第2章 钢板梁桥PPT课件

主要内容：(1)钢板梁桥的分类情况(2)上承式板梁桥和下承式板梁桥结构形式、构造(3)板梁桥的设计计算,第一节钢板梁桥的组成和构造,一、钢板梁桥的分类1.从行车方式分：上承式板梁和下承式板梁；从连接方式：铆接板梁、全焊板梁和栓焊板梁。2.铁路钢板梁标准设计：上承式钢板梁跨度为24m、32m，是全焊梁设计；40m的是栓焊梁设计；下承式栓焊钢板梁跨度为20m、24m、32m、40m四种。简支钢板梁桥的经济跨径一般在40m以下,连续钢板梁桥的经济跨径可以达到60m。,第一节钢板梁桥的组成和构造,二、上承式板梁桥和下承式板梁桥组成桥梁的上部结构包括：桥面、道桥结构（桥面系）、承重结构（主梁）、联接系、支座（见图）。(一)上承式板梁桥1.上承式板梁组成上承式板梁包括：承重结构（主梁）、桥面、联接系、支座；没有道桥结构（桥面系）。其中：承重结构（主梁）：两片工字钢组成；桥面：桥枕、正轨、护轨、护木、钩螺栓组成；联接系：上平纵联、下平纵联、横联、横撑组成。,（2）上承式板梁,上承式板梁主梁、部分联结系,上承式板梁分解几个平面主梁、上平纵联、下平纵联,上承式板梁桥面的组成,上承式板梁桥面（桥枕、正轨、护轨、钩螺栓、护木）,上承式板梁桥面的钩螺栓与主梁的连接主梁竖向加劲肋与主梁上翼缘和腹板的连接,上承式板梁主梁竖向加劲肋与主梁下翼缘和腹板的连接,上承式板梁主梁的竖向和水平加劲肋与翼缘和腹板连接上平纵联与主梁的连接,上承式板梁主梁中间加劲肋与下翼缘连接、端加劲肋与下翼缘连接、端横联与下翼缘连接、顶梁的构造、顶梁与主梁的连接,上承式板梁端加劲肋与下翼缘连接、端横联与下翼缘和竖向加劲肋的连接、支座与主梁的连接,（3）上承式板梁构造要求,主梁（两片）由翼缘、腹部以及加劲肋组成；两主梁的中心矩不小于跨度的1/15，且不小于2.2m。对翼缘腹板加劲肋构造要求如下：翼缘主梁截面承受弯矩能力大致符合弯矩图，节省钢材，主梁做成变截面，可以采用一块或两块钢板，通过调整翼缘的宽度和厚度实现主梁的变截面，截面变化时应采用斜坡过渡。宽度不陡于1：4；厚度不陡于1：8；末端宽度不小于20mm腹板标准设计中当L=24m，腹板高度h=1900mm；当L=32m，腹板高度h=2500mm；当L=40m，腹板高度h=3200mm。以上尺寸满足用料经济并适应运输条件。,加劲肋为了保证腹板的局部稳定，常需设置加劲肋（端加劲肋、中间加劲肋、水平加劲肋）。加劲肋的构造要求：a.保证主梁的腹板稳定，腹板的两侧常需设置竖向加劲肋，当腹板较高时，有时还需加水平加劲肋;,b.竖向加劲肋是采用一对板条用角焊缝对称地焊连于腹板的两侧，焊缝的两端至翼缘角焊缝的距离，不小于80mm；加劲肋与上翼缘相连的焊缝，其端头至翼缘角焊缝的距离，应不小于50mm，以免焊缝相距太近而降低了该处的疲劳强度(见右图所示),c.主梁上翼缘直接承受桥枕的压力，因此，加劲肋的上端，常与上翼缘顶紧，以达到支承翼缘板的作用;在横联处，加劲肋还是横联的一个组成部分，受力较大，加劲肋的上端可与上翼缘焊牢，见下图所示。,d.加劲肋的下端无需要与下翼缘顶紧，更不应与下翼缘焊连，这是由于手工焊缝对受拉的翼缘板的疲劳强度影响甚大的缘故。在工厂制造时虽已顶紧，见右图所示，行车后，加劲肋的下端与下翼缘之间仍产生缝隙，不能达到顶紧的目的;,e.加劲肋应用半自动焊与腹板相连，不应采用手工焊，以免降低焊接质量;f.端加劲肋既是端部横联的一部分，它还要传递板梁桥的支承反力。因此，端加劲肋上端应与上翼缘顶紧焊牢，下端应磨光顶紧并与下翼缘焊牢(见图所示)。,平纵联端部连接结构要求,a.