鐵路橋梁鋼結(jié)構設計規(guī)范（TB100022--99)修訂簡介

1、 鐵路橋梁鋼結(jié)構設計規(guī)范(TB10002.299)修訂簡介鐵道部大橋工程局勘測設計院 湯筱敏 摘 要 介紹鐵路橋梁鋼結(jié)構設計規(guī)范(TB10002.299)修訂依據(jù)、原則和主要修訂內(nèi)容。 關鍵詞 橋梁 鋼結(jié)構 規(guī)范 修訂 鐵路橋梁鋼結(jié)構設計規(guī)范(TB10002.299)(以下簡稱本規(guī)范),是在“鐵路橋涵設計規(guī)范”(TBJ285)(含1996年局部修訂版)第四章鋼結(jié)構基礎上修訂而成。修訂本規(guī)范的依據(jù)如下。(1)鐵道部鐵建函199645號文“關于印發(fā)鐵路工程建設設計規(guī)范改革實施方案的知”。(2)鐵道行業(yè)工程建設標準體系表設計標準,規(guī)范部分(征求意見稿)(1996年11月)。(3)鐵建函199754號

2、文1997年鐵路工程建設標準規(guī)范編制計劃。(4)1997年3月由鐵道部建設司主持,在天津召開的“鐵路橋涵、隧道專業(yè)設計規(guī)范編寫大綱討論會”的精神修訂的。在修訂本規(guī)范過程中,認真貫徹國家有關法規(guī),符合鐵道部于1996年發(fā)布的鐵路工程建設設計暫行規(guī)定的主要規(guī)定,并貫徹鐵路主要技術政策的有關要求。充分吸收了“八五”以來完成的豐碩科研成果,尤其是九江長江大橋(已于1994年建成)和集新材料、新結(jié)構、新工藝于一身的蕪湖長江大橋的建設經(jīng)驗,其中部分科研成果已納入本規(guī)范,而且還吸收了橋梁在施工、運營中其他行之有效的經(jīng)驗,并已補充到本規(guī)范中。這次修訂主要內(nèi)容是增列14 MnNbq、15 MnVNq鋼種及高強度

3、螺栓M27、M30規(guī)格,調(diào)整了鋼壓桿容許應力折減系數(shù)1,疲勞計算及有關規(guī)定作了全面修訂,并對鋼板梁、鋼桁梁的豎向撓度容許值和橫向剛度控制值作了修訂等。本規(guī)范共分10章,并附A、B、C三個附錄。現(xiàn)將本規(guī)范有關問題依次分述如下。1 總則(1)明確編制本規(guī)范的目的是為了統(tǒng)一鐵路橋梁鋼結(jié)構設計標準,貫徹國家有關法規(guī)和鐵路技術政策,使鐵路橋梁鋼結(jié)構設計符合安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理的要求。(2)適用范圍改為旅客列車最高行車速度為140 km/h的新建、改建標準軌距鐵路橋梁鋼結(jié)構設計。(3)特別指明鐵路橋梁鋼結(jié)構設計除應符合本規(guī)范外,尚應符合國家現(xiàn)行的有關強制性標準的規(guī)定。2 術語、符號其中對剛度的術語

4、是采納了中國大百科全書力學卷的解釋,因工程卷的解釋似不確切。3 材料及基本容許應力(1)本規(guī)范表3.1.1鐵路鋼橋的基本材料中,增列了鋼材新品種15 MnVNq(九江橋采用鋼材)及14 MnNbq(蕪湖橋采用鋼材)的國產(chǎn)鋼,這是大橋局分別與鞍鋼、武鋼共同聯(lián)合開發(fā)的。另外根據(jù)養(yǎng)護部門反映,發(fā)現(xiàn)弧形支座及搖軸支座(除鉸鈾支座仍采用ZG25外),支座弧面出現(xiàn)凹坑,故將原采用ZG25改為ZG35。增列了高強度大直徑螺栓用鋼35 VB。 (2)表3.2.3高強度螺栓預拉力設計值中,增列了高強度大直徑螺栓M27、M30的兩種規(guī)格。因10.9S級M22、M24抗滑型高強度螺栓在鐵路鋼橋上已廣泛使用,35 V

