钢板梁桥设计例(日本例题).pdf
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钢板梁桥设计例(日本例题).pdf
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钢板梁桥的设计钢板梁桥的设计跨径在跨径在1025米的梁桥,采用单一成形的米的梁桥,采用单一成形的H型钢就行。
超过此跨径的桥梁,单一构件不再适用,而需要采用由适当尺寸的钢板组合而成的钢板梁。
其断面形式有:
形断面、型钢就行。
超过此跨径的桥梁,单一构件不再适用,而需要采用由适当尺寸的钢板组合而成的钢板梁。
其断面形式有:
形断面、形断面、箱形断面等。
这里以最基本的形断面为例,讲解简支钢板梁桥的计算。
形断面、箱形断面等。
这里以最基本的形断面为例,讲解简支钢板梁桥的计算。
计算要点计算要点主梁断面的设计主梁断面的设计-根据设计弯矩假定断面尺寸,计算此断面的弯曲应力、剪应力,重新确定断面;主梁的断面变化根据设计弯矩假定断面尺寸,计算此断面的弯曲应力、剪应力,重新确定断面;主梁的断面变化-知道断面变化的原因,了解断面变化和抵抗弯矩;主梁的联接知道断面变化的原因,了解断面变化和抵抗弯矩;主梁的联接-着眼于母材的应力分布,用高强螺栓、摩擦结合方式进行设计;加劲肋的设计着眼于母材的应力分布,用高强螺栓、摩擦结合方式进行设计;加劲肋的设计-知道加劲肋的意义,将其作为“柱”进行长细比的计算,根据支持反力可以决定断面尺寸。
知道加劲肋的意义,将其作为“柱”进行长细比的计算,根据支持反力可以决定断面尺寸。
1、构造和设计流程、构造和设计流程简支钢梁桥的设计流程:
简支钢梁桥的设计流程:
(1)设计条件
(1)设计条件跨径、幅宽、活荷载、钢材种类、甲方的要求等跨径、幅宽、活荷载、钢材种类、甲方的要求等
(2)初步设计
(2)初步设计根据设计条件确定个构件的大概尺寸。
初步设计中,最重要的是确定主梁间距。
根据设计条件确定个构件的大概尺寸。
初步设计中,最重要的是确定主梁间距。
(3)桥面板的设计(3)桥面板的设计桥面板的设计中,最重要的是确定面板厚度和钢筋量。
桥面板的设计中,最重要的是确定面板厚度和钢筋量。
(4)主梁的设计(4)主梁的设计主要确定主梁的断面、断面变化、联接、加劲肋等。
主要确定主梁的断面、断面变化、联接、加劲肋等。
(5)横梁(横联)的设计(5)横梁(横联)的设计(6)下平纵联的设计(6)下平纵联的设计平纵联主要是为了抵抗风荷载等横向荷载而设置,所以平纵联设置在边梁的内侧。
一般采用角钢。
平纵联主要是为了抵抗风荷载等横向荷载而设置,所以平纵联设置在边梁的内侧。
一般采用角钢。
分为“端横梁(联)分为“端横梁(联)”和“中横梁(联)和“中横梁(联)”两种,能使桥梁成为一个整体。
主要采用桁架形式,构件采用槽钢或角钢两种,能使桥梁成为一个整体。
主要采用桁架形式,构件采用槽钢或角钢(7)支承的设计(7)支承的设计根据支点反力(剪力)设计。
根据支点反力(剪力)设计。
2、设计条件:
、设计条件:
(2)活荷载:
与道路等级有关
(2)活荷载:
与道路等级有关
(1)桥型:
主要根据跨径决定;
(1)桥型:
主要根据跨径决定;(3)桥梁尺寸:
跨径(由施工场地决定)和幅宽(与道路等级有关)的确定(3)桥梁尺寸:
跨径(由施工场地决定)和幅宽(与道路等级有关)的确定(4)使用的材料、材质:
主要包括钢材和水泥(4)使用的材料、材质:
主要包括钢材和水泥(5)采用的规范(5)采用的规范形式跨径形式跨径(m)简支梁桥简支梁桥2040连续梁桥连续梁桥4070桁梁桥桁梁桥50100斜拉桥斜拉桥100180拱桥拱桥80160悬索桥悬索桥140450
(1)主梁及其他的间距
(1)主梁及其他的间距主梁间隔由桥面板的跨径决定。
主梁间隔大,桥面板增厚,会导致恒载的增加;主梁间隔小,会导致主梁根数的增加。
主梁间隔由桥面板的跨径决定。
主梁间隔大,桥面板增厚,会导致恒载的增加;主梁间隔小,会导致主梁根数的增加。
3、初步设计:
、初步设计:
(2)横梁(横联)的间距
