钢桁架桥结构行为-以高结LER45桁架桥为例课件

1、钢桁架桥结构行为 - 以高捷LER45桁架桥为例1简 报 内 容 研究动机与目的 Warren type 钢桁架桥之结构行为 LER45 钢桁架桥结构行为 结论与建议 2研究动机与目的动机 缺乏分析设计 增强施工现场训练结构观念判断 目的以高捷LER45钢桁架桥为例进行桁架刚铰造型分析与设计技能训练 。将学识与实务结合达到学以致用。 3钢桥梁的发展背景 桥梁在地方建设具有重要地位，所以对品质和施工技术方面有相当高标准要求 。从十九世纪以来桥梁工程的技术与品质发展突飞猛进，更加注重桥梁的功能性、安全性和经济性 。 Warren type 钢桁架桥之结构行为4在美国自从十九世纪， 用ASTM所规范

2、所有钢等级。ASTM A7对桥梁用钢及ASTM A9对建筑物用钢。A7规范最小降伏强度220 MPa；中级钢降伏强度240 MPa。两种等级主要强度控制化学成份是碳和锰。碳的使用比近期结构钢的使用较高出许多，这证明了当较旧结构必须修复时，为什么早期钢材使用传统焊接过程是困难查验的。19621970，A36在市场上出现；它主要地有较低碳成份，然而有比A7较好的焊接性。另一方面，A36经由高的铜成份，也有增加耐腐蚀性。1990，ASTM A572所取代成为大部份使用等级，主要是因为高强度与较后期有利的价格，规定最小降伏强度350 MPa 。美国钢等级历史 Warren type 鋼桁架橋之結構行為

3、Warren type 钢桁架桥之结构行为5钢在1960年代为强度材料要求发展出淬火回火钢，在1969年A514首先在ASTM规范中，这是690 MPa降伏强度板。在1993-1995年间，在美国四个等级的淬火与自我回火钢(QSF)A913出现市场，由于QST制程规范，改良焊接性与较低的残留应力。大部份使用是350MPa伏强度钢等级。美国特别对在地震活动区域的结构柱利用450 MPa伏强度钢等级。在1998年，A992加入结构用钢规范，这是对宽翼板形状的一种HSLA钢，规范最小伏强度350MPa。 在美国结构比较常用钢，以AISC设计规范要求除了高性能钢的强度及延展性之外，提高焊接性和对拉力机

4、械性质有较严格的控制。现在美国建筑结构物广泛使用A992。ASTM也已经推荐桥梁用钢A709材料规范，特别要求更严格的破坏韧性和焊接性标准。 Warren type 钢桁架桥之结构行为美国钢等级历史 6Warren type 钢桁架桥之结构行为 Warren type桁架桥是由上弦杆(Top chord)、下弦杆(Bottom Chord)、和斜撑(bracing)组合成两面桁架，再由横梁(floor beam)和纵梁(stringer)连结而成三维空间桥梁。 Warren type桁架桥是杆件以三角形为单元结构，适于长跨距桥梁结构型态。上弦杆(Top chord)橫梁(floor beam)

5、下弦杆(Bottom Chord)纵梁(stringer)斜撐(bracing)Warren type 桁架桥概述 7 Warren type桁架桥是以上、下弦杆轴向力担负类似梁的弯矩力学行为效应方式，所以主桁架的格间长度决定影响斜撑杆倾角与桥高度限制，而其斜撑杆件担负类似梁之剪力效应方式。 Warren type桁架桥属于下承式桁架桥，其格间长度一般为610m，但在大跨径下承式桁架桥其格间可达1215m；而主桁架之横向间距是由横向刚度和稳定度来决定，一般不小于1/171/20的总长度。Warren type 钢桁架桥之结构行为Warren type桁架桥概述 8 跨度大 可以增加格间长度及数

6、量，使深跨比(H/L)越小，跨径越大。承載能力強 力量传递由桥面板构件传至横梁，横梁再通过节点传至桁架各杆件共同负担；杆件有联结效应所以整体结构承载能力佳。 构件造型简单 因构架杆件断面应力平均分布，使杆件断面造型一致可获得经济效益有效运用。Warren type 钢桁架桥之结构行为Warren type桁架桥的特性 9Warren type 钢桁架桥之结构行为 Warren type桁架桥分析方式 ：铰接 (Pinned connection)： 载重均假设作用于节点上，各杆件为二力杆件(two force member)构架，理论上桁架所有节点为铰接。 刚接 (Rigid connecti

