橋梁工程課件

1組合結構橋梁(鋼－混組合梁)2主要內容鋼－混組合結構橋梁概論鋼與混凝土的連接波折腹板組合箱梁橋組合鋼板梁橋組合剛構橋組合桁架橋34組合結構橋梁概論

組合結構分類組合結構設計理念組合結構力學特點組合結構橋梁的分類及其特點

5組合結構橋梁概論--組合結構分類鋼材混凝土鋼構件混凝土構件組合構件組合結

構材料構件結構6概論--組合構件實例

組合構件的實例(a)鋼管混凝土(b)型鋼混凝土(c)組合板(d)組合梁7概論--組合結構實例

組合結構實例(a)鋼梁與混凝土梁接合(b)鋼梁與混凝土墩接合焊釘預應力鋼筋鋼梁鋼筋混凝土梁鋼梁鋼筋混凝土墩焊釘橫梁8概論—設計理念總費用總費用

鋼結構

混凝土結構

混凝土用量百分比

組合結構

合理9概論—設計理念

混凝土的弱點抗拉強度小有橫向約束時抗壓強度增大鋼材提供支援

鋼材的弱點容易壓縮屈曲容易生銹混凝土提供支援設計理念：合理使用鋼材與混凝土10

鋼—混凝土結合梁橋在中等跨度(20~90m)橋梁中已在世界各地廣泛應用。它的主要優(yōu)點是：與鋼橋相比有：①節(jié)省鋼材；②降低建筑高度；②減少沖擊，耐疲勞；④減少鋼梁腐蝕；⑤減少噪音；⑥維修養(yǎng)護工作量較少等。與混凝土橋相比有：①重量較輕；②制造安裝較為容易；③施工速度快，工期短等。11概論--組合結構的力學特點

鋼材對混凝土的支援—受彎組合梁抗彎性能組合梁純鋼梁Py:純鋼梁的屈服荷載Pu:純鋼梁的極限荷載12概論--組合結構的力學特點應變鋼管鋼管混凝土混凝土單獨疊加荷載

鋼材對混凝土的支援—受壓鋼管混凝土柱13概論--組合結構的力學特點

混凝土對鋼材的支援—受彎鋼管混凝土梁荷載變形局部屈曲

無肋無摩擦有摩擦有肋局部屈曲14概論--組合結構的力學特點

混凝土對鋼材的支援—內襯混凝土組合梁(a)連續(xù)梁一般圖(b)橫截面圖1.2.4內襯混凝土組合梁的構造(c)內襯式組合梁截面橫向鋼筋縱向鋼筋

內襯混凝土鋼梁內襯混凝土內襯混凝土15概論--組合結構的力學特點

內襯混凝土組合梁—鋼筋布置形式16概論--組合結構的力學特點

內襯混凝土組合梁—抗彎性能純鋼內襯混凝土變形(mm)荷載(kN)17概論--組合結構的力學特點

內襯混凝土組合梁—抗彎性能18概論--組合結構的力學特點

內襯混凝土組合梁—抗彎性能

內襯混凝土組合梁

純鋼梁19概論--組合結構的力學特點

內襯混凝土組合梁—抗剪性能純鋼內襯混凝土變形(mm)荷載(kN)20概論--組合結構的力學特點

內襯混凝土組合梁—抗剪性能21概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合結構橋梁的定義：

----使用組合構件或組合結構的橋梁

組合結構橋梁的分類◆組合鋼板梁橋◆組合箱梁橋◆組合桁架橋◆組合剛構橋◆混合梁橋◆組合拱橋◆組合斜拉橋22概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合鋼板梁橋

Hopital橋（法國,4跨連續(xù)，最大跨64m）23概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合鋼板梁橋

千鳥澤川橋（日本）

Lignon橋（法國）24概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合箱梁橋—槽形截面組合箱梁橋

BoisdeRosset橋（瑞士，1991年完成）連續(xù)橋，23m+34.2+11×42.75m+51.3m+38.5m槽形鋼截面+橫向預應力混凝土橋面板4根縱向體外索箱內布置，索力合計8830kN25概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合箱梁橋—槽形截面組合箱梁橋

千歲高架引橋（日本，1998年完成）26概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合箱梁橋—鋼腹板組合箱梁橋(鋼腹板容易屈曲)

LaFerteSaint-Aubin橋(mm)

(法國)27概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合箱梁橋—波折鋼腹板組合箱梁橋

Cognac橋

(法國，1986年完成)31m+43m+31m,3跨連續(xù)混凝土頂板體內索波折腹板體外索混凝土底板橫隔板體內索波折腹板

波折腹板箱梁的構造28概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合箱梁橋—用波折鋼腹板組合箱梁的斜拉橋

栗東橋(日本)

矢作川橋（日本）

29概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合桁架橋—鋼桁架腹桿+上下混凝土翼緣板

Arbois橋(法國，1985年完成)29.85m+40.4m+29.85m,3跨連續(xù)

橫截面的構造30概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合桁架橋—鋼桁架腹桿+上下混凝土翼緣板

Boulonnais橋(法國，1997年完成)44.5m+3*77m+93.5m+5*110+93.5m+3*77m+44.5m,15跨連續(xù)

鋼管桁架腹桿的構造

4m預制節(jié)段梁，懸臂施工31概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合桁架橋—鋼桁架腹桿+上下混凝土翼緣板

Kinokawa橋(日本，2003年完成)4跨連續(xù)，最大跨度85m,全長268m

節(jié)點的構造

鋼管桁架腹桿32概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合桁架橋—鋼桁梁(無上弦桿)+混凝土橋面板

VaihingenViadukt橋(德國)

節(jié)點的構造33概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合桁架橋—鋼桁梁(有上弦桿)+混凝土橋面板

Lully高架橋(瑞士)29.93m+21×42.75m+29.93m34概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合桁架橋—鋼桁架梁(有上弦桿)+混凝土橋面板

Nantenbach鐵路橋

(德國)

