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叶见曙结构设计原理第四版第18章

时间:2020-09-01 13:52

  叶见曙结构设计原理第四版第18章_物理_自然科学_专业资料。叶见曙 ·结构设计原理(第4版)·教学课件 第18章 钢结构的计算方法 张娟秀 雷 笑 马 莹 编制 叶见曙 主审 Principle of Structure Design 本章目录

  叶见曙 ·结构设计原理(第4版)·教学课件 第18章 钢结构的计算方法 张娟秀 雷 笑 马 莹 编制 叶见曙 主审 Principle of Structure Design 本章目录 18.1 钢材的破坏形式 18.2 计算方法 2 教学要求 ? 掌握钢材的两种强度破坏。 ? 掌握公路桥梁钢结构概率极限状态设计法,理解按承载能 力极限状态设计计算的表达式。 ? 理解公路桥梁钢结构抗疲劳计算的疲劳荷载模型及抗疲劳 验算的要求。 18.1 钢材的破坏形式 钢材在各种作用下会发生两种强度破坏形式: 1)钢材塑性破坏 主要特征是破坏前构件产生明显塑性变形,而且仅在钢 材的应力超过屈服强度,达到了钢材的极限抗拉强度 fu 后才 发生。 破坏后的断口呈纤维状,色泽发暗。 2)钢材脆性破坏 特点是:钢材破坏前的塑性变形很小,甚至没有塑性变 形,平均应力低于钢材的屈服强度,破坏往往从应力集中处 开始。 破坏后的断口平直,呈现出有光泽的晶粒状。 4 18.2 计算方法 18.2.1 公路桥梁钢结构设计的基本要求 (1)钢结构在运输、安装和使用过程中,必须具有足够 的承载能力、刚度和稳定性,整个结构必须安全可靠; (2)要从工程实际出发,合理选用材料、结构设计方案 和构造措施,要符合桥梁结构的使用要求,要具有良好的耐 久性; (3)尽可能地节约钢材,减轻钢结构重量; (4)尽可能缩短制造、安装时间,以缩短工期; (5)结构要便于运输,构造设计要便于检查与养护。 5 18.2.2 钢结构的计算方法 1)总安全系数的容许应力计算法 构件截面上的作用内力 钢材的屈服强度 构件截面上的计算应力 ? ? N ? fk ? ?? ? SK 构件截面的几何特性 钢材的容许应力 (18-1) 2)多系数分析后用单一安全系数的容许应力计算法 构件截面的几何特性 ? Ni ? fy ?S K1K2 K3 ? fy ?S K (18-2) 荷载系数 调整系数,用以考虑一些特殊变异因素 钢材材料系数 6 系数K1、K2 、K3综合确定后的安全表达式为 ? ? ? Ni ? fy ? ?? ? S K 3)以概率论为基础的极限状态设计法 (18-3) 采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,用分项系 数的表达式进行计算。 7 18.2.3 公路桥梁钢结构设计方法 (1)《公路桥规》规定公路钢结构桥梁采用以概率论为基 础的极限状态设计方法,按照分项系数的设计表达式并且考虑 设计状况进行设计计算。 (2)公路桥梁钢结构设计计算要满足承载能力极限状态和 正常使用极限状态的要求,也应根据需要进行抗疲劳设计。 (3)公路桥梁钢结构应进行耐久性设计。 特大桥、大桥和中桥主体结构应按不小于100年设计使用年 限进行设计;高速公路、一级公路和二级公路上的小桥主体结 构宜按不小于100年设计使用年限进行设计。 行业标准 公路钢结构桥梁设计规范 JTG D64---2015 1)按承载能力极限状态设计计算 公路桥梁钢结构及连接按持久状况进行承载能力极限状 态设计计算,采用作用基本组合设计值,即永久作用与可变 作用的组合设计值。 (1) 以“强度计算”和“稳定计算”来代表承载力计 算,计算表达式中的各分项系数已隐含在设计参数中,构件 的抗力也相应取用了材料强度设计值,其表达形式为 桥梁结构重要性系数,按 照表2-4选用 作用组合的效应设计值,包括了计算中各 种有关作用效应和荷载效应的分项系数 ? ? ? 