(2)横梁(横联)的间距(3)平纵联的间距(3)平纵联的间距(4)竖向加劲肋的间距(4)竖向加劲肋的间距(5)断面变化的位置(5)断面变化的位置(6)主梁联结的位置(6)主梁联结的位置主梁在工厂制作,然后运到工地组装。
因此首先要将主梁分段。
一般道路为12米一段。
现场联结位置要在强度有富余的位置处进行,要避开跨中位置。
而且要在竖向加劲肋的中央位置处联结。
主梁在工厂制作,然后运到工地组装。
因此首先要将主梁分段。
一般道路为12米一段。
现场联结位置要在强度有富余的位置处进行,要避开跨中位置。
而且要在竖向加劲肋的中央位置处联结。
4:
桥面板的设计:
桥面板的设计桥面板如下图所示,上面有铺装层,并直接受到车辆荷载的作用。
本设计例以边梁上的桥面板悬出部为例进行设计。
桥面板如下图所示,上面有铺装层,并直接受到车辆荷载的作用。
本设计例以边梁上的桥面板悬出部为例进行设计。
桥面板厚的算式当桥面板厚的算式当L0.25m时时h=80L+210(mm);当0L0.25m时h=280L+160(mm);当0L0.25m时h=280L+160(mm);
(1)作用于桥面板的弯矩
(1)作用于桥面板的弯矩作用于桥面板的荷载如下图所示,恒载有:
铺装层、桥面板、栏杆的自重;活荷载有:
T荷载的后轮重、冲击荷载以及作用于栏杆上的水平力。
作用于桥面板的荷载如下图所示,恒载有:
铺装层、桥面板、栏杆的自重;活荷载有:
T荷载的后轮重、冲击荷载以及作用于栏杆上的水平力。
mKNMd2762.34518.0695.065.03907.2595.040.041.05.243459.02/395.0395.02/160.0202.05.240878.02/395.0395.005.05.22栏杆:
栏杆座:
桥面板:
铺装:
包含了冲击荷载板主筋的计算用弯矩:
与行车方向垂直的桥面mKNLLPMTil0673.3325.0145.030.1145.010025.030.1mKNMH1275.32/202.005.010.15.2起的弯矩:
栏杆上作用的水平力引mmNmKNMMMMHild71095.34710.391275.30673.332762.3弯矩合计:
mmNmKNPLMTil71052.11750.1510013.0145.015.013.015.0配力筋采用的弯矩:
(2)桥面板断面的确定
(2)桥面板断面的确定断面决定的内容包括:
单宽钢筋量As的确定、假定板厚下的有效高d的确定。
断面决定的内容包括:
单宽钢筋量As的确定、假定板厚下的有效高d的确定。
bMCAbMCds21;ca(N/mm2)sa=140N/mm2sa=180N/mm2sa=200N/mm2C1C2C1C2C1C280.80010.010550.84920.007550.87290.0065590.73570.011610.77780.008330.79810.00724100.68350.012630.72010.009090.73790.00791日本规范规定:
钢筋采用标准筋径:
13、16、19等等。
钢筋间距在100300mm之间,不能超过桥面板的厚度。
断面的压缩侧钢筋量为受拉侧钢筋量的一半。
钢筋净保护层厚度为30mm以上。
日本规范规定:
钢筋采用标准筋径:
13、16、19等等。
钢筋间距在100300mm之间,不能超过桥面板的厚度。
断面的压缩侧钢筋量为受拉侧钢筋量的一半。
钢筋净保护层厚度为30mm以上。
mmbMCdCCmmNmmNmmNmmNmKNMsackcack15910001095.38001.001055.08001.0/140)3(/83/24)(1095.34710.39)(71212227;因此:
安全率为,混凝土绝对值设计用弯矩:
钢筋应力的计算省略主筋断面的确定假定桥面板厚假定桥面板厚202mm,保护层为,保护层为40mm,则如下图所示:
实际有效高则如下图所示:
实际有效高d=162mm,比比159mm大,安全。
大,安全。
净保护层。