跨徑83.2m+208.0m+83.2m

負彎矩區(qū)未設置預應力鋼筋

橋墩附近兩個下弦桿間澆混凝土

上下弦桿形成雙重組合

平衡邊、中跨自重35概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合剛構橋—鋼箱梁+混凝土墩

橫浜綠IC橋（日本,1997年完成）

7跨連續(xù)剛構橋

32.3m＋4×40.0m＋42.0m＋40.1m

橫梁與混凝土固結36概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合剛構橋—鋼箱梁+混凝土墩

阿古耶橋（日本）

3跨連續(xù)剛構橋

36m＋36m＋36

鋼板梁與混凝土固結37概論--組合結構橋梁的分類及其特點

混合梁橋—鋼箱梁+混凝土梁

新川橋（日本，2000年完成）

5跨連續(xù)混合梁橋

39.2m＋40.0m＋118.0m＋39.2m＋40.0m

中跨用鋼箱梁

38概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合拱橋—鋼管混凝土拱

Antrenas橋（法國）

跨度56m

混凝土填充的理由，防止車輛沖擊

39概論--組合結構橋梁的分類及其特點

組合拱橋—型鋼混凝土拱

用型鋼骨架作為拱肋

采用斜拉懸臂施工

閉合后澆注混凝土

40概論--組合結構橋梁的分類及其特點

楊浦大橋（中國，1993年完成）

組合梁斜拉橋

鋼板梁+混凝土橋面板

鋼箱梁+混凝土橋面板

鋼桁架梁+混凝土橋面板

鋼梁+混凝土梁41概論--組合結構橋梁的技術特點概括序號名

稱形

式特

點1組合鋼板梁橋鋼板梁+混凝土橋面板抗彎剛度增大。2組合箱梁橋閉合截面鋼箱梁+混凝土橋面板槽形截面鋼箱梁+混凝土橋面板波折鋼腹板+混凝土上下翼緣板抗彎、扭剛度增大，頂鋼板未充分利用。省去頂鋼板、施工難度加大。自重減輕，預應力能有效施加。3組合桁架橋鋼桁架梁+混凝土橋面板鋼桁架腹桿+混凝土上下翼緣板抗彎剛度增大，連接件設置較困難。省去上下弦桿，施工難度加大。4組合剛構橋鋼板梁+混凝土墩鋼箱梁+混凝土墩鋼桁架梁+混凝土墩省去支座，負彎矩區(qū)性能改善，抗震性能提高，懸臂施工法能夠使用。5混合梁橋鋼梁+混凝土梁跨度增大，連接較難處理。6組合拱橋鋼管混凝土拱型鋼混凝土拱施工容易，質量難保證。施工容易，無鋼材維護的問題。7組合梁斜拉橋鋼板梁+混凝土橋面板鋼箱梁+混凝土橋面板鋼桁架梁+混凝土橋面板鋼梁+混凝土梁抗彎剛度增大?？箯潯⑴偠仍龃?。上下層車道處理方便。塔墩附近加勁梁抗壓性能提高。42鋼與混凝土的連接

43鋼與混凝土的連接—主要內容

鋼與混凝土連接◆連接形式的分類與特點◆連接件按照應用形式分類◆連接件按照剛度分類◆圓柱頭焊釘連接件◆開孔鋼板連接件◆組合連接件44鋼與混凝土的連接—連接形式的分類及其特點◆粘結型連接--依靠水泥砂漿的自然粘結作用

連接形式◆粘結型連接◆膠結型連接◆摩擦型連接◆連接件使用型45鋼與混凝土的連接—連接形式的分類及其特點◆膠結型連接—利用環(huán)氧樹脂等有機材料

*環(huán)氧樹脂相對于砂漿粘結力大。*環(huán)氧樹脂不浸透混凝土內部，抗分離能力弱。膠結劑粘結力46鋼與混凝土的連接—連接形式的分類及其特點◆摩擦型連接—利用高強螺栓增大壓力，從而提高摩擦力*抗剪強度增大的同時，抗拉拔力也增強。*伴隨著高軸力，軸力會因徐變降低。摩擦力拉拔力高強螺栓47鋼與混凝土的連接—連接形式的分類及其特點◆連接件使用型—利用圓柱頭焊釘?shù)取艏袅︶敗艏袅︽I◆剪力連接件◆栓釘◆焊釘通稱為連接件48鋼與混凝土的連接—連接件按照應用形式分類◆鋼筋連接件—彎起鋼筋、輪形鋼筋、螺旋鋼筋

連接件◆鋼筋連接件◆型鋼連接件◆圓柱頭焊釘連接件◆開孔鋼板連接件◆鋼與有機材料組合連接件49鋼與混凝土的連接—連接件按照應用形式分類◆型鋼連接件—角鋼、T形鋼、槽鋼、工字鋼*抗剪強度大*抗分離能力稍差*用貼角焊縫，焊接量大50鋼與混凝土的連接—連接件按照應用形式分類◆焊釘連接件—圓柱頭型、螺紋型、螺絲型*力學性能不依存方向*抗分離能力強*使用專用焊接機，質量容易保證51鋼與混凝土的連接—連接件按照應用形式分類◆開孔鋼板連接件—受力方向焊接的開孔鋼板*抗剪剛度大，抗疲勞性能好*圓孔中貫通鋼筋，抗剪強度增大*焊接容易52鋼與混凝土的連接—連接件按照應用形式分類◆鋼與有機材料組合連接件—焊釘根部或型鋼腹板等處設置泡沫塑料、環(huán)氧樹脂等，剛度容易調節(jié)。泡沫塑料53鋼與混凝土的連接—連接件按照剛度分類◆剛性連接件—型鋼連接件、開孔鋼板連接件等

連接件◆剛性連接件◆彈性連接件◆柔性連接件◆剛度滯后連接件支壓力54鋼與混凝土的連接—連接件按照剛度分類◆彈性連接件—鋼筋連接件、焊釘連接件焊釘連接件：隨著桿部彎曲變形，產(chǎn)生一定相對滑移。支壓力◆柔性連接件—鋼與有機材料組合連接件◆剛度滯后型連接件—鋼與有機材料組合連接件55鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

焊釘應用形式—按頭部朝向分為正立、倒立、側立、面立◆隨著焊釘所處位置的不同，根部的混凝土密實度不同，而焊釘根部附近受到的支壓應力在高度方向上最大，根部周圍混凝土的密實度極大地影響著其力學性能。56鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

抗剪性能試驗方法：◆片側加載：是H型鋼片側用焊釘連接混凝土塊，這是美國在進行疲勞剪切強度試驗時較采用的形式之一，比較接近組合梁的力學狀態(tài)，但是作用在混凝土塊上的荷載容易產(chǎn)生偏心，并不常用。57鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

抗剪性能試驗方法：◆兩側加載：是H型鋼兩側都用焊釘連接混凝土塊，兩側焊釘基本上可以保持純剪切狀態(tài)，是許多國家的相關規(guī)范推薦使用的方法之一。砂漿球支座58鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

抗剪性能試驗—需要測試的連接件力學參數(shù)◆最大剪切作用力：是指每根連接件抗剪承載力?！糇畲蠡屏浚菏侵缸畲蠹羟凶饔昧λ鶎幕屏俊！艏羟袆偠龋阂罁?jù)剪切作用力與滑移量關系曲線，把通過最大剪切作用力1/3大小處的割線傾斜度設為剪切剛度?！魵堄嗷屏浚菏侵府敽奢d卸載為零時的滑移量。◆屈服剪切作用力：是指剪切作用力與滑移量的變化曲線開始顯著傾斜時所對應的剪切作用力。59研究代表者表現(xiàn)形式計算式Slutter,R.G.公式Menzies,J.B.圖表Ollgaard,J.G.公式Hawkins,N.M.公式Roik,K.公式圖表Hiragi,H.公式鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

焊釘連接件的力學性能

--抗剪承載力的計算60鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

焊釘連接件的力學性能

--抗剪承載力的影響因素

◆焊釘?shù)臈U部直徑ds

◆包括頭部的高度hs

◆焊釘屈服強度fy

◆混凝土的抗壓強度fc

◆彈性模量Ec

◆焊釘桿部的截面積As

61鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

焊釘連接件的力學性能

--抗剪承載力回歸計算式◆主要影響因素，有焊釘桿部直徑ds、高度hs及其混凝土抗壓強度fc◆通過回歸分析179個試件的試驗數(shù)據(jù)，得出的抗剪承載力計算式：

62鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

焊釘連接件的力學性能

--拉拔破壞模式◆焊釘拉斷：當埋設較深、混凝土強度較高時焊釘拉斷。◆焊釘拔出：當埋設較淺、頭部直徑小時焊釘從混凝土中拔出。◆混凝土圓錐形破壞：當埋設較淺、頭部直徑大時，形成圓錐形破壞面?！艋炷翂毫哑茐?當埋設較深、并位于構件邊緣時，混凝土被擠壓破壞?！艋炷粮盍哑茐模寒敾炷翗嫾^薄時，混凝土發(fā)生割裂破壞。(b)焊釘拔出(a)焊釘拉斷(c)混凝土圓錐形破壞(d)混凝土割裂(d)混凝土壓裂63鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