0 Nd S ≤fd (18-4) 构件截面几何特性 钢构件及其连接的材料强度设计值 。不同材料、厚度、受力特征的钢 材强度设计值详见附表4-1、4-2、 4-3、附表4-4。 9 按承载能力极限状态设计时作用基本组合的效应值 汽车荷载(含汽车冲击力、离 心力)的标准值 第i个永久作用的标准值 结构的重要性系数 在作用组合中除汽车荷载(含汽 车冲击力、离心力)外的其他第 j个可变作用的标准值 m n ? ? Sud ? ? 0S ( ? GiGik ? ? Q1? LQ1k ?? c ? Lj? Q Qj jk ) i ?1 j?2 (2-28) 第i个永久作用的分项系数 汽车荷载(含汽车冲击力、离 心力)的分项系数 在作用组合中除汽车荷载(含汽 车冲击力、离心力)外的其他可 变作用的组合系数 在作用组合中除汽车荷 载(含汽车冲击力、离 心力)、风荷载外的其 他第j个可变作用的分 项系数 10 (2)钢结构及其构件的稳定性验算 是承载能力极限状态设计计算的重要内容,钢结构及其 构件的稳定性验算包括结构构件整体稳定验算和板件局部 稳定验算,必须满足《公路桥规》规定的要求。 (3)公路钢桥上部结构为整体式截面梁时,《公路桥 规》要求进行横桥向抗倾覆性能验算。 对于单支座、曲线钢连续箱梁桥必须进行抗横向倾覆的 承载能力极限状态验算,计算要求为: ①在作用基本组合下,单向受压支座始终保持受压状态; ②当整联只采用单向受压支座支承时,验算应符合下式: 使上部结构稳定的作用基本 组合(分项系数均为1.0)的 效应设计值 ? Sbk,i ? Ssk,i ? kqf 使上部结构失稳的作用基本 组合(分项系数均为1.0) 的效应设计值 横桥向抗倾覆稳定性系数, 一般取2.5 (18-5) 2)按正常使用极限状态的设计计算 公路桥梁钢结构正常使用极限状态的设计计算包括构件 的最大竖向挠度和结构刚度的验算。 (1)结构竖向挠度的验算 对受弯构件,采用不计冲击力的汽车车道荷载的频遇值 (频遇值系数取1.0),并按结构力学方法计算构件的最大 竖向挠度值并应小于规定的挠度限值。 《公路桥规》规定的规定的挠度限值为: 钢桁架和钢板梁为 l /500 ( l 为计算跨径); 斜拉桥主梁为 l /400 ( l 为计算跨径); 悬索桥加劲梁为 l /250 ( l 为计算跨径); 梁的悬臂端部为 l1 /250 ( l1 为梁的悬臂长度)。 汽车荷载作用下,如果结构同一截面出现正负挠度,计算挠度应为正负 挠度最大绝对值之和。 挠度计算按构件毛截面几何特性计算。 (2)构件刚度的验算 轴心受力构件和偏心受力构件的刚度采用构件的长细比 来衡量。 长细比 λ 是指构件的计算长度 l0 与构件截面回转半径 i 的比值,即λ = l0 /i。 验算构件刚度时,构件绕截面两个主轴(即截面上 x 轴 和 y 轴)的长细比 λ x和 λy 都不允许超过规定的构件容许最大 长细比。 《公路桥规》规定的构件容许最大长细比[ λ ]见表18-1。 15 3)桥梁钢结构抗疲劳验算 《公路桥规》规定,承受汽车荷载的钢桥结构构件与连 接,应按结构疲劳细节类别进行抗疲劳验算。 结构疲劳细节指的是钢构件本身、构件的连接和节点,在 设计上或制作上可能会出现应力集中与残余应力情况,进而 可能导致在疲劳荷载作用下出现疲劳裂纹甚至疲劳破坏的典 型结构构造细节。 《公路桥规》列出了基材构件和机械紧固接头、焊接截面、横向对接 焊缝、焊接附联件与加劲肋等9种情况的结构疲劳细节。 附表4-5~附表4-7,表中“细节类别”全称是疲劳细节类别,其后数 字代表对应于2×106次常幅疲劳循环的疲劳强度参考值,卡卡湾网站,最高值为 160MPa,依次降低,最小值为35MPa。 