桁架桥_百度百科
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桁架桥指的是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁。桁架桥一般由主桥架、上下水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以及桥面系组成。在桁架中，弦杆是组成桁架外围的杆件，包括上弦杆和下弦杆，连接上、下弦杆的杆件叫腹杆，按腹杆方向之不同又区分为斜杆和竖杆。弦杆与腹杆所在的平面就叫主桁平面。大跨度桥架的桥高沿跨径方向变化，形成曲弦桁架；中、小跨度采用不变的桁高，即所谓平弦桁架或直弦桁架。
桁架桥老龄桁架桥的检测评估方法
桁架桥1 概 述
随着我国道路基础设施的不断完善,在用桥梁的检测与评估将逐步成为相关部门的工作重点。然而 ,国内外相关规范均未提供可靠的钢结构桥梁评估方法。以《城市桥梁养护技术规范》(CJJ 99- 2003)为例,在其附录表D-2 中规定钢构件的锈蚀程度采用经验性的打分法按锈蚀范围进行评估, 但并没有说明锈蚀范围对承载力的影响,无法满足结构承载力与剩余寿命评估的需要。其他相关文献中涉及的桥梁的承载能力验算方法及剩余使用寿命评估方法同样有待改良。鉴于此, 本文结合上海市外白渡桥,研究一种适用于老龄钢桁架桥的检测与评估方法。
外白渡桥建于1907 年,由跨径52 m +52 m 的简支钢桁架构成,属于老龄钢桁架桥,是上海市文物保护建筑。2008 年,为配合外滩通道施工,该桥被移至陆地进行检测、评估与加固。为避免大面积更换构件,并保障该桥可再用50年,采用了一种科学的检测与评估方法。本文着重介绍其中交通荷载分析、锈蚀构件承载能力评估及利用断裂力学法计算结构剩余寿命3 部分内容。
桁架桥2交通荷载分析
外白渡桥原始设计活载为2 车道有轨电车,其后经历了多次改造。在此次加固前该桥允许通行3 车道汽车荷载, 但实际荷载等级不知。为保证该桥今后50 年使用安全,必须对其交通荷载进行分析。
2 .1 交通荷载调查
交通荷载调查项目主要包括:荷载重量、荷载数量及荷载的空间加载位置, 这3个项目分别由车重调查、交通量调查及车头间距、车头时距检测获取。项目实施前外白渡桥已中断交通, 无法采用BWIM 法实测车重,因此采用附近桥梁的统计资料作为该桥车重资料。
交通量数据及车头间距信息由管理单位在外白渡桥桥头预埋的车辆感应线圈获取。该探测器根据对车辆底盘的电磁感应将车辆划分为轿车、客车、小货车、大货车、拖挂车5 类,并以0 .5 h 为单位记录各车道各类车型的交通流量。根据往年的相关记录。
2 .2 交通荷载作用分析
采用Mo nte-Carlo 法建立交通荷载模型并分析交通荷载作用,步骤如下:
(1)分别按均匀分布、经验分布及对数正态分布生成车辆类型、车重、车头间距随机数序列。结合车道行车方向形成3 车道车队。将模拟车队以天为单位存储,共模拟60 d的数据。
(2)将模拟车队在待分析构件的弯矩影响线与轴力影响线上移动加载, 可得到对应的弯矩历程和轴力历程。按平截面假定叠加即为应力历程。
(3)第i天应力历程中的最大应力记为σi,max。假设σi,max服从正态分布, 根据60个最大应力样本,确定概率分布参数。根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GBT ),该桥结构安全度为二级,可靠度指标为4.2。依此计算结构最大应力,作为验算构件承载能力时的交通荷载作用。
(4)采用雨流法对60 d的应力历程计数,得到构件的疲劳应力谱,用于受拉构件剩余寿命评估。经分析确定该桥受力最不利的构件为跨中斜腹杆,其4.2可靠度指标对应的交通荷载作用为45.17M Pa ,最大疲劳应力幅为47 MPa 。
桁架桥3锈蚀构件承载能力评估
影响老龄钢桥构件承载能力的主要病害为锈蚀,为此在检测中对所有存在目视截面损失的构件进行了细致的锈蚀程度检测。检测发现由于构造与位置不同,钢板等辅助构件锈蚀表现为全截面的均匀锈蚀,主要受力杆件锈蚀则多表现为局部蚀坑或截面锈损,因此分别以最大锈蚀深度和截面锈损面积作为锈蚀程度评价指标。
