8.1 Introduction

Steel bridges have a long and proud history. Their role in the expansion of the railway system in the United States cannot be overestimated. The development of the long-span truss bridge was in response to the need of railroads to cross waterways and ravines without interruption. Fortunately, analysis methods for trusses (particularly graphical statics) had been developed at the same time the steel industry was producing plates and cross sections of dependable strength. The two techniques came together and resulted in a figurative explosion of steel truss bridges as the railroads pushed westward.

Steel truss bridges continue to be built today, for example, the Greater New Orleans Bridge No. 2 of Figure 2.48. However, with advances in methods of analysis and steelmaking technology, the sizes, shapes, and forms of steel bridges are almost unlimited. We now have steel bridges of many types: arches (tied and otherwise), plate girders (haunched and uniform

depth), box girders (curved and straight), rolled beams (composite and noncomposite), and cable-stayed and suspension systems. More complete descriptions of these various bridge types are given in Chapter 2. Emphasis in this book is on short (up to 50 ft or 15 m) to medium (up to 200 ft or 60 m) span bridges. For these span lengths, steel girder bridges

are a logical choice: composite rolled beams, perhaps with cover plates, for the shorter spans and composite plate girders for the longer spans. These steel girder bridges are readily adapted to different terrain and alignment and can be erected in a relatively short time with minimum interruption of traffic.

In the sections that follow, the properties of the materials are described, limit states are presented, resistance considerations are discussed, and this chapter concludes with design examples of rolled-beam and plate-girder bridges.

8.2 Material Properties

As discussed at the beginning of Chapter 7, shown in Figure 7.1, the material–stress–strain response is the essential element relating forces and deformations. At one time, there was basically a simple stress–strain curve that described the behavior of structural steel; this is no longer true because additional steels have been developed to meet specific needs such as improved strength, better toughness, corrosion resistance, and ease of fabrication.

Before presenting the stress–strain curves of the various steels, it is important to understand what causes the curves to differ from one another. The different properties are a result of a combination of chemical composition and the physical treatment of the steel (Dowling et al., 1992). In addition to knowledge of the stress–strain behavior, a steel bridge designer must also understand how fatigue and fracture resistance are affected by the selection of material, member sizes, and weld details. These topics are discussed in this section along with a brief description of the manufacturing process.

In comparing the properties of different steels, the terms strength (yield and tensile), ductility, hardness, and toughness are used. These terms are defined below:

Yield strength is the stress at which an increase in strain occurs without an increase in stress.

Tensile strength is the maximum stress reached in a tensile test. Ductility is an index of the ability of the material to withstand inelastic deformations without fracture and can be expressed as a ratio of elongation at fracture to the elongation at first yield.

Hardness refers to the resistance to surface indentation from a standard indenter.

Toughness is the ability of a material to absorb energy without fracture.

8.2.1 Steelmaking Process: Traditional

The typical raws materials for making steel are iron ore, coke, limestone, and chemical additives. These are the basic constituents and the chemical admixtures that produce custom-designed products for specific applications, much like the process used for making concrete. However, in the case of steelmaking, it is possible to better control the process and produce a more uniformly predictable finished product.

The raw materials are placed in a ceramic-lined blast furnace and external heat is applied. The coke provides additional heat and carbon for reducing the iron ore to metallic iron. The limestone acts as a flux that combines with the impurities and accumulates on top of the liquid iron where it can be readily removed as fluid slag. The molten iron is periodically removed from the bottom of the furnace through tap holes into transfer ladles. The ladles then transfer the liquid metal to the steelmaking area.

Steel is an alloy. It is produced by combining the molten iron with other elements to give specific properties for different applications. Depending on the steel manufacturer, this can be done in a basic oxygen furnace, an open-hearth furnace, or an electric-arc furnace. At this point, the molten iron from the blast furnace is combined with steel scrap and various fluxes. Oxygen is blown into the molten metal to convert the iron into steel by oxidation. The various fluxes are often other elements added to combine with the impurities and reduce the sulfur and phosphorus contents. The steel produced flows out a tap hole and into a ladle.

