4 钢桁架构件

1、4 4 钢桁架构件钢桁架构件贵州坝陵河大桥 较大跨径的钢桥，常采用钢桁架梁桥，尤其是下承式钢桁架梁桥应用较大跨径的钢桥，常采用钢桁架梁桥，尤其是下承式钢桁架梁桥应用较广泛。此外悬索桥的加劲梁、斜拉桥的主梁，拱桥的拱肋等结构也常较广泛。此外悬索桥的加劲梁、斜拉桥的主梁，拱桥的拱肋等结构也常采用钢桁架。采用钢桁架。4.1 4.1 钢桁架的构造钢桁架的构造4.2 4.2 实腹式轴心受拉构件实腹式轴心受拉构件4.3 4.3 实腹式轴心受压构件实腹式轴心受压构件4.4 4.4 格构式轴心受压构件格构式轴心受压构件4.5 4.5 实腹式拉弯和压弯构件实腹式拉弯和压弯构件4.6 4.6 钢桁架节点设计钢桁架

2、节点设计上弦纵向联结系上弦纵向联结系纵梁纵梁桥门架桥门架下弦纵向联结系下弦纵向联结系主桁架主桁架横梁横梁端横梁端横梁中间横联中间横联钢桁架桥的组成4.1 4.1 钢桁架的构造钢桁架的构造 钢桁架梁桥是由钢桁架梁桥是由主桁架主桁架、联结系联结系、桥面系桥面系等组成的空间结构。其中桥面等组成的空间结构。其中桥面系由纵梁、横梁、桥面板及纵梁之间系由纵梁、横梁、桥面板及纵梁之间的联结系组成，桥面系的作用是提供的联结系组成，桥面系的作用是提供行车的桥面，并将桥面荷载传递给主行车的桥面，并将桥面荷载传递给主桁架。桁架。 主桁架是钢桁架梁桥的主要承主桁架是钢桁架梁桥的主要承重结构，由上、下弦杆和腹杆组重结构

3、，由上、下弦杆和腹杆组成的平面桁架结构。各杆件交汇成的平面桁架结构。各杆件交汇处为节点，用节点板连接。主桁处为节点，用节点板连接。主桁架在荷载作用下，各杆件中主要架在荷载作用下，各杆件中主要产生轴向力，但由于节点的刚性产生轴向力，但由于节点的刚性和杆件自重的作用，杆件中也会和杆件自重的作用，杆件中也会产生弯矩，引起次应力。产生弯矩，引起次应力。但只要这些偏心力作用非常小但只要这些偏心力作用非常小（一般认为（一般认为偏心力作用产生的偏心力作用产生的应力占总体应力的应力占总体应力的3 3以下以下）就）就可以将其作为轴心受力构件可以将其作为轴心受力构件。 拱桥中的斜撑拱桥中的斜撑(Braces in

4、 Arch Bridge) 钢桁架梁桥的主桁架构件主要是钢桁架梁桥的主桁架构件主要是轴心受力构件轴心受力构件和和拉弯构件拉弯构件、压压弯构件。弯构件。轴心受力构件是指承受通过截面形心轴线的轴向力作用轴心受力构件是指承受通过截面形心轴线的轴向力作用的构件。包括的构件。包括轴心受拉构件轴心受拉构件和和轴心受压构件。轴心受压构件。 构件在承受轴心压构件在承受轴心压（或拉）力的同时，还承受横向力产生的弯矩或偏心力产生的端（或拉）力的同时，还承受横向力产生的弯矩或偏心力产生的端弯矩作用，则称为弯矩作用，则称为拉弯拉弯或或压弯构件压弯构件。主桁架杆件的截面分为主桁架杆件的截面分为单壁式单壁式和和双壁式双壁

