钢梁的设计
4.7.1永久作用（恒载）
图4.7-1是一个按照AASHTO规范（美国国家公路与运输协会标准）钢梁上部结构。示例4.5到4.8是轧制工字钢梁上部结构的设计。示例4.9到4.11是板梁工字钢梁的上部结构。
荷载的影响可能需要单独进行边梁和中梁单独分析，显然因为它们承担着桥面板不同部位的荷载。在桥面板的两端，边梁没有其他梁与之共同承担桥面板传递下来的荷载,但中梁有其他梁两侧帮助分配荷载。因此在设计中，这两个团体往往区别对待。当然它们也可以在设计中相同地对待，特别是在未来这种区别是可预见的。
图4.7-1中小跨径钢混组合梁的推荐设计步骤
永久作用在梁桥设计中计算主梁是相对简单的，因为附属部分需考虑大部分永久荷载而不是全部的荷载。图4.7-2和图4.7-3显示永久荷载分别作用在边梁和中梁上，正是基于这个观点。栏杆可能是恒载分布中最复杂的部分,因为它们不仅仅只由边梁承担。然而,将栏杆的重量均匀地分布横截面的所有梁上是一种非常普遍的做法，因为桥面板被认为是刚度是足够大的。注意,如果桥面板被认为是刚度无限大，那么下面的主梁会分均匀担桥面板传递下来的荷载。对于绝大多数使用现浇钢筋混凝土甲板,这种方法被认为是可以允许的。当然,3D分析找到更准确地得到每根主梁承担栏杆荷载。然而,由于桥面板通常占据了一根主梁大部分的恒载，不准确的估计栏杆的重力由一个特定的梁承担可能并不是很关键。正如图4.7 -2和4.7-3所表示的，栏杆的重力均匀分布在横截面所有的梁上。
桥面铺装
桥面板
栏杆均布荷载
图4.7.2中梁的恒载
桥面铺装
桥面板
栏杆均布荷载
图4.7.3边梁的恒载
例4.5和4.9展示的是一个在设计中估算永久荷载的效应的典型例子。
4.7.2可变作用
可变作用的分布比永久作用要复杂得多,因为可变荷载在桥跨上的作用位置一个重要的变量在桥梁纵向和横向的变化。显然,一个3D结构分析可以用于弄清楚在最不利情况下的每个截面上的每根梁的负载情况。然而,AASHTO规范还提供了一个简化的beamline分析方法。按照这个方法,用户可以将一座桥梁简化成一根梁 (一个简支梁或者连续梁)，根据荷载的效应 (剪力或者弯矩)，将一个车道的汽车荷载沿纵向布置在最不利位置处。然后设计者需要把生成的荷载效应结果乘以一个与可用车道的数量以及多个因素(第三章)有关的系数，得到桥梁的总荷载效应,然后乘以一个与指定分配给每根梁的总载荷分布的因素有关的系数，从而得到每根梁设计荷载。这个过程消除了复杂和耗时的提炼分析(通常是通过3D分析，使用数值方法在计算机软件程序中实现)。
该方法包括所谓的横向荷载分布时的各种因素对各种常用的上部结构横截面(如混凝土桥面板在钢梁上,在预应力混凝土梁或预应力组合梁上)。两个不同的荷载效应都包含在这些表中：包括弯矩和剪力。规范也提供斜桥的简化修正因素。这些分布因素和斜交校正因素来自更复杂的许多桥梁3D分析。考虑到分析的范围，AASHTO规范中给出以下简化beamline分析方法的应用条件:
- 桥面板宽度是不变的。
- 梁的数量不小于4。
- 所有梁都是平行的,有大约相同的刚度。
- 边梁板悬出宽度小于3.0英尺。
- 桥梁的线性曲率是零。
- 满足适用性需求如下:
(1)3.5英尺le;Sle;16英尺,
其中S是梁的间距;
(2)4.5英寸le;tle;12英寸,
其中t是桥面板的平板厚度;
