1、钢桥设计方法及应用的研究摘要：近年来，钢桥的使用频率越来越高，钢桥设计工作也被人们广泛关注。本文将从以下几个方面来具体分析钢桥设计的一些科学方法，并分析了这些设计方法的具体应用问题。以期为我国钢桥的使用提供参考。 关键词：钢桥设计方法应用 中图分类号：U445 文献标识码：A 前言 钢桥以其自身的优点，被广泛应用在各种工程项目中，由于钢桥的建造需要科学合理的方案，因此，做好钢桥设计至关重要，而要做好钢桥设计，就必须要使用合理的设计方法。 一钢桥的主要特点 1 优点 高强匀质材料：钢材是一种抗拉、抗压、抗剪强度高的匀质材料，承受拉、压、弯、剪均可，并且与混凝土等材料相比自重小（通常用重量强度比来
2、表示两种材料在结构意义上的相对轻重） ，所以钢桥具有很大的跨越能力。桥梁跨度非常大、荷载非常重，采用别的材料来建桥将遇到困难时，一般采用钢桥。钢材可加工性能好，可用于复杂桥型和景观桥。 钢桥的构件最适合用工业化方法来制造，便于运输，便于无支架施工，工地的安装速度也快。因此，钢桥的施工期限较短。 韧性、延性好，可提高抗震性能。 钢桥在受到破坏后，易于修复和更换。 旧桥可回收，资源可再利用，有利于环保。 2 缺点 钢材的主要缺点是易于腐蚀，需要经常检查和按期油漆。同时，铁路钢桥行车时噪声与振动均比较大。 二钢桥设计方法 1 容许应力设计法 容许应力设计法一直是钢结构设计中常用的方法。容许应力法原则
3、上是使由于荷载产生的结构的应力低于规定的容许应力，即将构件中产生的实际应力控制在屈服点应力(或比例极限应力)以下的弹性设计方法。根据下列关系进行设计: （1） 容许应力是将一般材料的屈服点应力除以安全系数 v 求得: （2） 其中安全系数是杆件或结构物能容许的最大荷载与实际作用于结构物的荷载 P 之比 混凝土等屈服点不明显的材料,以破坏强度。为标准,将它除以安全系数来确定容许应力。钢材的安全系数通常是以屈服点为基准确定的。此外,确定安全系数时还要考虑材料强度的离散性和屈服后材料的延展性等性质。容许应力设计法是根据弹性理论,在弹性极限内考虑问题的,所以有时也称为弹性设计法。容许应力设计法在确定安
4、全系数时也在一定程度上考虑材料的延展性,并不是完全不考虑材料的塑性。若把安全系数及设计计算作为一个系统来考虑时,则对荷载的性质、结构分析的精度、结构的重要程度等问题也必须加以考虑。因此,虽然是同级的材料,但随着结构分析精度的提高、材料可靠性的提高、实际经验的积累等,容许应力亦将随时代的不同而有所改变。式（2）是受拉杆件容许应力的计算法,但对于受压杆件,则应以屈曲应力代替,这时,根据杆件长细比的不同而应考虑塑性屈曲应力。 容许应力设计法是以弹性理论为基础的,故易计算,而且根据这种设计方法建造的结构物具有能充分发挥其功能的实际经验,是较好的设计方法。但此法不能知道结构物的真实承载力(抵抗荷载的能力
5、),故结构物最大承载力(极限荷载)的安全系数可能因结构体系的不同而异。 弹性设计理论认为结构物的任何部分均不应有超过结构材料屈服点的应力,但实际,弹性理论计算值即使在屈服点以下,实际上有的部分会出现比计算值大的应力,有时甚至在设计荷载作用下己产生塑性变形。 2 塑性设计法 1）塑性铰 当结构杆件的截面处于弹一塑性工作阶段时,虽然靠近边缘的外部纤维由于屈服而完全塑性地变形,但是截面弹性核心内部的纤维却仍具有一定的抵抗能力,故截面变形(转角)要获得任何增量都需要有相当的弯矩增量,这时,弹塑性截面的变形(转角)受到局部的遏制,因而不能自由发展。这种变形通常理解为约束塑性流。当截面临近塑性阶段时,弹性
6、核心趋于消失,中性轴上下的纤维变形虽然有拉伸与压缩的不同,但却能完全塑性的发展,以至于进入塑性阶段后,截面变形(转角)达到毫无约束的程度。这种变形通常理解为非约束塑性流。杆件截面出现非约束塑性流以后,其左右区段发生相对转动,挠度曲线形成转折。这结果相当于以一个铰设置于该截面处。不过这是一个性能异常的铰,它在转动时还传递一个数值等于塑性弯矩城的弯矩。在普通结构力学分析中的“铰”,都是不传递弯矩或假设为不传递弯矩的。而在塑性分析中设想的铰不但可以任意转动,尤其重要的是它还能够而且也必需传递一个数值等于塑性弯矩城的弯矩。因此,特别称它为塑性铰,其性质可概括如下: 当截面弯矩数值上小于塑性弯矩时,它可
