少 含碳量多少是区别钢铁的主要标准 生铁含碳量大于2 0 钢含碳量小于2 0 生铁含碳量高 硬而脆 几乎没有塑性 钢不仅有良好塑性 而且钢制品具有强度高 韧性好 耐高温 耐腐蚀 易加工 抗冲击 易提炼等优良物化应用性能 因此被广泛利用 钢与铁 19 轴心抗拉及抗压强度 抗弯强度验算公式将得出结果与设计值比较 稳定系数 与构件长细比对应 长细比越大 值越小 长细比 L ii 回转半径 P P P P A P A L L 20 受压构件的容许长细比 21 b类截面轴心受压构件的稳定系数 22 抗压强度算例 630 8mm钢管 0 614 查表 500kN P A 1 2 500 10 0 614 156 25 62 5MPa 20m 500kN L i 1 0 2000 21 99 91 取值见下页表 630 8mm钢管截面特性 A 156 25cm2i 21 99 此例为计算值 要根据现场钢管壁厚及腐蚀情况折减 一般新钢管按7mm壁厚计算 23 24 抗剪强度 L P 抗剪强度验算公式 V A 得出结果与设计值比较 跨径大于1 5m一般不需验算抗剪强度 注 A取值并非构件截面面积 而是承剪有效面积 右图红色线框内面积 V P 2 L q V qL 2 集中荷载 均布荷载 h t t 25 抗剪强度算例 40b工字钢简支梁 集中荷载 均布荷载 V A 120 103 400 16 5 18 2MPa V P 2 1 2 200 2 120kN V qL 2 1 2 40 5 2 120kN V A 18 2MPa 40b工字钢截面特性 h 400mmt 16 5mm 等截面梁跨径大于1 5m时 其剪应力很小 5m 200kN 5m 40kN m 26 临时结构施工钢材 施工设计中所采用的钢材品种主要为热轧型钢及钢板 且以普通工字钢 槽钢 角钢居多 钢号以Q235B为主 其原因为热轧型钢来源充足 价格合理 适用范围大 周转性较强 钢材中工字钢主要用于承重受弯构件 槽钢用于模板背楞 管材连接等部位 角钢则在索塔劲性骨架及施工爬架应用较多 钢板在预埋件 节点板 加劲肋 型钢连接及加强处充分发挥了其重要作用 此外施工中还辅以大型螺旋焊钢管作为设计材料 这几种材料在整个设计占有相当大的比例 除了以上材料的大量使用外 在施工设计中还引用预应力高强精轧螺纹粗钢筋 321型贝雷桁架 碗扣支架等其它特殊材料 27 常用型钢 工字钢 普通 轻型 槽钢 普通 轻型 角钢 等边 不等边 H型钢 HW HM HN 螺旋焊钢管 28 抗弯构件的正确使用 图中为抗弯能力比较 20a槽钢 40b工字钢 11 8 7 4 29 型钢错误使用 30 型钢组合 31 注 比较中没有考虑稳定性上的差别 焊缝连接 型钢组合抗弯能力比较 焊缝连接 32 移动模架后横梁改造 33 钢结构设计目的及方法 钢结构设计的目的是应保证结构和构件在充分满足功能要求的基础上安全可靠地工作 即在施工和使用过程中能满足预期的安全性和使用性的要求 做到技术先进 经济合理 安全适用和确保质量 目前我国钢结构设计方法经历四个阶段 传统的容许应力法和最大荷载法 三系数极限状态设计法 半概率极限状态设计法 概率极限状态设计法 34 在施工中主要采用处于国际领先的概率极限状态设计法进行钢结构设计 此种方法对所设计的结构的功能作出一定的概率保证 在结构的可靠与经济之间得出最佳的平衡点 在使用概率极限状态设计法进行结构设计中 根据功能要求 结构的极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类 即结构的强度要求和刚度要求 在桥梁施工中分别体现在支架和模板的设计中 计算结构或构件的强度 稳定性以及连接的强度时 采用荷载设计值 即荷载标准值乘以荷载分项系数 荷载分项系数一般情况下静力荷载为1 2 施工荷载为1 4 钢材的强度设计值 Q235 抗拉 抗压 抗弯取215N mm2 抗剪取125N