組合鋼板梁橋設(shè)計(jì)及計(jì)算

組合鋼板梁橋設(shè)計(jì)及計(jì)算一、組合鋼板梁橋主要內(nèi)容1、組合梁與非組合梁在力學(xué)上的相異點(diǎn)2、組合鋼板梁的分類(lèi)及其特點(diǎn)3、組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀及其發(fā)展4、鋼板梁5、鋼板梁6、梁與混凝土橋面板的連接7、連續(xù)組合鋼板梁橋二、組合梁與非組合梁組合梁與非組合梁在力學(xué)上的相異點(diǎn)三、組合梁的分類(lèi)及其特點(diǎn)組合梁的定義：當(dāng)鋼梁與混凝土橋面板之間用連接件接合在一起，兩者間不能自由發(fā)生相對(duì)滑移、共同承擔(dān)縱橋向彎矩時(shí)，稱(chēng)為組合梁。組合鋼板梁的定義：是指用3塊鋼板焊接成截面為I形鋼梁的組合梁。四、組合梁連接剛度分類(lèi)剛性組合梁：梁板接合面上使用的是剛性連接件，兩者間不發(fā)生相對(duì)滑移，截面應(yīng)變變化連續(xù)，平截面假定成立，計(jì)算比較簡(jiǎn)單。彈性組合梁：梁板接合面上使用的是彈性連接件，允許兩者間發(fā)生一定程度的相對(duì)滑移，截面應(yīng)變變化不連續(xù)，計(jì)算比較復(fù)雜。柔性組合梁：梁板接合面上使用的是柔性連接件，允許兩者間發(fā)生相當(dāng)程度的相對(duì)滑移，截面應(yīng)變變化不連續(xù)，計(jì)算比較復(fù)雜。圖3剛度不同時(shí)相對(duì)滑移量的分布五、組合梁的施工方法分類(lèi)活荷載組合梁：不用腳手架施工、直接在鋼梁上拼裝模板、澆筑混凝土橋面板時(shí)，鋼梁及其橋面板等前期死荷載由鋼梁承擔(dān)，而路面鋪裝等比較小的后期死荷載由混凝土橋面板已經(jīng)硬化的組合梁承擔(dān)，即承擔(dān)后期死荷載及其活荷載的組合梁。死活荷載組合梁：用腳手架施工、在橋面板完全硬化后撤除腳手架時(shí)，鋼梁、橋面、路面鋪裝等死荷載都由組合梁承擔(dān)，即承擔(dān)所有死荷載與活荷載的組合梁。六、組合梁結(jié)構(gòu)體系分類(lèi)簡(jiǎn)支組合梁：簡(jiǎn)支組合梁的鋼梁下翼緣承受拉應(yīng)力，而混凝土橋面板可以設(shè)計(jì)成僅僅承受壓應(yīng)力，完全沒(méi)有拉應(yīng)力作用。連續(xù)組合梁：連續(xù)組合梁在橋墩上受到很大的負(fù)彎矩作用，其橋面板如何承受拉應(yīng)力、防止發(fā)生有害裂縫是一個(gè)未完全解決的課題。七、組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀與發(fā)展非組合鋼板梁橋：橫撐、豎撐，加勁肋等輔助構(gòu)件很多組合鋼板梁橋—?dú)W洲設(shè)計(jì)上的變遷組合鋼板梁橋—日本設(shè)計(jì)上的變遷采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，減少主梁根數(shù)；不設(shè)或少設(shè)橫撐、腹板加勁肋；維護(hù)容易，造價(jià)大幅度降低。組合鋼板梁橋的發(fā)展趨勢(shì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，減少主梁根數(shù)；對(duì)承重體系加以改進(jìn)，不設(shè)或少設(shè)橫撐、腹板加勁肋；采用高強(qiáng)鋼材、輕質(zhì)或鋼纖維混凝土等新型建筑材料；推廣使用耐候鋼，節(jié)省防銹等維護(hù)費(fèi)用；用等高或連續(xù)變截面壓延鋼板翼緣，代替多層或間斷變截面鋼板翼緣；實(shí)行多跨連續(xù)，少設(shè)或不設(shè)伸縮縫；使用橡膠支座，使各橋墩減少水平地震荷載；把鋼梁與混凝土橋墩剛接，節(jié)省支座維護(hù)費(fèi)用。