平纵联杆件端部的节点板，可与上翼缘焊连,见右图所示，但不应与受拉翼缘焊连，这是由于受拉翼缘的疲劳强度受焊接影响较大的缘故。平纵联斜杆端的节点板，常与腹板焊连，而横撑则焊在加劲肋上，见右图所示，以免降低翼缘的疲劳强度。,b.与腹板焊连的节点板，其另一边是焊连于加劲肋上,节点板切去一块，这样使节点板边缘焊缝至加劲肋与腹板相连焊缝，保持一定距离。斜杆端头连接焊缝至节点板边缘的焊缝，也应保持一定的距离。为了减少应力集中，节点板还应做成圆弧形，并在施焊完毕后用砂轮或风铲将焊缝表面进行加工，使表面平顺。,上承式板梁上平纵联与主梁的连接,上承式板梁下平纵联与主梁的连接,c.横联的位置，应与竖向加劲肋的布置一起考虑，横联的间距不应大于4m。d.顶梁，在架设及养护过程中，常需将梁端顶起，梁端需架设顶梁，见下图所示。,桥面包括桥枕：与主梁上翼缘用钩螺栓扣紧，桥枕间的净距，不宜超过21cm。护木：置于桥枕两端，用螺栓连于桥枕，固定桥枕距离。正轨护轨：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。其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。其结构见下面的两图所示。,（4）上承式板梁桥特点及适用范围构造简单、省钢、可整孔运送、整孔架设，常用于小跨度。,(二)下承式板梁桥（1）下承式板梁组成下承式板梁包括：承重结构（主梁）、桥面、联接系、桥面系、支座。承重结构（主梁）：两片工字钢组成，标准设计两主梁的中心距为5.4m；构造同上承式板梁；桥面：桥枕、正轨、护轨、护木、钩螺栓组成，构造同上承式板梁；,联接系：仅有下平纵联，构造同上承式板梁；,下承式板梁桥面系结构和下平纵联,（4）下承式板梁桥特点及适用范围特点：与上承式钢板梁桥相比，增加了桥面系，制造费料、费工；桥宽大，无法整孔运送，增加了装运与架桥的工作量。适用范围：适用于线路标高不宜提高，桥下又要求一定净空即建筑高度受限的情况。,第二节上承式板梁桥设计计算主讲内容：(1)上承式钢板梁桥的设计荷载;(2)设计计算的简化方法；(3)上承式钢板梁桥的基本计算（包括主要尺寸的拟定、主梁基本计算原理）。(一)设计荷载的组成（1）竖向荷载竖向荷载包括：恒载和活载,其中：恒载包括桥跨自重（估计）和桥面重（查规范）；活载为铁路列火车荷载，计算时必须采用中华人民共和国铁路标准荷载，即“中-荷载”，“中-荷载”的计算图示见下图；计算采用“中-荷载”的换算均布荷载；计入冲击系数和运营动力系数数。,中活载图示（距离以m计）,（2）横向荷载横向荷载包括：风力、列车摇摆力、在弯道桥上的离心力(二)简化计算方法上承式板梁桥由主梁、桥面、联结系组成的空间结构，见右图所示，在荷载作用下，桥跨结构整体受力。,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。具体简化如下：(1)主梁平面：承受竖向荷载。(2)上平纵联平面：承受列车、桥面、主梁上半部所受的风力和列车摇摆力；其计算简图为两端简支的桁架梁。(3)下平纵联平面：承受主梁下半部的风力;其计算简图为两端简支的桁架梁。强调说明：由于上平纵联、下平纵联的计算同钢桁梁的内容相同，所以，本讲只讲述主梁的设计计算。,(三)上承式钢板梁桥主要尺寸的拟定主要尺寸：计算跨度、主梁高度、主梁中心距。1.计算跨度铁桥规中梁桥计算跨度标准值为：（4、5、6、8、10、12、16）+0.5m、（20、24、32、40）+0.6m、（48、56、64、80、96）+1.1m、（112、128、144、160m）+1.5m共20种。其中板梁桥计算跨度的标准值是20、24、32、40m等。