焊釘連接件的力學性能--抗拉拔承載力的計算表2.2.2抗拉拔承載力的既往研究研究代表者計算式系數(shù)k0值Leigh-University1.207Sattler,K.0.953Utescher,G.0.964CEB-ECCS1.283PCIDsignDataBook1.207Bode,H.11.3McMackin,P.J.0.272Otani,Y.11.3Hiragi,H.0.22764鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

焊釘連接件的力學性能

–拉拔力與剪力共同作用的試驗結果◆焊釘直徑19mm、全長80mm?！裘扛羔斔┘拥睦瓚?.965MPa。◆當有拉力時，剪切剛度與殘余滑移量減少，抗剪承載力降低。

(b)有拉應力(a)無拉應力剪力(kN)滑移量(mm)滑移量(mm)剪力(kN)65鋼與混凝土的連接—圓柱頭焊釘連接件

焊釘連接件的力學性能

–焊釘群的使用背景

◆把幾個焊釘以較小的間距集中設置即形成群體，再以較大的間距把焊釘群設置在翼緣長度方向上，施加預應力后，再用無收縮砂漿填充預留孔?！粼跇蛎姘蹇v橫向上能夠有效地施加預應力◆鋼梁不會因預應力的施加而產(chǎn)生附加應力◆可應用于現(xiàn)場澆灌或預制的橋面板◆減輕干燥收縮對混凝土橋面板的影響◆可以用于組合桁架梁的節(jié)點附近66鋼與混凝土的連接—開孔鋼板連接件

開孔鋼板連接件的力學性能--作用機理

◆作用機理主要有三個方面：一、依據(jù)孔中混凝土的抗剪作用承擔沿鋼板的縱向剪力；二、依據(jù)孔中混凝土的抗剪作用承擔鋼與混凝土間的掀起力；三、與型鋼連接件相同、依據(jù)鋼板受壓承擔面外的橫向剪力。面內方向滑移面內方向掀起面外方向滑移開孔鋼板連接件鋼板67鋼與混凝土的連接—開孔鋼板連接件

開孔鋼板連接件的力學性能

–破壞模式

◆兩孔之間的鋼板發(fā)生剪切破壞；◆圓孔中的混凝土發(fā)生割裂破壞；◆圓孔中的混凝土發(fā)生剪切破壞；◆圓孔中的混凝土發(fā)生壓縮破壞。

圓孔中混凝土的破壞模式(c)壓縮破壞(a)割裂破壞(b)剪切破壞68鋼與混凝土的連接—開孔鋼板連接件

開孔鋼板連接件的力學性能

–抗剪強度影響因素

◆開孔鋼板的厚度◆開孔鋼板的孔徑◆開孔鋼板的圓孔間距◆多塊開孔鋼板的間距◆混凝土強度◆貫通鋼筋的有無◆貫通鋼筋的直徑69鋼與混凝土的連接—開孔鋼板連接件

開孔鋼板連接件的力學性能

--抗剪強度的計算

◆開孔鋼板連接件屬于剛性連接，一般在設計時需要先驗算板厚及其孔距，保證在孔中混凝土發(fā)生剪切破壞前，圓孔間鋼板不會發(fā)生剪切破壞◆最早基于試驗結果，貫通鋼筋的影響不直接反映在抗剪強度計算中，提出的抗剪強度與孔徑、混凝土強度有關的計算式為：

◆

認為貫通鋼筋的影響較大，應該加以直接考慮，并通過試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，提出的計算式為：

70鋼與混凝土的連接—開孔鋼板連接件

開孔鋼板連接件的力學性能

--技術特點

◆僅僅是普通的鋼板上設置園孔，不需要特別進行加工；◆沿鋼板兩面用角焊縫焊接，不需要專用的焊接設備；◆圓孔中可以貫通主鋼筋，改善了鋼筋布置的施工性；◆開孔鋼板沿著翼緣縱向布置，可以起到加勁板的作用；◆抗剪剛度、強度較大，當設置貫通鋼筋后進一步增大；◆破壞是孔中混凝土剪切破壞、不受疲勞的影響。71鋼與混凝土的連接—開孔鋼板連接件

開孔鋼板連接件

–應用實例

◆日本高速鐵路上的高架橋◆鋼管混凝土主梁與混凝土頂板的組合梁◆跨徑：34.95m+36.0m+34m◆鋼管內填充輕質混凝土72鋼與混凝土的連接—鋼與有機材料組合連接件

柔性連接件—使用底硬度環(huán)氧樹脂、或泡沫塑料包裹根部

◆使用背景：在非組合梁或非組合段設置的連接件僅僅起到固定橋面板的作用，設計時并不加以考慮，但是，剪力的作用是不可避免的，連接件時常發(fā)生疲勞斷裂等現(xiàn)象。這種情況下就要求使用剛度較小、而且又可以起到固定作用的連接件?！袅W特點：

達到降低剪切剛度的目的，同時焊釘?shù)念^部或型鋼的翼緣所承擔的抗拉拔作用又可以保持。73鋼與混凝土的連接—鋼與有機材料組合連接件

柔性連接件—剪力與相對滑移曲線的試驗結果

◆焊釘為直徑19mm、高度120mm，其中一根在高度30mm范圍內沿圓周方向涂抹厚度9mm的樹脂。◆柔性焊釘初期剛度小，剪力維持在強度的1/3左右持續(xù)滑移變形，然后上升。◆對應于最大剪切作用力時的滑移量增加了大約3倍，抗剪強度略有提高。◆設置與否，最終焊釘都是桿部剪斷，所以抗剪強度的增加極其有限?！艉羔敻坎挥杌炷林苯咏佑|，靠桿部彎曲性能承擔剪力，抗疲勞性能較好。(b)柔性焊釘(a)普通焊釘剪力(kN)剪力(kN)滑移量(mm)滑移量(mm)剪力(kN)74鋼與混凝土的連接—鋼與有機材料組合連接件

剛度滯后連接件—使用高硬度環(huán)氧樹脂、并配合硅砂

◆構造特點：

1.使用樹脂砂漿為高硬度；

2.包裹高度大約需要焊釘桿部高度的2/3；

3.厚度要依據(jù)對焊釘自由滑移量的要求來決定；

4.要求涂抹在鋼板表面上的粘度要低；

5.包裹在焊釘桿部的粘度要高。圓柱頭焊釘包裹樹脂涂抹樹脂75鋼與混凝土的連接—鋼與有機材料組合連接件

剛度滯后連接件—樹脂試件的壓縮試驗結果

◆硬化后樹脂砂漿的壓縮強度遠遠高于混凝土的強度，與硅砂的配合無關。◆包裹焊釘桿部、粘度高的樹脂砂漿的彈性模量，當硅砂配合比為0.8時大約是混凝土的1/2?！敉磕ㄤ摪灞砻?、粘度低的樹脂砂漿的彈性模量，當硅砂配合比為0.3時大約是混凝土的1/5?！羲械臉渲皾{的泊松比與硅砂的配合無關，大約為0.35。粘度高低硅砂配合比壓縮強度(MPa)彈性模量(GPa)泊松比ν高粘度0.01036.80.370.712113.00.290.813415.30.32低粘度0.01304.10.380.31316.50.3576鋼與混凝土的連接—鋼與有機材料組合連接件

剛度滯后連接件—剪力與相對滑移曲線的試驗結果

◆不管是否配合硅砂、硬化前還是硬化后，抗剪承載力最終都與無樹脂包裹的焊釘非常接近。

◆硬化前，連接件的作用力在滑移量，一直到8mm左右都保持著抗剪承載力的約1/5，然后開始上升，這個滑移量與樹脂砂漿包裹厚度相對應。

◆與無樹脂包裹焊釘相比較，硬化后，硅砂配合比為0.8的包裹焊釘?shù)募羟袆偠葞缀跸嗤?，抗剪承載力稍大；而不添加硅砂時剪切剛度降低許多?；屏?mm)剪力(kN)滑移量(mm)硬化前硬化后硬化前硬化后滑移量(mm)(a)無包裹焊釘(b)含硅砂焊釘(c)無硅砂焊釘剪力(kN)剪力(kN)77鋼與混凝土的連接—鋼與有機材料組合連接件

