钢桥破坏形式与设计方法

钢桥破坏形式与设计方法吴冲同济大学桥梁工程系Tel.021－65981817cwu@Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲12013-7-12 大连1. 前言☞公路钢桥的破坏形式：强度稳定疲劳脆性断裂腐蚀刚度Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲22013-7-12 大连2. 强度☞强度破坏整体破坏：截面的平均应力达到屈服点fy ，截面应变迅速增加最后导致结构破坏（变形过大或断裂）屈服→塑性变形→强化→断裂边缘屈服→塑性铰→内力重分布→塑性铰→形成机构→（不稳定）倒塌受拉构件受弯、弯拉构件Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲32013-7-12 大连2. 强度屈服塑性变形→强化→断裂受拉件强度破坏Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲42013-7-12 大连2. 强度屈服塑性变形→强化→断裂受拉件强度破坏Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲52013-7-12 大连2. 强度☞强度破坏局部破坏：指截面的局部范围的应力达到屈服点fy ，局部范围应变迅速增加最后导致局部结构破坏（局部变形过大或断裂）Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲62013-7-12 大连2. 强度屈服塑性变形→强化→断裂受拉件强度破坏Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲72013-7-12 大连2. 强度屈服塑性变形→强化→断裂受拉件强度破坏Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲82013-7-12 大连2. 强度屈服塑性变形→强化→断裂受拉件强度破坏Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲92013-7-12 大连有效截面：考虑剪力滞和局部稳定净截面拉弯压弯有效截面：考虑剪力滞和局部稳定净截面受弯有效截面：考虑局部稳定净截面轴心拉压《公路钢结构桥梁设计规范(JTGD64-2011)》《钢结构设计规范(GB50018-2003)》受力构件3.1 强度破坏☞强度稳定设计计算方法《公路钢结构桥梁设计规范(JTGD64-2011)》d nf A N ≤=σdeyny y exn x x f W M W M ≤+γγd eyny y exn x x n f W M W M A N≤++γγ1y yNx xN u ux uy M Ne M Ne N N M M ++++≤,,Rd z z eff dM W f =,,Rd y y eff dM W f =,d eff c N f A σ=≤受压：0:dN f Aσ=≤受拉,,y zdy eff z eff M M f W W σ=+≤,Rd eff c dN A f =Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲102013-7-12 大连3.1 强度破坏☞设计方法《公路钢结构桥梁设计规范（JTGD64-2011）》1y yNx xN u ux uyM Ne M Ne N N M M ++++≤u eff dN A f =,ux x eff d M W f =,uy y eff dM W f =整体强度设计：钢材具有较大塑性变形能力，钢桥构件的整体强度设计可以不考虑残余应力和局部应力集中的影响，采用有效截面的名义应力计算：实腹式拉弯构件强度计算公式：实腹式拉弯构件强度计算公式，Nx M y M ——计算截面轴力、x方向和y方向的弯矩——钢材的设计强度df W x,eff ，W y,eff ——考虑剪力滞影响的有效截面模量e xN , e xN ——有效截面偏心距Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲112013-7-12 大连2. 强度☞设计方法222222()3()Eq x y z x y y z z x xy yz zx df σσσσσσσσσστττ=++-+++++≤由于钢材具有较大的塑性变形性能，结构某个点达到屈服状态后会发生应力重分布，对于构件来说只有形成屈服面后才能达到局部强度破坏状态。

采用有限元方法分析时，不能仅根据某一点的应力判别达到上式的破坏极限状态作为判别标准，应该考虑钢材的塑性变形性能的影响局部强度设计：局部强度破坏应该考虑残余应力和局部应力集中的影响，但是在事实上残余应力的计算及其困难，在实际设计中往往被忽略，仅考虑应力集中的影响。

