钢桥与组合结构桥梁-1

1、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、

2、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：梁桥的雏形圆木桥：梁桥的雏形浙江泰顺仕阳碇步桥浙江泰顺仕阳碇步桥Postbridge_Clapper_Bridge_14 century UK7半坡村遗址半坡村遗址庐山天桥庐山天桥天然石梁桥天然石梁桥贵州水城干贵州水城干河天生桥河天生桥, ,高高135m135m，宽，宽35m35m，横顶厚度横顶厚度15m15m，跨度，跨度5060m5060m半坡村遗址半坡村

3、遗址早期石梁桥早期石梁桥8世界上最长的天然石拱桥，跨度世界上最长的天然石拱桥，跨度119.5119.5米，位于美国犹他州国家公园米，位于美国犹他州国家公园法国阿尔代什峡谷天然石拱桥法国阿尔代什峡谷天然石拱桥中国最长的天然石拱桥，跨中国最长的天然石拱桥，跨度度8080米，位于四川涪陵小溪米，位于四川涪陵小溪9藤桥藤桥索桥索桥墨脱藤桥墨脱藤桥绳索桥绳索桥绵阳窦团山绵阳窦团山10雅鲁藏布大峡谷索桥雅鲁藏布大峡谷索桥1.1 桥梁基本概念基本类型：梁、拱、索基本类型：梁、拱、索受力特点：弯、压、拉受力特点：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

4、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

5、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土木工程结构的基本属性1.1 桥梁基本概念创新创新适用适用 安全安全经济经济美观美观设计设计6原则原则耐久耐久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

6、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

7、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个统一6个设计个设计原则的统一原则的统一 理论性和理论性和经验性的统一经验性的统一遵循设计遵循设计规范和合理规范和合理突破规范突破规范的统一的统一 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.

8、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

9、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三铰拱两铰拱两铰拱无铰拱无铰拱系杆拱系杆拱结构特征：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 中中承承式式上上承承式式下下承承式式 拱桥1.1 桥梁基本概念1.1

10、 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斜拉索索塔索塔主梁主梁 斜拉桥1.1 桥梁基本概念1.1 桥梁基本概念36 组成组成：主要由索（又称缆）、塔、锚碇、加劲梁等组成 受力受力：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

11、在各种桥型中名列前茅 缆缆塔塔锚锭锚锭加劲梁加劲梁 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本课程主要讲述钢及钢钢- -混凝土组合结构桥的混凝土组合结构桥的设设计计和和计算计算方面的知识，方面的知识，包括：包括：简支桁梁桥简支桁梁桥钢板梁桥钢板梁桥钢箱梁桥钢箱梁桥正交异性板桥面正交异性板桥面结合梁桥结合梁桥大跨钢桥大跨钢桥 1.1.混凝土桥混凝土桥2.2.钢及钢钢及钢- -砼组合结构桥砼组合结构桥3.3.大跨度桥梁和城市桥梁大跨度桥梁和城市桥梁4.4.桥梁振动及抗风抗震桥梁振动及抗风抗震桥梁课程设计桥梁课程设计桥梁毕业设计桥梁毕业设计桥梁工程方向主要课程体系桥梁工程方

12、向主要课程体系1.3 钢桥及组合结构桥梁概述“所谓钢桥所谓钢桥，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以钢结构作为主梁结构桥梁”钢桥的定义钢桥的定义“所谓钢所谓钢- -混凝土组合桥，是指混凝土组合桥，是指主要结构主要结构由钢及混凝土材料构成由钢及混凝土材料构成的桥梁。的桥梁。”钢钢- -混凝土组合结构桥的定义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

13、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 u钢桥的分类1.3 钢桥及组合结构桥梁概述u组合结构的分类钢材混凝土钢构件混凝土构件组合构件组 合 结 构材料构件结构1.3 钢桥及组合结构桥梁概述组合结构桥梁组合钢板梁桥组合箱梁桥组合桁架桥组合刚构桥混合梁桥组合拱桥组合斜拉桥(1) 铆接 (2) 普通螺栓(3) 高强螺栓(4) 栓焊(5) 全焊接1.3 钢桥及组合结构桥梁概述u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

14、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：(1) 跨越能力大；(2) 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 钢材及桥梁用钢金属黑色金属铁碳合金纯铁钢碳素钢合金钢生铁铁合金铸铁有色金属非铁金属贵金属稀有金属C2.3%1.4 钢材及桥梁用钢碳素钢低碳钢C0.25%中碳钢0.25%C0.6%合金钢低合金钢10%钢材普通钢P0.045%，S0.05

15、%优质钢P0.035%，S0.035%高级优质钢P0.035%，S0.03%1.4 钢材及桥梁用钢1.4 钢材及桥梁用钢第2章 钢结构的材料牌号牌号等等级级C CSiSiMnMnP PS SNbNbV VTi TiCrCrNiNiMoMoN NAlAlQ235qC0.170.351.40.0300.0300.30.30.0120.015D0.0250.025E0.0200.010Q345qC0.200.550.9-1.70.0300.0250.060.080.030.80.50.20.0120.015D0.180.0250.020E0.0200.010Q420qC0.180.551.0-1.7

16、0.0300.0250.060.080.030.80.70.350.0120.015D0.0250.020E0.0200.010Q550qC0.180.551.0-1.70.0300.0200.060.080.030.81.00.40.0120.015D0.0250.015E0.0200.010Q345qC Q345qC 化学成分化学成分 力学性能冷弯性能强度塑性冲击韧性钢材4个基本力学性能有屈服点钢材的应力-应变曲线OpfEBCDAEufyfE=2.06105 MPa 弹性阶段弹性阶段(OA(OA段段) ) 弹塑性阶段弹塑性阶段(AB(AB段段) ) 塑性阶段塑性阶段(BC(BC段段) )