mm2 随厚度或直径的增加按组别依次递减5或10N mm2 35 JTJ041 2000 公路桥涵施工技术规范 P66 36 稳定性 37 增加部分抗剪性能 但效果并不好 38 39 40 焊缝连接 钢结构一般常用的焊缝形式分为对接焊缝和角焊缝两种基本形式 由于对接焊缝对焊件边缘须加工的坡口 下料和拼装尺寸要求相对准确 故制造较费工 所以在应用中除要求严格的构件在工厂加工时要求对接焊缝连接外 比如起重吊具 吊机锚固装置等构件 现场施工以角焊缝作为钢结构连接主要形式 角焊缝按其长度方向和外力作用方向的不同可分为平行于力作用方向的侧面角焊缝 垂直于力作用方向的正面角焊缝和与力作用方向成斜角的斜向角焊缝 角焊缝按沿长度方向的布置 还可以分为连续角焊缝和断续角焊缝两种形式 在主要结构及主要构件中必须采用连续角焊缝 而断续角焊缝一般只用在次要构件或次要焊缝连接中 焊缝按施焊位置可分为平焊 立焊 横焊和仰焊四种形式 其中平焊质量最易于保证 施工设计中主要采用手工直角 侧面及正面角焊缝 连续 平焊角焊缝连接并进行相应的计算 对于受力及计算复杂的斜向角焊缝一般不予使用 41 焊缝的强度设计值 42 直角角焊缝的强度计算 hf hf hf hf hf hf 例 焊缝有效面积0 7 8 100 560mm2剪力承载560mm2 160N mm2 8 96t 焊缝hf高度8mm 焊缝长度10cm 承受剪力荷载多大 hf hf he he he he hf 焊角高度he 有效高度 此例为计算值 要根据现场实际焊接质量情况折减 1 2 3 4 43 护筒下放卡板计算 2 5m 护筒长度25m 重量3 14 2 5 0 016 25 7 85 24 6t 设双面角焊缝hf高度8mm 需焊缝长度 246 103 160 8 0 7 275mm 也可直接推算hf 8mm焊缝1cm长度抗剪0 9t 24 6t共需长度24 6 0 9 27 3cm 这种方式增加了角焊缝抗弯应力 只按剪应力算出的焊缝长度远远不足 所以施工中尽量将支点靠近护筒 44 钢丝绳 安全系数按规范钢丝绳作吊索用时 1 无绕曲时5 7倍 2 有绕曲时6 8倍 实际使用时安全系数最少应达到4倍 GB T20118 2006 一般用途钢丝绳 钢丝绳结构 6 37 a 使用时还要考虑钢丝绳吊装角度的换算 45 型钢接长与加强 八边形连接板能有效减少矩形连接板四角处应力集中现象 46 等强连接 等强连接是指将构件连接 焊接 栓接 后要达到与母材相同的强度 熔透焊缝能达到这个要求 一般的角焊缝和平焊缝很难达到 结构设计中是按照母材的强度计算的 因此不符合等强要求的连接就成为结构中的薄弱点 而结构破坏往往就是在连接上出问题 所以在构件连接处常设置连接板来增加焊缝的总长 这应该是我们临时结构中控制的重点 47 48 桁架和刚架 在计算桁架各杆件的内力时 假定各连结点是可以自由转动的 也就是说各杆件内力仅考虑拉 压应力 不考虑连结点弯矩 而在刚架验算时却假定为固接的 应验算固端弯矩 49 桁架设计 桁架结构的设计由于其构件较多 且受力情况复杂 所以在施工设计中常常将桁架结构进行适当合理的简化 使得其构件受力趋于明确 便于使用钢结构的基本原理来分析结构 桁架结构的简化对于对称结构最为适用 可以将看似复杂的空间桁架简化为平面桁架 甚至能够简化至单独构件进行分析和计算 施工设计中的很多桁架结构在设想阶段就将其设定在对称结构范围内 使得杆件内力通过手算或利用小型计算软件得出 且与未简化结构计算得出的结果相差不多 这里主要是看简化模型的合理与否 但是对于主要结构还是按照实际桁架结构进行建模计算 50 成本比较 纵横梁交错复杂的结构 要进行成本比较 以60m长 6m宽便桥设计为例 表中数值为示例 实际使用数据需经计算获得 51 普通螺栓连接 普通螺栓 C级螺栓 在沿其杆轴方向受拉的性能较好 而在垂直其杆轴方向受剪的性能较差 