,2.主梁高度h主梁高度根据下列条件来决定：使用钢量最省；主梁的竖向刚度(跨中挠度)应满足铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.2-2005)所提的要求；在可能的条件下，应使腹板宽度等于最常轧制的钢板宽度，以避免不必要的拼接或裁切；应使桥跨的建筑高度(从轨底至梁底的高度)尽可能的减小；应使全梁的总尺寸在运输限界之内；为便于工厂制造，跨度相近的板梁(例如20m和24m的板梁)，可以采用相同的腹板宽度。,主梁高度具体确定如下：(1)经济高度：其中：为系数，可取2.52.7；M为跨中截面的计算弯距；弯曲容许应力（其值较基本容许应力大5%，若板梁能够直接搁置桥枕，则弯曲容许应力等于）；(2)刚度条件决定最小高度,(3)建筑高度决定最大梁高(4)选取梁高的原则：实际梁高且应接近,3.主梁中心距（1）桥枕的合理跨度；（2）防止横向倾覆的最小梁间距；（3）我国铁路随着火车提速，为了保证上承式板梁桥横向刚度、倾覆稳定性；铁路桥梁钢结构设计规范规定：标准设计两主梁中心距不小于计算跨度的1/15，且不小于2.2m；（4）还应考虑架桥机整孔架设的可能性；,(2)活载强度确定k；沿梁选取若干截面，按各截面影响线顶点位置及加载长度，活载为铁路列火车荷载，计算时必须采用中华人民共和国铁路标准荷载，即“中-荷载”，计算采用“中-荷载”的换算均布荷载k（将查表的数值除以2得到k）；动力系数、运营动力系数的确定；动力系数：运营动力系数其中：L为主梁跨度（m）。计算每片主梁所受活载强度；,(3)主梁内力计算主梁的内力计算，按影响线面积法分别求出各截面因恒载和活载产生的M和V的最大值，然后进行内力组合，即得梁的计算内力；,2.主梁截面选择(1)选择梁高：按前面原则和方法;(2)确定腹板高度、厚度根据腹板的高度一般比梁高小812cm；厚度应符合规范最小值规定（规定：钢梁的主要构件所用钢板不宜小于10mm，以免锈蚀后对截面的削弱过大；对跨度大于16mm的焊接板梁，厚度不宜小于12mm，以免减小焊接引起的变形）。因此，,(3)翼缘板尺寸一块翼缘板的面积：，并应符合翼缘板厚度t32mm、翼缘板宽度b240mm、翼缘板伸出肢的宽度b1/t10的规定。,3.主梁验算(1)刚度规范规定简支钢板梁桥由静活载（不计冲击力）引起的竖向挠度不应超过其跨度的1/900。(2)弯曲正应力主梁截面上的最大弯曲应力应不大于容许弯曲应力式中M跨中最大弯矩；跨中截面的截面抵抗拒，验算受拉翼缘时，用净截面抵抗拒，验算受压翼缘时，用毛截面抵抗拒；钢材的容许弯曲应力。,(3)剪应力主梁截面上的最大剪应力应不大于容许剪应力式中梁端最大剪力；梁端截面中性轴以上的截面积对中性轴的面积矩；梁端截面的毛截面惯性矩；梁端处腹板厚度；容许剪应力；考虑截面上剪应力分布不均匀而引用的系数；的取值按下列方法：,双线桥的双线系数；双线桥的横梁及相应的挂杆和单线桥均取1；钢板梁桥取1；损伤修正系数(见书中表3.8)；板厚修正系数，板厚，；疲劳容许应力幅；焊接板梁桥疲劳检算的部位1-1截面：下翼缘的底面，拉应力最大处；当下翼缘与平纵联有连接有栓孔削弱，连接形式为4.1，疲劳容许应力幅为类，；当下翼缘与平纵联有连接无栓孔削弱，连接形式为6.2，疲劳容许应力幅为类，,4-4截面，板梁横向对接焊缝包括等宽等厚钢板的对接，连接方式5.1，疲劳容许应力幅为类，；等宽不等厚钢板，连接方式5.3，疲劳容许应力幅为类，；等厚不等宽的情况，连接方式5.2，疲劳容许应力幅为类，；,4.变截面设计(1)主梁截面沿跨度的变化板梁桥的主梁截面可随弯矩的变化而加以变更，借以节约钢材。