5、式两种。两种。单壁式截面单壁式截面双壁式截面双壁式截面实腹式组合截面实腹式组合截面格构式组合截面格构式组合截面 桁架的轴心受力和拉弯、压弯杆件按其截面组成形式又可分桁架的轴心受力和拉弯、压弯杆件按其截面组成形式又可分为为实腹式实腹式和和格构式格构式两种。两种。 格构式构件格构式构件一般由两个或多个一般由两个或多个分肢分肢用用缀件缀件联系组成。采用较多的是联系组成。采用较多的是两分肢格构式构件。格构式构件可以调整分肢间的距离，容易实现两两分肢格构式构件。格构式构件可以调整分肢间的距离，容易实现两主轴方向的等稳定性，刚度较大，抗扭性能较好，用料较省。主轴方向的等稳定性，刚度较大，抗扭性能较好，用料

6、较省。 实腹式构件实腹式构件具有整体连通的截面，构造简单、制作方便、整体受力具有整体连通的截面，构造简单、制作方便、整体受力和抗剪性能好，但截面尺寸较大时用钢量较多。和抗剪性能好，但截面尺寸较大时用钢量较多。格构式格构式截面由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。截面由两个或多个型钢肢件通过缀材连接而成。 mNA（4-1）式中：式中： N构件计算轴心力；构件计算轴心力； Am 构件的毛截面面积；构件的毛截面面积； 钢材基本容许应力。当构件承受动力荷载作用时，钢材基本容许应力。当构件承受动力荷载作用时，计算应力不得超过容许疲劳应力计算应力不得超过容许疲劳应力 n 4.2 4.2 实腹式轴心受拉构件

7、实腹式轴心受拉构件n/NAf孔洞处截面的孔洞处截面的应力分布应力分布NNNN0 max=30 fy ( (a) )弹性状态应力弹性状态应力( (b) )极限状态应力极限状态应力 nNA（4-2）u对于单面连接的单角钢轴心受拉构件，实际处于双向偏心受力对于单面连接的单角钢轴心受拉构件，实际处于双向偏心受力状态，承载力有所折减，设计时按轴心受力构件计算，钢材的容状态，承载力有所折减，设计时按轴心受力构件计算，钢材的容许应力应乘以折减系数许应力应乘以折减系数0.85。摩擦摩擦型高强螺栓孔前传力型高强螺栓孔前传力10010.4nAbndtdnn其中：；螺栓孔直径；孔前传力系数；计算截面上的螺栓数；连接

8、一侧的螺栓总数。 nNA11 0.4/NNnn（4-3） 高强度高强度螺栓摩擦型连接的构件，螺栓摩擦型连接的构件，除按上式验算净截面强度外，尚需除按上式验算净截面强度外，尚需按式按式(4-1)验算毛截面强度。验算毛截面强度。 mNA（4-1） m1.101.15NA（4-4） 轴心受拉构件以毛截面面积轴心受拉构件以毛截面面积Am由净截面面积由净截面面积An增加增加10%-15%而得到，则轴心受拉构件所需的毛截面面积为：而得到，则轴心受拉构件所需的毛截面面积为： 轴心轴心受拉构件受拉构件均应具有一定的刚度，以免产生过大的变形和振均应具有一定的刚度，以免产生过大的变形和振动。通常用动。通常用长细比

9、长细比 来衡量，来衡量， 越大，表示构件刚度越小。因此设计越大，表示构件刚度越小。因此设计时应使构件长细比不超过规定的容许长细比：时应使构件长细比不超过规定的容许长细比： 式中：式中： max构件最不利方向的最大长细比构件最不利方向的最大长细比；l0计算长度，取决于其两端支承情况；计算长度，取决于其两端支承情况； i回转半径回转半径； 容许长细比容许长细比 ，查表，查表P507附表附表4-6AIi 0 xxxil（4-5）0yyyil 理想轴心受压构件（理想直，理想理想轴心受压构件（理想直，理想 轴心受力）当其压力小于某个值轴心受力）当其压力小于某个值（Ncr）时，只有轴向压缩变形和均匀压应力