根据相关学者的研究成果, 锈蚀对钢结构稳定承载力影响不大,因此在该项目中仅研究锈蚀对抗拉强度的影响。为确定锈蚀程度对构件抗拉承载力的影响,从桥上切割不同锈蚀程度的构件(试件取样于严重损坏必须更换的构件)制作标准拉伸试件测试力学性能。其中三角形代表实测数据,可见随着锈蚀程度增加,钢材的承载能力大致按线性规律降低。
桁架桥4剩余使用寿命评估
评估钢桥疲劳寿命的主要方法有2 种:基于韦勒曲线与Mine r 线性积商理论的传统疲劳寿命分析方法和基于断裂力学理论的损伤容限计算方法。与前一种方法相比,后一种方法具有2大优点:①不必考虑结构的加载历史;②计算公式中的相关材料参数可以通过标准CT 试件得到,而不必采用成本高昂的足尺试件。因此,在该研究中主要采用断裂力学方法研究结构的剩余使用寿命。别为构件的初始裂纹长度和临界裂纹长度;ΔK为应力强度因子幅, 可根据疲劳应力幅查应力强度因子手册计算。
损伤容限方法的分析步骤如下:
(1)进行断裂力学试验测定裂纹扩展率～应力强度因子幅曲线, 根据曲线确定C和m。
(2)按介绍的断裂力学模型简化方法将含铆钉孔边缺陷的构件简化为双边裂纹构件或中心裂纹构件。
(3)采用超声波无损探伤法检测受拉构件, 确定初始裂纹(缺陷)长度a0。如未检测到缺陷的构件则假定其铆钉孔边存在对应于90 %检出概率的裂纹。
(4)计算构件在使用寿命中可能出现的最大拉应力,KIC为断裂韧性, 是材料常数;σmax为最大拉应力;Y(acr)为与裂纹长度相关的形状函数。
(5)将疲劳应力谱加载于式(2)中,采用迭代法计算剩余使用寿命N 。其中步骤(3)是该方案实施的难点,我国规范将超声波探伤检测结果用缺陷等效于3 mm 圆孔的反射声强值表示,检测后必须将检测结果转化为对应的裂纹长度,两者间的对应关系可以根据文献[ 5] 中提供的方法计算:a =α+βln(P)+ε (4)式中,a为裂纹长度;α、β 为与仪器有关的参数;ε为误差,是均值为0的正态函数;P为检测结果。
为确定其中的参数α、β, 取实桥拆卸下来的含铆钉构件进行疲劳加载, 得到初裂纹后先采用超声波探伤反复检测, 再用X射线法确定裂纹长度, 最后通过裂纹长度和检测结果反算得到α=0.218 6, β=0.340 9,ε的方差为0.408 5。
断裂力学材料参数通过断裂力学试验测得, 选取实桥上严重损坏的构件制作标准CT 试件,按《金属材料疲劳裂纹扩展测试方法》(GB/T )进行等幅疲劳荷载下的裂纹扩展试验,同步记录裂纹扩展量和应力强度因子幅,并将此次试验结果与国外相关试验结果进行对比。对比结果表明:国外试验数据偏于保守,如果直接照搬国外推荐的参数可能导致不利结果。将此次试验数据按90 %的保证率进行公式拟合,偏安全的取C=1.28×10,m=3。计算,最终发现外白渡桥在现行荷载作用下,有8个构件剩余寿命无法满足继续使用的要求, 必须进行加固。
桁架桥5 结 语
本文结合外白渡桥介绍了一种适用于老龄栓铆接钢桁架桥梁承载能力与剩余寿命评估的方法。与现有养护规范及评估方法相比, 该方法通过试验确定锈蚀对结构承载力的影响, 并根据量化的锈蚀程度检测结果推测构件的剩余承载力;采用实桥交通荷载进行承载力验算而不是采用设计荷载, 便于了解结构实际的安全程度;在结构剩余使用寿命评估前采用试验及超声波探测方法得到相关参数, 提高了结构疲劳寿命评估的计算精度。根据该方法研究所得结论, 外白渡桥已于2008年12月完成对杆件及节点板的更换与加固, 并于2009年初重新投入使用。[1]
．中国知网[引用日期]
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[héng jià]
桁（héng）架 （jià）（truss）：一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。桁架由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。“桁”字念“héng”，由于“桁”字较少使用，误被念为“háng”（行），故此，“行架”由此得名。 桁架的定义： 由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而成的支撑横梁结构，称为“桁架”。桁架的优点是杆件主要承受拉力或压力，可以充分发挥材料的作用，节约材料，减轻结构重量。常用的有钢桁架、钢筋混凝土桁架、桁架、木桁架、钢与木组合桁架、钢与混凝土组合桁架。[1]
