1、钢桥稳定设计的探讨【摘要】改革开放到现在，钢桥技术有了快速发展，尤其是近 20年，钢桥了跨度、质量、工艺灯都有了长足的发展。这与我国经济发展中对钢桥的需要是分不开的。文章对钢桥稳定设计进行了分析，具有一定的借鉴意义。 【关键词】钢桥 稳定 设计 中图分类号： S611 文献标识码： A 前言 文章对钢桥近十年来发展的趋向和钢桥钢材的力学性能进行了介绍，对钢桥稳定性设计的原则和钢桥稳定设计中的影响因素进行了阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对钢桥稳定性研究中存在的问题进行探讨。 一钢桥近十年来发展的趋向 1 铁路、公路都大量采用钢桥 目前我国钢梁总量近 60 万吨，主跨大于 10
2、0m 的铁路钢桥近 20 座。随着公路钢桥的长大化发展，大跨度斜拉桥和悬索桥的面世，钢桥在公路桥中使用量正在增加。主要是用于大跨度斜拉桥和悬索桥的主梁。南浦大桥(主跨 423m)主梁用钢量达 6300t,杨浦大桥(主跨 602m)主梁用钢量1.26 万吨，我院正在设计的以扁平钢箱梁作主梁的斜拉桥福州青洲公路桥(主跨 605m)，用钢量约 14000t，西陵长江悬索大桥(主跨 900m)，同样用扁平钢箱梁作主梁，用钢量约 7200to 。 2 钢桥长大化更迫切 在通航条件要求较高的水系上.特别是在长江上建桥，普遍要求有更大的净宽以保证大桥和过往船只的安全。此外，对于在深水和地质情况复杂的条件下的
3、桥梁，为加快施工速度，减少水下作业，亦需要钢桥采用更大的跨度。 3 钢桥材料市场国内国际并举 随着钢桥跨度的增大，特别是大量使用焊接，对钢桥材质要求越来越高。目前我国钢桥普遍采用屈服强度为 340MPa 级的 16Mnq 钢，在大跨度钢桥中采用屈服强度为 420MPa 级的 15MnVNq 钢。由于钢桥用钢量占国内钢厂产量的比重太小，钢材采购渠道以国内为主的同时，一些大型桥梁的钢材亦从国际市场进口，主要品种为相当于 16Mnq 钢的这一级。 二钢桥钢材的力学性能 1 强度 钢的强度有三个指标，即弹性极限、屈服强度，和抗拉极限强度、 。桥梁在使用时，不仅要求在载荷的作用下不会被破坏而且变形小。钢
4、的弹性极限及屈服点应力越高，表示在不发生塑性变形的条件下能承受的应力越大。当外加应力达到屈服点应力，部件就产生塑性变形，继续加大应力达到抗拉极限强度，钢材就断裂破坏，抗拉极限强度越高，抵抗破坏荷载的能力也就越大。 2 塑性 钢的塑性变形能力包括伸长率、断面收缩率和冷弯。伸长率、断面收缩率是钢对结构的安全指标。因为桥梁结构中有局部应力集中或有残余应力处，其值可能超过屈服点应力。伸长率及断面收缩率高的材料可以通过塑性变形使应力重新分布，避免引起结构的局部破坏而导致整个结构的失效。冷弯是检查钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，同时通过冷弯能显示钢板中是否有缺陷。冷弯性能好的材料，有利于制造，它是一个
5、工艺指标，也是一个质量指标，但主要的还是质量指标。通过冷弯可以考验钢板中有没有夹碴或分层。 3 低温冲击与时效 钢材的韧性对桥梁的安全是十分重要的。尤其是铁路钢桥承受的动载荷很大，如果结构的构造细节不好，或材料使用不当，制造质量有缺陷，在使用中就容易产生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展，部件承受载荷的有效面积减小，剩余面积上的应力就增加，直到剩余面积达到不足以支承所加载荷时，就会产生断裂。最后的断裂可能是塑性破坏，也可能是脆性破坏。断裂破坏多发生在环境温度低，加载速度快等条件下。要防止断裂发生，须注意结构设计和构造细节的优化、钢材的选择、焊接质量标准的规定等。选择钢材和规定焊接质量标准的依据是钢材和焊