验算准则：第四强度准则Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲122013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定按力学角度分：弹性屈曲稳定（第一类稳定）和弹塑性极值稳定（第二类稳定） 按失稳破坏范围分：整体失稳和局部失稳整体失稳：桥梁主要承重结构失稳，结构整体丧失承载能力Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲132013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲142013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲152013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲162013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲172013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定局部失稳：指桥梁次要构件或构件中的局部板件失稳，结构失稳后不一定完全丧失承载能力Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲182013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲192013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲202013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲212013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲222013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲232013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲242013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲252013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲262013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲272013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲282013-7-12 大连3. 稳定☞钢结构稳定Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲292013-7-12 大连有效截面：考虑剪力滞和局部稳定毛截面：拉弯压弯有效截面：考虑剪力滞和局部稳定毛截面：受弯有效截面：考虑局部稳定毛截面：轴心受压《公路钢结构桥梁设计规范(JTGD64-2011)》《钢结构设计规范(GB50018-2003)》受力构件3 稳定破坏☞整体稳定设计计算方法10.8M M Nf AW N W N ββηϕϕγ++≤⎛⎫- ⎪ ⎪'⎝⎭10.8MM N f A W N W N ββηϕϕγ++≤⎛⎫- ⎪'⎝⎭1RdNN χ≤,Rd eff c dN A f =,,,,1y zm y LT y Rd y Rd zM M M M βχ+≤,,,,1y zm zRd yLT z Rd zM M M M βχ+≤111M Ne M Ne NN N N M M N N ββχχ++++≤⎛⎫⎛⎫-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭111M Ne M Ne NN N N M M N N ββχχ++++≤⎛⎫⎛⎫--⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭dNf Aσϕ=≤y xdb x y yM M f W W ϕγ+≤Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲302013-7-12 大连3 稳定破坏☞整体稳定系数2002220.2111140.21(1)1(1)2λχλχεελλλ⎧≤=⎪⎪⎧⎫⎡⎤⎨⎪⎪>=++-++-⎨⎬⎢⎥⎪⎣⎦⎪⎪⎪⎩⎭⎩时：时：,y yE cr f f Eλλσπ==)2.0(0-=λαε2,2E cr Eπσλ=Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲312013-7-12 大连有效宽度☞考虑剪力滞的有效宽度b0.05[1.12] 0.050.300.15 0.3b b b b b b b b b ⎫=≤⎪⎪⎪=-<<⎬⎪⎪=≥⎪⎭2b0.02[1.06 3.2 4.5()] 0.020.30b 0.15 0.30s e s e s e b b b b b b b b b ⎫=≤⎪⎪⎪=-+<<⎬⎪⎪=≥⎪⎭Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲322013-7-12 大连考虑剪力滞的有效宽度表5.1.7-1 翼缘有效宽度计算的等效跨度腹板单侧翼缘有效宽度计算梁段号符号适用公式等效跨度计算图式简支梁① b (5.1.7-1) L① b0.8L⑤ b(5.1.7-1)0.6L ③ b0.2(L +L )⑦ b(5.1.7-2)0.2(L +L )连续梁②④ ⑥⑧ 在该区间两端点值之间 线性插值b b bbb Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲332013-7-12 大连有效宽度☞考虑局部稳定的有效宽度,p e i i ib b ρ=(),,,p eff c e i i s i A b t A =+∑∑☞考虑局部稳定和剪力滞的有效宽度(),,eff e i i s i A b t A =+∑∑,,,s e i p e k e kib b b b=∑∑Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲342013-7-12 大连考虑局部稳定的有效宽度折减系数☞矩形板2002220.4111140.41(1)1(1)2pp p λρλρεελλλ⎧≤=⎪⎪⎧⎫⎡⎤⎨⎪⎪>=++-++-⎢⎥⎨⎬⎪⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎪⎩⎭⎩时：时：00.8(0.4)p ελ=-2212(1)1y y p cr f f b t E k νλσπ-⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭☞圆管701.010.00167070400D t D D t t ρ⎛⎫≤⎧⎪⎪⎝⎭=⎨⎛⎫--⎛⎫ ⎪⎪<<⎝⎭⎩⎪⎝⎭D ——直径；t ——厚度Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲352013-7-12 大连4.疲劳☞钢结构疲劳：在反复荷载作用下，钢材应力低于极限强度时发生的破坏现象初始缺陷、裂纹或应力集中等局部位置形成裂纹反复荷载作用下不断裂纹扩展构件断裂Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲362013-7-12 大连正交异性钢桥面板的典型疲劳裂缝☞A:顶板的裂缝☞B:纵向加劲肋与横隔板焊缝的裂缝☞C:下过焊孔处横隔板的裂缝☞D:纵向加劲肋与桥面板连接焊缝的裂缝☞E:纵向加劲肋的连接焊缝的裂缝☞F:腹板加劲肋与顶板焊缝处的裂缝☞G:上过焊孔处纵向加劲肋的裂缝构件断裂DFE AEBCTongji University, Wu Chong 同济大学吴冲372013-7-12 大连4.疲劳☞A:钢桥面板顶板的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲382013-7-12 大连4.疲劳☞A:钢桥面板顶板的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲392013-7-12 大连4.疲劳☞A:钢桥面板顶板的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲402013-7-12 大连4.疲劳☞A:钢桥面板顶板的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲412013-7-12 大连4.疲劳☞B:纵向加劲肋与桥面板连接焊缝的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲422013-7-12 大连4.疲劳☞C:纵向加劲肋与横隔板处过焊孔Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲432013-7-12 大连4.疲劳☞D:纵向加劲肋过焊孔处横隔板的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲442013-7-12 大连4.疲劳☞C:纵向加劲肋与横隔板处过焊孔Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲452013-7-12 大连4.疲劳☞纵向加劲肋与横隔板处过焊孔Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲462013-7-12 大连4.疲劳☞E:纵向加劲肋的连接焊缝的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲472013-7-12 大连4.疲劳☞E:纵向加劲肋的连接焊缝的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲482013-7-12 大连4.疲劳☞E:纵向加劲肋的连接焊缝的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲492013-7-12 大连4.疲劳☞F:纵腹板加劲肋与桥面板的连接焊缝的疲劳裂缝Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲502013-7-12 大连4.疲劳☞G:顶板纵向焊缝与横隔板连接处的疲劳裂缝GTongji University, Wu Chong 同济大学吴冲512013-7-12 大连4.疲劳☞钢结构疲劳破坏现象纵横梁连接疲劳Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲522013-7-12 大连4.疲劳☞钢结构疲劳破坏现象桁架节点疲劳破坏Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲532013-7-12 大连4.疲劳☞钢结构疲劳破坏现象耳板节点疲劳破坏刚性吊杆节点疲劳破坏桥墩节点疲劳破坏钢管相贯节点疲劳破坏Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲542013-7-12 大连4.疲劳☞钢结构疲劳破坏现象主梁盖板连接疲劳破坏牛腿截面变化处疲劳破坏支座处主梁疲劳破坏Tongji University, Wu Chong 同济大学吴冲552013-7-12 大连4. 疲劳☞疲劳寿命：疲劳失效以前所经历的应力循环次数N⎪⎩⎪⎨⎧>∆∞=∆≥>∆+-=∆≥-=σσσσσσσσσL LD DN m C N m C N log )2(log log log log log 11S －N 曲线：在一定的应力幅σ下进行常幅疲劳试验，测出试件断裂时对应的疲劳寿命N ，然后把试验结果画在以logσ为纵坐标，以log N 为横坐标的图纸上，这种曲线称为疲劳曲线。