桁架理论原理
桁架是由一些用直杆组成的三角形框构成的几何形状不变的结构物。杆件间的结合点称为节点(或结点)。根据组成桁架杆件的轴线和所受外力的分布情况，桁架可分为平面桁架和空间桁架。屋架或桥梁等空间结构是由一系列互相平行的平面桁架所组成。若它们主要承受的是平面载荷，可简化为平面桁架来计算。
组成桁架的杆件的轴线和所受外力都在同一平面上(图1)。平面桁架可视为在一个基本的三角形框上添加杆件构成的。每添加两个杆，须形成一个新节点才能使结构的几何形状保持不变。这种能保持几何坚固性的桁架叫作无余杆(或叫无冗杆)桁架。如果只添加杆件而不增加节点，就不能保持桁架的几何坚固性，这种桁架叫作有余杆(或叫有冗杆)桁架。
分析静定平面桁架的受力情况有以下两种方法：
③麦克斯韦-克雷莫纳法
组成桁架各杆件的轴线和所受外力不在同一平面上。在工程上，有些空间桁架不能简化为平面桁架来处理，如网架结构。塔架、起重机构架等。空间桁架的节点为光滑球铰结点，杆件轴线都通过联结点的球铰中心并可绕球铰中心的任意轴线转动。每个节点在空间有三个自由度。节点和杆件数的关系为W=3j－n，W&0为几何可变桁架，W=0为几何不变且无多余约束的空间桁架。空间桁架和平面桁架一样，可用部分截割法和节点法求出桁架内所有杆件所受的内力。部分截割法则是利用空间任意力系的六个平衡条件求出各杆的内力。节点法是截取节点为隔离体，利用每个节点所受的空间汇交力系的三个平衡条件，求出各杆的内力。[2]
桁架结构分类
从力学方面分析，桁架外形与简支梁的弯矩图相似时，上下弦杆的轴力分布均匀，腹杆轴力小，用料最省；从材料与制造方面分析，木桁架做成三角形，钢桁架采用梯形或平行弦形，钢筋混凝土与预应力混凝土桁架为多边形或梯形为宜。
桁架的高度与跨度之比，通常，立体桁架为1/12~1/16，立体拱架为1/20~1/30，张拉立体拱架为1/30~1/50，在设计手册和规范中均有具体规定。桁架的使用范围很广，在选择桁架形式时应综合考虑桁架的用途、材料和支承方式、施工条件，其最佳形式的选择原则是在满足使用要求前提下，力求制造和安装所用的材料和劳动量为最小。
三角形桁架
三角形桁架在沿跨度均匀分布的节点下，上下弦杆的轴力在端点处最大，向跨中逐渐减少；腹杆的轴力则相反。三角形桁架由于弦杆内力差别较大，材料消耗不够合理，多用于瓦屋面的屋架中。
梯形桁架和三角形桁架相比，杆件受力情况有所改善，而且用于屋架中可以更容易满足某些工业厂房的工艺要求。如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架，杆件受力情况较梯形略差，但腹杆类型大为减少，多用于和栈桥中。
多边形桁架
多边形桁架也称折线
形桁架。上弦节点位于二次抛物线上，如上弦呈拱形可减少节间荷载产生的，但制造较为复杂。在均布荷载作用下，桁架外形和简支梁的弯矩图形相似，因而上下弦轴力分布均匀，腹杆轴力较小，用料最省，是工程中常用的一种桁架形式。
基本取用多边形桁架的外形，无斜腹杆，仅以竖腹杆和上下弦相连接。杆件的轴力分布和多边形桁架相似，但在不对称荷载作用下杆端弯矩值变化较大。优点是在节点相交会的杆件较少，施工制造方便。
1、桁架桥是桥梁的一种形式。　　2、桁架桥一般多见于铁路和高速公路；分为上弦受力和下弦受力两种。　　3、桁架由上弦、下弦、腹杆组成；腹杆的形式又分为斜腹杆、直腹杆；由于杆件本身长细比较大，虽然杆件之间的连接可能是“固接”，但是实际杆端弯矩一般都很小，因此，设计分析时可以简化为“铰接”。简化计算时，杆件都是“二力杆”，承受压力或者拉力。　　4、由于桥梁跨度都较大，而单榀的桁架“平面外”的刚度比较弱，因此，“平面外”需要设置支撑。设计桥梁时，“平面外”一般也是设计成桁架形式，这样，桥梁就形成双向都有很好刚度的整体。　　5、有些桥梁桥面设置在上弦，因此力主要通过上弦传递；也有的桥面设置在下弦，由于平面外刚度的要求，上弦之间仍需要连接以减少上弦平面外计算长度。　　6、桁架的弦杆在跨中部分受力比较大，向支座方向逐步减小；而腹杆的受力主要在支座附件最大，在跨中部分腹杆的受力比较小，甚至有理论上的“零杆”。