6、缝金属的冲击韧性，桥规规定的为夏比冲击功。最早对钢材的冲击功规定是从经验和试验得到的。 三钢桥稳定类型 1 梁整体稳定 为了提高梁的抗弯强度，节省钢材，钢桥截面一般做成高而窄的形式 ，受荷方向刚度大而侧向刚度小。如果梁的侧向刚度较弱 f 如仅在支座处有侧向支撑)，梁的弯曲会随荷载大小的不同而呈现两种截然不同的平衡状态。如图 1 所示的工字形截面梁 ， 荷载作用在其最大刚度平面内。 当荷载较小时， 梁的弯曲平衡状态是稳定的。 虽然外界各种因素会使梁产生微小的侧向弯曲的扭转变形，但外界影响消失后， 梁仍能恢复原来的平衡状态。 然而，当荷载增大到某一数值后， 梁在向下弯曲的同时， 会突然产生侧向弯曲
7、和扭转变形的破坏， 这种现象称之为梁的整体失稳。 2 梁局部稳定 组合梁一般由翼缘和腹板等板件组成，如果 将这些板件不适当地减薄加宽，板中压应力或剪 应力达到某一数值后 ，腹板或受压翼缘有可能偏 离其平面位置，出现波形鼓出的现象如下图。 梁的局部稳定中以受翼缘和腹板的局部稳定最为突出。 保证局部稳定的同时，还应验算强度问 题了解钢桥稳定类型非常重要，这样才有可能 正确估量结构的稳定承载力。要真正掌握这种 件的性能， 就必须了解缺陷对它的影响。 其他构件也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深人对构件屈曲后性能的研究。 四钢桥稳定性设计的原则 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
8、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。 结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。当涉及稳定性能时，构造上时
9、常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。 五钢桥稳定设计中的影响因素 1 施工 架设阶段设计时，因为荷重是暂时作用的，要进行允许应力度的比例分配。然而，因为架设时恒载和架设机械是主要荷载，和实际荷载计算上的差非常小。所以是无法充分考虑冲击和荷载不均衡性，导致构造物的安全率变小。还有在架设过程中的构造体系里，静定构造多，构造上的多余东西少。架设时实际构造物容易发生损伤的主要原
10、因是抗载性能不足，所以架设时有必要留意强度检查。 2 耐久性 随着社会资本的增加养护管理的费用也增大，怎样建造耐用美观的桥梁成为了课题，钢桥的完成形式注重对挠度和构造高的管理，对钢桥耐久性最具影响的是桥面板。由于剪力控制桥面板的疲劳强度，也就是通过移动轮荷载求出的荷重和破坏次数斜率非常小，即使微小的荷载增加疲劳耐久性可能大幅下降。荷载的大小相同时，桥面厚度对疲劳强度的影响非常大。如果桥面的跨径比较小，设计上的桥面虽不厚，但由于施工误差等原因设计时要考虑桥面厚的不足。然而，进行与耐久性有关的设计，大多以经验为基础，同时也要具有对材料的想象理解能力。 六钢桥稳定性研究中存在的问题 钢桥体系稳定性研
11、究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题： 1 在大跨度桥梁设计中整体稳定与局部稳定的相互关系是一个值得探讨的问题。目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。 2 预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善。目前还没有一个完整合理的理论体系来分 析预张拉结构体系的稳定性。 3 钢桥体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响。目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳问题的研究。 结束语 钢桥稳定性研究中，还存在一些不容忽视的影响刚才稳定性的问题，这些问题是非常突出的，具有代表性的，对于这些问题，要重点研究并攻克。 参考文献 1胡春农，黄剑源，曹治杰编钢结构设计的若干理论J北京：中国铁道出版社，2011（36）：36；39 2周学军主编钢结构设计规范 GB50017 应用指导M济南：山东科学技术出版社，2004（15）：27-29