10、。达到该值时，构件可能弯）时，只有轴向压缩变形和均匀压应力。达到该值时，构件可能弯曲或扭转，产生弯曲或扭转应力。此现象称：构件曲或扭转，产生弯曲或扭转应力。此现象称：构件整体失稳整体失稳或或整体屈曲整体屈曲。意指意指失去了原先的直线平衡形式的稳定性失去了原先的直线平衡形式的稳定性。失稳时构件截面上的应力通常失稳时构件截面上的应力通常低于钢材的屈服应力。低于钢材的屈服应力。轴心压力N较小干扰力除去后，恢复到原直线平衡状态N增大干扰力除去后，不能恢复到原直线平衡状态,保持微弯状态N继续增大干扰力除去后，弯曲变形仍然迅速增大，迅速丧失承载力4.3 4.3 实腹式轴心受压构件实腹式轴心受压构件稳定平衡

11、随遇平衡不稳定平衡-失稳弯曲失稳弯曲失稳扭转失稳扭转失稳弯扭失稳弯扭失稳 理想的轴心受压构件理想的轴心受压构件( (杆件挺直、杆件挺直、荷载无偏心、无初始应力、无初弯曲、荷载无偏心、无初始应力、无初弯曲、无初偏心、截面均匀等）无初偏心、截面均匀等）的失稳形式的失稳形式分为分为: :弯曲失稳弯曲失稳、扭转失稳扭转失稳、弯扭失稳弯扭失稳n 失稳破坏的形式与失稳破坏的形式与构件截面形式构件截面形式、长细比长细比和和两端支承情况两端支承情况有关。有关。n 钢结构中常用截面由于其板件较钢结构中常用截面由于其板件较厚，抗扭刚度较大，失稳时主要发厚，抗扭刚度较大，失稳时主要发生弯曲屈曲；生弯曲屈曲；弯曲屈曲

12、弯曲屈曲是确定轴心是确定轴心受压构件稳定承载力的主要依据。受压构件稳定承载力的主要依据。（1 1）弯曲失稳弯曲失稳只发生弯曲变形，截面只绕一个主轴旋转，杆纵轴由直线变只发生弯曲变形，截面只绕一个主轴旋转，杆纵轴由直线变为曲线，是为曲线，是双轴对称截面双轴对称截面常见的失稳形式；常见的失稳形式；无缺陷的轴心受压构件无缺陷的轴心受压构件（比如，（比如，双轴对称双轴对称的工的工型截面型截面）通常发生）通常发生弯曲弯曲失稳失稳，构件的变形发生，构件的变形发生了性质上的变化，即构了性质上的变化，即构件由直线形式改变为弯件由直线形式改变为弯曲形式，且这种变化带曲形式，且这种变化带有突然性。有突然性。（2

13、2）扭转失稳扭转失稳失稳时除杆件的支撑端外，各截面均绕纵轴扭转，失稳时除杆件的支撑端外，各截面均绕纵轴扭转，是是十字形双十字形双轴对称截面轴对称截面可能发生的失稳形式；可能发生的失稳形式；对某些抗扭刚度较差的对某些抗扭刚度较差的轴心受压构件轴心受压构件（比如，（比如，十字形截面十字形截面），当轴心），当轴心压力达到临界值时，稳压力达到临界值时，稳定平衡状态不再保持而定平衡状态不再保持而发生微扭转。当轴心力发生微扭转。当轴心力在稍微增加，则扭转变在稍微增加，则扭转变形迅速增大而使构件丧形迅速增大而使构件丧失承载能力，这种现象失承载能力，这种现象称为称为扭转失稳扭转失稳。（3 3）弯扭失稳弯扭失稳

14、单轴对称截面单轴对称截面绕对称轴屈曲时，杆件发生弯曲变形的同时必绕对称轴屈曲时，杆件发生弯曲变形的同时必然伴随着扭转。然伴随着扭转。截面为单轴对称截面为单轴对称（比如，（比如，T T形截面）的轴心受压构形截面）的轴心受压构件绕对称轴失稳时，由于件绕对称轴失稳时，由于截面形心和剪切中心不重截面形心和剪切中心不重合，在发生弯曲变形的同合，在发生弯曲变形的同时必然伴随有扭转变形，时必然伴随有扭转变形，这种现象称为这种现象称为弯扭失稳弯扭失稳。 有几何缺陷的轴心受压构件，其侧向挠度从加载开始就会不有几何缺陷的轴心受压构件，其侧向挠度从加载开始就会不断增加，构件除受轴心力作用外，还存在因构件弯曲产生的弯