桁架产品分类
铝合金桁架
1、固定桁架：
桁架中最坚固的一种，可重复利用性高，唯一缺点就是运输成本较高。产品分为方管和圆管两种。
2、折叠桁架：
最大的优点就是运输成本低，可重复利用性稍逊。产品分为方管和圆管两种。
桁架中最具有艺术性的一种，造型奇特，优美。
4、球节桁架：
又叫球节架，造型优美，坚固性好，也是桁架中造价最高的一种。
桁架工艺特点
1、精工焊接：大型机器，流水作业，多年技师，专业焊接，品质保证。　　2、烤漆工艺：汽车品质，专业烤漆房，精工烤漆工艺。　　3、规范加工：大型机器定位，孔位准确。　　4、技术领先：有自己的租赁安装公司，一线研发，永远领先
桁架设计要求
足够强度—不发生断裂或塑性变形；足够刚性—不发生过大的弹性变形；足够稳定性—不发生因平衡形式的突然转变而导致坍塌；良好的动力学特性—抗震、抗风性。
桁架的设计要求： 要有符合要求的杆件；要有良好的连接件，包括铆钉、销钉及焊缝的连接。这些就涉及到桁架的类型、杆件的尺寸和材料，但首先是分析。
桁架形式选择
一些参考值如：每平米造价，最大构件重量，最大跨度，结构形式，檐高等，以上这些在判断厂房是否为重钢或轻钢时可以提供经验数据。国家规范和技术文件都并没有重钢一说，很多建筑都是轻、重钢都有。为区别轻型房屋钢结构，也许称一般钢结构为“普钢”更合适。因为普通钢结构的范围很广，可以包含各种钢结构，不管荷载大小，甚至包括轻型钢结构的许多内容，轻型房屋钢结构技术规程只是针对其“轻”的特点而规定了一些更具体的内容，而且范围只局限在单层门式刚架。由此可见，轻钢与重钢之分不在结构本身的轻重，而在所承受的围护材料的轻重，而在结构设计概念上还是一致的。
桁架结构计算
房屋建筑用的桁架，一般仅进行静力计算；对于、地震力、运行的车辆和运转的机械等，则化为乘以动力系数的等效静荷载进行计算；特殊重大的承受动荷载的桁架，如和飞机机翼等，则需按动荷载进行动力分析（见）。
一般按理想的铰接桁架进行计算，即假设荷载施加在桁架节点上（如果荷载施加在节间时，可按简支梁换算为节点荷载），并和桁架的全部杆件均在同一平面内，杆件的重心轴在一直线上，节点为可自由转动的铰接点。理想状态下的静定桁架，可以将杆件轴力作为未知量，按静力学的数解法或图解法求出已知荷载下杆件的轴向拉力或压力（见）。
工程用的桁架节点，一般是具有一定刚性的节点而不是理想的铰接节点，由于节点刚性的影响而出现的杆件弯曲应力和轴向应力称为次应力。计算次应力需考虑杆件轴向变形，可用超静定结构的方法或有限元法求解。
空间桁架由若干个平面桁架所组成，可将荷载分解成与桁架同一平面的分力按平面桁架进行计算，或按空间铰接杆系用计算。
根据桁架杆件所用的材料和计算所得出的内力，选择合适的截面应能保证桁架的整体刚度和稳定性以及各杆件的强度和局部稳定，以满足使用要求。
桁架的整体刚度以控制桁架的最大竖向挠度不超过容许挠度来保证；平面桁架的平面外刚度较差，必须依靠支撑体系保证。支撑系统有上弦支撑、下弦支撑、垂直支撑和桁架共同组成空间稳定体系。
桁架建筑实例
温州科技馆
工程中钢结构共分为六个单体：1、标志塔为钢结构塔，塔高62.016米，塔身为管架结构，采用空间钢管结构体系。2、中廊屋盖采用空间钢管结构体系，钢管之间采用直接相贯的焊接节点，主桁架为平面桁架。3、北展厅屋盖采用空间钢管结构体系，钢管之间采用直接相贯的焊接节点，主桁架为平面桁架。4、南展厅正方四角锥。屋面采用双层压型彩钢板。5、球形网架直径为33.5米的球体网架。6、钢折板雨棚为H型简易钢结构。
哈尔滨工业大学理论力学教研室．理论力学：高等教育出版社，2009年
恽馥．《中国大百科全书》74卷（第一版）力学 词条：桁架：中国大百科全书出版社，1987：208页
中国力学学会是国际理论...
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