钢筋隔一根配一根配置压缩侧钢筋按间距配置,则每延米,按选用mmmmDmmmmAmmDmmbMCAss305.302/1940192097229212519209710001095.301055.022272277217130110001052.101055.09910001052.18001.001055.08001.01052.1mmAmmdCCmmNMs;设计弯矩:
配力钢筋的计算:
如下图所示,实际有效高=144.5mm,用D16钢筋按150mm间隔配置。
As=1325mm如下图所示,实际有效高=144.5mm,用D16钢筋按150mm间隔配置。
As=1325mm221301mm1301mm22安全。
钢筋的拉应力安全。
力则混凝土的弯曲压缩应、时,规范规定:
当钢筋比的计算。
应力、钢筋和混凝土的粘结省略剪应力按以下方法计算。
、钢筋的拉应力混凝土的弯曲压缩应力应力计算:
227222720s/140/126162843.022921095.3/8/57.7162843.0472.010001095.322843.0472.00141.00141.016210002292mmNmmNdjAMmmNmmNdjkbMjkpbdApsscsc5:
作用于主梁上的力:
作用于主梁上的力
(1)作用于边梁的弯矩
(1)作用于边梁的弯矩主梁上作用的活载如左图所示。
其设计流程为:
算出弯矩断面的假定和验算断面变化联结横向加劲肋的计算。
在计算弯矩时,应该分别算出边梁和中梁的弯矩值,选其大者进行断面计算。
在本算例中,只计算了边梁。
主梁上作用的活载如左图所示。
其设计流程为:
算出弯矩断面的假定和验算断面变化联结横向加劲肋的计算。
在计算弯矩时,应该分别算出边梁和中梁的弯矩值,选其大者进行断面计算。
在本算例中,只计算了边梁。
mKNlwMmKNwliddd5280.12188249240.168/9240.169549.0469.165.06493.52/281.1531.141.040.05.240200.32/050.2281.13.28226.52/050.2281.12/160.0202.05.244772.12/050.2281.105.05.22502022合计:
栏杆:
栏杆座:
钢重:
桥面板:
铺装:
恒载引起的弯矩:
冲击系数:
如左图所示,影响线在边梁下的值=1.000,算出恒载和活载值,求出跨径=24m的简支梁的弯矩。
具体计算如下:
钢重按实例取用;冲击系数按规范计算,承托影响不考虑。
如左图所示,影响线在边梁下的值=1.000,算出恒载和活载值,求出跨径=24m的简支梁的弯矩。
具体计算如下:
钢重按实例取用;冲击系数按规范计算,承托影响不考虑。
mKNlpDlDpMmKNpmKNpMll5725.9548245956.4810242101303.13882/595.42/281.1050.25.3/1303.132/281.1050.2102202010201:
活荷载引起的弯矩mKNiMMliMlii7346.257270.05725.954270.02450205020冲击系数:
车辆冲击引起的弯矩mKNmKNMMMMild24318351.24307346.2575725.9545280.1218弯矩合计:
(2)作用于边梁的剪力
(2)作用于边梁的剪力KNlwSdd0880.2032/249240.162/恒载引起的剪力:
活荷载要按能产生最大剪力的荷重布置。
活荷载要按能产生最大剪力的荷重布置。
KNlplDlDpSmKNpmKNppSll8854.1792245956.4242)10242(107564.15222/7564.152.1/1303.130201010101倍取值:
的按计算弯矩时的:
活载引起的剪力KNKNSSSSild4325425.4315691.488854.1790880.203剪力合计:
KNiSSli5691.48270.08854.179冲击荷载引起的剪力6:
主梁断面的确定:
主梁断面的确定
(1)主梁断面的确定
