公路钢结构桥梁设计计算要点-吴冲

1、2015桥梁钢结构学术会议公路钢结构桥梁设计计算要点吴 冲同济大学桥梁工程系T 公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015)公告2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲11 主要内容F公路钢结构桥梁设计规范修订概要F钢桥破坏形式F公路钢结构桥梁设计规范设计计算要点2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲2 公路钢结构桥梁设计规范修订概要F根据交通部关于下达2006 年度公路工程标准制修订项目计划的通知（交公路发2006439

2、号文）要求，在公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ 025-86）的基础上修订而成。F主持主编单位中交公路规划设计院有限公司F参加单位同济大学西南交通大学北京交通大学清华大学长安大学东南大学中铁宝桥集团有限公司中铁山桥集团有限公司2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲32 公路钢结构桥梁设计规范修订概要F主 编：张喜刚F主要参编人员：裴岷山、赵君黎、吴 冲、强士中、雷俊卿、聂建国、王春生、陈惟珍、程 刚、张 克、黄李骥、冯 苠、冯良平、刘玉擎、姚波、刘晓娣、钱叶祥、胡广瑞F参与审查人员：万珊珊、徐君兰、王福敏、李怀峰、韩大章、代希华、廖建

3、宏、李军平、沈永林、杨耀铨、张子华、王志英、田克平、包琦玮、姚翔、郭晓东、黎立新2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲4 本次修订的主要内容F调整了规范适用范围；主体工程采用钢材的钢结构桥梁，如钢板梁桥、钢箱梁桥、钢桁梁桥等，采用钢材的桥梁结构或构件，如斜拉索、钢塔、钢桥墩等。F采用了概率理论为基础的极限状态设计方法（疲劳计算除外）；F改进了钢结构的强度、稳定和疲劳设计与计算方法考虑剪力滞影响增加板件和加劲板局部稳定计算增加了疲劳荷载模型，采用容许应力幅方法计算；F补充和完善了钢板梁、钢桁梁、组合梁、缆索系统、支座与伸缩装置的计算和构造规定

4、；F增加了有关钢箱梁、钢管结构、钢塔、防护及维护设计的相关规定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲53 公路钢结构桥梁设计规范目录F1总则1F2术语和符号22.1 术语 22.2 主要符号3F3材料及设计指标 73.1 材料 73.2设计指标9F4结构分析 154.1结构分析模型154.2结构变形、强度与稳定计算152015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲6 公路钢结构桥梁设计规范目录F5 构件设计 175.1 一般规定175.2 轴心受力构件255.3受弯构件265.4拉弯、压弯构件3

5、35.5抗疲劳设计 34F6 连接的构造和计算406.1一般规定406.2焊接连接406.3栓、钉连接 472015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲74 公路钢结构桥梁设计规范目录F7 钢板梁 547.1 一般规定547.2翼缘 547.3 腹板 557.4 纵横向联结系 57F8 钢箱梁 588.1 一般规定588.2正交异性钢桥面板 588.3翼缘板598.4腹板 608.5横隔板602015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲8 公路钢结构桥梁设计规范目录F9钢桁梁 619.1一般规定61

6、9.2杆件 619.3节点板629.4联结系64F10 钢管结构6510.1 一般规定 6510.2 构造要求 6710.3计算规定 702015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲95公路钢结构桥梁设计规范目录F11 钢-混凝土组合梁7311.1 一般规定 7311.2 承载能力极限状态计算 7411.3 正常使用极限状态计算 7511.4 连接件设计7611.5构造78F12 钢塔 8012.1 一般规定 8012.2 构造要求 80F13 缆索系统8213.1 一般规定 8213.2 结构设计 822015-11-6 苏州Tongji Un