八、鋼板梁組合鋼板梁的承載性能--屈曲形式圖6鋼板梁屈曲形式非組合鋼板梁的承載性能—防止屈曲失穩(wěn)的措施腹板的局部屈曲：加大腹板厚度、設(shè)橫縱向加勁肋壓縮翼緣的豎向屈曲：限制腹板寬度與厚度比壓縮翼緣的扭轉(zhuǎn)屈曲：限制翼緣寬度與厚度比梁整體橫向屈曲：調(diào)整翼緣與腹板截面積的比，設(shè)豎向橫撐九、組合鋼板梁組合鋼板梁的承載性能—承載性能方面的特點(diǎn)在彎矩作用區(qū)間，中性軸位置向橋面板側(cè)上移，終局時(shí)鋼梁截面壓縮區(qū)范圍很小，可以不設(shè)縱向加勁肋。彎矩作用區(qū)間，即使把橫向加勁肋的間距增大、即縱橫比加大到a=3，還有增大腹板高厚比的余地。組合鋼板梁試件的最大荷載，與把截面假定完全塑性狀態(tài)算出的抗彎承載力較接近，能夠發(fā)揮密實(shí)截面的承載性能。在組合鋼板梁的剪力作用較大區(qū)間，腹板屈曲后的剪切強(qiáng)度很難提高，還不宜加大縱橫比或減小腹板厚度的限值。組合鋼板梁橋面板的混凝土、鋼筋能夠承擔(dān)一部分剪力，其抗剪承載力比純鋼板梁大約增大16%。以2主梁橋?yàn)槔匿摪辶涸O(shè)計(jì)要點(diǎn)在組合鋼板梁的彎矩作用區(qū)間，中性軸位置向橋面板側(cè)上移，終局時(shí)鋼梁截面壓縮區(qū)范圍很小，可以不設(shè)縱向加勁肋。這種情況下，如果鋼板梁腹板厚度過(guò)大，設(shè)置一列縱向加勁肋、使腹板厚度統(tǒng)一起來(lái)是可行的。正彎矩區(qū)的鋼板梁受到的剪力較小，再加上由于省略縱向加勁肋后鋼板變厚、剪應(yīng)力相對(duì)地減小。為此，橫向加勁肋的縱橫比可以加大到a=3，即橫梁之間不設(shè)置橫向加勁肋是可能的。但是中間橋墩附近等剪力較大的區(qū)間，橫向加勁肋的間距還有待進(jìn)一步研究。伴隨著鋼板翼緣及其混凝土橋面板的厚度都相應(yīng)增大，翼緣受到橋面板的約束及其腹板受到翼緣的約束都變大，屈曲強(qiáng)度也增大。在組合鋼板梁的正彎矩作用區(qū)間，即使把橫向加勁肋的間距增大、即縱橫比加大到a=3，還有增大腹板高厚比的余地，其上限可以設(shè)為h0/tw=180。以2主梁橋?yàn)槔臋M梁布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)將橫梁布置在橫斷面上部比布置在中部，主梁下翼緣的水平位移與彎曲應(yīng)力大約高出5倍、3倍，當(dāng)布置在下部時(shí)進(jìn)一步減小?？紤]到橋面板等的施工，把橫梁布置在橫斷面中部或稍微偏下的位置比較妥當(dāng)。橫梁間距越大，下翼緣的水平位移也越大，但是，即使是間距大到30m其位移也未達(dá)到3mm，反而橋墩附近的彎曲應(yīng)力隨之減小。調(diào)查已建橋梁可知，橫梁間距大致在5~10m，而橋墩附近即負(fù)彎矩作用區(qū)一般都比較小，大致為5m。橫梁截面剛度越大其位移也減小。調(diào)查已建橋梁可知，橫梁一般都使用I形鋼，基本上依據(jù)施工時(shí)的荷載及其安定性來(lái)決定截面尺寸。但同時(shí)為了防止負(fù)彎矩區(qū)的鋼梁整體橫向屈曲，要確保橫梁的截面剛度。為了防止鋼梁整體橫向屈曲，要保證橫梁與橫向加勁肋構(gòu)成的U形剛構(gòu)具有一定的剛度，特別要驗(yàn)算支座上的U形剛構(gòu)的剛度，確保由橋面板傳來(lái)的橫向荷載有效地傳給支座。橫梁在使用荷載作用下的應(yīng)力極其小，與主梁接合部的疲勞問(wèn)題不突出，接合方式等可以考慮施工性來(lái)決定。要考慮橫梁在施工時(shí)的作用進(jìn)行設(shè)計(jì)，兼作橋面板施工的支架等等。十、橋面板橋面板的分類(lèi)與特點(diǎn)混凝土橋面板鋼橋面板鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)橋面板十一、混凝土橋面板混凝土橋面板：現(xiàn)澆，預(yù)制；預(yù)應(yīng)力，非預(yù)應(yīng)力；直線(xiàn)底面型，曲線(xiàn)底面型；固定支架施工，移動(dòng)支架施工。