(1)主梁断面的确定主梁断面尺寸,由弯矩可以直接快速地定出假定尺寸,本章是对假定尺寸的进一步确定主梁断面尺寸,由弯矩可以直接快速地定出假定尺寸,本章是对假定尺寸的进一步确定腹板高hw腹板厚tw腹板断面积Aw最小翼缘板断面积Af翼缘板厚度t腹板高hw腹板厚tw腹板断面积Aw最小翼缘板断面积Af翼缘板厚度tff翼缘板宽度b翼缘板宽度bff应力的计算断面的确定应力的计算断面的确定mmNmKNM910431.22431设计弯矩mmhmmMhmmtMhhwwtacawa1540160914014010431.248048014501014010431.21.11.12393291取式首先确定范围。
的假定:
这里用以下腹板高215400101540mmthAAwwww腹板断面积mmtmmhtSMtwwww101.101521540152A400取况,没有纵向加劲肋的情的假定:
钢材为腹板厚298709615400154014010431.26mmAhMAAwwaff必要的翼缘板面积)3240020(229.2020870920mmASMmmtAttffff的板厚限值取值,按翼缘板厚mmtbbfff440222020翼缘板宽度对于上面假定的截面尺寸进行应力计算,如果不超过SM400A的容许弯曲应力值,则认为主梁的尺寸是安全的。
对于上面假定的截面尺寸进行应力计算,如果不超过SM400A的容许弯曲应力值,则认为主梁的尺寸是安全的。
假定断面是安全的。
断面惯性矩应力的计算:
2279371004103333/140/1291088.110431.21088.17921049.11049.1121540430158444012mmNmmNZMmmyIZmmbhBHItacann7:
主梁断面的变化:
主梁断面的变化
(1)主梁断面为什么要变化
(1)主梁断面为什么要变化简支梁的支点处,没有弯矩。
那么支点附近还采用与跨中同样的断面就不经济。
因此,如下图所示,抵抗剪力的腹板断面不变,而改变抵抗弯矩的翼缘板的面积。
断面变化位置的设计弯矩与跨中弯矩可以按抛物线比例求出,变化点位置在初步设计时就确定下来简支梁的支点处,没有弯矩。
那么支点附近还采用与跨中同样的断面就不经济。
因此,如下图所示,抵抗剪力的腹板断面不变,而改变抵抗弯矩的翼缘板的面积。
断面变化位置的设计弯矩与跨中弯矩可以按抛物线比例求出,变化点位置在初步设计时就确定下来2222222/12/2/lxMlxMMMMMxMlxx
(2)断面变化点处的弯矩
(2)断面变化点处的弯矩mmNMmmNMlxMMx922985.792298.42210391.112/85.7110431.210042.212/8.4110431.22/1mmNMmx98.410042.28.4处的断面:
mmhw1540腹板高(3)断面变化的计算(3)断面变化的计算关于断面变化,由于腹板的尺寸不变,而改变翼缘板的宽度和板厚。
因此,确定断面尺寸时,将前述确定断面尺寸公式中的M变为Mx即可。
关于断面变化,由于腹板的尺寸不变,而改变翼缘板的宽度和板厚。
因此,确定断面尺寸时,将前述确定断面尺寸公式中的M变为Mx即可。
mmtw10腹板厚215400mmAw腹板断面积296905615400154014010042.26mmAhMAAwwaxff必要的翼缘板面积mmtAttffff196.1820690520;翼缘板厚mmtbbfff380192020翼缘板宽度假定断面是安全的。
断面惯性矩应力的计算:
2279371004103333/140/1361050.110042.21050.17891018.11018.1121540370157838012mmNmmNZMmmyIZmmbhBHItacaxnnmmNMmx985.710391.185.7处的断面:
mmhw1540腹板高X=7.85m处的断面变化计算,可以按x=4.8m处的计算方法同样计算。
X=7.85m处的断面变化计算,可以按x=4.8m处的计算方法同样计算。
mmtw10腹板厚215400mmAw腹板断面积293885615400154014010391.16mmAhMAAwwaxff必要的翼缘板面积)1(159.1320388520mmmmtAttffff了应力不足的原因,增加;翼缘板厚mmtbbfff300152020翼缘板宽度假定断面是安全的。