但跨度不大的板梁，若采用变截面，所省的钢料有限，却增加制造工作量，故通常不改变主梁的截面。只有一块翼缘板的焊接梁，其截面的改变用减小翼缘板的厚度或宽度的方法来实现的。根据经济分析，变截面点在离支座约1/6跨度处，节省钢材约1012%左右。当翼缘板有两块时，可用减少翼缘板块数来改变梁的截面。理论切断点的位置可由计算确定。为减少应力集中，应将板端沿板宽度方向加工成不陡于1:4的斜边，厚度方向加工成不陡于1:8斜坡，末端宽度不易小于20mm，厚度定为焊脚高度加2mm。,(2)换算应力的验算腹板承受较大的法向应力与较大的剪应力的共同作用之处，应进行换算应力验算，其验算公式如下：截面检算处的法向应力(即弯曲应力)截面检算处的剪应力,5.钢板梁主梁截面连接计算包括：钢板梁接长的计算；翼缘与腹板的连接焊缝计算(1)钢板梁接长的计算钢板梁有时由于制造、运输、安装的原因，需要接长，常采用对接焊接、和采用拼接板的角焊缝和高强螺栓连接，这部分计算同钢结构设计原理的计算相同，不再多说。(2)翼缘与腹板的连接焊缝计算焊接板梁翼缘与腹板的连接采用连续的翼缘焊缝，并用自动电焊机施焊。,焊缝的设计计算思路如下：按铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.2-2005)关于角焊缝最小尺寸的规定，决定采用的焊缝尺寸；然后进行焊缝强度的验算。翼缘焊缝的焊缝尺寸通常由施焊工艺确定，往往在6mm，8mm以上(焊缝不宜太小，否则冷却过快，钢材可能变脆，容易产生裂缝)。翼缘焊缝的受力机理：,翼缘焊缝的验算方法如下:求单位长度的水平剪力剪应力沿梁跨度单位长度(1mm)内剪应力的总和为求最大轮压产生的竖向剪力由桥枕传下的最大轮压(包括冲击力)按平均分布在1m(检算腹板局部稳定时为1.5m)范围内计算，即沿跨长1mm内的竖向剪力按铁路标准活载最大轮压，故,求单位长度1mm内翼缘焊缝承受的总剪力水平剪力与竖向剪力的合力(按向量相加)1mm长的焊缝(包括左右两侧焊缝)截面所能承受的剪力翼缘焊缝的验算公式,6.梁的总体稳定问题梁的整体失稳：钢板梁常用的截面形式为工形或H形，此形式一个显著的特点为两个主轴的惯性矩相差很大。当梁的跨度中间无侧向支撑的情况下，荷载不大时，梁基本在最大刚度平面内弯曲，荷载达到一定值，梁将同时产生较大的侧向弯曲和扭转变形，梁便丧失继续承载的能力，该现象称梁丧失整体稳定性。梁的总体稳定性一般采用近似计算方法。验算公式如下：,式中计算弯矩(构件中部三分之一范围内的最大计算弯矩)；毛截面抵抗矩；构件只在一个主平面内受弯时的容许应力折减系数，其值可按换算长细比,查中心受压杆件轴向容许应力折减系数的作为其中：系数，焊接梁用1.8，铆接板梁用2.0；上平纵联两相邻节点间的间距；，主梁截面对(强轴)、(弱轴)的回转半径；主梁高度。,工形或H形的强轴和弱轴的示意若换算长细比，这时梁丧失总稳定时的临界应力接近或超过钢材的屈服强度。因此，可不再进行总稳定性的检算。,7.主梁的局部稳定和腹板中加劲肋的布置(1)主梁的局部稳定主梁的翼缘和腹板都是薄板，在外力作用，设计不当，则在梁中最大应力尚未达到屈服强度，全梁尚未丧失总体稳定之前，其翼缘或腹板可能局部出现翘曲而更早的丧失稳定。(2)受压翼缘板局部稳定的规定对于受压翼缘板，其局部稳定性取决于翼缘伸出肢的宽度(自腹板中心算起)对厚度的比值。对焊接板梁，铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.2-2005)规定该比值不得大于10。,7.