5、B的10.9S級M27抗滑型高強度螺栓已在九江長江大橋鋼梁上大量使用,這些螺栓均能按標準中規(guī)定的扭矩供貨,經(jīng)測定其復合應力系數(shù)較過去降低很多。為充分利用這一潛在的能力,故將M22M27高強度螺栓按九江橋?qū)嶋H達到預拉力值,經(jīng)統(tǒng)計分析后制定。這樣的設計預拉力值,包括在擰栓過程中超擰10%供螺栓松弛后軸力的損失在內(nèi),其復合應力局部達到螺栓鋼材屈服強度的可靠指標在2.152.39范圍內(nèi),M27用于九江大橋,M30用于蕪湖大橋,而M30的高強度螺栓的預拉力設計值是參照九江大橋35VB的M27高強度螺栓與M30高強度螺栓有效面積之比確定的。(3)現(xiàn)在設計的橋梁向大跨、高強、輕型、整體發(fā)展,由少焊多栓多焊少

6、栓全焊,因此焊縫的性能應與基材相匹配,采用的焊接材料、焊接工藝,均應根據(jù)設計要求通過試驗確定,防止裂縫出現(xiàn),防止脆斷。(4)鋼橋涂裝材料防止鋼梁銹蝕,應符合鐵道部現(xiàn)行的鐵路鋼橋保護涂裝(TB/T1527)的規(guī)定。(5)中心受壓桿件軸向容許應力折減系數(shù)1,在原TBJ285的基礎上,重新整理、歸納,對有關參數(shù)進行了統(tǒng)計和分析,并參考了國內(nèi)、外有關設計規(guī)范,對本規(guī)范表3.2.6進行了調(diào)整,增列了14 MnNbq、15 MnVNq鋼相應的1值,它是鐵道科學研究院的研究成果。(6)疲勞部分:本規(guī)范3.2.7條對各種構件或連接的疲勞容許應力幅及表3.2.7對各種構件或連接基本形式及疲勞容許應力幅類別均作了

7、全面的修訂。這里主要指出的是自從橋梁鋼結(jié)構引入焊接技術后要防裂、防斷?？偨Y(jié)國內(nèi)、外的經(jīng)驗,焊縫開裂,屢見不鮮,斷裂事故時有報導。因為疲勞強度同制造質(zhì)量是密切相關的,極為重要,因此在表3.2.72中,特別增加一欄“加工質(zhì)量及其他要求”,確保制造質(zhì)量,設計者應特別重視。4 結(jié)構內(nèi)力計算在4.3節(jié)疲勞計算中,對疲勞強度條文作了全面的修訂,把原來的疲勞容許應力改為疲勞容許應力幅。蕪湖長江大橋首次采用厚板焊接,封閉式整體節(jié)點,焊接大量增多,構件具有很大的焊接殘余應力及拘束應力,故原橋規(guī)的設計規(guī)定,已不符合工程實際受力狀況。為此,鐵道部于1996年特將蕪湖長江大橋正橋鋼梁疲勞研究列為科技發(fā)展計劃項目,疲勞

8、試件針對各種焊接構造細節(jié),焊接工藝同實橋工藝一樣,做了大量的試驗,進行分析研究,并結(jié)合1987年部列課題“鐵路鋼橋可靠度設計及鐵路橋梁疲勞荷載譜研究”,又調(diào)研了國內(nèi)自1965年以來的有效疲勞試驗22組,進行了再分析,建立了鋼橋疲勞抗力方程12個,便于設計者應用。下面介紹疲勞驗算用各種參數(shù)和修正系數(shù)。(1)疲勞容許應力幅0規(guī)定中所列的0是構件或連接在應力比=minmax= 0時,2×106次所能承受的等幅應力。0是通過疲勞試驗求得的。對每種試件,選定8 15種不同的應力幅做試驗,求各個不同應力幅的致傷次數(shù),用應力幅與循環(huán)次數(shù)的對數(shù)作為變量進行統(tǒng)計分析,減去2個標準差,就可以得到疲勞抗力

