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1、桥梁工程常用材料与计算方法,主讲：李凡 2011年6月17日,重点讲解内容,材料的强度 构件的正确使用 构件的连接 简单计算,单位,1t=10kN=10000N 1kg=10N 1MPa=1000kPa=1N/mm2=100t/m2 1kPa=0.1t/m2 1Pa=1N/m2,碗扣支架施工地基承载力为什么要求大于150kPa？ 混凝土垫块0.4m0.4m=0.16m2 150kPa（1500.1t/m2）0.16m2=2.4t 碗扣支架立柱承载力按2t/根设计,容重 （密度）,钢材 7.85t/m3=78.5kN/m3 砂石料 15kN/m3左右 混凝土 24kN/m3左右（与标号有关） 钢
2、筋混凝土 2.5t/m3=25kN/m3（配筋率2%） 松木 0.6t/m3=6kN/m3 淤泥质粘土粉砂 1720kN/m3,结构设计需考虑的12个主要方面,强度（承载能力）,刚度（正常使用）,经济性,通用性（周转性）,操作简便,使用数量、次数、时间,运输便利,与永久结构匹配,温度影响,材料选择,尺寸配合,稳定性,结构设计,主要,次要,词语解释,强度、刚度、稳定性是结构设计中最基本的要求。 稳定性主要靠理论分析，有些计算软件可以对整体分析。包括整体稳定性和局部稳定性。 经济性要靠对力学理论的掌握及列表比较。 材料选择要选用常用的型材，最好是自有的。 尺寸配合包括2个方面：构件间尺寸配合和型材
3、定尺寸合理利用。 使用数量、次数、时间主要关系到安全系数的取值。 与永久结构匹配就是看主体工程中有没有与临时工程相同的材料。,3.3m,2.1m,40b工字钢12m=33.3m+2.1m,钢材的品种和牌号,碳素结构钢 Q-钢材屈服点（屈服强度） A、B、C、D-质量等级（化学成分和机械性能不同，主要区别为含碳量由高到低） 工地所用钢板和型钢的牌号多为Q235B（A3） 低合金结构钢 Q345（16Mn）平均含碳量0.16%，主要合金元素为锰 贝雷片的牌号Q345 常用钢梁的牌号Q345qD,钢材的强度设计值,常用材料强度,立方体混凝土（C50为50MPa） 钢筋 级R235 级HRB335 级
4、HRB400 钢板、型钢215、235MPa 钢绞线1260、1860MPa S15.24 平行钢丝1410、1670MPa 7 精轧螺纹钢PSB7851080、980-1230MPa JL,黄色为设计强度，蓝色为屈服强度，红色为极限抗拉强度。,强度计算,抗弯强度 抗拉强度 抗压强度 抗剪强度,抗弯强度（简支梁）,L,P,抗弯强度验算公式：=M/W。得出结果与设计值比较。,M=PL/4,L,q,M=qL2/8,集中荷载,均布荷载,抗弯强度算例（40b工字钢简支梁）,5m,200kN,=M/W=300103/1139=263.4MPa,M=PL/4=1.22005/4=300kNm,5m,40k
5、N/m,M=qL2/8=1.24052/8=150kNm,集中荷载,均布荷载,=M/W=150103/1139=131.7MPa,40b工字钢截面特性： Ix=22781cm4 Wx=1139cm3,不满足设计强度！,CAD辅助设计,截面特性查询,制图和查询时最好使用cm单位，得出的数值即为cm4。,主力矩与质心的 X-Y 方向: I: 223757.6085 沿 1.0000 0.0000 J: 53151.5221 沿 0.0000 1.0000,CAD命令（reg）-合集、差集、并集-面域/质量特性,I:Ix J:Iy,常用型钢承载弯矩M,I40b：24.5tm I20a：5.1tm 2
