行业聚焦丨钢桥设计一般要求和原则

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钢桥的主要特点

一、优点

1）、高强匀质材料：钢材是一种抗拉、抗压、抗剪强度高的质材料，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。

2）、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。

3）、韧性、延性好，可提高抗震性能。

4）、钢桥在受到破坏后，易于修复和更换。

5）、旧桥可回收，资源可再利用，有利于环保。

二、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。铁路钢桥行车时噪声与振动均比较大。

[01/结构与受力]

Structure and forces

1、薄壁结构

为了提高截面效率，钢桥一般做成薄壁结构，应力计算应该考虑剪力滞、扭转（自由扭转、约束扭转）、翘曲等影响。

2、稳定（stability）

钢桥结构刚度小，稳定问题突出。作为薄壁结构，为了防止板件的局部失稳需要设置加劲肋和限制板件的宽厚比。



3、刚度（stiffness）

刚度小，设计中通过限制杆件的长细比（slenderness ratio）、挠度（deflection）和钢桥的宽跨比保证桥梁的刚度。

4、疲劳（fatigue）

构件和连接的疲劳强度受材质、连接方法与方式、荷载性质、应力状态、应力幅和应力比的影响。



5、连接（connection）

钢桥构件一般由钢板和型钢等焊接而成，用高强螺栓(high-strength bolt) 或工地焊接拼装。

[02/钢桥加工制作与安装]

Fabrication and installation of Steel Bridge



钢桥设计图（design drawing）表达的内容和标注的尺寸是指成桥状态下的结构形状和尺寸。钢桥制作需完成的任务就是，以钢板和型钢为主要原材料，按钢桥成桥要求，在工厂加工成可运输的单元或构件，直至包装发运。钢桥安装是将工厂制作的构件或单元，吊装就位，连接成桥，并满足设计图结构受力、结构形状和尺寸要求。

钢桥构件的工厂加工需要经过材料预处理、作样、号料、切割、矫正、边缘加工、制孔、组焊、焊接、整形、检验、试装、除锈、涂装、包装发运等多道工序。钢结构在加工过程中，钢板或型钢会产生各种各样的变形。同时，在钢桥安装过程中 （特别是工地焊接） 也会产生不可忽视的变形。这些变形在钢桥零件下料时必须事先加以考虑， 否则很可能出现尺寸误差等问题使得钢桥制作安装变得困难，甚至成桥不能达到设计图的要求。

因此，工厂在接受设计图纸后，首先要根据可以采购到的各种原材料尺寸、工厂的加工能力和运输条件等，绘制钢结构单元和构件图，即工厂加工图（shop drawing）。加工图考虑预拱度、制作安装变形等影响，说明加工工艺 ，并得到设计方和业主的认可。其次，工厂需要根据加工图要求绘制组成钢桥各部件的零件图（parts drawing）。零件图是工厂作样、号料和各种制作数控机床控制数据的依据，需要考虑钢桥加工制作与安装过程中各种变形等影响和焊缝、切割余量等要求。

[03/钢桥设计一般要求和原则]

General Requirements and principles for design of steel bridges



钢桥一般用钢板、型钢等加工制作而成，加工工序多，工艺复杂，要求较高的技术和工厂专业化生产。为了便于控制和保证钢桥的质量，钢桥一般采用工厂焊接构件，工地现场拼装（高强螺栓连接或工地焊接） 。钢结构设计要与架设方案统筹考虑，应以经济合理、便于加工、方便运输安装和检查维护为准。

钢桥是高强、轻型薄壁结构，截面和自重比混凝土桥小，跨越能力大。同时，钢桥的刚度相对较小，变形和振动比混凝土桥大。为了保证车辆行驶安全和舒适性、避免过大的变形和振动对钢桥结构产生不利的影响，钢桥必须有足够的整体刚度。规范规定， 由汽车荷载所引起的竖向挠，不应超过一定的容许值。

在恒载作用下，桥梁结构会产生变形，为了保证钢桥成桥后的桥面线形尽可能与线路设计线形一致，当恒载挠度较大时，桥跨结构应设预拱度（Camber）。公路钢桥规范规定，当结构重力和静活载产生的竖向挠度超过跨径的 1/1600 时，应设预拱度，其值等于结构重力与 1/2 静活载产生的竖向挠度之和，起拱应做成平顺曲线。如桥面在竖曲线上，预拱度应与竖曲线纵坡一致。对于钢桥采用工地焊接时，还必须考虑由于焊接产生的结构变形。特别是当钢桥面板采用焊接，钢梁底板和腹板采用螺栓连接的混和连接结构形式桥梁，在支架上无应力状态连接时，焊接产生的变形较大，甚至接近或超过恒载挠度。