9、SN曲線方程,lgN=c+mlg0,將式中N= 2×106代入,即可求得設計用的疲勞容許應力幅0。(2)豎向動力作用因疲勞檢算是計算橋梁在長期使用時間內(nèi)的損傷累積,故動力系數(shù)不使用規(guī)范設計強度用的動力系數(shù)。疲勞檢算應用運營動力系數(shù)。根據(jù)研究,運營動力系數(shù)平均值與標準差的表達式為:計算結(jié)果與用于強度設計動力公式計算結(jié)果的1/2基本相當。為便于設計人員使用,運營動力系數(shù)表達式簡化為: (3)雙線系數(shù)雙線鐵路鋼橋的疲勞檢算,要考慮兩線列車同時作用的影響。通過概率及損傷分析可以求得雙線系數(shù)rd為:式中,1、2分別為單位力在一線或二線作用時,對某一構件的效應,也可以看作是單位作用力在一線作用時

10、,對兩主桁的分配系數(shù);K0為兩線列車在橋上完全相遇(兩線列車均已上橋)的雙線系數(shù),其計算很復雜,在偏載一定時,K0隨跨度增加而增加,但在1 1 +1/2之間,為簡化計令K0= 1 +1/2,計算得的雙線系數(shù)偏安全。(4)損傷修正系數(shù)由于機車車輛的軸距、長度、編組及橋梁跨度不同,每一列車通過橋梁,對部件產(chǎn)生的疲勞損傷是隨機的。動荷載對部件產(chǎn)生的疲勞損傷是和動荷載在部件中產(chǎn)生的應力(i)大小及各種應力在部件中出現(xiàn)的循環(huán)次數(shù)(Ni)有關,每通過一次列車,部件所受損傷為Niim,m是SN曲線斜率的負倒數(shù)。在設計基準期內(nèi)總損傷度為通過的各次列車的諸Niim之和。根據(jù)這一理論,以年運量為6 000萬t線路

11、的橋梁荷載譜為基礎,用等效等幅應力的計算原則和對現(xiàn)有橋梁的疲勞驗算校準確定各種跨度橋梁的損傷修正系數(shù)rn。在最大應力檢算時,最大應力中有恒載,恒載無需修正,故將損傷修正系數(shù)調(diào)整為rn。(5)應力比修正系數(shù)在疲勞最大應力控制的試驗中,由于最大應力與最小應力不同,則平均應力(max+min2)不同,相同循環(huán)次數(shù)能承受的max不同。設計公式中容許應力幅是=0時最大應力0,故在最大應力驗算時,應將0乘以不同的應力比修正系數(shù)r。應力比修正系數(shù)是通過試驗值求得。(6)板厚修正系數(shù)厚板與薄板比較,厚板的材質(zhì)及焊接、制造工藝等有許多質(zhì)量難保證的因素,對疲勞強度將產(chǎn)生下降的影響,經(jīng)對焊接加工試件及非焊接加工試件

12、試驗結(jié)果統(tǒng)計,厚板的疲勞強度為薄板疲勞強度×(0.738 0.854),簡化后采用板厚修正系數(shù)為以上所述疲勞驗算用的各種參數(shù)和修正系數(shù)摘自“中國土木工程學會第九屆年會論文集”中“鐵路栓焊鋼橋及其疲勞設計理論”(鐵科研,潘際炎)。因此,本規(guī)范疲勞驗算條文為校準新辦法的可靠性和連續(xù)性,對l= 64 m標準鋼桁梁作了檢算比較,結(jié)果證明本規(guī)范規(guī)定比原橋規(guī)TBJ285略嚴少許,可以采用。5 構件的計算長度、長細比和桿件截面本規(guī)范在表5.2.1中,對主桁桿件,僅受拉力的腹桿:長度16 m,長細比180;長度>16m,長細比150作了修改。因為近代高層建筑和大跨度橋梁將對風效應愈來愈敏感,氣

