西南交通大学钢桥课程设计邓.doc

课程名称： 钢桥 设计题目：单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥 院 系： 土木工程系 专 业： 铁道工程（桥梁组） 年 级： 2009 姓 名： 唐浩然 指导教师： 李燕强 西南交通大学峨眉校区2012年 6月 12日目 录第一章 设计资料1第一节 基本资料1第二节 设计内容2第三节 设计要求2第二章 主桁杆件内力计算3第一节 主力作用下主桁杆件内力计算3第二节 横向风力作用下的主桁杆件附加力计算7第三节 制动力作用下的主桁杆件附加力计算8第四节 疲劳内力计算10第五节 主桁杆件内力组合11第三章 主桁杆件截面设计14第一节 下弦杆截面设计14第二节 上弦杆截面设计16第三节 端斜杆截面设计17第四节 中间斜杆截面设计19第五节 吊杆截面设计20第六节 腹杆高强度螺栓计算22第四章 弦杆拼接计算和下弦端节点设计23第一节 E2节点弦杆拼接计算23第二节 E0节点弦杆拼接计算24第三节 下弦端节点设计25第五章 挠度计算和预拱度设计27第一节 挠度计算27第二节 预拱度设计28第六章 桁架桥梁空间模型计算29第一章 设计资料第一节 基本资料1设计规范：铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005），铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.2-2005）。2结构轮廓尺寸：计算跨度L=70+（50-94）=71.2m，钢梁分10个节间，节间长度d=L/10=7.12m，主桁高度H=11d/8=11×7.12/8=9.79m，主桁中心距B=6.4m，纵梁中心距b=2.0m，纵梁计算宽度B0=5.95m，采用明桥面、双侧人行道。3材料：主桁杆件材料Q345q，板厚40mm，高强度螺栓采用40B，精制螺栓采用BL3，支座铸件采用ZG35II、辊轴采用35号锻钢。4 活载等级：中活载。5恒载（1）主桁计算桥面p1=10kN/m，桥面系p2=6.29kN/m，主桁架p3=14.51kN/m，联结系p4=2.74kN/m，检查设备p5=1.02kN/m，螺栓、螺母和垫圈p6=0.02（p2+ p3+ p4），焊缝p7=0.015（p2+ p3+ p4）;（2）纵梁、横梁计算纵梁（每线）p8=4.73kN/m（未包括桥面），横梁（每片）p9=2.10kN/m。6风力强度W0=1.25kPa，K1K2K3=1.0。7工厂采用焊接，工地采用高强度螺栓连接，人行道托架采用精制螺栓，栓径均为22mm、孔径均为23mm。高强度螺栓设计预拉力P=200kN，抗滑移系数0=0.45。第二节 设计内容1主桁杆件内力计算；2主桁杆件截面设计3弦杆拼接计算和下弦端节点设计；4挠度验算和上拱度设计；5空间分析模型的全桥计算。第三节 设计要求1 主桁内力计算结果和截面设计计算结果汇总成表格。2主桁内力计算表格项目包括：加载长度l、顶点位、面积、总面积、Np、k、Nk=k、1+、(1+)Nk、a、amax-a、(1+)Nk、NS、平纵联风力Nw、桥门架风力Nw、制动力NT、主力NI=Np+(1+)Nk+NS、主+风NII=NI+NW(NW')、主+风弯矩MII、主+制NIII=NI+NT、主+制弯矩MIII、NC=maxNI,NII/1.2,NIII/1.25、1+f、Nn=Np+(1+f)Nk、吊杆下端弯矩MB。3主桁内力计算和截面设计计算推荐采用Microsoft Excel电子表格辅助完成。4步骤清楚，计算正确，文图工整。5设计文件排版格式严格要求如下：（1）版面按照A4纸张设置，竖排（个别表格可以横排），页边距推荐为上2cm、下2cm、左2.5cm、右1.5cm、页眉1.5cm、页脚1.75cm。（2）设计文件要求采用单一的PDF文件格式，按封面、目录、正文（包括表格、插图）、节点图顺序，正文起始页码为第1页。（3）特别要求正文采用四号宋体和Times New Roman字体，段落采用单倍行距、段前0行、段后0.5行，不设置文档网络的自动右缩进、不设置文档网络的对齐网格；章名采用二号黑体居中（新章起页，章名前空两行）；节名采用三号黑体居中（节名前、后空一行）；（4）特别要求正文内的表格完整、表格排版符合页宽要求。