15、矩，断增加，构件除受轴心力作用外，还存在因构件弯曲产生的弯矩，从而降低构件的稳定承载力。实际上几何缺陷使理想的轴心受压从而降低构件的稳定承载力。实际上几何缺陷使理想的轴心受压构件变成偏心受压构件，从而使稳定的性质由平衡分枝（第一类构件变成偏心受压构件，从而使稳定的性质由平衡分枝（第一类稳定）问题变成极值点（第二类稳定）问题。而残余应力的存在稳定）问题变成极值点（第二类稳定）问题。而残余应力的存在使构件受力时提早进入弹塑性阶段，减小了截面的有效面积和有使构件受力时提早进入弹塑性阶段，减小了截面的有效面积和有效惯性矩，降低了构件的稳定承载力。丧失效惯性矩，降低了构件的稳定承载力。丧失整体稳定时的轴

16、心压整体稳定时的轴心压力称为临界力力称为临界力Ncr。确定轴心受压构件整体稳定承载力的方法有确定轴心受压构件整体稳定承载力的方法有传统方法传统方法和和现代方法现代方法。 实际上实际上理想的理想的 轴心受压构件是不存在的。在实际钢构件中常轴心受压构件是不存在的。在实际钢构件中常有各种影响整体稳定的初始有各种影响整体稳定的初始缺陷（包括缺陷（包括几何缺陷几何缺陷和和力学缺陷力学缺陷）。）。如初弯曲、初偏心、和残余应力等如初弯曲、初偏心、和残余应力等。 以无缺陷的理想轴心受压构件为分析对象，在弹性阶段以欧以无缺陷的理想轴心受压构件为分析对象，在弹性阶段以欧拉临界力为基础，在弹塑性阶段以切线模量临界力

17、为基础，通过拉临界力为基础，在弹塑性阶段以切线模量临界力为基础，通过提高安全系数来考虑初偏心、初弯曲等不利因素的影响。提高安全系数来考虑初偏心、初弯曲等不利因素的影响。（1 1）压屈曲理论）压屈曲理论 欧拉欧拉（EulerEuler）早在）早在17441744年通过对理想轴心压杆的整体稳定问题进年通过对理想轴心压杆的整体稳定问题进行的研究，当轴心力达到临界值时，压杆处于屈曲的微弯状态。在弹性行的研究，当轴心力达到临界值时，压杆处于屈曲的微弯状态。在弹性微弯状态下，根据外力矩平衡条件，可建立平衡微分方程，求解后得到微弯状态下，根据外力矩平衡条件，可建立平衡微分方程，求解后得到了著名的了著名的欧拉

18、临界力欧拉临界力和和欧拉临界应力欧拉临界应力。2220222crEEAlEIlEINN22EcrEEAN弹性阶段弹性阶段2t220t2tAElIEN22ttE弹塑性阶段弹塑性阶段 以有几何缺陷但无残余应力的轴心受压构件为分析对象，采以有几何缺陷但无残余应力的轴心受压构件为分析对象，采用截面边缘纤维应力达到屈服点时的荷载作为表征轴心受压构件用截面边缘纤维应力达到屈服点时的荷载作为表征轴心受压构件的承载力的指标。实质上是以强度承载力代替稳定承载力的承载力的指标。实质上是以强度承载力代替稳定承载力（2 2）边缘纤维屈服理论）边缘纤维屈服理论（3 3）压溃理论（最大强度理论或极限荷载理论）压溃理论（最