13、動彈性問題經(jīng)常成為設計的制約因素,其中一種低風速下的氣動彈性現(xiàn)象結(jié)構的渦激振動。國外發(fā)生渦振損傷的事例也不少。為了提高受拉桿件自振頻率,防止發(fā)生低應力低風速渦振。根據(jù)頻率公式:式中,C為常數(shù);為長細比;l為桿件長度?？梢钥闯?對受拉桿件,限制的同時,還要限制l,可詳見鐵道部大橋工程局編“九江長江大橋技術總結(jié)”169頁。6 構件連接(1)增列6.1.2條抗滑型高強度螺栓連接接頭計算,當連接的接頭,螺栓排數(shù)較多時,其力的分布很不均勻,與計算中按每個螺栓均勻受力的假定有很大的出入。通過試驗表明,當螺栓排數(shù)超過6排時,即使排數(shù)再增加,但螺栓群端(末)排螺栓所受的力總要占到外力的30%左右,當該值大于端

14、(末)排螺栓的抗滑移極限時,即由螺栓群的端(末)排向中間各排螺栓進行力的重分布,即所謂“解扣滑移”現(xiàn)象,在大橋局與鐵科院分別對抗滑型高強度螺栓動力試驗中,發(fā)現(xiàn)多排螺栓接頭的端(末)兩排螺栓的反復錯動時會破壞摩擦面,引起表面磨損,直接影響滑移系數(shù),因板面之間的摩擦系數(shù)是影響高強度螺栓接頭傳遞荷載能力的主要因素。為安全計,該排螺栓不宜計入有效數(shù)量中而應另行增補。另外當端(末)排螺栓在動荷載作用反復滑移時,如上所述摩擦面遭到破壞,該高強度螺栓連接近似于普通螺栓連接,致使該桿件疲勞強度將會降低,也已為疲勞試驗所證實。(2)增列6.2.2條對不等厚和不等寬兩種過渡并存在的板的對接接頭禁止使用,主要是避免

15、應力集中程度過高和焊接殘余應力不利影響,影響結(jié)構的疲勞強度,引起疲勞裂紋。(3)本規(guī)范6.2.4條明確規(guī)定角焊縫計算長度不宜小于焊腳尺寸hf的15倍。若角焊縫太短時,起弧熄弧所造成的火口等缺陷相距很近,將使這條焊縫的工作不夠可靠。(4)本規(guī)范6.2.7條特別提出栓焊連接并用條件,經(jīng)檢算高強度螺栓連接不發(fā)生滑移時,可與焊接連接并用。7 橋面系及聯(lián)結(jié)系這部分內(nèi)容同TBJ285條文,未作修改。8 鋼板梁近年來,鐵路提速以后,運營部門反映,已建成的某些鋼板梁,其橫向剛度不足,要限速并需進行維修加固,所以增列了8.0.1及8.0.2條文的內(nèi)容。8.0.1條為鋼板梁的材質(zhì)宜采用16q。意即降低容許應力,增

16、加翼緣截面積,增加梁的橫向剛度。8.0.2條對簡支鋼板梁由靜活載(不計豎向動力),所引起的豎向撓度不應超過其跨度的1/800(原規(guī)范是1/700),橫向?qū)挾?兩主梁中心距)不宜小于跨度的1/15,且不宜小于2 m,當超過2.5 m時,應采用非標準枕木。8.0.4條對鋼板梁外層蓋板中斷時,中斷蓋板末端的厚度進行了修改。即外層蓋板中斷后,需將板端沿寬度方向加工成不陡于14的斜邊,厚度方向加工成不陡于18斜坡,末端寬度不宜小于20 mm,厚度定為焊腳高度加2mm。9 鋼桁梁9.0.1條新增了連續(xù)鋼桁梁豎向撓度和橫向?qū)捒绫鹊南拗?主要是為保證橋梁在設計基準期100年內(nèi)正常使用,橋梁結(jié)構必須有足夠豎向撓度及橫向剛度,保證在列車及其他動荷載作用下橋梁結(jié)構不出現(xiàn)過大的次應力或局部變形、列車運行的平穩(wěn)性,避免橋上軌道出現(xiàn)過大的縱向位移,防止列車在橋上的脫軌,保證列車司機、旅客的舒適度,另外對連