現(xiàn)澆橋面板的早期裂縫的特點(diǎn)施加預(yù)應(yīng)力之前，后澆混凝土段接縫附近橋面底板產(chǎn)生斜裂縫后澆混凝土的約束所致。施加預(yù)應(yīng)力之后，后澆混凝土段的橋面底板產(chǎn)生橫向裂縫預(yù)應(yīng)力、支架移動(dòng)、鋼板梁約束所致。施加預(yù)應(yīng)力一段時(shí)間后，在橫梁正上方橋面底板產(chǎn)生橫向裂縫預(yù)應(yīng)力鋼筋偏心配置后，橋面板上拱，同時(shí)主梁上翼緣受到橫梁與橫向加勁肋的約束而不能隨橋面板協(xié)調(diào)變形，使橫梁正上方的連接件受拉，從而在橫向預(yù)應(yīng)力作用發(fā)生橫向裂縫。現(xiàn)澆橋面板的早期裂縫的預(yù)防抑制混凝土發(fā)熱量：盡可能減少水泥單位用量，或使用發(fā)熱小的水泥。要保持橋面板上面的濕度，加強(qiáng)保溫，下面盡可能采用木制模板。添加適量膨脹劑：一般伴隨著降溫，混凝土?xí)l(fā)生體積縮小，通過(guò)使用膨脹劑能夠某種程度地抑制體積縮小。分級(jí)施加預(yù)應(yīng)力：可考慮在初期階段，將預(yù)應(yīng)力僅施加能夠保證支架移動(dòng)的部分，其余的待混凝土完全硬化后再施加。固定支架澆灌：支架移動(dòng)所引起的應(yīng)力加劇了早期裂縫的發(fā)生，將移動(dòng)支架改為固定支架澆灌混凝土也是可以選擇的施工方法之一。增加鋼筋用量：鋼筋用量的增加一般不會(huì)直接防止裂縫的發(fā)生，但是會(huì)減小裂縫寬度及其間距。為此，可以采取在鋼板梁上方沿著縱向配置中段鋼筋，在接縫附近增加橫向鋼筋等措施。適當(dāng)?shù)卦O(shè)置連接件：防止橫梁正上方的橋面底板產(chǎn)生橫向裂縫的方法之一，是要在橫梁處正上方合理設(shè)置連接件。現(xiàn)澆橋面板的損壞機(jī)理橋面板的收縮變形受到鋼板梁的約束，在施工階段就可能產(chǎn)生了沿著縱橋向的附加拉應(yīng)力，甚至出現(xiàn)了肉眼觀察不到的微細(xì)裂縫。通行后的車(chē)輛荷載引起的拉應(yīng)力與早期發(fā)生的拉應(yīng)力合成，就會(huì)在橋面板底面產(chǎn)生橫向裂縫，如圖(a)所示。隨著車(chē)輛荷載的長(zhǎng)期作用，產(chǎn)生縱向裂縫后形成縱橫交錯(cuò)的形狀，并貫通到橋面板上表面，如圖(b)所示。伴隨著裂縫面間骨料咬合力的喪失，橋面板的抗剪性能逐漸降低，產(chǎn)生更多裂縫，如圖(c)所示。當(dāng)車(chē)輛荷載超過(guò)其抗剪強(qiáng)度后，混凝土就開(kāi)始脫落而損壞，如圖(d)所示。一般認(rèn)為導(dǎo)致最終的破壞是剪切疲勞。預(yù)制橋面板的技術(shù)特點(diǎn)從現(xiàn)澆混凝土橋面板的損壞過(guò)程可以認(rèn)識(shí)到，損壞一般起因于非荷載作用所引起的裂縫，要確保其耐久性就必須對(duì)早期裂縫的發(fā)生加以防止。預(yù)制橋面板在澆灌后到鋪設(shè)，都放置一定的期間加以養(yǎng)護(hù)，其水合熱引起的溫度應(yīng)變及其干燥收縮變形都未受到外界的約束，產(chǎn)生的應(yīng)力極小，預(yù)制橋面板的推廣使用很有必要。當(dāng)預(yù)制橋面板單向配筋、既僅在橋梁橫向配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的情況下，即使已出現(xiàn)裂縫其裂縫面間的磨損速度也大幅下降。僅在橋梁橫向配置預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)制橋面板不僅可以防止早期裂縫的發(fā)生，而且其抗疲勞強(qiáng)度也大幅度提高，當(dāng)然采用雙向配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的話(huà)其性能將更加被改善。