剛度滯后連接件—應用背景

◆用于組合梁使用普通焊釘連接件時，部分預應力被鋼梁分擔；使用剛度滯后型連接件時，預應力就能夠有效地施加給混凝土。(a)無包裹焊釘(b)有包裹焊釘組合梁上施加預應力時78鋼與混凝土的連接—鋼與有機材料組合連接件

剛度滯后連接件—應用背景

(a)無包裹焊釘(b)有包裹焊釘連續(xù)組合梁的負彎矩區(qū)◆降低收縮變形的影響在負彎矩區(qū)用普通焊釘連接件時，混凝土橋面板硬化后，鋼與混凝土就完全組合，這時由于混凝土橋面板的收縮變形受到鋼梁的約束而時常出現(xiàn)裂縫。使用剛度滯后型連接件時，可以確保一直到橋梁開始使用為止，混凝土橋面板不受鋼梁的約束，具有較長的自由收縮時間。第三章、混凝土斜拉橋懸臂施工要點一、受力特點主梁飄浮體系：相當跨內具有彈性支承的單跨梁半飄浮體系：相當跨內具有彈性支承的連續(xù)梁梁塔梁固結體系：相當于配置體外索的連續(xù)梁剛構體系：相當于配置體外索的連續(xù)剛構（壓彎構件）索（受拉）：為主梁提供彈性支承塔（受壓為主）：承受索力第四章混凝土斜拉橋的設計與計算第一節(jié)斜拉橋的靜力分析

雙塔斜拉橋與多塔斜拉橋的受力特點二、計算方法概述分析方法一般簡化為平面結構，采用桿系有限元計算直接采用空間桿系有限元方法考慮因素幾何非線性中小跨度索的垂度效應P－

效應大跨度：大變形理論收縮、徐變、溫度等引起的變形和內力重分布錨下局部應力計算:先進行整體分析，然后按圣維南假定，取出局部進行局部應力分析施工過程計算非常重要三、斜拉索的結構特性－索垂度效應混凝土斜拉橋的拉索一般為柔性索，高強鋼絲外包的索套僅作為保護材料，不參加索的受力，在索的自重作用下有垂度，垂度對索的受拉性能有影響，同時索力大小對垂度也有影響。為了簡化計算，在實際計算中索一般采用一直桿表示，以索的弦長作為桿長。關健問題是考慮索垂度效應對索的伸長與軸力的關系影響，這種影響采用修正彈性模量來考慮，其計算思路如下：

索在恒載作用下的幾何方程設索無荷載作用時的長度為l，如下圖，由索任意截面彎矩為零有：1、垂度對索軸向變形的影響對于索的跨中截面,有：對上式積分可得到索的幾何方程為懸鏈線由可得：由于：

索的伸長與垂度的關系索的幾何形狀為懸鏈線，如近似按拋物線考慮，則索在自重作用下的長度為：則索的伸長為：

等效彈性模量實際上在應力索的軸向變性由兩部分組成（1）索自身的彈性變形；（2）垂度效應:則結構的等效彈性模量可表示為則用彈性模量表示有：其中為索容重四、平面桿系有限元法（直接剛度法）計算斜拉橋內力和變形國內對于中小跨度斜拉橋一般采用平面桿系有限元計算斜拉橋的內力和變形，分析時主梁和塔采用梁單元，而索采用直桿單元，桿單元的彈性模量采用前面推導的修正彈性模量考慮垂度效應。桿單元和梁單元的單剛矩陣分別為：

桿單元式中A，l分別為斜拉索的鋼絲面積和弦長

梁單元及P－效應斜拉橋的主梁和塔都是同時存在壓力和彎矩。軸力和彎矩相互作用（如下圖），考慮軸力和彎矩相互作用后彎矩平衡方程為：任意截面彎矩在實際中采用穩(wěn)定函數(shù)的概念來考慮彎矩和軸力的相互作用，考慮彎矩和軸力相互作用后的單剛矩陣為：上式中：為未修正的剛度，按結構力學教材計算，為考慮彎矩、軸力相互作用的穩(wěn)定函數(shù)，可參考有關文獻計算。懸索橋結構計算理論懸索橋結構計算理論主要內容

概述?懸索橋的近似分析懸索橋主塔的計算懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的精確計算1.概述1.1

懸索橋的受力特征

懸索橋是由主纜、加勁梁、主塔、鞍座、錨碇、吊索等構件構成的柔性懸吊體系，其主要構成如下圖所示。成橋時，主要由主纜和主塔承受結構自重，加勁梁受力由施工方法決定。成橋后，結構共同承受外荷作用，受力按剛度分配。主纜是結構體系中的主要承重構件，受拉為主；主塔是懸索橋抵抗豎向荷載的主要承重構件，受壓為主；加勁梁是懸索橋保證車輛行駛、提供結構剛度的二次結構，主要承受彎曲內力；吊索是將加勁梁自重、外荷載傳遞到主纜的傳力構件，是連系加勁梁和主纜的紐帶，受拉。錨碇是錨固主纜的結構，它將主纜中的拉力傳遞給地基。懸索橋各部分的作用1.概述(續(xù))懸索橋計算理論的發(fā)展與懸索橋自身的發(fā)展有著密切聯(lián)系

早期，結構分析采用線彈性理論(由于橋跨小，索自重較輕，結構剛度主要由加勁梁提供。中期(1877),隨著跨度的增加，梁的剛度相對降低,采用考慮位移影響的撓度理論?，F(xiàn)代懸索橋分析采用有限位移理論的矩陣位移法。

跨度不斷增大的同時，加勁梁相對剛度不斷減小，線性撓度理論引起的誤差已不容忽略。因此，基于矩陣位移理論的有限元方法應運而生。應用有限位移理論的矩陣位移法，可綜合考慮體系節(jié)點位移影響、軸力效應，把懸索橋結構非線性分析方法統(tǒng)一到一般非線性有限元法中，是目前普遍采用的方法。

彈性理論（1）懸索為完全柔性，吊索沿跨密布；（2）懸索線性及座標受載后不變；（3）加勁梁懸掛于主纜，截面特點不變；僅有二期恒載、活載、溫度、風力等引起的內力。

計算結果：懸索內力及加勁梁彎距隨跨經(jīng)的增大而增大。幾種計算理論的基本假定

撓度理論與彈性理論不同之處僅在于：考慮懸索豎向變形對內力的影響（不考慮剪力變形、吊桿傾斜及伸縮變形，影響較?。?。線性撓度理論：忽略撓度理論中活載引起的主纜水平分力與豎向位移之間的非線性關系。

計算結果：加勁梁彎距鉸彈性理論結果要小。有限位移理論

綜合考慮各種非線性因素的影響，適于大跨徑。幾種計算理論的基本假定

1.概述(續(xù))懸索橋設計的計算內容精確合理地確定懸索橋成橋內力狀態(tài)與構形；合理確定懸索橋施工階段的受力狀態(tài)與構形，以期在成橋時滿足設計要求；精確分析懸索橋運營階段在活載及其它附加荷載作用下的靜力響應；★懸索橋的設計計算要根據(jù)不同的結構形式、不同的設計階段、不同的計算內容和要求來選用不同的力學模式和計算理論?；旧弦杂嬎阒骼|為主。

1.概述(續(xù))懸索橋成橋狀態(tài)的確定小跨徑懸索橋：確定橋成狀態(tài)采用拋物線法。由于主纜自重輕，成橋態(tài)主纜近似呈拋物線形。大跨徑懸索橋：主纜線型呈多段懸鏈線組成的索多邊形，計算主纜線型主要有非線性循環(huán)迭代法和基于成橋狀態(tài)的反算法。

2.懸索橋的近似分析2.1

成橋狀態(tài)的近似計算法成橋狀態(tài)近似計算作如下基本假定：主纜為柔性索，不計其彎曲剛度；加勁梁恒載由主纜承擔；在主纜吊梁段，主纜、索夾、吊桿和加勁梁自重都等效為沿橋長均布的荷載q；在無梁段，主纜自重沿索長均勻分布。

什么是成橋狀態(tài)計算?