(3)20英尺le;Lle;240英尺,
其中L是每根梁一跨的长度;
(4)10000in.4le;Kgle;17000000 in.4,
其中Kg是一个下面定义的刚度系数;
(5)-1英尺le; de le;5英尺, de 是边梁的腹板和路缘石的内边缘之间的横向距离。
对于预应力桥面板下由钢梁支持, AASHTO规范给出了DF作为横向荷载分布系数。
中梁的荷载分配系数DF
- 加载一个车道的力矩的DF：
4.6.2.2 （4.7-1）
其中 S =梁间距（ft）
L = 梁跨距长度（ft）
t = 混凝土板厚度（in.）
K g = 长硬度参数（英寸4 ）= n （ I A eg 2 ）
其中 n = E b / E d ，梁和甲板的杨氏模量比 4.6.2.2
I=的非复合光束的惯性矩（英寸4）
A=非复合光束的横截面面积（英寸2）
e g = 非复合梁和甲板重心之间的距离（英寸）
请注意，在桥拥有者同意的情况下，=1.02允许在规范作为第一个估计。尤其通常是当横截面尚未完成时这种情况下特别有用的，因为需要DF来确定设计荷载效应以完成设计。在此之前，横截面和K g 是未知的。还需要注意的是，表3.3-1中针对单车道的综合因素1.2已包括在等式 4.7-1和规范中的类似公式（但不是下文涉及所谓杠杆原理法的）。
- 承担两个或多车道的力矩横向分配系数DF：
4.6.2.2 （4.7-2）
在一个车道的DF值与已经包括的多个存在因子加载的多个车道之间，以较大者为准，将控制桥梁的承载能力。这个概念适用于设计剪切等梁。再次，与桥所有者的同意，=1.02在规范中是允许的。
- 单车道的剪力横向分配系数DF
4.6.2.2 (4.7-3)
- 双车道或多车道的剪力横向分配系数DF
4.6.2.2 (4.7-4)
再次，在设计中应使用在单车道和多车道之间较大的那个，以将荷载分布到梁上。综合系数已包括在两个方程中。
边梁的横向分布系数DF
对于单车道加载的力矩横向分布系数DF：使用表3.3-1.3.6.1.1.2中杠杆原理法的综合系数1.2
在AASHTO规范中提到多次所谓的杠杆原理法是用来结构分析和荷载的横向分布。这是一个简单的力学模型，假设荷载按照该种方式横向分布。使用图4.7-4中的简单图示可以更容易和更好地理解杠杆原理法。在由两个轮载组成的单位负载1下，每个荷载为0.5，支承反力作为该支撑梁的横向分布系数。单位荷载1表示一个汽车荷载，并且两个0.5荷载表示构成汽车荷载的两个轮载。
显然，这种方法不包括考虑随机有多车道同时布满汽车荷载。因此，如果考虑了一个布载车道，则表3.3-1中的综合系数1.2需要明确应用于计算的横向分布系数。如果更多的车道布载，则应该通过将相应的1.0乘以所得到的荷载效应来包括相应的多个布载因子。
2lsquo;-0“
6lsquo;-0“
0.5
0.5
图4.7-4 杠杆原理法
- 双车道或多车道加载的力矩横向分布系数DF
4.6.2.2 DF力矩外部2 = e DF力矩内部2
e=0.77 de/9.1 (4.7-5)
d e 为边梁的腹板和路缘石的内边缘之间的横向距离，以英尺计。如果前者在后者内侧，则d e 为正; 否则为负。此外d e需要满足- 1 le; d e le; 5.5。如果计算出的d e小于最小值- 1，d e =- 1，而如果计算结果大于5.5的最大值，de=5.5.
