结构设计原理-第19章

本章19.1钢材的破坏形式19.2计算原则2教学要求掌握钢材可能产生的两种破坏形式及其特征。掌握公路桥梁钢结构概率极限状态设计法，掌握按承载能力极限状态设计计算的表达式。理解疲劳极限状态，掌握疲劳荷载模型及疲劳强度验算要求。19.1

钢材的破坏形式钢材在各种作用下会发生两种破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。钢材塑性破坏主要特征是破坏前构件产生明显塑性变形，而且仅在钢材的应力超过屈服强度，并达到了钢材的极限抗拉强度fu后才发生，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。钢材脆性破坏的特点是钢材破坏前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，平均应力一般低于钢材的屈服强度，破坏往往从应力集中处开始，破坏后的断口平直，呈现出有光泽的晶粒状。419.2

计算原则.

.

公路桥梁钢结构设计的基本要求钢结构在

、安装和使用过程中，必须具有足够的承载能力、刚度和稳定性，整个结构必须安全可靠；要从工程实际出发，合理选用材料、结构设计方案和构造措施，要符合桥梁结构的使用要求，要具有良好的耐久性；3尽可能地节约钢材，减轻钢结构重量；4尽可能缩短制造、安装时间，以缩短工

；所选结构要便于

，构造设计要便于检查与养护。5519.2.2钢结构的计算方法1）总安全系数的容许应力计算法构件的内力钢材的屈服强度

构件的计算应力(19-1)

N

fkS

K材料的容许应力构件的几何特性2）多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法f

y

S

f

y

S

N

构件的几何特性(19-2)1

2

3iK

K

KK调整系数，用以考虑一些特殊变异因素荷载系数材料系数6系数K1、K2

、K3综合确定后的安全表达式为

N

i

f

y(19-3)S

K3）以概率论为基础的极限状态设计法钢结构计算采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的表达式进行计算。19.2.3

公路桥梁钢结构设计方法采用以概率论为基础的极限状态设计方法。公路钢桥结构失效应按承载能力极限状态、正常使用极限状态和疲劳极限状态分别考虑。71）按承载能力极限状态设计计算根据钢结构构件和连接的受力特点及材料特性，在公路钢结构的构件和连接的承载力计算规定上，没有按分项系数的设计表达式进行。以“强度计算”和“稳定计算”来代表承载力计算，计算已隐含在设计参数中，构件的抗力也相表

式

的各

项系应值，其表达形式为结构重要性系数，按照公路桥涵设计安全等级，一级桥1.1，二级桥

1.0。作用组合的效应设计值，包括了计d

0

N特大桥、大桥、高速公路和一级公的中桥，以及重要小桥取为一级，其他桥梁均取为二级。算中各种有关作用效应和荷载效应的分项系数dS≤

f(19-4)构件截面几何特性钢构件及其连接的材料强度设计值。不同材料、厚度、受力特征的钢材强度设计值详见附表4-1~附表4-4。8按承载能力极限状态设计时作用基本组合的效应值在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准值第i个

作用效应的标准值桥梁结构的重要性系数的其他第j个可变作用效应的标准值（2-28）

Ql

SQlkmn

0

Sd

o

(

Gi

SGiki1

c

Qj

SQjk

)j2第i个

作用效应的分项系数在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项系数在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他可变作用效应的组合系数9公路钢桥还必须要进行桥梁上部结构横向失稳倾覆计算。桥梁上部结构横向失稳倾覆的破坏是类似整个结构或其一部分作为刚体失去静力平衡，破坏过程表现为单向受压支座依次脱离正常受压状态，而上部结构的支承体系不再提供正常的有效约束，出现结构横向失稳与垮塌破坏。公路钢桥进行桥梁承载能力极限状态的抗倾覆计算应满足：抗倾覆稳定系数，一般取为2.5~3.0。稳定作用效应的设计值

qf

Sd

,dst

≤Sd

,stb(19-5)倾覆作用效应的设计值102）按正常使用极限状态设计计算1

最大挠度。结构竖向挠度采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值（频遇值系数取1.0）按毛截面进行计算，计算结果应低于规定的挠度限值。2

长细比。受力构件和偏心受力构件的刚度采用长细比来衡量。长细比是指构件的计算长度l0与构件截面回转半径i的比值，即

=l0

/i。构件容许最大长细比[]表19-1类别杆件长细比主桁架受压弦杆、受压或受压-拉腹杆100仅受拉力的弦杆130仅受拉力的腹杆180联结系构件纵向联结系、支点处横向联结系和制动联结系的受压或受压-拉构件130中间横向联结系的受压或受压-拉构件150各种联结系的受拉构件200113）疲劳极限状态钢结构构件及其连接由于制作或构造上的原因会存在缺陷，这些缺陷成为裂纹的，裂纹在重复荷载或交变荷载作用下不断开展，最后达到临界尺寸而出现断裂，导致钢结构构件或其连接发生疲劳破坏。公路钢桥一般要求承受汽车荷载的钢桥构件与连接，应按疲劳细节类别进行疲劳极限状态验算。当其他可变作用（如风荷载）或偶然作用（如