为了防止钢桥的横向失稳和过大的横向振动，桥梁结构应具有必要的横向刚度。特别是铁路钢桥，往往是桥宽较窄、活载大、列车的蛇行运动容易产生横向振动，横向稳定问题较为突出。在特大跨度公路钢桥中，宽跨比减小，也有可能出现横向失稳，特别是大跨度钢拱桥，应该从构造和结构尺寸两方面保证结构的横向稳定。通常，跨长超过桥宽的20倍时，应该验算桥梁结构的横向稳定。桥跨结构在施工架设时期也应保证横向和纵向的倾覆稳定性。公路钢桥规范规定，稳定系数应不小于 1.3。

钢桥设计不仅要满足使用阶段的受力和工作性能要求，而且应分析施工吊装和调整支座等受力状况，使钢桥在施工过程中满足应力和变形的要求，考虑到吊装过程中的惯性作用和其他不可预见的不利因素影响，公路钢桥规范规定，钢桥施工验算时起顶设备及结构本身都应按起顶重力增加30％验算。

钢桥的最大缺点是容易腐蚀，如果钢桥的设计和养护不当， 将严重影响钢桥的耐久性和使用寿命。目前钢桥采用最多的重防腐油漆涂层的防腐寿命只有 10 年左右，钢桥在设计使用期内需要多次进行除去浮锈、旧漆和重新涂装。钢桥所有有可能腐蚀的部位都必须留有足够的空间和进入通道，如箱形结构横隔板需要开孔并且满足人员通过的最小尺寸要求， 保证结构的可维护性。否则必须采取可靠措施，如将结构做成完全封闭形式阻止钢材锈蚀产生的条件等，确保钢桥结构在设计使用期内不发生腐蚀，或者腐蚀控制在预定的程度之内。应尽可能避免采用梁高或梁宽很小的箱形截面或不必要的封闭式结构，减小箱内焊接和养护的难度。

钢桥的另一缺点是疲劳。影响钢桥疲劳的主要因素有：钢材品质、荷载性质、应力状态、连接的构造与方法、构造细节等。钢桥的设计必须选用有足够韧性的钢材，尽可能避免应力集中和容易出现疲劳的构造细节、连接构造与方法。结构在其传力途径中的截面变化的缓急程度是影响应力集中的主要因素，钢桥设计中应该避免截面的急剧变化。如 T 形连接中尽可能设置曲线过渡段，避免出现隅角。

由于未栓合或未焊合的接触部分的层间紧密度不能保证，容易形成细缝吸水，不易干燥，为了防止钢梁锈蚀，钢梁结构中不应有未栓合或未焊合的接触部分。钢梁构件上的小坑和凹槽容易引起积水，应该避免。同时，对于箱形结构或有可能积水的部位，应该开泄水孔等，防止由于空气结露、漏水等原因导致积水。对于开口截面形式，应尽可能避免容易积水和灰尘堆积的构造细节。

为了提高钢桥制作与安装的工作效率，应尽可能减少构件和零件的种类，钢结构的构件设计尽可能标准化，使同型构件能互换。钢桥构件单元的尺寸和重量大小，应该充分考虑工厂到桥址的运输条件、运输能力和吊装能力。如采用陆路运输时，构件宽度和长度不能超过车辆和道路可能运输的最大尺寸。同时应该 尽可能减少工地组装或安装的工作量，减少工地连接，加快施工速度和提高结构质量。如采用水路运输和大型浮吊吊装时，可以采用大型节段，甚至整孔吊装。

钢桥在安装或检修支座时，常需将梁顶起，故在结构上应预设可供顶起作用的结构（如在千斤顶支撑处预设加劲肋、牛腿或在连续梁的中间支点处设置可供顶起用的结构等）。考虑到顶起时受力的不均匀及其他偶然因素，顶起结构应按实有重量超载 30％验算。在布置千斤顶位置时，需要考虑更换支座等必须的操作空间。

由于钢板厚度可能有轧制负公差，且在长期运营过程中会产生锈蚀现象，因此对构件应规定钢板和型钢的最小厚度。节点板位于几根杆件交汇的部位，弦杆与腹杆的内力是通过节点板来传递的，因此，节点板应力状态比较复杂，既有压应力，也有拉应力，还有剪应力，应力分布也极不均匀。焊接板梁为保证腹板稳定和减小残余应力，板厚均不宜过小，故规定以不小于10mm为宜。对于主梁、行车系或联结系， 因考虑可能采用有悬伸翼缘的 I 形或 T 形构件，从满足最小宽厚比的要求出发，规定以不小于 8mm 为宜。填板为非受力构件，规定不小于4mm。

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