6、0a：3.8tm 16a：2.3tm 321型贝雷片：78.8tm 加强贝雷片：168.7tm,根据W得出，未含安全系数。取值215MPa,200型尺寸30482234mm，321型尺寸30001500mm。,铁是纯净物 钢是混合物 钢铁中均含有少量合金元素和杂质的铁碳合金，按含碳量不同可分为： 生铁含C为2.04.5 钢 含C为0.052.0 熟铁含C小于0.05 钢系由生铁再炼而行，有较高的机械强度和韧性，还具有耐热、耐腐蚀、耐磨等特殊性能。 铁与钢的区别：铁在自然界中蕴藏量极为丰富，占地壳元素含量的5，居地球物质中的第四位。铁元素很活泼，容易与其它物质结合。 习惯上常说的钢铁是对钢和铁的
7、总称。钢和铁是有区别的，所谓钢铁，主要由两个元素构成，即铁和碳，一般碳和元素铁形成化合物，叫铁碳合金。含碳量多少对钢铁的性质影响极大，含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化。 由铁原子构成的物质叫纯铁，纯铁杂质很少。含碳量多少是区别钢铁的主要标准。生铁含碳量大于2.0；钢含碳量小于2.0。生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。钢不仅有良好塑性，而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物化应用性能，因此被广泛利用。,钢与铁,轴心抗拉及抗压强度,抗弯强度验算公式将得出结果与设计值比较。 -稳定系数，与构件长细比对应，长细比越大值越小 -长细比，=L/i i-回转半径
8、,P,P,P,=P/A,=P/A,L,L,受压构件的容许长细比,b类截面轴心受压构件的稳定系数,抗压强度算例（6308mm钢管）,=0.614（查表）,500kN,=P/A=1.250010/0.614156.25=62.5MPa,20m,500kN,=L/i=1.02000/21.99=91（取值见下页表）,6308mm钢管截面特性： A=156.25cm2 i=21.99,此例为计算值，要根据现场钢管壁厚及腐蚀情况折减。一般新钢管按7mm壁厚计算。,抗剪强度,L,P,抗剪强度验算公式：=V/A。得出结果与设计值比较。 跨径大于1.5m一般不需验算抗剪强度。 注：A取值并非构件截面面积，而是
9、承剪有效面积（右图红色线框内面积）。,V=P/2,L,q,V=qL/2,集中荷载,均布荷载,h,t,t,抗剪强度算例（40b工字钢简支梁）,集中荷载,均布荷载,=V/A=120103/40016.5=18.2MPa,V=P/2=1.2200/2=120kN,V=qL/2=1.2405/2=120kN,=V/A=18.2MPa,40b工字钢截面特性： h=400mm t=16.5mm,等截面梁跨径大于1.5m时，其剪应力很小。,5m,200kN,5m,40kN/m,临时结构施工钢材,施工设计中所采用的钢材品种主要为热轧型钢及钢板，且以普通工字钢、槽钢、角钢居多，钢号以Q235B为主，其原因为热轧
10、型钢来源充足、价格合理、适用范围大、周转性较强。 钢材中工字钢主要用于承重受弯构件，槽钢用于模板背楞、管材连接等部位，角钢则在索塔劲性骨架及施工爬架应用较多。钢板在预埋件、节点板、加劲肋、型钢连接及加强处充分发挥了其重要作用。此外施工中还辅以大型螺旋焊钢管作为设计材料。这几种材料在整个设计占有相当大的比例。 除了以上材料的大量使用外，在施工设计中还引用预应力高强精轧螺纹粗钢筋、321型贝雷桁架、碗扣支架等其它特殊材料。,常用型钢,工字钢（普通、轻型） 槽钢（普通、轻型） 角钢（等边、不等边） H型钢（HW、HM、HN） 螺旋焊钢管,抗弯构件的正确使用,图中为抗弯能力比较。,20a槽钢,40b工