2.懸索橋的近似分析(續(xù))2.1

成橋狀態(tài)的近似計算法主纜設計計算步驟：導出主纜成橋態(tài)的線形、張力以及幾何長度的計算公式；扣除加勁梁恒載作用下主纜產(chǎn)生的彈性伸長量，得到主纜自由懸掛態(tài)的纜長，即自重索長；在索鞍兩邊無應力索長不變的情況下，用主纜在空掛狀態(tài)塔頂左、右水平力相等的條件求索鞍預偏量；由自由懸掛狀態(tài)下的纜長扣除主纜自重產(chǎn)生的彈性伸長，得到主纜無應力長度。以中跨為例，說明成橋狀態(tài)的計算。

2.懸索橋的近似分析(續(xù))2.2加勁梁在豎向荷載作用下的近似分析懸索橋加勁梁先鉸接后固結的施工特點，決定了加勁梁在一期恒載作用下沒有整體彎矩。加勁梁豎向荷載主要指二期恒載和活載等.如圖所示。假定:忽略梁體剪切變形、吊桿的伸縮和傾斜變形對結構受力的影響，將離散的吊桿簡化為一連續(xù)膜。微小索段的平衡方程為：(18)

2.懸索橋的近似分析(續(xù))(19)

懸索橋計算模型

在成橋后豎向荷載p(x)作用下，荷載集度由q變?yōu)閝p，外力作用下主纜和加勁梁產(chǎn)生撓度

，主纜撓度由y變?yōu)?y+

)，主纜水平拉力Hq變?yōu)?Hp+Hq)，根據(jù)式(18)有：(20)

將(18)、(19)兩式相減得：

2.懸索橋的近似分析(續(xù))(22)

以加勁梁為研究對象，在p(x)作用下加勁梁上的豎向荷載為：(23)

加勁梁的彈性方程為：設EI為常數(shù)，將(22)代入(20)整理得：式(23)就是撓度理論的基本微分方程。q(x)=p(x)-（-q＋qp）(21)

2.懸索橋的近似分析(續(xù))(24)

討論：(25)

由于Hp是p(x)的函數(shù)，因此這一微分方程是非線性的。此外，方程中Hq、Hp和

均為未知，求解時還需要一個補充方程。

利用全橋主纜長度變化的水平投影為零這一邊界條件：式中：L－兩錨碇間的水平距離式(25)中第三項進行分部積分，并利用x=0和x=L時

=0的邊界條件，有：或

2.懸索橋的近似分析(續(xù))(28)

代入式(25)整理后得：式中：

為線脹系數(shù)；t為溫度變化；ECAC為主纜軸向剛度。(27)

(26)

2.懸索橋的近似分析(續(xù))最后，非線性微分方程要通過(23)和(27)兩式迭代才能求解，尚達不到實用計算的要求。針對大跨徑懸索橋活載遠比恒載為小的特點，Godard提出了在式(23)中只考慮恒載索力對豎向荷載的抗力，形成了線性撓度理論。此時線性疊加原理和影響線加載均可應用，使計算得到了簡化。李國豪教授在此基礎上于1941年提出了等代梁法和奇異影響線的概念，揭示了懸索橋受力的本質，使撓度理論變?yōu)閷嵱糜嬎愠蔀榭赡堋Ｏ旅鎸Φ却悍ㄗ饕缓喴榻B。應該指出：線性撓度理論忽略了豎向荷載本身引起的主纜水平力對加勁梁受力的影響，這將使計算結果絕對值增大。因而，用于設計加勁梁是偏安全的。2.懸索橋的近似分析(續(xù))2.3水平靜風荷載作用下的實用計算水平靜風荷載作用下懸索橋的變形如圖所示。風載荷在橋上的實際分布是相當復雜的，在靜風計算中，一般假定風荷載為沿橋跨方向均布的已知荷載。這樣，作用在懸索橋上的風載將分別通過主纜和加勁梁傳到基礎。風荷在主纜與加勁梁之間的傳遞是由吊索完成的，其受力根據(jù)剛度分配?？梢娧芯快o風荷載的計算問題，首先必須研究風載在主纜和加勁梁上的分配問題。簡單的計算方法有均等分配法。

水平靜風荷載作用下的懸索橋

2.懸索橋的近似分析(續(xù))這種方法假定橫向風荷在加勁梁和主纜間產(chǎn)生的重分配力(實質上就是吊桿沿梁長每延米的水平分力)為沿梁長的均布荷載q，索面和梁體在位移時保持剛性轉動。于是，加勁梁和主纜跨中的水平位移

d和

c可寫成：式中：

c，

d分別為索、梁橫向風荷集度；l，EI分別為懸索橋跨徑和梁橫向抗彎剛度；H為主索水平拉力。(33)

2.懸索橋的近似分析(續(xù))根據(jù)索面剛性轉動的假定，有：式中：f，h分別為主纜的矢高，加勁梁形心到吊點距離。由式(33)、(34)得：將式(35)得到的q值代回式(33)，就可算出加勁梁和主纜的橫向靜風響應。(35)

(34)

2.懸索橋的近似分析(續(xù))實際上風的重分配力q并不會沿梁長均勻分布，而是梁長座標x的函數(shù)，記為q(x)，索面和梁的位移也不滿足剛性轉動假定。因此，均等分配法的計算精度較差。相比之下，彈性分配法就有較高的計算精度。按照彈性分配法，懸索橋在橫向風荷及重分配力q(x)的作用下，主纜和加勁梁的平衡微分方程為：

q(x)是一個未知荷載，可以根據(jù)梁、塔的位移協(xié)調條件，通過迭代計算求解。(36)

3.主塔的計算3.1受力特點懸索橋主塔承受的主要荷載有:直接作用于塔身的自重、風荷、地震荷載、溫變荷載；由主纜傳來的荷載,它一方面改變加勁梁和主纜傳至塔上的豎向荷載，另一方面將在塔頂產(chǎn)生順橋向和橫橋向的水平位移，當兩根主索受力不一致時，主塔還會受扭。

工程中橋塔的設計流程如圖示，下面結合設計流程逐一介紹主塔在縱向和橫向荷載作用下的靜力計算和穩(wěn)定計算。

3.主塔的計算(續(xù))3.2主塔在縱向荷載作用下的實用計算縱向荷載是指順橋向的風荷載、地震荷載、加勁梁和主纜傳到主塔的活載等。在活載作用下，橋塔將發(fā)生水平位移，由于主塔縱向抗推剛度相對較小，塔頂水平位移的大小，主要是由主纜重力剛度的水平分量決定，而與塔的抗彎剛度關系不大?；钶d計算中常忽略塔的彎曲剛度，先求出主塔水平位移，再將它作為已知條件計算主塔內力。在計算中，必須考慮兩種加載狀態(tài)：最大豎向荷載與相應塔頂位移狀態(tài)；最大塔頂位移與相應豎向荷載狀態(tài)。一般來說，后一種狀態(tài)可能更為不利。