- 单车道加载的剪力横向分布系数DF：使用杠杆原理法
4.6.2.2 DF剪切外部1 = DF力矩外部1 （4.7-6）
再次注意，分析结果需要乘以多车道布载系数1.2，因为在这里使用杠杆原理法，而不是在规范中给出的公式。
- 双车道或多车道加载的力矩横向分布系数DF
DF力矩内部2 = e DF力矩内部2 ； e=0.6 de/10 （4.7-7）
注意，4.7-4，DF力矩内部2嵌入了多个存在的因素。
横向分布系数的其他调查
在梁桥中，横截面通常使用横隔板或横向刚架，如本章前面所述。边梁的分布系数不应小于通过假定截面作为刚性横截面而偏转和旋转而获得的分布系数。这也正是AASHTO规范中是要求的。为了满足该规范要求，需要计算以下表3.3-1中的剪切分布因子以及多重存在因子，并与上述相应的DF值进行比较。在桥梁设计中应使用较大的DF。
C4.6.2.2.2d （4.7-8）
其中（见图4.7-5）DF =在考虑到布载车道数N L边梁上的支承反力
N L = 布载车道数
图4.7-5 汽车荷载布置在边梁时梁分布系数的附加调查
e i = 设计汽车荷载的偏心度或车道 i中梁的重心处的车道载荷
x j = 从梁的重心到梁 j的水平距离
x ext = 从梁的重心到边梁的水平距离
N b = 主梁数目
m N L = 表3.3-1中对于 N L个车道的多重存在因子
需要进行这种额外的调查，因为多梁横截面中的荷载横向分布因子是在不考虑横隔板或横向连接刚架的情况下得到的。这项检查是一项临时规定，直到研究提供出更好的解决方案。
偏斜效应的校正
倾斜支撑通常用于公路桥梁，特别是梁桥，因为与其他上部结构类型（例如桁架桥，拱桥，斜拉桥和悬索桥）相比，梁桥的倾斜支撑相对更简单。如本章前面所讨论的，当桥梁承载的道路与公路，水路，铁路等以非直角交叉时，偏斜支撑可以节省通行成本，图4.7-6显示了主梁轴线和支撑线关系以及用于下面给出的AASHTO规范的校正公式中的偏斜角theta;的定义。
图4.7-6水平面内倾斜角theta;的定义
在AASHTO规范中给出的DF的偏斜校正因子如下：
对于力矩：
4.6.2.2 （4.7-9）
如上式所示，由于具有斜角theta;的项具有负号，因此歪斜的效果可以减小设计力矩，并且因此当theta;增加时减小有效跨距长度。有了桥主同意，可以取=1.03
对于钝角边的剪力：
4.6.2.2 （4.7-10）
如图所示，歪斜的效果是当歪斜角theta;增加时增加钝角剪切。这种效应被引起，因为偏斜使得相邻波束表现不同，因为它们各自的有效跨度长度在负载下彼此不同。这种效应引起额外的扭转，需要额外的剪切力来保持平衡。也注意与桥所有者同意= 0.97可用于简化。
示例4.5显示了由多个钢I梁制成的简单跨度公路桥梁上部结构的典型荷载效应分析。实施例4.9示出了相同的，但是对于I截面的多个钢板梁的上部结构。
4.7.3截面比例
正如很多结构构件的设计一样，钢工字梁设计也使用试错法，如图4.7-1中的流程图所示。即，首先选择初始截面，然后根据多个要求来检查该截面是否满足。良好的初步选择可以减少并可能消除反复试验过程的迭代。AASHTO规范提供了钢梁部分满足的几个一般要求。所得到的横截面构造被认为是合理的。
对于工字梁腹板的稳定性，与腹板厚度t w相比，腹板高度D不应该太高。因此，他们需要满足
6.10.2.2 （4.7-11）
如果没有设置纵向加强件。这是关于腹板细长度一个比较实用的上限。该公式允许在初步设计中更容易确定腹板比例。对于商业上可用的轧制I形状，这种要求是自动满足的。因此，该要求适用于组合板梁式截面。在这种情况下，设计者需要选择不同
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