11、字钢,11.8,7.4,型钢错误使用,型钢组合,注：比较中没有考虑稳定性上的差别,焊缝连接,型钢组合抗弯能力比较,焊缝连接,移动模架后横梁改造,钢结构设计目的及方法,钢结构设计的目的是应保证结构和构件在充分满足功能要求的基础上安全可靠地工作。即在施工和使用过程中能满足预期的安全性和使用性的要求，做到技术先进、经济合理、安全适用和确保质量。 目前我国钢结构设计方法经历四个阶段：传统的容许应力法和最大荷载法；三系数极限状态设计法；半概率极限状态设计法；概率极限状态设计法。,在施工中主要采用处于国际领先的概率极限状态设计法进行钢结构设计，此种方法对所设计的结构的功能作出一定的概率保证，在结构的可靠与
12、经济之间得出最佳的平衡点。 在使用概率极限状态设计法进行结构设计中，根据功能要求，结构的极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。即结构的强度要求和刚度要求，在桥梁施工中分别体现在支架和模板的设计中。 计算结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度时，采用荷载设计值，即荷载标准值乘以荷载分项系数。荷载分项系数一般情况下静力荷载为1.2，施工荷载为1.4。 钢材的强度设计值（Q235）抗拉、抗压、抗弯取215N/mm2、抗剪取125N/mm2，随厚度或直径的增加按组别依次递减5或10N/mm2。,JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范P66,稳定性,增加部分抗剪性能，但效果并不好。
13、,焊缝连接,钢结构一般常用的焊缝形式分为对接焊缝和角焊缝两种基本形式。 由于对接焊缝对焊件边缘须加工的坡口、下料和拼装尺寸要求相对准确，故制造较费工，所以在应用中除要求严格的构件在工厂加工时要求对接焊缝连接外（比如起重吊具、吊机锚固装置等构件），现场施工以角焊缝作为钢结构连接主要形式。 角焊缝按其长度方向和外力作用方向的不同可分为平行于力作用方向的侧面角焊缝、垂直于力作用方向的正面角焊缝和与力作用方向成斜角的斜向角焊缝。 角焊缝按沿长度方向的布置，还可以分为连续角焊缝和断续角焊缝两种形式。在主要结构及主要构件中必须采用连续角焊缝，而断续角焊缝一般只用在次要构件或次要焊缝连接中。 焊缝按施焊位置
14、可分为平焊、立焊、横焊和仰焊四种形式，其中平焊质量最易于保证。 施工设计中主要采用手工直角（侧面及正面角焊缝）、连续、平焊角焊缝连接并进行相应的计算，对于受力及计算复杂的斜向角焊缝一般不予使用。,焊缝的强度设计值,直角角焊缝的强度计算,hf,hf,hf,hf,hf,hf,例：焊缝有效面积0.78100=560mm2 剪力承载560mm2160N/mm2=8.96t,焊缝hf高度8mm，焊缝长度10cm，承受剪力荷载多大？,hf,hf,he,he,he,he,hf -焊角高度 he -有效高度,此例为计算值，要根据现场实际焊接质量情况折减。,（1）,（2）,（3）,（4）,护筒下放卡板计算,2.
15、5m,护筒长度25m，重量3.142.50.016257.85=24.6t，设双面角焊缝hf高度8mm，需焊缝长度？,246103/（16080.7）=275mm,也可直接推算hf=8mm焊缝1cm长度抗剪0.9t，24.6t共需长度24.6/0.9=27.3cm。,这种方式增加了角焊缝抗弯应力，只按剪应力算出的焊缝长度远远不足，所以施工中尽量将支点靠近护筒。,钢丝绳,安全系数 按规范钢丝绳作吊索用时：1.无绕曲时57倍；2.有绕曲时68倍。实际使用时安全系数最少应达到4倍。,GB/T20118-2006一般用途钢丝绳,钢丝绳结构：637（a）,使用时还要考虑钢丝绳吊装角度的换算。,型钢接长与加强,八边形连接板能有效减少矩形连接板四角处应力集中现象。,等强连接,等强连接是指将构件连接（焊接、栓接