3.主塔的計算(續(xù))圖14.9為縱向荷載作用下橋塔的計算模式。塔頂作用著主纜豎向分力p，活載或其它荷載引起的塔頂水平位移

、加勁梁傳來的集中力R，塔身受有塔自重、順橋向風載或其它廣義縱向縱向荷載，用帶有幾何非線性的平面桿系程序，可以直接對塔進行分析。為了定性分析，將塔自重集中于塔頂，討論等截面塔在活載作用下的受力情況。x處的彎矩為：

式中：F

使塔頂位移達到

時的水平力。對于給定的懸索橋，通過纜梁體系分析可以求得p和

，這里假定為一已知常量。縱向載作用下橋塔的計算模式

(37)

3.主塔的計算(續(xù))由塔的彎曲平衡微分方程：邊界條件：

得：

得：

由

(43)

(42)

(38)

(44)

3.主塔的計算(續(xù))

由式(43)可知，塔內彎矩主要與分母有關，當EI增大時，

h減小，彎矩就急劇增大，為了經(jīng)濟地設計塔與塔基，

h一定要比

/2大。才能將塔內彎矩控制在較小的范圍內。當然，確定

h時也應考慮塔的縱向穩(wěn)定性。對于變截面的主塔在各種荷載作用下的計算，也可按圖示力學模型，用幾何非線性有限元方法進行計算。3.主塔的計算(續(xù))3.3主塔在橫橋向荷載作用下的計算在橫橋向荷載作用下，橋塔的計算模式如圖示：塔頂作用著主纜的豎向分力，主纜傳來的橫向水平力Hc，下橫梁上作用著加勁梁傳來的豎向力Rs和橫向水平力Hs，塔上還受有橫向風載w、地震等廣義荷載

(y)和主塔自重。由于主塔受到主纜傳來的巨大豎向分力P，因此分析時仍需用帶有幾何非線性的桿系程序。圖14.10的分析模式中忽略了主纜對塔的水平約束(非保向力)作用，因此，其結果是偏安全的。

橋塔橫橋向荷載作用下的計算模式3.主塔的計算(續(xù))3.4主塔在橫橋向荷載作用下的組合主塔是在縱橫橋向荷載共同作用下工作的,其響應可以用直接用空間有限元計算,也可以用上面兩個平面問題來計算采用后者計算,內力(應力)組合時必須注意,豎向荷載引起的軸向力不能重復迭加3.5主塔的穩(wěn)定計算塔在掛索前和成橋后作用縱向荷載時都有失穩(wěn)的可能，必須對這兩種狀態(tài)進行穩(wěn)定驗算。掛索前主塔可看成是一單端固定受自重作用的變截面柱。可將變截面柱問題等效成等截面柱問題來計算。令等效荷載集度為q，等效剛度為EI，根據(jù)Eular穩(wěn)定理論，易得：

3.主塔的計算(續(xù))在成橋狀態(tài)下，必須考慮主纜對塔順橋向失穩(wěn)的約束作用。在計算中偏安全地將塔自重荷載移到塔頂作為集中荷載，與主纜豎向分力共同作用下，令其合力為P，根據(jù)14-3.1的推導，主塔撓度由式(14-43)表示，當主塔失穩(wěn)時，v(x)

，因此有

此式與一端簡支，一端固定的壓桿臨界荷載相一致。對塔穩(wěn)定問題更精確的計算，可按有限元方法并考慮砼徐變、收縮及塔施工初始缺陷的不利因素影響進行求解。否則應在安全系數(shù)取值時加以考慮。

(47)

(46)

(45)

h為主塔高度解得：

以中跨為例，說明成橋狀態(tài)的計算1)中跨主纜索形與張力計算圖示，中跨主纜微小單元dx與主纜豎向分力的平衡條件為：(2)

(3)

(1)

所以有：

1)中跨主纜索形與張力計算(續(xù))若座標系如圖選取，式(3)的解為：(5)

(4)

式中：f為索端連線在跨中到主纜的豎向距離，即矢高；

l為跨徑；Hq為主纜水平力式(4)是一拋物線方程，用這種方法計算主纜也稱拋物線法。將式(4)代入式(3)，得：可知：成橋態(tài)主纜水平分力處處相等。對于不吊梁的主纜段，其索形為懸鏈線。用拋物線法確定的索形是近似的，誤差來自基本假定3。

8fqlH=22)中跨主纜成橋態(tài)和自由懸掛態(tài)的中心索長計算根據(jù)中跨索形方程積分，可得成橋態(tài)主纜中心線有應力索長為：(13)

(11)

將其展開為級數(shù)形式，則：

S=l(1+8/3n2

－32/5n4+......)

其中:n=f/l，為矢跨比；S為索長。加勁梁自重作用下主纜產(chǎn)生的彈性伸長量為：

式中：H=ql2/8f，為一、二期恒載引起的主纜近似水平拉力；

Ec為主纜彈性模量；Ac為主纜面積。

成橋態(tài)纜長扣除加勁梁自重引起的主纜彈性伸長量，可得自由懸掛態(tài)的纜長為：

S1=S－△S1

(12)

(14)

主纜自由懸掛狀態(tài)下，索形為懸鏈線。取中跨曲線最低點為坐標原點，則對稱懸鏈線方程為：(16)

(15)

式中：c=H/q；H為索力水平投影；q為主索每延米重。主纜自重引起的彈性伸長為：

3)主纜與吊索的無應力索長計算則主纜無應力長度為:S0=S－

S1－

S2

根據(jù)成橋狀態(tài)主纜的幾何線型、橋面線型，求得各吊索的有應力長度，扣除彈性伸長量，即得吊索無應力長度。

(17)

為了保證成橋態(tài)主塔不受彎，必須保證成橋狀態(tài)下主纜中、邊跨水平分力Hq是自平衡的。如果在掛索初期就強迫將主索就位于成橋狀態(tài)，塔頂兩邊索的不平衡水平力將在塔內產(chǎn)生強大的彎矩，導致主塔失效或主塔發(fā)生很大的彎曲內力與變形為了使主塔在施工過程中始終處于低彎矩狀態(tài)，從掛索開始就必須使鞍座有一個預偏量，并在施工過程中對它進行不斷調整。確定鞍座預偏量的原則是掛索初態(tài)索自重在塔兩邊引起的水平力相等。根據(jù)索長、索力與索豎向投影和水平投影的關系，通過迭代計算，就可求出鞍座的預偏量。4)鞍座預偏量的概念等代梁法如圖示一受拉、彎耦合作用的簡支梁，其上受均布荷載，兩端拉力為Hq，在x截面處外荷引起的撓度為

，其彎矩為：根據(jù)梁的理論：(29)

受拉、彎耦合作用的簡支梁等代梁法(續(xù))對x求兩次導數(shù)，整理得：將式(18)代入(31)，則：式(32)與線性撓度理論的平衡微分方程式（23）完全一致。可見，懸索橋線性撓度理論可以用等效梁來進行計算，這種方法稱為等代梁法。

(32)

(31)

(30)

134組合鋼板梁橋135組合鋼板梁橋—主要內容組合梁與非組合梁在力學上的相異點組合鋼板梁的分類及其特點鋼板梁組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀及其發(fā)展鋼板梁與混凝土橋面板的連接橋面板連續(xù)組合鋼板梁橋136組合鋼板梁橋—組合梁與非組合梁非組合梁組合梁應力變形(b)組合梁(a)非組合梁組合梁與非組合梁的截面應力連接件