17、强化阶段强化阶段(CD(CD段段) ) 颈缩阶段颈缩阶段(DE(DE段段) )屈服强度屈服强度fy抗拉强度抗拉强度fu比例极限比例极限fp没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。 fufy=f0.20.2%p钢材的单调拉伸应力应变曲线 150 300 450 600 750 900 0 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 应变(%) 应力(MPa) 0.2% fy=235MPa fy=345MPa fy=690MPa 抗拉强度 fu 热处理低合金钢 低合金高 强度结构钢 碳素结构钢 P 第2章 钢结构的材料CVNbSiMnA

18、lSPCrNiOHNTi化学元素CVNbSiMnAlSPCrNiOHNTi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（锰（MnMn） 1.01.01.71.7 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（硅（SiSi） 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 微细碳化物，细化晶粒和弥散强化作用，从而提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性钒（钒（V V）、铌（）、铌（NbNb）、

19、钛（）、钛（Ti Ti） 铝是强脱氧剂，可提高钢的强度和低温韧性，低合金钢C、D、E级中，含量不小于0.015。 铬、镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390及以上牌号的钢材中。铝（铝（AlAl）、铬（）、铬（CrCr）、镍（）、镍（NiNi） 硫（硫（S S） ABCD0.050.01硫化铁冲击韧性热脆层状撕裂抗锈性能疲劳强度温度11001200时，硫化铁熔化使钢材变脆，能引发热裂纹强度强度抗锈抗锈塑性塑性韧性韧性磷（磷（P P） 磷元素脆性转变温度升高冷脆AD0.0450.020O OSNP氧（氧（O O）、氮（）、氮（N 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

20、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（氢（H H） 氢疏松孔洞错位晶界 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。 偏偏 析：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夹 杂：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裂 纹：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分 层：层：钢材厚度方向不密合。降低冷弯性

21、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)(1)结构或构件的重要性（主要的、一般的、次要的）结构或构件的重要性（主要的、一般的、次要的） (2)(2)荷载性质（静力荷载还是动力荷载）荷载性质（静力荷载还是动力荷载）(3)(3)连接方式（焊接还是其它连接）连接方式（焊接还是其它连接）(4)(4)工作环境（温度及腐蚀介质）工作环境（温度及腐蚀介质）(5)(5)结构构件的受力状态结构构件的受力状态(6)(6)钢板厚度钢板厚度1、原则：、原则：保证结构可靠安全，同时要经济合理。保证结构可靠安全，同时要经济合理。2 2、选择使用钢材时，应考虑的主要因素：、选择使用钢材

22、时，应考虑的主要因素：强度屈服强度fy抗拉强度fu塑性伸长率断面收缩率冲击韧性冲击功Akv3项保证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

23、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1.4 钢材及桥梁用钢除不需要考虑疲劳的除不需要考虑疲劳的非焊接构件非焊接构件之外，在之外，在钢桥中很少采用钢桥中很少采用没有冲击韧性要求没有冲击韧性要求C、Mn含量可不作为交货条件含量可不作为交货条件可焊性不能得到保证可焊性不能得到保证有冲击韧性要求，冲击韧性有冲击韧性要求，冲击韧性试验温度试验温度分别为分别为20、0、-20、-40 V型缺口型缺口冲击功冲击功27J(Q345)、34J(Q345q)、41J(Q370q)、47J(Q420q)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

24、验，测定冲击功(冲击韧性值Akv,单位J或akv单位J/cm2)来表示。 梅氏U型缺口试件:冲击试验的标准试件型式： 夏比V型缺口试件:我国采用夏比V型缺口试件2/cmJk JCV1.4 钢材及桥梁用钢钢材种类钢材种类桥例桥例年代年代A3qQ235武汉长江大桥1957强度偏低，焊接性能差，无法焊接16MnqQ345q南京长江大桥1969强度偏低，韧性较差，板厚效应大， 仅能用到32mm15MnVNQ420A九江长江大桥1995低温韧性不好，焊接性能差，焊接需要预热，焊接工艺苛刻14MnNbqQ370q芜湖长江大桥2000低温韧性好，焊接性能优异，钢板厚度突破了32mm的限制，最厚达50mmQ4

25、20q大胜关长江大桥2010高强度、高韧性和优异的焊接性以及良好的耐候性能铁路桥梁典型钢种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Q235B1.4 钢材及桥梁用钢桥梁名称钢种桥梁名称钢种重庆鹅公岩大桥16Mnq巫山长江大桥Q345C广州丫髻沙大桥16Mnq安庆长江大桥Q345D武汉军山大桥Q345C，Q345D 灌河大桥Q370qD宜昌长江大桥Q345E苏通长江大桥Q345qD、370qDZ15上海卢浦大桥S355N（Z25）朝天门大桥Q345qD、Q370qD、Q420qD钱塘江大桥Q345C广州黄浦大桥Q345C润扬长江大桥Q345D杭州湾大桥Q345D公路桥梁典型钢种1.4 钢材及桥梁用钢010100%zAAAZ向钢（抗层状撕裂钢） xyz钢板厚度较大或承受板厚方向拉力易发生层状撕裂。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。缩率作为评定指标。拉伸试验试件：圆柱体拉伸试验试件：圆柱体（d0=10mm; l01.5d0）1.4 钢材及桥梁用钢Z向钢