The ladle is used to transport the liquid steel to either ingot molds or a continuous casting machine. While the steel is in the ladle, its chemical composition is checked and adjustments to the alloying elements are made as required. Because of the importance of these alloying elements in classifying structural steels, their effect on the behavior and characteristics of carbon and alloy steels are summarized in Table 8.1.

Aluminum and silicon are identified as deoxidizers or “killers” of molten steel. They stop the production of carbon monoxide and other gases that are expelled from the molten metal as it solidif

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8.1简介

钢桥有着悠久而自豪的历史。他们在美国铁路系统扩张中的作用怎么估计都不为过。大跨度桁梁桥的发展是为了适应铁路不间断地跨越水沟的需要。幸运的是，桁架（特别是图形静力学）的分析方法是在钢铁工业生产可靠强度的板材和横截面的同时发展起来的。这两种技术结合在一起，在铁路向西推进时，钢桁梁桥发生了爆炸。

钢桁梁桥今天仍在建造中，例如图2.48中的大新奥尔良2号桥。然而，随着分析方法和炼钢技术的进步，钢桥的尺寸、形状和形式几乎是无限的。我们现在有许多类型的钢桥：拱（系杆和其他），板梁（加腋和均匀深度）、箱梁（曲线和直线）、轧制梁（组合梁和非组合梁）、斜拉和悬挂系统。第二章对这些不同的桥梁类型进行了更完整的描述。本书的重点是短（高达50英尺或15米）到中（高达200英尺或60米）跨度的桥梁。对于这些跨度，钢梁桥是一个合理的选择：组合轧制梁，也许有盖板，为较短的跨度和组合板梁为较长的跨度。这些钢梁桥很容易适应不同的地形和线形，可以在相对较短的时间内架设，交通中断最少。

在接下来的章节中，对材料的特性进行了描述，给出了极限状态，讨论了阻力因素，本章最后给出了轧制梁和板梁桥的设计实例。

8.2材料特性

如第7章开头所述，如图7.1所示，材料-应力-应变响应是与力和变形相关的基本元素。有一次，基本上有一个简单的应力-应变曲线来描述结构钢的行为；这不再是真的，因为已经开发了额外的钢来满足特定的需求，如提高强度、更好的韧性、耐腐蚀性和易于制造。

在给出各种钢的应力-应变曲线之前，重要的是要了解导致曲线彼此不同的原因。不同的性能是钢的化学成分和物理处理相结合的结果（Dowling等人，1992）。除了了解应力-应变特性外，钢桥设计师还必须了解材料、构件尺寸和焊接细节的选择对疲劳和断裂抗力的影响。本节将讨论这些主题，并简要介绍制造过程。

在比较不同钢的性能时，使用了强度（屈服和拉伸）、延性、硬度和韧性等术语。这些术语定义如下：

屈服强度是指在不增加应力的情况下发生应变增加的应力。

拉伸强度是拉伸试验中达到的最大应力。延性是材料在无断裂的情况下承受非弹性变形能力的指标，可以用断裂伸长率与一次屈服伸长率的比值来表示。

硬度是指标准压头对表面压痕的阻力。

韧性是材料吸收能量而不断裂的能力。

8.2.1炼钢工艺：传统

典型的炼钢原料是铁矿石、焦炭、石灰石和化学添加剂。这些是基本成分和化学外加剂，用于生产特定用途的定制设计产品，非常类似于制造混凝土的过程。然而，在炼钢的情况下，可以更好地控制生产过程，生产出更为一致可预测的成品。

将原料放入陶瓷内衬的高炉中，利用外部加热。焦炭提供额外的热量和碳，用于将铁矿石还原为金属铁。石灰石作为熔剂与杂质结合，积聚在液态铁的顶部，在那里它可以很容易地作为液态渣被清除。铁水通过出铁口定期从炉底移入转移钢包。钢包然后将液态金属转移到炼钢区。