組合梁與非組合梁在力學上的相異點137組合鋼板梁橋—組合梁的分類及其特點

組合梁的定義：當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)生相對滑移、共同承擔縱橋向彎矩時，稱為組合梁。

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。

關于組合梁的某些名稱◆疊合梁?◆聯(lián)合梁◆結合梁◆組合梁★連接件138組合鋼板梁橋—組合梁的分類及其特點

組合梁的分類◆按照連接剛度◆按照施工方法◆按照主梁結構體系◆剛性組合梁◆彈性組合梁◆柔性組合梁◆活荷載組合梁◆死活荷載組合梁◆簡支組合梁◆連續(xù)組合梁139組合鋼板梁橋—組合梁連接剛度分類

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)生相對滑移，截面應變變化連續(xù)，平截面假定成立，計算比較簡單。

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)生一定程度的相對滑移，截面應變變化不連續(xù)，計算比較復雜。

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)生相當程度的相對滑移，截面應變變化不連續(xù)，計算比較復雜。剛度不同時相對滑移量的分布剛性連接彈性連接無連接P柔性連接140組合鋼板梁橋—組合梁的施工方法分類

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，鋼梁及其橋面板等前期死荷載由鋼梁承擔，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，即承擔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，鋼梁、橋面、路面鋪裝等死荷載都由組合梁承擔，即承擔所有死荷載與活荷載的組合梁。

按照施工方法分類橋面板鋼梁活荷載橋面板澆灌橋面板澆灌撤除支撐路面鋪裝路面鋪裝(a)活荷載組合(b)死活荷載組合141組合鋼板梁橋—組合梁的結構體系分類

簡支組合梁：簡支組合梁的鋼梁下翼緣承受拉應力，而混凝土橋面板可以設計成僅僅承受壓應力，完全沒有拉應力作用。

連續(xù)組合梁：連續(xù)組合梁在橋墩上受到很大的負彎矩作用，其橋面板如何承受拉應力、防止發(fā)生有害裂縫是一個未完全解決的課題。142組合鋼板梁橋—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，加勁肋等輔助構件很多非組合鋼板梁橋的承重體系(a)立面圖(b)平面圖(c)截面圖翼緣板加勁肋支座加勁肋加勁肋翼緣板橫撐

橫撐143組合鋼板梁橋—組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀與發(fā)展

組合鋼板梁橋—歐洲設計上的變遷簡化加勁肋簡化橫撐體系增大主梁間距減少主梁根數(shù)144組合鋼板梁橋—組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀與發(fā)展

組合鋼板梁橋—歐洲設計上的變遷

Hopital橋（法國,4跨連續(xù)，最大跨64m）連接件預應力鋼筋

Hopital橋的橫截面145組合鋼板梁橋—組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀與發(fā)展

組合鋼板梁橋—日本設計上的變遷

日本早川橋相鄰2座橋（4根主梁--2根主梁）146組合鋼板梁橋—組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀與發(fā)展優(yōu)點◆采用預應力混凝土橋面板，減少主梁根數(shù)；◆不設或少設橫撐、腹板加勁肋；◆維護容易，造價大幅度降低。改進前改進后147組合鋼板梁橋—組合鋼板梁橋的現(xiàn)狀與發(fā)展優(yōu)點

組合鋼板梁橋的發(fā)展趨勢◆采用預應力混凝土橋面板，減少主梁根數(shù)；◆對承重體系加以改進，不設或少設橫撐、腹板加勁肋；◆采用高強鋼材、輕質或鋼纖維混凝土等新型建筑材料；◆采用預制預應力混凝土橋面板，實行構件工廠化；◆推廣使用耐候鋼，節(jié)省防銹等維護費用；◆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；◆實行多跨連續(xù)，少設或不設伸縮縫；◆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)省支座維護費用。148組合鋼板梁橋—鋼板梁

鋼板梁的屈曲形式(c)壓縮翼緣的扭轉屈曲(d)梁整體橫向屈曲(a)腹板局部屈曲(b)壓縮翼緣的豎向屈曲

非組合鋼板梁的承載性能--屈曲形式149組合鋼板梁橋—鋼板梁

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◆壓縮翼緣的扭轉屈曲：限制翼緣寬度與厚度比◆梁整體橫向屈曲：調整翼緣與腹板截面積的比，設豎向橫撐150組合鋼板梁橋—組合鋼板梁

組合鋼板梁的承載性能—承載性能方面的特點

◆在彎矩作用區(qū)間，中性軸位置向橋面板側上移，終局時鋼梁截面壓縮區(qū)范圍很小，可以不設縱向加勁肋?！粼趶澗刈饔脜^(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)揮密實截面的承載性能?！粼诮M合鋼板梁的剪力作用較大區(qū)間，腹板屈曲后的剪切強度很難提高，還不宜加大縱橫比或減小腹板厚度的限值?！艚M合鋼板梁橋面板的混凝土、鋼筋能夠承擔一部分剪力，其抗剪承載力比純鋼板梁大約增大16%。

151組合鋼板梁橋—組合鋼板梁設計

以2主梁橋為例的鋼板梁設計要點

◆在組合鋼板梁的彎矩作用區(qū)間，中性軸位置向橋面板側上移，終局時鋼梁截面壓縮區(qū)范圍很小，可以不設縱向加勁肋。這種情況下，如果鋼板梁腹板厚度過大，設置一列縱向加勁肋、使腹板厚度統(tǒng)一起來是可行的?！粽龔澗貐^(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、剪應力相對地減小。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一步研究?！舭殡S著鋼板翼緣及其混凝土橋面板的厚度都相應增大，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，其上限可以設為h0/tw=180。

152組合鋼板梁橋—組合鋼板梁設計

以2主梁橋為例的橫梁布置設計要點◆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力大約高出5倍、3倍，當布置在下部時進一步減小?？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?！魴M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其位移也未達到3mm，反而橋墩附近的彎曲應力隨之減小。調查已建橋梁可知，橫梁間距大致在5~10m，而橋墩附近即負彎矩作用區(qū)一般都比較小，大致為5m?！魴M梁截面剛度越大其位移也減小。調查已建橋梁可知，橫梁一般都使用I形鋼，基本上依據(jù)施工時的荷載及其安定性來決定截面尺寸。但同時為了防止負彎矩區(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成的U形剛構具有一定的剛度，特別要驗算支座上的U形剛構的剛度，確保由橋面板傳來的橫向荷載有效地傳給支座?！魴M梁在使用荷載作用下的應力極其小，與主梁接合部的疲勞問題不突出，接合方式等可以考慮施工性來決定?！粢紤]橫梁在施工時的作用進行設計，兼作橋面板施工的支架等等。

153組合鋼板梁橋—橋面板

橋面板的分類與特點

◆混凝土橋面板◆鋼橋面板◆鋼與混凝土組合結構橋面板

橋面板的分類(a)混凝土橋面板(b)鋼橋面板(c)組合結構橋面板154組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

橋面板的分類與特點◆混凝土橋面板◆現(xiàn)澆◆預制◆預應力◆非預應力◆直線底面型◆曲線底面型◆固定支架施工◆移動支架施工155組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

現(xiàn)澆橋面板的早期裂縫的特點◆施加預應力之前，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◆施加預應力之后，后澆混凝土段的橋面底板產(chǎn)生橫向裂縫

預應力、支架移動、鋼板梁約束所致

橋面板的早期裂縫的特點(a)斜裂縫(b)橫向裂縫先澆后澆先澆后澆156組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