7、iversity, Wu Chong 同济大学吴冲10 公路钢结构桥梁设计规范目录F14钢桥面铺装85F15防护及维护设计87F16 支座与伸缩装置8916.1 支座8916.2 伸缩装置 912015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲116 公路钢结构桥梁设计规范目录F附录A轴心受压构件整体稳定折减系数 92F附录B受压加劲板的弹性屈曲系数98F附录C疲劳细节101F附录D 损伤等效系数计算方法 116F附录E节点板撕裂强度、剪应力和法向应力验算 119 F附录F 组合梁翼缘有效宽度计算 121F本规范用词用语说明123F附件公路钢结构桥梁设

8、计规范JTG D64-2015条文说明 1252015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲12 1. 前言F公路钢桥的破坏形式：强度刚度脆性断裂稳定疲劳腐蚀2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲137 2. 强度F 强度破坏整体破坏：截面的平均应力达到屈服点fy，截面应变迅速增加最后导致结构破坏（变形过大或断裂）受拉构件屈服塑性变形强化断裂受弯、边缘屈服塑性铰内力重分布弯拉构件塑性铰形成机构（不稳定）倒塌2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴

9、冲14 2. 强度强度破坏受拉件屈服塑性变形强化断裂2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲158 2. 强度F 强度破坏局部破坏：指截面的局部范围的应力达到屈服点fy，局部范围应变迅速增加最后导致局部结构破坏（局部变形过大或断裂）2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲16 3. 稳定F 钢结构稳定按力学角度分：弹性屈曲稳定（第一类稳定）和弹塑性极值稳定（第二类稳定）按失稳破坏范围分：整体失稳和局部失稳整体失稳：桥梁主要承重结构失稳，结构整体丧失承载能力2015-11-6 苏州Tongji

10、 University, Wu Chong 同济大学吴冲179 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲18 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲1910 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲20 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲2111 3. 稳定F 钢结构稳定局部失稳：指桥梁

11、次要构件或构件中的局部板件失稳，结构失稳后不一定完全丧失承载能力2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲22 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲2312 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲24 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲2513 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji U

12、niversity, Wu Chong 同济大学吴冲26 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲2714 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲28 3. 稳定F 钢结构稳定2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲2915 4.疲劳F 钢结构疲劳：在反复荷载作用下，钢材应力低于极限强度时发生的破坏现象初始缺陷、裂纹或应力集反复荷载作用下构件断裂中等局部位置形成裂纹不断裂纹扩展2015-11

13、-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲30 4.疲劳F E:纵向加劲肋的连接焊缝的疲劳裂缝2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲3116 4.疲劳F 钢结构疲劳破坏现象纵横梁连接疲劳2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲32 4.疲劳F 钢结构疲劳破坏现象桁架节点疲劳破坏2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲3317 4.疲劳F 钢结构疲劳破坏现象耳板节点疲劳破坏刚性吊杆节点疲劳破坏桥墩节点疲劳

14、破坏钢管相贯节点疲劳破坏2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲34 4.疲劳F 钢结构疲劳破坏现象主梁盖板连接疲劳破坏牛腿截面变化处疲劳破坏支座处主梁疲劳破坏2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲3518 4.脆性断裂F 脆性断裂：在很小的外荷载应力甚至没有外荷载的情况下，钢结构焊缝处出现的断裂破坏现象1.结构内部的微小裂纹 2.严重的应力集中和较大的残余拉应力3.材料韧性差4.焊接时预热不够5.刚度大,无法释放残余应力某容器的脆性断裂破坏脆性断裂破坏的研究还很不充分，钢桥设计中主要是应

15、该选用具有良好冲击韧性的钢材，避免采用约束大的焊接构造细节，焊接中进行必要的预热，避免过大的焊接层间温差2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲36 4.脆性断裂F 脆性断裂破坏2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲3719 4.脆性断裂F 脆性断裂破坏2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲38 4.脆性断裂F 脆性断裂破坏2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲3920 5.腐蚀F