荷载）的疲劳影响比汽车荷载大时，需要进行专项疲劳设计研究。12公路桥梁疲劳设计荷载模型，根据其适用范围分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类，加载方式和疲劳强度验算要求为：（1）疲劳荷载模型I及疲劳强度验算要求疲劳荷载模型I采用等效的车道荷载，集中荷载为0.7Pk，均布荷载为0.3qk，并且考虑多车道的影响。这种设计方法考虑的是构件永不出现疲劳破坏的情况。

采用荷载模型I进行疲劳强度验算，当构件或连接不满足其验算要求时，应按疲劳荷载模型II进行验算。13qkPk公路I级车道荷载qk

=10.5kN/m,Pk

=180kN

桥梁计算跨径5m直线内插取值360kN

桥梁计算跨径50m14正应力常幅疲劳极限，根据附表4-5~附表4-13查得疲劳细节类别Δ

σ

c疲劳强度验算式：按疲劳荷载模型计算得到的正应力幅。，按式（19-10）计算。DFfpMf

≤

(19-6)疲劳荷载分项系数，取1.0疲劳抗力分项系数，对重要构件取1.35，次要构件取1.15

≤

L按疲劳荷载模型计算得到的剪应力幅。FfpMf剪应力常幅疲劳截止限，根据附表4-5~附表4-13查得疲劳细节类别Δ

τc

，按式（19-11）计算。(19-7)15Δp和Δp的计算：为动力系数，对桥梁伸缩缝附近的构件考虑额外动力作用的影响进行疲劳强度验算时采用。D

≦6时，ΔΦ=0.3(1-D/6)，D>6时，ΔΦ=0，D为验算截面到伸缩缝的距离。

p

(1

)(

p

max

p

min

)疲劳荷载模型按最不利情况加载于疲劳荷载模型按最不利情况加(19-8)影响线得到的最大正应力载于影响线得到的最小正应力疲劳荷载模型按

不利情况加载于影响线得到的最大剪应力

p

(1)(

p

max

p

min

)(19-9)疲劳荷载模型按最不利情况加载于影响线得到的最小剪应力16Δ

D和Δ

L的计算公式：正应力常幅疲劳极限2

0.737DC

(

)51/3

C(19-10)剪应力常幅疲劳截止限

(

2

)1/5

当N1×108时的疲劳强度称为正应力截止限ΔL

，按下式计100L

C(19-11)算：

0.549LD

(

5

)1/5

D(19-12)10017（2）疲劳荷载模型II及疲劳强度验算要求疲劳荷载模型II采

车模型，两辆车轴重与轴距相同，中心距不小于40m。其单车的轴重与轴距布置如图19-3所示。采用荷载模型II时按下式进行疲劳强度验算：2×106次常幅疲劳循环的等效常值应力幅CFf

E2M

f

≤损伤等效系数，其计算方法参见疲劳细节类别抗力，为对应于2×106次常幅疲劳循环的疲劳强度，根据附表4-5、附表4-6取用。(19-13)《公路桥规》。E2

(1)(pmax

pmin)(19-15)图19-3疲劳荷载模型II18（3）疲劳荷载模型III及疲劳强度验算要求疲劳荷载模型III采用单车模型，车轴重及轴距规定如图19-4所示，适用于局部受力构件（包括正交异性板、横隔板、桥面系构件等）的疲劳强度验算。a）b）图19-4疲劳荷载模型IIIa）立面图；b）平面图91采用荷载模型III时按下列公式进行疲劳强度验算：FfE

2M

f

≤

C(19-17)FfE

2M

f

≤

C(19-18)

(E

2

)

3Ff

C

/

M

f

(

E

2Ff

C

/

M

f)

5

≤1

.0(19-19)其中：

E

2

(1

)

(p

m

ax

p

m

in

)(19-20)

E

20

(1

)

(

p

m

ax2

p

m

in

)(19-21)正交异性板各疲劳细节的有效影响面范围狭窄，其疲劳细节对轮载的横向位置十分敏感。因而需考虑车轮在车道上的横向概率（如图19‐5，加载区域1应布置在最不利位置）。图19-5正交异性板车轮横向概率21其具体的加载步骤如下：①建立正交异性板的局部有限元模型，计算各疲劳细节的影响面。②找出疲劳影响线上应力数值最大的点，该点所对应的影响线为加载区域1，加载区域1向两侧横向偏移0.1m对应的影响线分别为加载区域2和3，加载区域1向两侧横向偏移0.2m对应的影响线分别为加载区域4和5。③将荷载模型III一侧的轮载分别加于加载区域1~加载区域5，，2×106次常幅并分别算出对应的pmax,i

和pmin,i

，其中i为区域疲劳循环时等效常值应力幅ΔE2按下式计算：E2

(1)

3

0.5(

pmax,1