7、on)： 载重可作用于构件任何位置，主要内力为弯矩、剪力、轴力，所以杆件端部有平移(translation)且旋转(rotation)，杆件主要应力为弯矩。10Warren type 钢桁架桥之结构行为 深跨比之影响 钢铰接之影响 断面造型之影响 经济效益之比较 Warren type 桁架桥受力行为 11Warren type 钢桁架桥之结构行为 深跨比之影响(以铰接为例)构架深跨比=0.5构架深跨比=0.333构架深跨比=0.25斜撑杆/上弦杆轴力比 =1.97倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =2.23倍斜撑杆/上弦杆轴力比 =1.26倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =1.27倍斜撑杆/上弦杆轴力比 =0

8、.92倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =1.13倍HL12Warren type 钢桁架桥之结构行为 深跨比之影响(以铰接为例)构架深跨比=0.2构架深跨比=0.167构架深跨比=0.143斜撑杆/上弦杆轴力比 =0.58倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =0.62倍斜撑杆/上弦杆轴力比 =0.64倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =0.74倍斜撑杆/上弦杆轴力比 =0.79倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =0.86倍13 构架深跨比=0.125构架深跨比=0.111构架深跨比=0.1Warren type 钢桁架桥之结构行为深跨比之影响(以铰接为例)斜撑杆/上弦杆轴力比 =0.51倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =0.55倍斜撑杆/上

9、弦杆轴力比 =0.46倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =0.49倍斜撑杆/上弦杆轴力比 =0.42倍斜撑杆/下弦杆轴力比 =0.44倍14 Warren type 钢桁架桥之结构行为刚铰接轴力比 15 Warren type 钢桁架桥之结构行为桁架各杆件轴力比 16桁架桥深跨比0.250.1之间，上、下弦跨中央杆件轴向力担负以梁的挠曲力学方式。 桁架桥深跨比0.250.5之间，斜撑杆件担负以梁之剪力效应方式。 在深跨比从0.50.25间，增加幅度达到25。上弦跨中央及外侧斜杆在深跨比小于0.25，杆件刚、铰接承受轴力影响差异不大皆在5内 。下弦跨中央杆件承受轴力会随着深跨比值越大，其刚铰接轴力比差异值

10、就越大，有约15范围差异。 Warren type 钢桁架桥之结构行为深跨比之影响17 杆件以铰接造型分3种type比较，其轴应力=P/A因A相等，在二力杆件前提下内力分析只考虑杆件长度与角度，不考虑杆件造型，所以3种type轴力P也相等不变。 杆件以刚接造型分3种type比较，因静不定结构不同断面造型影响力量分配，导致轴应力也随之变。 Warren type 钢桁架桥之结构行为不同断面造型(当杆件断面相等) 3062767662t=3.2t=3.018Warren type 钢桁架桥之结构行为604060t1=1.0 t2=1.6t=3.23030杆件以铰接造型分3种type比较，在内力分析

11、只考虑杆件长度与角度，不考虑杆件造型，所以3种type轴力P也相等不变。杆件以刚接造型分3种type比较，其轴力P因EI值大约相等(差值2内)时，所以3种type的轴应力也大约相等。考量不同断面造型(当杆件I 值相等)t1t219 Warren type 钢桁架桥之结构行为经济效益 由各杆件轴力比可得，当深跨比值在0.25时，不论在哪位置的杆件受力大小在20范围内；也就是可以将桁结构件上下弦及斜撑杆调整为同一造型构件，可以简化构件造型达到工程经济效益，但达不到桁架桥可加大、长跨距的目的。 在桁架桥要有长跨径前提，可将构件分两大部分就是斜撑与弦杆；由各杆件轴力比图表得知，在深跨比小于0.125开

12、始斜撑与弦杆受力情况成50 比列，也就是说可以将斜撑杆的EI值调为弦杆的50 ，可大幅度降低整体构架之材料自重而不影响结构行为传递。 20 LER45 钢桁架桥之结构行为将桁架桥依照高雄捷运3节列车作为双向车道活载重加上桁架桥本身自重共同成为桁架桥构件载重组合。 SAP2000分析方式简介 2.3m12.5m2.3m2.3m2.3m2.3m2.3m3.46m12.5m12.5m3.46m161 KN161 KN161 KN161 KN161 KN161 KN161 KN161 KN161 KN161 KN161 KN161 KN21 LER45钢桁架桥之结构行为以刚、铰接造型之杆件行为 22