断面惯性矩应力的计算:
22793790493333/140/1291008.110391.11008.17851048.81048.8121540290157030012mmNmmNZMmmyIZmmbhBHItacaxnn(4)全梁的抵抗弯矩(4)全梁的抵抗弯矩断面具有的抵抗弯矩的能力,按Mr=a断面具有的抵抗弯矩的能力,按Mr=aZ计算,即:
梁的容许应力与断面抗弯模量的乘积Z计算,即:
梁的容许应力与断面抗弯模量的乘积mKNmKNmmNMmxmKNmKNmmNMmxmKNmKNmmNZMrrar139115101051.11008.114085.7204221001010.21050.11408.42431263210632.21088.11409785.7978.497设计弯矩处的抵抗弯矩:
设计弯矩处的抵抗弯矩:
设计弯矩:
中央断面的抵抗弯矩抵抗的计算:
(5)剪应力的计算(5)剪应力的计算由于支点处的剪力最大,因此讨论支点断面。
剪应力的计算有2种方法:
由于支点处的剪力最大,因此讨论支点断面。
剪应力的计算有2种方法:
容许剪应力:
腹板断面积:
设计剪力awawASAS方法一:
方法一:
方法二:
方法二:
容许剪应力和:
焊缝受剪面的宽度总:
断面惯性矩:
断面的抗弯模量:
设计剪力ananaIQSaIQS安全处的断面,其对于度的总和:
,焊缝最不利受剪面宽假定焊接尺寸为:
支点断面的剪应力的计算腹板和翼缘板焊接部安全腹板的剪应力:
剪应力的计算:
22965493652255/80/0.21484.81048.8105.31032.41048.885.71050.35.777153001032.4484.826707.06)(/80/28154001032.41032.4432mmNmmNaIQSmmImxmmQNSmmammmmNmmNASNKNSnnw
(1)主梁的联结
(1)主梁的联结8:
主梁的联结:
主梁的联结主梁在工厂里是分割制作,运到施工现场架设时,采用螺栓或焊接的形式联结。
这种联结,以母材的应力分布为基础,求出设计力P,然后算出螺栓根数。
对于钢板梁而言,既有如左下图的应力分布时和翼缘板结合、又有如右下图的应力分布时和腹板的结合。
无论是哪一种情况,必须要使母材能力的75%以上的强度发挥作用(全强设计)。
主梁在工厂里是分割制作,运到施工现场架设时,采用螺栓或焊接的形式联结。
这种联结,以母材的应力分布为基础,求出设计力P,然后算出螺栓根数。
对于钢板梁而言,既有如左下图的应力分布时和翼缘板结合、又有如右下图的应力分布时和腹板的结合。
无论是哪一种情况,必须要使母材能力的75%以上的强度发挥作用(全强设计)。
(2)联结处的弯矩和剪力
(2)联结处的弯矩和剪力KNSSSSSdKNiSScKNlbDplbDDpRSSbKNawRSSaSmKNlxMMmxildssliAlldAddss27133124114)(33270.0124)(124242/75.8105956.4242/75.8210107564.152/2/211425.59240.162/249240.16166212/75.6124312/175.62202012222:
剪力合计冲击系数同前冲击产生的剪力:
活荷载产生的剪力:
恒载产生的剪力:
连接位置处的剪力处。
此处的弯矩:
联结位置定在距中央主梁的联结:
(3)翼缘板的联结(3)翼缘板的联结压缩侧翼缘板,用总断面积计算其应力。
受拉侧翼缘板,如左下图所示,用除去螺栓孔的净断面积An计算应力。
但是,由于两者须具有母材容许应力75%以上的抗剪能力。
与此值相比较,大值作为设计应力m。
用此设计应力与母材的断面积相乘,得到设计力。
进而求出螺栓根数。
螺栓中心间隔、距边缘的距离等按规范要求进行,配置最小的联结板。
压缩侧翼缘板,用总断面积计算其应力。
受拉侧翼缘板,如左下图所示,用除去螺栓孔的净断面积An计算应力。
但是,由于两者须具有母材容许应力75%以上的抗剪能力。