主梁的局部稳定和腹板中加劲肋的布置(3)腹板局部稳定的规定对于腹板，为防止起在外力作用下丧失局部稳定，通常是用加劲肋来增强它的刚度。为免去腹板局部稳定性的繁琐计算，对简支板梁腹板的中间加劲肋和水平加劲肋，可按下列办法设置。(1)当腹板高厚比时，主梁高度较小，腹板本身的刚度已可保证其局部稳定，可不设中间加劲肋。(2)当，此时腹板的刚度较弱，应设置中间加劲肋，其间距为，且不得大于2m。考虑到构造上的需要及制造上的方便，竖向加劲肋常按等距离布置。,(3)当时，腹板高度较大而厚度相对地较小，除按上述(2)中规定设置竖向加劲肋外，还应在距受压翼缘()处加设水平加劲肋。另外,加劲肋宜具有足够的刚度来支承腹板，使其在加劲肋处不发生翘曲。为此，铁桥规对加劲肋作如下规定：(4)当仅用竖加劲肋时，则成对、且对称地设置在腹板的两侧，则腹板每侧加劲肋的宽度不得小于，为腹板的高度(m)。,（5）如同时设有竖加劲肋及水平加劲肋，则每对加劲肋的截面惯性矩不得小于下列各值。竖加劲肋：(绕腹板水平截面中线)；水平加劲肋：但不得小于(绕腹板竖直截面中线)。,(6)为了保证加劲肋不丧失局部稳定，如同受压翼缘一样，对其伸出肢的宽厚比，应加以限制，除端加劲肋外，其伸出肢的宽厚比应不大于15。(7)加劲肋最好两侧成对地设置，如必须采用单侧加劲肋，则其绕腹板截面的惯性矩应不小于成对加劲肋对腹板中心的截面惯矩。,8.端加劲肋的计算板梁端部的竖加劲肋的主要作用是承受并传递支座反力，可用一对或两对较厚的板条作成，其下端应磨光顶紧。端加劲肋伸出肢的宽厚比不应大于12。端加劲肋的验算包括下述三项内容：(1)按中心受压杆件验算端加劲肋在垂直于腹板平面的稳定性验算是极为近似的，验算公式如下：式中支座反力；,加劲肋的全部截面积加每侧不大于15倍板厚的腹板截面积；压杆容许应力折减系数，按长细比查表求得，其中为自由长度，其值可取横向联结系上下两点间距的0.7倍；为计算截面绕轴的回转半径。(2)验算加劲肋端部面积的承压强度支座反力；端加劲肋与下翼缘磨光顶紧的面积；端部承压(磨光顶紧)容许应力。,(3)端加劲肋与腹板连接焊缝的计算近似地按承受全部支座反力计算所需焊缝面积：由，得：式中焊缝高度(亦称焊缝的计算厚度)；焊缝数目，如用一对端加劲肋，则。焊缝长度；焊缝容许剪应力。,9.板梁桥横向倾覆稳定性铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.2-2005)规定：桥垮结构在计算荷载可能的最不利组合作用下，横向倾覆稳定系数不应小于1.3。板梁桥倾覆稳定性按桥上有车及桥上无车两种情况验算。计算图示见右图。,(1)上承式板梁桥桥上有车稳定系数：其中：为主梁所受的风力；为桥面所受的风力；为车辆所受的风力，合力作用于3m高的火车风带上，作用点位于轨顶以上2m；为恒载重，空车重量10kN/m。(2)上承式板梁桥桥上无车桥上无车稳定系数：,计算算例设计计算跨度的单线铁路上乘式钢板梁。已知设计荷载为“中-活载”；列车摇摆力为；风荷载强度为（桥上有车），（桥上无车）；桥跨自重假定为，桥面重量为；空车恒载自重为；选用钢材为，基本容许应力为，容许剪应力为;容许弯曲应力为；疲劳容许应力幅为：（下翼缘无削弱），（下翼缘有削弱），（加劲肋切口与腹板焊接处），（盖板切断点）。容许竖向挠跨比为，容许横向向挠跨为；主梁中心距为，桥面高度。,解：1、恒载计算：桥跨自重：；桥面重量：。2、影响线面积计算：（沿跨度八等分，分别计算其影响线面积）；活载计算：根据影响线顶点位置和计算加载长度查表求出换算均布活载见表；3、内力计算：由恒载和活载产生的各截面内力见表。,主梁高度确定：腹板厚度，,采用明桥面可得主梁经济高度为：,由容许竖向挠跨比