13、LER45钢桁架桥之结构行为刚接造型之杆件行为 下弦外侧714.233KN与邻侧2412.76KN杆件轴力差值最大 下弦外侧714.233KN与邻侧2412.76KN杆件轴力差值最大 LER45钢桁架桥刚接形式-轴力包络线分布图LER45钢桁架桥刚接形式-弯矩包络线分布图下弦外侧602.84 KN-M与邻侧-45.19KN-M杆件弯矩差值最大 下弦外侧602.84 KN-M与邻侧-45.19KN-M杆件弯矩差值最大 23 LER45钢桁架桥之结构行为铰接造型之杆件行为 LER45钢桁架桥铰接形式-轴力包络线分布图LER45钢桁架桥铰接形式-弯矩包络线分布图下弦外侧672.02KN 与邻侧255

14、9.57KN 杆件轴力差值最大下弦外侧672.02KN 与邻侧2559.57KN 杆件轴力差值最大 铰接弯矩 =0铰接弯矩 =024剛接跨中央桿件軸力+LER45钢桁架桥之结构行为刚接轴应力 (KN/m2)铰接轴应力 (KN/m2)刚铰接轴应力比 外侧斜撑杆 -27125-2784297.4%上弦跨中央杆 -37217-3760299.0%下弦跨中央杆 181061889895.8%杆件以刚铰接之轴应力比较 25剛接跨中央桿件軸力+LER45钢桁架桥之结构行为杆件以刚铰接轴应力比较结论 LER45刚桁架桥为下承式Warren type 桁架，由SAP2000分析下弦杆件受组合载重影响轴力包络线

15、分布状态，以Warren type桁架桥受力行为原理得知由跨中央杆件为承受最大内力位置。 。刚铰接轴应力比差值在5容许范围内，所以不论以刚接或铰接造型轴应力分析皆可接受，但铰接形式并无承受弯矩，与实际力传递有误差。以刚接造型分析下弦跨中央杆件与横梁构件细部接合造型，来检讨细部构件受疲劳影响为合理推论。 26剛接跨中央桿件軸力+LER45钢桁架桥之结构行为構件細部接頭銲道红线条代表全渗透焊道 蓝线条代表半渗透焊道 G1A02构件件BOX-1.0281.02828斜撑构件 BOX-1.9921.02836下弦构件 BOX-1.0281.02828斜撑构件 H-1.31.253225橫樑构件 27剛

16、接跨中央桿件軸力+LER45钢桁架桥之结构行为构件-宽厚比 BOX-1.9921.02836寬厚比b / t = 956/36 = 26.56 b / t p为结实断面 p= 50/Fy =26.738 pd = 45/ Fy =24.054钢材为 A572，其Fy = 3.5 t / cm2BOX-1.0281.02828H-1.31.253225寬厚比b / t = 1250/(322) = 19.531 b / t p为半结实断面 p= 16/Fy =8.55 pd = 14/ Fy =7.4828剛接跨中央桿件軸力+LER45钢桁架桥之结构行为构件以刚接轴力与弯矩值 PA=2412.7

17、6 KNMA=-46.49 KN-mVA=-185.45 KNPB=714.233 KNMB=602.63 KN-mVB=12.72 KNPD= 2559.55 KNMD= -331.25 KN-mVD= -62.03 KNPC= -2232.58 KNMC= 317.91 KN-mVC=27.96 KNPE= 23.98 KNME= 115.64 KN-mVE=91.11 KN29 LER45钢桁架桥之结构行为构件高张力螺栓 Rstr=1.13TmNbNsM22螺栓(A325)摩阻型 Rstr=1.13 0.33 17.8 = 6.638 t/bolt实际 PU = 6.638 t/bolt

18、 189支= 1254.58 t = 12295 KN实际 PU = 12295 KN PA=2412.76 KN-O.KM22螺栓(A490)摩阻型 Rstr=1.13 0.33 22.3 = 8.32 t/bolt实际 PU = 1254.58 t / 8.32 t/bolt =151支所以LER45钢桁架桥改采用 A490螺栓可減少19 自重。921=189支P1/2P1/2P30 LER45钢桁架桥之结构行为构件强度检核 下弦构件(BOX 1.9921.02828)分析全断面 An=(199.2+(102.8-2.8)*2-(2.5*58)*2.8=12702钢材A572 Fy=3.5 t/2Pn= 12702 3.5 t/2 =4445 t =43561KN实际 Pn分析PA-O.K31 LER45钢桁架桥之结构行为构件疲劳应力检核 疲劳产生3个因素 :结构细部(钢材性质、局部拉应力集中) 应力差值 反覆载重次数 32 LER45钢桁架桥之结构行为构件疲劳应力检核 以B等級Fsr = 1120 /2检