与此值相比较,大值作为设计应力m。
用此设计应力与母材的断面积相乘,得到设计力。
进而求出螺栓根数。
螺栓中心间隔、距边缘的距离等按规范要求进行,配置最小的联结板。
(4)压缩侧翼缘板(4)压缩侧翼缘板根螺栓如图配置。
螺栓根数力作用于翼缘板上的设计。
根螺栓的容许力擦接合的,两面摩的高强螺栓,根据规范、如果采用要大于翼缘板断面积面积,联结板的总断尽量作成等面积。
而且与:
如右图所示尺寸。
联结板必要的断面积计算用容许应力的容许应力:
的断面压缩应力压缩侧翼缘板处产生的压缩侧翼缘板:
123.101080.710014.810014.87220111781822722019380764021384021216023800103801/111/10575.0140%75)400(/1111050.110662.1)8.4(455222222279afmafsfssmsscPnNAPKNTFMmmAmmAAAplplmmplmmplAmmNmmNASMmmNZMmx(5)受拉侧翼缘板(5)受拉侧翼缘板根。
与压缩侧一样,配置必要的螺栓根数翼缘板上作用的设计力翼缘板的净断面积计算采用的应力应力:
受拉侧翼缘板产生的拉梅花:
并列:
,则螺栓孔为螺栓采用采用较小的净宽种方法求出。
力,净宽的宽度采用为求出翼缘板处的拉应,采用梅花桩形式。
螺栓配置与受压侧一样123.101080.71003.81003.859891345989192.315/134/1342.3153801050.110662.12.3154.7804/75254/2.3154.7254.7253803302253802)2532222(245522279t22afnmfnfnmngssngngnPnmmNAPmmtbAmmNmmNbbZMmmbmmgpdwmmwdwdbbmmdbbmmM(6)腹板的联结(6)腹板的联结腹板与翼缘板联结的根部附近弯矩较大,中立轴附近剪力较大。
所以,腹板联结时,一般分为“弯矩板”和“剪力板”2种。
但是,跨径较小也就是弯矩较小时,1块板也够用。
腹板与翼缘板联结的根部附近弯矩较大,中立轴附近剪力较大。
所以,腹板联结时,一般分为“弯矩板”和“剪力板”2种。
但是,跨径较小也就是弯矩较小时,1块板也够用。
,计算必要的螺栓数。
、根据设计力,其值按下式求出:
、则设计力各为根螺栓分担外力。
力板的最上层的弯矩板及剪置,如右下图所示,使根据高度方向螺栓的配螺栓根数的确定:
尽量与弯矩板相同。
间隔空间配置,但是,螺栓剪力板在弯矩板剩下的度增加列,视腹板高度可以适弯矩板上的螺栓至少空隙为弯矩板与剪力板之间的焊接用空间螺栓间距为距边缘的距离为假定方法:
高度方向的螺栓配置。
如右图所示,先假定腹板联结流程如下:
21323221010121221)
(2)(5)(3020)(15075)(40)(PPtbbPtbbPPPfemmdmmcmmbmmaww根根;根根;:
、必要的螺栓根数、设计力按比例求出。
、联结部的弯曲应力为:
螺栓根数的确定:
定高度方向螺栓配置的假186.01080.710721.6253.11080.710194.110721.6105.4635.55726578210194.1106507702911082/657895.463111/787895.557111/91789650111/108789770111/111)()(2442214511214323225101012123322221120032102nPnnPnnnNtbbPNtbbPPPmmNbbmmNbbmmNbbmmNbbmmNbaaawwccccc经过计算确定:
弯矩板上2根、剪力板上1根。
此时,如果将弯矩板与剪力板合二为一,则改变高度方向上的螺栓配置假定,如左下图所示1块联结板上配置2根螺栓。
高度方向上的间隔同弯矩板的假定间隔。
如果假设n经过计算确定:
弯矩板上2根、剪力板上1根。
此时,如果将弯矩板与剪力板合二为一,则改变高
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