故一般只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接 但对于施工设计中的临时结构来说 可以用在下列受剪力较小的情况 1 承受静力荷载或间接承受动力荷载结构中的次要连接 2 不承受动力荷载的可拆结构的连接 3 临时固定构件用的安装连接 在施工中的一般受剪部位都可以采用普通螺栓来连接 但要注意剪切面数量的确定 52 螺栓连接的强度设计值 53 碗扣式钢管脚手架 碗扣支架 注 立杆允许荷载值是在未考虑架子整体失稳情况下给出的 实际使用时应采用大范围的剪刀撑或连墙撑来保证整架稳定 碗扣支架主要构件为 48 3 5mm焊接钢管 立杆允许荷载 54 钢管桩承载力 630 8mm钢管 24m P 1000kN Q 1 98 30 5 40 8 50 11 2020kN P 2 1000 2000kN 630 8mm钢管截面特性 C 3 14 0 63 1 98m2 计算时可忽略钢管桩自重及桩端摩阻力 可根据地质情况 重要程度 沉降影响及使用时间降低承载力安全系数至1 5 30 侧摩阻力 kPa 40 50 5m 8m 11m 55 计算软件 ETools 56 连续梁算例 5m 40b工字钢截面特性 Ix 22781cm4Wx 1139cm3 与简支梁 131 7MPa 比较 连续梁应力约为简支梁的0 7 5m 5m 5m 5m 40kN m M 105 3kN m M W 105 3 103 1139 92 4MPa 组合应力 2 3 2 0 5 97 7MPa V A 121 1 103 400 16 5 18 3MPa 57 计算软件 结构力学求解器 58 其它计算软件 ANSYS ANSYS软件是融结构 流体 电场 磁场 声场分析于一体的大型通用有限元分析软件 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发 它能与多数CAD软件接口 实现数据的共享和交换 如Pro Engineer NASTRAN Alogor I DEAS AutoCAD等 是现代产品设计中的高级CAD工具之一 ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序 可以用来求解结构 流体 电力 电磁场及碰撞等问题 因此它可应用于以下工业领域 航空航天 汽车工业 生物医学 桥梁 建筑 电子产品 重型机械 微机电系统 运动器械等 59 PKPM是一个系列 除了建筑 结构 设备 给排水 采暖 通风空调 电气 设计于一体的集成化CAD系统以外 目前PKPM还有建筑概预算系列 钢筋计算 工程量计算 工程计价 施工系列软件 投标系列 安全计算系列 施工技术系列 施工企业信息化 目前全国很多特级资质的企业都在用PKPM的信息化系统 PKPM在国内设计行业占有绝对优势 拥有用户上万家 市场占有率达90 以上 现已成为国内应用最为普遍的CAD系统 它紧跟行业需求和规范更新 不断推陈出新开发出对行业产生巨大影响的软件产品 使国产自主知识产权的软件十几年来一直占据我国结构设计行业应用和技术的主导地位 及时满足了我国建筑行业快速发展的需要 显著提高了设计效率和质量 为实现建设部提出的 甩图板 目标做出了重要贡献 其它计算软件 PKPM 60 MIDAS Civil是针对土木结构 特别是分析象预应力箱型桥梁 悬索桥 斜拉桥等特殊的桥梁结构形式 同时可以做非线性边界分析 水化热分析 材料非线性分析 静力弹塑性分析 动力弹塑性分析 为能够迅速 准确地完成类似结构的分析和设计 以填补目前土木结构分析 设计软件市场的空白 而开发的 土木结构专用的结构分析与优化设计软件 钢筋混凝土桥梁 板型桥梁 刚架桥梁 预应力桥梁联合桥梁 钢箱型桥梁 梁板桥梁预应力钢筋混凝土箱型桥梁 悬臂法 顶推法 移动支架法 满堂支架法大跨度桥梁 悬索桥 斜拉桥 拱桥大体积混凝土的水化热分析 预应力钢筋混凝土箱型桥