16 (1)抗疲劳计算的基本原则是 ①公路桥梁钢结构抗疲劳设计计算按承载能力极限状态要 求进行,作用组合采用基本组合; ②公路桥梁钢结构抗疲劳设计计算应根据计算要求采用规 定的疲劳荷载计算模型; ③结构疲劳细节计算的疲劳作用效应和疲劳抗力均按应力 幅表示。 《公路桥规》规定的疲劳荷载计算模型分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类 计算模型。 (2)疲劳荷载模型 I 及抗疲劳验算要求 ①疲劳荷载模型 I 采用等效的车道荷载,集中荷载0.7Pk, 均布荷载0.3qk ,Pk 和 qk 按公路—I 级车道荷载标准取值,并 且应考虑多车道的影响。 Pk q k 公路— I 级车道荷载 均布荷载 qk=10.5kN/m 270kN 桥梁计算跨径?5m时 集中荷载 Pk= 直线 ②抗疲劳验算式 按疲劳荷载模型Ⅰ计算得 到的正应力幅(MPa) 对正应力幅 疲劳荷载分项系数, 取1.0 ? Ff ?? P ? ks?? D ? Mf 正应力常幅疲劳极限,根据附表 4-5~附表4-7查得疲劳细节类别 Δ σ c,按图18-1取用 (18-6) 疲劳抗力分项系数,对重要构 件取1.35,次要构件取1.15 对剪应力幅 按疲劳荷载模型Ⅰ计算得 到的剪应力幅(MPa) ? Ff ?? p ≤ ?? L ? Mf 剪应力常幅疲劳截止限,根据 附表4-5~附表4-7查得疲劳细 节类别 Δ τ c ,按图18-2取用 (18-7) ks为尺寸效应折减系数,按附表4-5~附表4-7中给出的公式计 算;未说明时,取 ks =1.0 。 19 Δ?p和Δ?p的计算: 放大系数,对桥梁伸缩缝附近的构件考虑 额外动力作用的影响进行抗疲劳验算时采 用。 D ≦6时,ΔΦ=0.3(1-D/6),D6时, ΔΦ=0 ,D为验算截面到伸缩缝的距离(m)。 ?? p ? (1? ?? )(? pmax ? ? pmin ) (18-8) 疲劳荷载模型Ⅰ按最不利情况 加载于影响线得到的最大正应 力 疲劳荷载模型Ⅰ按最不利情 况加载于影响线得到的最小 正应力 疲劳荷载模型Ⅰ按最不利情况加载 于影响线得到的最大剪应力 ?? p ? (1? ?? )(? pmax ?? pmin ) (18-9) 疲劳荷载模型按最不利情况加载于影响 线 ③对应于名义正应力幅 Δσ的疲劳强度曲线 lgΔσR(MPa) 对应于名义剪应力幅 Δτ 的疲劳强度曲线 《公路桥规》疲劳细节类别、常幅疲劳极限和截至限值(MPa) 当构件和连接不满足疲劳荷载模型Ⅰ验算要求时,应按疲劳荷载模型Ⅱ验算。 (3)疲劳荷载模型II及抗疲劳验算 疲 劳 荷 载 模 型 II是车辆模型,单车道上布置前后两辆车 (双车模型),两辆车轴重与轴距相同,相互之间的中心距 不小于40m。 图18-3 疲劳荷载模型II的单车轴 重和轴距布置 采用荷载模型II时的抗疲劳验算: 对正应力幅 疲劳细节类别,为对应于2 ×106 次常幅疲劳循环的疲劳强度,根据 附表4-5~附表4-7和图18-1取用 按2 ×106次常幅疲劳循环换 。 算得到的等效常值应力幅。 ? Ff ?? E2 ? ks?? C ? Mf (18-10) ?? E2 ?(1 ? ??)?(? p max ? ? p m ) in (18-12) 对剪应力幅 损伤等效系数,其计算方法参见《公路桥规》。 ? Ff ?? E2 ? ?? C ? Mf (18-11) ?? E2 ?(1 ? ??)?(? p max ? ? p m ) in (18-13) 25 《公路桥规》规定对非焊接构件以及消除残余应力后的 焊接构件,当疲劳荷载为拉-压循环时,σpmin 应按0.6倍折减, 其正应力幅 ?σp 计算式为: ?? p ? ? pmax ? 0.6 ? pmin (18-24) 式中 σpmax 和 σpmin 分别为正应力的最大值和最小值。 26 Thank you! 27