钢是一种合金。它是通过将铁水与其他元素结合起来生产的，为不同的应用提供特定的性能。根据钢铁制造商的不同，这可以在碱性氧气炉、平炉或电弧炉中进行。此时，来自高炉的铁水与废钢和各种熔剂结合在一起。氧气被吹入熔融的金属中，使铁氧化成钢。各种助焊剂通常是加入其他元素与杂质结合，降低硫和磷含量。生产出的钢从出铁口流入钢包。

钢包用于将钢水输送到铸锭模或连铸机上。钢在钢包中时，应检查其化学成分，并根据需要调整合金元素。由于这些合金元素在结构钢分类中的重要性，表8.1总结了它们对碳钢和合金钢的行为和特性的影响。

铝和硅被认为是钢液的脱氧剂或“杀手”。它们阻止了一氧化碳和其他气体的产生，这些气体在熔化的金属凝固时被排出。与非镇静钢产品相比，镇静钢产品的多孔性较小，并且表现出更高的均匀度。

碳是钢的主要强化元素。然而，随着碳含量的增加，塑性、韧性和可焊性降低，它有一个缺点。铬和铜都能提高耐大气腐蚀性，用于耐候钢。当暴露在大气中时，它们会形成一层紧密的保护性氧化膜，以抵抗进一步的腐蚀。硫通常被认为是一种不受欢迎的元素，除非加工性很重要。它会对表面质量产生不利影响，并降低延展性、韧性和焊接性。锰可以通过结合形成锰硫化物来控制硫的有害影响。它也增加了钢的硬度和强度，但程度比碳小。

8.2.2炼钢工艺：小型钢厂

小型钢厂是使用电弧炉中的再生钢作为主要热源的小型钢厂。由于原料来源为回收废铁或其他铁源，因此取消了炼焦作业。下游加工可包括：铸造、热轧或冷轧、拉丝和酸洗。这是通过连铸工艺实现的，该工艺通过直接向目标产品中浇铸消除钢锭。Minis通常为当地生产小范围的产品。这一工艺被扩展用于更大规模的生产，例如，Nucor和其他使用再生钢的生产。

8.2.3炼钢工艺：环境因素

作为可持续的建筑材料，钢是最好的。它是世界上回收率最高的材料。大约96%的用于结构钢的梁和板是由回收材料制成的。钢筋约占60%。对于每磅回收5400 Btu能源的钢铁，由于取消了上述钢铁生产步骤，并使用了在排放气体方面更节能、更环保的新技术，因此节约了能源。例如，请参见Recycled-steel.org或Nucor.com。此外，还可以在“钢铁回收”中搜索许多来源，包括美国和发展中国家的故事、实时回收数据和新的钢铁生产方法。

由于没有空间的进一步扩张，钢铁行业在工艺和产品方面已经发生了重大变化，目前是建筑/制造领域最绿色的行业之一。

8.2.4成品生产

钢包中的钢水被放入铸锭模或连铸机中。铸锭模中的钢在冷却时凝固。然后进入第二道工序，钢锭被热加工成高达（9英寸）的板坯。厚times;60英寸。宽），开花（高达12英寸。times;12英寸）和坯料（最多5英寸。times;5英寸）（分别为230毫米times;1520毫米、300毫米times;300毫米、125毫米times;125毫米）。

在连铸过程中，利用重力直接从液态钢储槽中形成板坯、钢坯和钢坯，如图8.1所示。在中厚板轧机中，板坯在一组水平辊之间重新加热和挤压，以减小厚度并生产出成品。纵向边缘通常在线火焰切割，以提供所需的板材宽度。通过矫平辊后，将板材剪切至一定长度。热处理可以在线或离线进行。

钢坯在结构轧机中被重新加热并依次通过一系列辊架，以生产宽法兰截面、工字钢、槽钢、角钢、三通和三通。辊架分为四个阶段，每个阶段都有多个孔型，用于将钢坯还原为成品。它们是分解架、粗加工架、中间架和精加工架。每个支架都有水平和垂直辊，在某些情况下还有边缘辊，以逐渐减小横截面，使其达到最终形状。将结构部分切割成一定长度，留出冷却，并通过拉伸或轧制矫直。