預(yù)制橋面板的接縫形式摩擦型一般在橋梁縱向施加預(yù)應(yīng)力時(shí)使用的形式之一，彎矩由預(yù)應(yīng)力鋼筋負(fù)擔(dān)，而剪力假設(shè)由兩者間的摩擦負(fù)擔(dān)。接縫間涂上膠結(jié)劑，達(dá)到防水的目的。剪力鍵型在兩塊板的接合面上做成槽形，并填充砂漿，使其發(fā)揮剪力鍵的功能。填充的砂漿要確保不會(huì)收縮，有時(shí)使用無(wú)收縮砂漿或加入若干膨脹劑。與摩擦型類(lèi)似，無(wú)需繁雜的施工工序，一般在橋梁縱向施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)制橋面板的接縫形式環(huán)形鋼筋型在間距很大的接縫中，把兩塊板的鋼筋各自做成環(huán)形并相互交錯(cuò)，然后填充混凝土。橋梁縱向無(wú)需施加預(yù)應(yīng)力，基本上具有與橋面板同等的強(qiáng)度性能。鋼管鍵型把填充砂漿了的方鋼管作為剪力鍵，并在接縫之間灌注能夠防水的樹(shù)脂。用到橋梁縱向未施加預(yù)應(yīng)力的人行天橋橋面板上后，未發(fā)現(xiàn)漏水等事故，非常完好。十二、組合結(jié)構(gòu)橋面板組合結(jié)構(gòu)橋面板用焊釘、彎折鋼板、鋼管等等都可以作為連接件的連接件型組合。格構(gòu)型組合板是用型鋼代替一部分鋼筋然后澆灌混凝土，一般用較薄的鋼板作為底模板并構(gòu)成一體。用開(kāi)孔鋼板連接件夾層式組合十三、鋼板梁與混凝土橋面板的連接組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—橋面板的有效寬度主梁Ga與Gb之間的橋面板截面內(nèi)應(yīng)力s(y)在主梁上成為最大、即達(dá)到smax，越到跨中變得越小，通常將這一現(xiàn)象稱(chēng)為剪力滯。精確計(jì)算是比較復(fù)雜的，一般用橋面板有效寬度考慮。橋面板有效寬度：假設(shè)橋面板跨中某寬度的截面是不發(fā)揮作用的，僅某寬度λ范圍內(nèi)的截面承擔(dān)荷載。即有效寬度依據(jù)應(yīng)力分布面積相等，用下式計(jì)算：有效計(jì)算模式組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—截面分力法將截面上作用的彎矩M分解成，分別作用在鋼梁與橋面板截面上的彎矩Ms、Mc及其軸力Ns、Nc。即采用截面分力法，依據(jù)梁理論，橋面板上、下緣及其鋼板梁上、下緣的應(yīng)力用下列各式計(jì)算。組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—荷載引起的截面力作用力平衡式、截面轉(zhuǎn)角及其軸向變形條件式為：依此可以推導(dǎo)出Ms、Mc、Ns、Nc的計(jì)算式為：組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—徐變引起的截面力組合梁在彎矩M的作用下，混凝土橋面板截面上分擔(dān)了彎矩Mc及其軸力Nc。當(dāng)橋面板不受到鋼梁約束時(shí)，其截面中性軸上會(huì)因徐變而自由地產(chǎn)生應(yīng)變e1（圖b）；當(dāng)使橋面板的截面返回到當(dāng)初的應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，施加的拉力為N1（圖c）實(shí)際上橋面板受到了約束而必須與鋼梁的變形保持協(xié)調(diào)，為此將拉力N1釋放，因徐變其組合截面上產(chǎn)生軸力N1及其彎矩M1，由下式計(jì)算。Φ1為徐變系數(shù)。組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—干燥收縮引起的截面力收縮變形與徐變一樣也是混凝土所特有的性質(zhì)，伴隨著收縮變形徐變也發(fā)生，且徐變系數(shù)j2比持續(xù)荷載作用下的j1大許多，j2=2j1。則混凝土的彈性模量為Ec2=Ec/(1+j2/2)，與此相對(duì)應(yīng)，彈性模量比為n2=n(1+j2/2)。