7、以传递全部弯矩而不产生任何相对转动。 当截面弯矩数值上等于塑性弯矩时,它能传递全部弯矩,并在弯矩方向产生任意大小的相对转动。 塑性铰是单向铰,它随弯矩符号的改变而消失。 塑性铰只有在截面弯矩接近到破坏弯矩时才能产生。 在卸去载荷时转动变形与载荷成正比表现为弹性性质。 2）内力重分布现象 所谓内力重分布,是指梁的内力相对于线性弹性分布而发生变化的现象。通 常所说超静定梁的内力重分布现象,就是指这个发生于屈服荷载以后的内力重新调整的现象。显然,内力重分布一般地存在于超静定结构中。由于引起这个现象的根本原因是材料的塑性性质,故又称为塑性内力重分布。在多数情况下,主要是研究超静定结构的弯矩变化,所以通
8、常又简称为弯矩重分布。不过,结构的弯矩与剪力或轴向力总是相互影响的,所以广义地称为内力重分布会更确切些。毫无疑义,这种内力重分布现象只存于超静定结构中。对于静定结构,除某个截面的应力重分布外,是不会出现内力重分布的。这是超静定梁工作的基本特点。 3 荷载系数法 载荷系数设计法(LFD)是强度极限设计法,它在桥梁中的应用,始于美国国家公路与运输人员协会(从 SHTO)于 1973 年颁布的桥梁设计规范,在后来的暂行规范里,做过一些较小的改动。 容许应力设计法主要是就应力来考虑安全系数,而所谓荷载系数设计法是从荷载出发考虑安全系数的方法。此法是对各种工作荷载 L、(在现今的容许应力设计法中,规范上
9、规定的设计荷载,虽有宽裕,但都可以认为是工作荷载)分别乘以根据荷载的性质而确定的荷载系数 Yi,将它们加起来,与相应的结构的某一极限状态的荷载 Lu 对照来进行设计,即以 的形式进行计算。这个方法除了能按照不同荷载采取不同的荷载系数外,还由于对极限状态采用弹性极限荷载、破坏极限荷载(塑性极限等)、使用极限荷载等,所以在从弹性设计到塑性设计的广大范围内均能适用。当然,极限状态的种类不同,荷载系数值是不相同的。 关于结构的滑动、倾覆等与正应力无关的稳定计算,以前也是用荷载系数设计法的考虑方法。此法在预应力结构、结合结构等这些根据荷载阶段不同,其荷载与应力不成比例的结构物中也可以适用；它使非线性结构
10、的设计更为合理并能按照不同的荷载和极限状态对安全系数加以调整,这些都比容许应力设计法优越。历来的预应力结构和结合结构的设计,为了排除容许应力设计法中的矛盾,采用了与荷载系数设计法相似的方法对破坏进行验算。 三钢桥设计应用中的稳定性原则 根据稳定问题在实际设计中的特点提出以下两项原则并具体阐明这些原则,以更好地保证钢桥稳定设计中构件不会丧失稳定。 1 结构整体布置必须满足梁的整体稳定性要求 梁的整体稳定的临界荷载与梁的侧向抗弯刚度、抗扭刚度、荷载沿梁跨分布情况及其在截面上的作用点位置有关。钢桥整体失去稳定时,梁将发生较大的侧向弯曲和扭转变形。故为提高梁的整体稳定承载能力,钢桥在其端部支承处都应采
11、取构造措施,以防止其端部截面的扭转。 2 结构细部构造必须满足梁的局部稳定性要求 梁的局部稳定性主要是通过限制受压翼缘的宽厚比和限制腹板的高厚比来控制。根据构造及计算需要设置相应的加劲肋,以保证梁的局部稳定。 结束语 综上所述，在钢桥设计过程中，必须要采取合理科学的设计方法。针对钢桥设计的实际需要，精准计算钢桥的构造，提出合理的设计方案，控制钢桥设计的质量，从而保证钢桥建设的科学性。 参考文献 1刘晓伟.小跨矮梁钢桥设计与建造J.中国新技术新产品,2009,17:62-63. 2苏善根.公路钢桥设计回顾J.公路,2010,02:45-55. 3刘美兰.钢桥结构设计与施工控制D.合肥工业大学,2009.