8.2.5残余应力

无外力作用的构件中存在的应力称为残余应力。这些力影响拉伸、压缩和弯曲构件的强度，可由热、机械或冶金过程引起。热致残余应力是由非均匀冷却引起的。通常，在最后冷却的金属中会产生拉伸残余应力。还引入了相关的压应力，这些应力的组合产生了内力平衡，使截面保持平衡。

机械引起的残余应力是由构件在约束下拉伸或压缩时的非均匀塑性变形引起的。当一个部件在冷却后被机械矫直或被一系列滚柱机械弯曲时，会发生这种不均匀变形。

冶金诱导的残余应力是由钢的微观结构从铁素体-珠光体转变为马氏体引起的（Brockenbrough和Barsom，1992）。这种新材料比原来的钢更坚固、更坚硬，但韧性较差。当表面加热到约900°C，然后迅速冷却时，转变为马氏体导致体积增加4%。如果由于向马氏体转变而引起的体积变化受到抑制，则残余应力为压应力。热切边产生的残余拉应力可以部分地由相变产生的压应力来补偿。

当采用焊接方法制造截面时，这三种工艺都会产生复杂的三维残余应力。加热和冷却效果发生，冶金变化可能发生，变形往往受到限制。焊缝处可产生约60 ksi（sim;400 MPa）的高拉伸残余应力（Bjorhovde，1992）。一般来说，板材和型材的轧制边处于压缩残余应力状态，而热切割边处于拉伸状态。这些应力通过构件中其他符号相反的等效应力来平衡。对于焊接构件，拉伸残余应力在焊缝附近产生，并在其他地方平衡压缩应力。图8.2显示了热轧钢构件接收和焊接后的硅压应力全球分布的简化质量说明（Brockenbrough和Barsom，1992）。注意，图8.2所示的应力是纵向或纵向应力。

8.2.6热处理

通过不同的热处理可以提高钢的性能。有缓慢冷却热处理和快速冷却热处理。缓慢冷却处理包括退火、正火和消除应力。它们包括将钢加热到给定的温度，在该温度下保持适当的时间，然后在空气中缓慢冷却。钢的加热温度决定了处理的类型。缓冷处理提高了塑性和断裂韧性，降低了硬度，缓解了残余应力。

AASHTO（2004）LRFD桥梁规范中规定了桥梁钢的快速冷却热处理。该过程称为淬火和回火，包括将钢加热到大约900°C，保持温度一段时间，然后在油或水浴中淬火快速冷却。淬火后，将钢重新加热至约900°F（500°C），保持该温度，然后缓慢冷却。淬火和回火改变了钢的微观结构，提高了钢的强度、硬度和韧性。

8.2.7结构钢分类

典型结构钢的力学性能由图8.3所示的四条应力-应变曲线表示。这些曲线中的每一条都代表一种具有特定成分的结构钢，以满足特定需求。它们的行为各不相同，除了起源地附近的小菌株。这四种不同钢的化学成分和热处理可确定为（a）结构碳钢（等级36/250）（ksi/MPa），（b）高强度低合金钢（等级50/345），（c）调质低合金钢（等级70/485），（d）高屈服强度调质合金钢（等级100/690）。这些钢的最低机械性能见表8.2。

ASTM（1995）中给出了桥梁钢的统一标准规范，名称为A709/A709M-94a（M表示公制，94a是最后一次修订的年份）。六个等级的钢有四个屈服强度等级，如表8.2和图8.3所示。后缀为W的钢号表示耐候钢，其耐大气腐蚀性能比典型碳钢好得多，可在许多应用中使用，前缀HPS表示高性能钢。

表8.2中的所有钢材都可以焊接，但不能采用相同的焊接工艺。每个钢级都有特定的焊接要求，必须遵守。

在图8.3中，括号中标识四个屈服强度等级的数字是具有类似于A709/A709M钢的抗拉强度和延伸性能的钢的ASTM名称。给出这些数字是因为钢结构建筑和其他结构的设计师熟悉这些数字。这些钢与A709/A709M钢之间最显著的区别在于，A709/A709M钢专门用于桥梁，必须满足韧性试验的补充要求。对于非断裂临界构件和断裂临界构件，这些要求各不相同。第8.2.6节讨论了这一概念。