現(xiàn)澆橋面板的早期裂縫的特點◆施加預應力一段時間后，在橫梁正上方橋面底板產(chǎn)生橫向裂縫

預應力鋼筋偏心配置后，橋面板上拱，同時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)調變形，使橫梁正上方的連接件受拉，從而在橫向預應力作用發(fā)生橫向裂縫。橫梁正上方的橫向裂縫(a)裂縫形態(tài)(b)裂縫產(chǎn)生機理接縫焊釘受拉上拱力157組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

現(xiàn)澆橋面板的早期裂縫的預防

◆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，加強保溫，下面盡可能采用木制模板?！籼砑舆m量膨脹劑：一般伴隨著降溫，混凝土會發(fā)生體積縮小，通過使用膨脹劑能夠某種程度地抑制體積縮小?！舴旨壥┘宇A應力：可考慮在初期階段，將預應力僅施加能夠保證支架移動的部分，其余的待混凝土完全硬化后再施加。◆固定支架澆灌：支架移動所引起的應力加劇了早期裂縫的發(fā)生，將移動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直接防止裂縫的發(fā)生，但是會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?！暨m當?shù)卦O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置連接件。

158組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

現(xiàn)澆橋面板的損壞機理

◆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力，甚至出現(xiàn)了肉眼觀察不到的微細裂縫。◆通行后的車輛荷載引起的拉應力與早期發(fā)生的拉應力合成，就會在橋面板底面產(chǎn)生橫向裂縫，如圖(a)所示?！綦S著車輛荷載的長期作用，產(chǎn)生縱向裂縫后形成縱橫交錯的形狀，并貫通到橋面板上表面，如圖(b)所示?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板的損壞過程(a)早期橫向裂縫(b)縱橫交錯裂縫159組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

現(xiàn)澆橋面板的損壞機理

◆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。◆當車輛荷載超過其抗剪強度后，混凝土就開始脫落而損壞，如圖(d)所示。一般認為導致最終的破壞是剪切疲勞。現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板的損壞過程(b)骨料咬合力喪失(c)混凝土脫落160組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

預制橋面板的技術特點◆從現(xiàn)澆混凝土橋面板的損壞過程可以認識到，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早期裂縫的發(fā)生加以防止?！纛A制橋面板在澆灌后到鋪設，都放置一定的期間加以養(yǎng)護，其水合熱引起的溫度應變及其干燥收縮變形都未受到外界的約束，產(chǎn)生的應力極小，預制橋面板的推廣使用很有必要?！舢旑A制橋面板單向配筋、既僅在橋梁橫向配置預應力鋼筋的情況下，即使已出現(xiàn)裂縫其裂縫面間的磨損速度也大幅下降?！魞H在橋梁橫向配置預應力鋼筋，預制橋面板不僅可以防止早期裂縫的發(fā)生，而且其抗疲勞強度也大幅度提高，當然采用雙向配置預應力鋼筋的話其性能將更加被改善。

預制橋面板的布置形式(a)多主梁橋時(b)2主梁橋時鋼梁焊釘預埋孔接縫接縫焊釘鋼梁接縫預應力鋼筋161組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

預制橋面板的接縫形式

◆摩擦型一般在橋梁縱向施加預應力時使用的形式之一，彎矩由預應力鋼筋負擔，而剪力假設由兩者間的摩擦負擔。接縫間涂上膠結劑，達到防水的目的。◆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收縮，有時使用無收縮砂漿或加入若干膨脹劑。與摩擦型類似，無需繁雜的施工工序，一般在橋梁縱向施加預應力。(a)摩擦型接縫(b)剪力鍵型填充砂漿162組合鋼板梁橋—混凝土橋面板

預制橋面板的接縫形式

(c)環(huán)形鋼筋型鋼筋鋼筋預應力鋼筋(d)鋼管鍵型填充砂漿鋼管填充樹脂◆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，然后填充混凝土。橋梁縱向無需施加預應力，基本上具有與橋面板同等的強度性能?！翡摴苕I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脂。用到橋梁縱向未施加預應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。

163組合鋼板梁橋—組合結構橋面板

組合結構橋面板◆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?！舾駱嬓徒M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成一體。連接件型組合板底鋼板鋼管連接彎折鋼板主梁底鋼板焊釘主梁I型鋼加腋板上層鋼筋下層鋼筋格構式組合板164組合鋼板梁橋—組合結構橋面板

組合結構橋面板

◆用開孔鋼板連接件◆夾層式組合開孔鋼板底鋼板連接孔鋼筋底層鋼板上層鋼板加勁板混凝土焊釘主梁(a)用開孔鋼板連接件組合(b)夾層式組合165組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

組合梁截面應力計算—橋面板的有效寬度

◆主梁Ga與Gb之間的橋面板截面內應力s(y)在主梁上成為最大、即達到smax，越到跨中變得越小，通常將這一現(xiàn)象稱為剪力滯。精確計算是比較復雜的，一般用橋面板有效寬度考慮。◆橋面板有效寬度：假設橋面板跨中某寬度的截面是不發(fā)揮作用的，僅某寬度λ范圍內的截面承擔荷載。即有效寬度依據(jù)應力分布面積相等，用下式計算：有效寬度計算模式166組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

組合梁截面應力計算—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、下緣的應力用下列各式計算。

截面分力法(a)組合截面(b)應變分布167

截面分力法(a)組合截面(b)應變分布168組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

組合梁截面應力計算—荷載引起的截面力

◆作用力平衡式、截面轉角及其軸向變形條件式為：◆依此可以推導出Ms、Mc、Ns、Nc的計算式為：169組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

組合梁截面應力計算—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了彎矩Mc及其軸力Nc。當橋面板不受到鋼梁約束時，其截面中性軸上會因徐變而自由地產(chǎn)生應變e1（圖b）；當使橋面板的截面返回到當初的應變狀態(tài)時，施加的拉力為N1（圖c）◆實際上橋面板受到了約束而必須與鋼梁的變形保持協(xié)調，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，由下式計算。Φ1為徐變系數(shù)。徐變的影響(a)組合截面(b)自由狀態(tài)(c)結合狀態(tài)(d)應變分布170組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

組合梁截面應力計算—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，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)，與此相對應，彈性模量比為n2=n(1+j2/2)。當橋面板不受到鋼梁約束時，其截面中性軸上會因收縮變形而自由地產(chǎn)生應變e2；當使橋面板的截面返回到當初的應變狀態(tài)時，施加的拉力為N2?！粢蚴湛s變形，組合截面上產(chǎn)生軸力N2及其彎矩M2由下式計算。

收縮變形的影響(a)組合截面(b)自由狀態(tài)(c)結合狀態(tài)(d)應變分布171組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

組合梁截面應力計算—溫差引起的截面力

◆在鋼板梁與橋面板間的連接件時溫差的影響也不容忽視。即使對于簡支梁體系，鋼梁與混凝土橋面板的溫度升降不同（導熱率不同），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:

溫差分布◆當求出由徐變、收縮及其溫差引起的組合截面作用力后，計算橋面板上、下緣及其鋼板梁上、下緣的應力,并與荷載作用下的應力相組合加以驗算。172組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

組合梁截面應力計算—應力驗算

◆當求出由徐變、收縮及其溫差引起的組合截面作用力后，計算橋面板上、下緣及其鋼板梁上、下緣的應力,并與荷載作用下的應力相組合加以驗算?！粼O某組合截面梁上作用彎矩M=1500kNm，收縮應變?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力分布為：

應力分布示意(a)組合截面(b)徐變應力(c)收縮應力(d)溫差應力173組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

連接件上剪切作用力的計算—荷載作用時

◆在剪力S作用下，鋼板梁與橋面板間單位長度上作用的縱向剪力的計算：174組合鋼板梁橋—鋼板梁與混凝土橋面板的連接

連接件上剪切作用力的計算—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