16、钢结构腐蚀：金属处于大气环境，空气中相对湿度大于一定数值时，在金属形成水膜，空气中水分在金属表面吸附凝聚及溶有空气中污染物，表面水膜（电解质膜）层下金属发生电化学腐蚀钢桥的腐蚀破坏1.阻止形成防腐的条件：涂装和防止钢材表明接触空气或降低空气的湿度。2.阴极保护作用：防腐底漆中添加锌粉、铝粉形成富锌（铝）涂料、热喷涂技术将锌铝喷涂在钢材表面或采用镀锌技术3.保证结构的可维护性、避免容易积水和尘灰堆积的构造细节2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲40公路钢结构桥梁设计规范的强度与稳定计算要点2015-11-6 苏州Tongji Univers

17、ity, Wu Chong 同济大学吴冲4121 钢桥设计一般要求与基本原则F 功能性根据交通量荷载合理确定桥梁纵断面、平面、横断面交通组织设计确保交通安全使用性能F 安全性确保桥梁结构的强度、刚度、稳定、疲劳、防腐等要求F 经济性选择合理的结构形式，施工方法，使得造价最低F 美观性桥梁与环境相适应，桥梁结构比例协调，景观亮化F 施工性有足够的制作空间，便于自动化施工便于运输和安装F 养护（耐久）性有检修通道，可以涂装便于维修与更换2015-11-6 苏州同济大学吴冲 Tongji University, Wu Chong42 1.公路钢结构桥梁极限状态F承载能力极限状态包括构件和连接的强度破

18、坏、结构、构件丧失稳定及结构倾覆按承载能力极限状态设计要求计算作用设计值效应的基本组合，组合表达式中的作用采用标准值，并乘以作用分项系数各种作用的分项按现行公路桥涵设计通用规范（JTG D60）的规定取用F正常使用极限状态包括影响结构、构件正常使用的变形、振动及影响结构耐久性的局部损坏；采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值（频遇值系数取为1.0）的计算挠度值F疲劳极限状态按疲劳设计荷载计算无限寿命设计：应力幅小于S-N曲线的截止应力幅有限寿命设计：基于S-N曲线和应力幅的线性累计损伤准则2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲4322 1.公路

19、钢结构桥梁极限状态F 验算内容承载能力极限状态u截面极限强度：基本组合u构件整体稳定：基本组合u板件局部稳定：构造控制考虑局部稳定的有效截面折减系数u倾覆稳定：u疲劳：疲劳荷载模型（疲劳车）正常使用极限状态u挠度：短期效应组合（标准组合），汽车荷载不计冲击系数u构件容许最大长细比u（组合梁）混凝土结构抗裂：短期效应组合，汽车荷载不计冲击系数2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲44 2.作用效应组合：承载能力极限状态F 基本组合: 永久作用设计值效应与可变作用设计值效应相组合承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值：Sudmng 0

20、Sud = g 0 g Gi SGik + g Q1SQ1k + fc g Qj SQjk i=1j=2g0：结构重要性系数，1.1,1. 0, 0.9gGi , SGik ：第i个永久作用效应的分项系数 和标准值； gGi =1.2 (1.0)gQ1 , SQ1k ：汽车荷载效应（含冲击力、离心力）的分项系数和标准值；gQ1 =1.4 gQj , SQjk ：除汽车荷载外的其它可变作用效应的分项系数 和标准值；u 风荷载: gQj =1.1; u 其它： gQj =1.4fc ：除汽车荷载效应外的其它可变作用效应的组合系数u 永久汽车人群（或其它一种可变作用）： fc =0.8u 永久汽车其

21、它两种可变作用： fc =0.7u 永久汽车其它三种可变作用： fc =0.6u 永久汽车其它四种或四种以上可变作用： fc =0.5F 偶然组合: 永久作用标准值效应与可变作用代表值效应和一种偶然作用标准值效应组合偶然作用效应的分项系数取1.02015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲4523 2.作用效应组合：正常使用极限状态F 短期组合：永久作用标准值效应与可变作用 F 长期组合：永久作用标准值效应与可频遇值效应相组合变作用准永久值效应相组合作用短期效应组合设计值：Ssd作用长期效应组合设计值：SldmnmnS sd = S Gik +