如前所述，钢是一种合金，其主要成分是铁。表8.2中钢种的化学成分见表8.3。所有结构钢的一种成分是碳，如表8.1所示，碳增加强度和硬度，但降低延性、韧性和可焊性。添加其他合金元素以抵消负面影响，并为特定应用自定义设计结构钢。因此，A709M中给出了每种屈服强度等级的不止一种钢材，以涵盖不同制造商生产的专有钢材。一般来说，低合金钢的合金元素总量不到1.5%，而合金钢的比例更大。

将表8.3中桥梁钢的化学成分与表8.1中合金元素的影响进行比较，得出以下关系。在调质合金钢中加入硼以提高淬透性。高强度钢中的碳含量降低，并添加锰、钼和钒以提高强度。铬、铜和镍存在于耐候钢中，有助于提高耐候钢的耐大气腐蚀性能。磷有助于强度、硬度和腐蚀，但会降低延展性和韧性，因此其含量有限。硫被认为是不受欢迎的，因此它的最大百分比受到严格限制。硅是一种脱氧剂，它能杀死钢液并产生更均匀的性能。

假设所有等级结构钢的两个特性是恒定的：弹性模量为29000ksi（200GPa）和热膨胀系数为6.5times;10minus;6 in./℃（11.7times;10minus;6 mm/mm/℃）[A6.4.1下面简要讨论与四个屈服强度等级中每一个等级相关的特性（Brockenbrough和Johnston，1981）。为了便于不同钢之间的比较，图8.4和8.5分别给出了它们的应力-应变曲线和随时间变化的腐蚀曲线的初始部分。

结构碳钢

这个名字有些误导，因为所有的结构钢都含有碳。当提及碳钢时，通常隐含技术定义。指定为碳钢的标准为（AISI，1985）：（1）未规定铬、钴、铌、钼、镍、钛、钨、钒或锆或为获得所需合金化效果而添加的任何其他元素的最低含量；（2）铜的规定最低含量不超过0.40%；或（3）不超过下列任何一项的规定最大值：锰1.65%，硅0.60%，铜0.60%。换言之，只要满足表8.2中的最低机械性能，生产商可以使用任何废钢或废弃汽车。没有异国情调或花哨的成分是必要的，使它强大。因此，工程师们经常把它称为软钢。

结构碳钢的主要特征之一是具有明确的屈服点[F y=36ksi（250mpa）]，随后在塑性范围内有一个宽大的屈服平台。这种行为如图8.4所示，显示出显著的延展性，允许局部应力重新分布而不断裂。这种特性使得碳钢特别适合连接。碳钢是可焊接的，可用作板材、棒材和结构形状。它们是在大气温度下使用的。图8.5中含铜碳钢的腐蚀速率（表8.3，最小值为0.20%）约为普通碳钢的一半。

高强度低合金钢

这些钢控制了化学成分，以获得比碳钢更高的屈服强度和抗拉强度，但合金添加量小于合金钢（Brockenbrough，1992）。F y=50ksi（345mpa）的高屈服强度是在热轧条件下实现的，而不是通过热处理。因此，它们表现出良好的屈服点和良好的延性，如图8.4所示。

高强度低合金钢是可焊接的，可用作板材、棒材和结构型材。如图8.5所示，这些合金还具有优异的耐大气腐蚀性能。50/345级钢由于其良好的性能，往往是中小跨径桥梁设计人员的首选。

热处理低合金钢

高强度低合金钢可以热处理以获得更高的屈服强度F y=70 ksi（485兆帕）。表8.3中50/345W和70/485W级的化学成分几乎相同。淬火和回火热处理改变了钢的显微组织，提高了钢的强度、硬度和韧性。

如图8.4所示，热处理去除了高强度钢中明确规定的屈服点。从弹性行为到非弹性行为有一个更为渐进的转变。这些钢的屈服强度通常由负载下0.5%的延

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