當(dāng)橋面板不受到鋼梁約束時(shí)，其截面中性軸上會(huì)因收縮變形而自由地產(chǎn)生應(yīng)變e2；當(dāng)使橋面板的截面返回到當(dāng)初的應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，施加的拉力為N2。因收縮變形，組合截面上產(chǎn)生軸力N2及其彎矩M2由下式計(jì)算。組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—溫差引起的截面力在鋼板梁與橋面板間的連接件時(shí)溫差的影響也不容忽視。即使對(duì)于簡(jiǎn)支梁體系，鋼梁與混凝土橋面板的溫度升降不同（導(dǎo)熱率不同），兩者間必然產(chǎn)生溫差DT，可以不考慮徐變的影響，即混凝土的彈性模量不因溫差而改變。設(shè)鋼材與混凝土的熱膨脹系數(shù)都為a，因溫差組合截面上產(chǎn)生軸力N3及其彎矩M3為:當(dāng)求出由徐變、收縮及其溫差引起的組合截面作用力后，計(jì)算橋面板上、下緣及其鋼板梁上、下緣的應(yīng)力,并與荷載作用下的應(yīng)力相組合加以驗(yàn)算。組合梁截面應(yīng)力計(jì)算—應(yīng)力驗(yàn)算當(dāng)求出由徐變、收縮及其溫差引起的組合截面作用力后，計(jì)算橋面板上、下緣及其鋼板梁上、下緣的應(yīng)力,并與荷載作用下的應(yīng)力相組合加以驗(yàn)算。設(shè)某組合截面梁上作用彎矩M=1500kNm，收縮應(yīng)變?yōu)閑2=20×10-5，溫差為DT=10℃，組合截面上由徐變、收縮及其溫差引起的應(yīng)力分布為：連接件上剪切作用力的計(jì)算—荷載作用時(shí)在剪力S作用下，鋼板梁與橋面板間單位長(zhǎng)度上作用的縱向剪力的計(jì)算連接件上剪切作用力的計(jì)算—徐變、收縮、溫差的影響由徐變、收縮、溫差產(chǎn)生的鋼梁與橋面板間剪力一般在梁端部最大，離梁端越遠(yuǎn)即達(dá)到某個(gè)長(zhǎng)度lh時(shí)幾乎為零，假設(shè)剪力分布為三角形，a為主梁間距，L為跨度。由徐變、收縮及其溫差引起的橋面板上作用的軸力求出之后，鋼板梁與橋面板間單位長(zhǎng)度上的縱向水平剪力用下式計(jì)算：當(dāng)求出由徐變、收縮及其溫差引起的，鋼板梁與橋面板間單位長(zhǎng)度上的縱向水平剪力后，并與荷載作用下的剪力相組合，加以驗(yàn)算連接件的數(shù)量。十四、連續(xù)組合鋼板梁連續(xù)組合梁的分類(lèi)--按照負(fù)彎矩區(qū)組合梁設(shè)計(jì)方法分類(lèi)連續(xù)組合梁在跨中附近即正彎矩作用下，截面拉伸區(qū)是抗拉強(qiáng)度高的鋼材板、壓縮區(qū)是抗壓強(qiáng)度高的混凝土橋面板，組合后性能進(jìn)一步得到了提高。在橋墩附近受到很大的負(fù)彎矩作用，截面拉伸區(qū)是橋面板、壓縮區(qū)是鋼板，不僅兩種材料的性能未能有效地發(fā)揮，而且橋面板處于最不利受力位置。根據(jù)對(duì)負(fù)彎矩區(qū)橋面板的性能要求，可以分成不允許拉應(yīng)力發(fā)生、不允許裂縫產(chǎn)生、限制裂縫寬度的3種設(shè)計(jì)方法。如果繼續(xù)細(xì)分的話(huà)，又可以分成在包括活荷載、及其不包括活荷載的荷載組合下，不允許拉應(yīng)力或裂縫發(fā)生。在不采取任何措施的情況下，負(fù)彎矩區(qū)橋面板發(fā)生裂縫是不可避免的，問(wèn)題是要確保裂縫寬度不要發(fā)展到有害的程度是設(shè)計(jì)原則。連續(xù)組合梁的分類(lèi)--按照負(fù)彎矩區(qū)是否沿著縱向施加預(yù)應(yīng)力分類(lèi)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋法依據(jù)PC鋼材直接給橋面板施加預(yù)應(yīng)力，可以在橋面板與