19、大强度理论或极限荷载理论） 以有初始缺陷（初偏心、初弯曲和残余应力等）的轴心受压以有初始缺陷（初偏心、初弯曲和残余应力等）的轴心受压构件为分析对象，并考虑截面塑性的深入发展，以构件最后破坏构件为分析对象，并考虑截面塑性的深入发展，以构件最后破坏时所能承受的最大荷载（压溃荷载）作为构件的极限承载力值。时所能承受的最大荷载（压溃荷载）作为构件的极限承载力值。 理想的轴心受压构件的临界应力是长细比的单一函数，实际理想的轴心受压构件的临界应力是长细比的单一函数，实际轴心受压构件受轴心受压构件受残余应力残余应力、初弯曲初弯曲、初偏心初偏心的影响，且影响程度的影响，且影响程度还因还因截面形状截面形状、尺寸

20、尺寸和和屈曲方向屈曲方向而不同，因此而不同，因此每个实际构件都有每个实际构件都有各自的柱子曲线各自的柱子曲线。22EcrEEANNupNNbddaacc111初 弯 曲弹 性 曲 线初 弯 曲无 残 余 应 力初 弯 曲有 残 余 应 力v0v0v0v00Ymv0ym=+NzyNmyv0初 始状 态极限极限承载力理论承载力理论弹性受力阶段弹性受力阶段（o1a1段），荷载段），荷载N和最大总和最大总挠度挠度Ym的的关系曲线与关系曲线与只有初弯曲没有残余应力时的弹只有初弯曲没有残余应力时的弹性关系完全相同。性关系完全相同。弹塑性受力阶段弹塑性受力阶段（a1c1段），低段），低于只有初弯曲而无残余应

21、力相应于只有初弯曲而无残余应力相应的弹塑性段。挠度随荷载增加而的弹塑性段。挠度随荷载增加而迅速增大，直到迅速增大，直到c1点。点。曲线的极值点曲线的极值点c1点表示构件由稳点表示构件由稳定平衡过渡到不稳定平衡，相应定平衡过渡到不稳定平衡，相应于于c1点的荷载点的荷载Nu为临界荷载为临界荷载,相应相应的应力的应力 cr为临界应力为临界应力。ONaNcrNcrAB 设计规范针对常用的截面，取不同的长细比，考虑设计规范针对常用的截面，取不同的长细比，考虑残余应力残余应力分分布和大小布和大小、不同的弯曲屈曲方向以及初弯曲、初偏心不同的弯曲屈曲方向以及初弯曲、初偏心，按照按照极限承极限承载力理论载力理论

22、，采用，采用数值方法，求得极限荷载数值方法，求得极限荷载Nu或临界应力或临界应力 cr=Nu/Am，从而得到相应的从而得到相应的 cr- 曲线。临界应力曲线。临界应力 cr随着随着 的增大而减小。的增大而减小。构件构件保持整体稳定的条件是截面应力不超过临界应力保持整体稳定的条件是截面应力不超过临界应力，引入安全系数，引入安全系数k，轴心受压构件的整体稳定可按下式计算：轴心受压构件的整体稳定可按下式计算： 1mycrcryfNAkfk 式中式中：N计算轴心压力；计算轴心压力；Am构件毛截面面积构件毛截面面积 1轴心受压轴心受压构件纵向弯曲定构件纵向弯曲定系数系数；与与截面类型、截面类型、构件长细

23、比构件长细比 、所用钢种有关。所用钢种有关。可查可查P508附表附表4-8l 弦杆弦杆由于本身线刚度大，其杆端嵌固程度小，可忽略腹杆或节由于本身线刚度大，其杆端嵌固程度小，可忽略腹杆或节点板对弦杆的约束，且认为相邻节间的受压弦杆与所计算的受压点板对弦杆的约束，且认为相邻节间的受压弦杆与所计算的受压弦杆同时失稳。计算长度取其几何长度弦杆同时失稳。计算长度取其几何长度l0=l。l 腹杆腹杆由于中间腹杆的线刚度比弦杆小，且在下端相连的拉杆较由于中间腹杆的线刚度比弦杆小，且在下端相连的拉杆较多，节点板的刚性及拉杆对中间腹杆的约束较大多，节点板的刚性及拉杆对中间腹杆的约束较大，所以取计算所以取计算长度取