22、f1 j SQjkSld = SGik + f2 j SQjki =1j=1i=1j=1SGik ：第i个永久作用效应的标准值； SQjk ：第j个可变作用效应的标准值f1j：第j个可变作用频遇值系数u 汽车（不计冲击）：f1j =1.0 (通规0.7)u 人群： f1j =1.0u 风： f1j =0.75u 温度梯度： f1j =0.8u 其它作用： f1j =1.0F 标准组合：永久作用标准值效应与可变作用标准值效应相组合mnS kd = S Gik + SQjki =1j=1SGik ：第i个永久作用效应的标准值 SQjk ：第j个可变作用效应的标准值f2j：第j个可变作用准永久值系数

23、u 汽车（不计冲击）： f2j =0.4u 人群： f2j =0.4u 风： f2j =0.75u 温度梯度： f2j =0.8u 其它作用： f2j =1.02015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲462 材料及设计指标F 钢材牌号碳素结构钢GB/T 700 ：Q235钢低合金高强度结构钢GB/T 1591： Q345、Q390和Q420钢F 钢材等级当桥梁的工作温度t处于0t-20时u Q235和Q345：C级，冲击韧性应满足试验温度0的要求u Q390和Q420 ：D级，冲击韧性应满足试验温度-20的要求；当桥梁工作温度处于t-20时候

24、，u Q235和Q345 ：D级，冲击韧性应满足试验温度-20的要求u Q390和Q420 ：E级，冲击韧性应满足试验温度-40的要求。2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲47242 材料及设计指标F 冲击韧性钢材牌号质量等级试验温度（）冲击韧性（J）Q235C027D-2027C034Q345D-2034E-4027C034Q390D-2034E-4027C034Q420D-2034E-40272015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲482 材料及设计指标F 钢材设计指标： fd=fy

25、/1.25钢材抗拉、抗压和抗弯抗剪端面承压（刨平顶紧）牌号厚度(mm)fdfvdfcd16190110280Q235钢164018010540100170100162751601640270155355Q345钢406326015063802501458010024514016310180Q390钢164029517037040632801606310026515016335195Q420钢16403201853904063305175631002901652015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲4925 3. 截面分类与设计理论F 欧洲规范

26、：分为四类Class 1 cross-sections：1类（全截面塑性）u Can form a plastic hinge with the rotation capacity required from plastic analysis without eduction of the resistance.Class 2 cross-sections：2类（截面部分塑性）u Can develop their plastic moment resistance, but have limited rotation capacity because of local buckling.Cl

27、ass 3 cross-sections ：3类（边缘屈服，弹性理论）u The stress in the extreme compression fibre of the steel member assuming an elastic distribution of stresses can reach the yield strengthu Local buckling is liable to prevent development of the plastic moment resistance.Class 4 cross-sections ：4类（局部稳定控制设计，弹性理论）u

28、Local buckling will occur before the attainment of yield stress in one or more parts of the cross-section.2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲50 3. 截面分类与设计理论F塑性设计法板的宽厚比（EuroCode）2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲5126 3. 截面分类与设计理论F塑性设计法板的宽厚比（EuroCode）2015-11-6 苏州Tongji Universit

29、y, Wu Chong 同济大学吴冲52 3. 截面分类与设计理论F塑性设计法板的宽厚比（EuroCode）2015-11-6 苏州Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲5327 3. 截面分类与设计理论F 塑性设计法（ 1类、2类截面）板的宽厚比（1类截面）：翼缘板b 9235= 7.2345u 钢板梁：b=200400mm, t=2757mmtf yfy问题：钢板太厚！浪费！u 箱梁（槽形梁） ：b=20006000mm, t=81242问题：钢板太厚，必须设加劲肋！欧规不适用！b 30235= 24.8345fytf y板的宽厚比（1类截面）：腹板h0235345u 钢梁高：h=L/15L/22, 72= 59.2fyu L=20100m