24、长度取l0=0.8l 。端部斜腹杆和端部竖杆端部斜腹杆和端部竖杆所受的压力较大，其线刚所受的压力较大，其线刚度相对也大，且在下端相连的拉杆较少，杆端约束作用小，其计度相对也大，且在下端相连的拉杆较少，杆端约束作用小，其计算长度取算长度取l0=0.9l （l为杆件的几何长度）。为杆件的几何长度）。（1 1）构件在桁架平面内计算长度）构件在桁架平面内计算长度（2 2）构件在桁架平面外计算长度）构件在桁架平面外计算长度l 构件在桁架平面外的计算长度，应取侧向支撑点之间的距离。构件在桁架平面外的计算长度，应取侧向支撑点之间的距离。弦杆弦杆在桁架平面外的计算长度一般取纵向水平联结系与弦杆连接在桁架平面外

25、的计算长度一般取纵向水平联结系与弦杆连接点之间的距离。点之间的距离。腹杆腹杆在桁架平面外的计算长度取腹杆的几何长度在桁架平面外的计算长度取腹杆的几何长度实际设计，按经验确定见实际设计，按经验确定见P507附表附表4-7杆件的计算长度杆件的计算长度 实腹式轴压构件一般由若干矩形平面板件组成，在外实腹式轴压构件一般由若干矩形平面板件组成，在外压力作压力作用下，截面的某些部分（板件），不能继续维持平面平衡状态而用下，截面的某些部分（板件），不能继续维持平面平衡状态而产生凸曲现象，称为产生凸曲现象，称为局部失稳。局部失稳。局部失稳会降低构件的承载力。局部失稳会降低构件的承载力。v设计要求：设计要求：板

26、件局部失稳不先于构件整板件局部失稳不先于构件整体失稳的原则。体失稳的原则。即板件局部失稳的临界应即板件局部失稳的临界应力不低于整体失稳的临界应力力不低于整体失稳的临界应力。通过限制。通过限制板件的宽厚比的办法来实现板件的宽厚比的办法来实现 。bbtt （4-7）规定见规定见P509附表附表4-9yxyx或0yyli 0 xxli 1。（查（查P420图图21-5） 1mNA （4-8）系数。、式中：2121;yxibihbihi43. 0,24. 0yxh0和和b宜取宜取10mm的倍数，的倍数，t和和tw宜取宜取2mm的倍数且应符合钢板规的倍数且应符合钢板规格，格，tw应比应比t小小，腹板厚度

27、不小于，腹板厚度不小于6mm。翼缘翼缘t腹板腹板tw240.5t0.15 1 时，取：时，取：212m1nNmEA其值介于其值介于0与与1之间。之间。n1为受压构件容许应为受压构件容许应力安全系数，力安全系数，m1为计算系数。对荷载组为计算系数。对荷载组合合取取n1=1.7，m1=1.0,；对荷载组合；对荷载组合-时取时取n1=1.4，m1=1.4。 1m2m1NMAW （4-26） 式式中中 2受弯构件的纵向受弯构件的纵向弯曲系数（即按弯曲系数（即按N=0的情况来确的情况来确定定 2）。可计算构件的换算长细）。可计算构件的换算长细比比 e。并按。并按 e由附表由附表4-8查得相查得相应的应的 1来代替来代替 2。式中式中 为系数，为系数，焊接构件取焊接构件取1.8，铆接构件取铆接构件取2.0，l0为构件对为构件对y-y轴的计算长度。轴的计算长度。0e2xylihi 11m2mNMAW （4-27） 构件最大弯矩：构件最大弯矩：mkN4 .3235 . 75 . 25 .172101M轴心压力：轴心压力：kN185N构件中部构件中部1/31/3跨径范围内的最大弯矩：跨径范围内的最大弯矩：mkN5 .28710325 . 25 .172101M366ymm10408. 32/4561007.777W4623ymm1007.77721824201