（5）特别要求正文内的图形和节点图完整、清晰。（6）设计文件在规定时间内提交，提交方式为电邮至sdwen，邮件主题统一为学号8位数字。第二章 主桁杆件内力计算第一节 主力作用下主桁杆件内力计算1恒载桥面 p110kN/m，桥面系p26.29kN/m,主桁架 p314.51，联结系p42.74kN/m，检查设备 p51.02kN/m，螺栓、螺母和垫圈 p60.02(p2+p3+p4)，焊缝 p70.015(p2+p3+p4)每片主桁所受恒载强度p10+6.29+14.51+2.74+1.02+0.02(6.29+14.51+2.74)+0.015(6.29+14.51+2.74)/217.69 kN/m，近似采用 p18 kN/m。2 影响线面积计算（1）弦杆 影响线最大纵距 影响线面积 A1A3：l114.24，l259.96，0.2 ， E2E4：l121.36， l249.84，0.3， 其余弦杆计算方法同上，计算结果列于下表 2.1 中（2）斜杆， ， 式中 E0A1：l17.12，l264.08，0.1A3E4：其余斜杆按上述方法计算 并将其结果列于表中。(3)吊杆3 恒载内力4 活载内力(1)换算均布活载 k按及加载长度 l 查表求得 例如（2）冲击系弦杆，斜杆：吊杆：（3）静活载内力（4）活载发展均衡系数活载发展均衡系数：其余杆件计算同上，并将其计算结果列于表 2.1 中5，列车横向摇摆力产生的弦杆内力横向摇摆力取 S100kN 作为一个集中荷载取最不利位置加载，水平作用在钢轨顶面。摇摆力在上下平纵联的分配系数如下：桥面系所在平面分配系数为1.0，另一平面为 0.2。上平纵联所受的荷载 S 上0.2×10020kN,下平纵联所受的荷载 S 下1.0×100100kN。摇摆力作用下的弦杆内力 NsyS, y 为弦杆在简支平纵联桁架的影响线纵距,例如：上弦杆 A1A3长度为两个节间，受力较大的为第二个节间，其影响线顶点对应于该节间交叉斜杆的交点 O，影响线纵距：第二节 横向风力作用下的主桁杆件附加力计算1.平纵联效应的弦杆附加力依设计任务书要求，风压 WK1K2K3W01.0×1.25kPa,故有车风压 W0.8W1.0kPa。(1)下平纵联的有车均布风荷载桁高 H9.79m，h纵梁高+钢轨轨木高1.29+0.41.69m w 下0.5×0.4×H+ (1-0.4)×(h+3)W0.5×0.4×9.79+ (1-0.4)×(1.69+3)×1.04.772kN/m (2)上平纵联的有车均布风荷载w 上0.5×0.4×H+ 0.2×(1-0.4)×(h+3)W =0.5×0.4×9.79+0.2×(1-0.4)×(1.69+3)×1.02.5208kN/m(3)弦杆内力弦杆横向风力影响线顶点对应位置和纵距同上述的摇摆力计算。上弦杆 A1A3在均布风荷载 w 上作用下的内力为： 2桥门架效应的端斜杆和端下弦杆附加力桥门架所受总风力计算结果列在表2.1中。第三节 制动力作用下的主桁杆件附加力计算1下弦杆制动力计算以下弦杆 E2E4为例，将活载作如图所示的布置，根据结构力学方法，当三角形影响线顶点左边的活载之和等于右边之和时，为产生最大杆力的活载布置位置。解得x=7.86m故桥上活载总重=在主力作用下的内力已计入冲击系数，制动力按静活载的7%计算：制动力第四节 疲劳内力计算1.疲劳轴力疲劳荷载组合包括设计载荷中的恒载和活载(包括冲击力、离心力，但不考虑活载发展系数)。列车竖向活载包括竖向动力作用时，应将列车竖向静活载乘以运营动力系数(1+f)。同时，第 4.3.5 条又规定，焊接及非焊接(栓接)构件及连接均需进行疲劳强度检算，当疲劳应力均为压应力时，可不检算疲劳。疲劳计算采用动力运营系数弦，斜杆：吊杆：其余计算内力见表2-1。 第五节 主桁杆件内力组合1主力组合2主力和附加力组合 第三章 主桁杆件截面设计第一节 下弦杆截面设计一、中间下弦杆 E4E41初选杆件截面选用腹板 1-384×32翼缘 2-460×38每侧有 4 排栓孔，孔径 d23cm; 毛截面 Am2×46×3.838.4×3.2472.48cm2栓孔削弱面积 A2×4×3.8×2.369.92 cm2净截面面积 AjAm-A472.48-69.92402.56cm22刚度验算杆件自由长度通过验算。无需验算。3 拉力强度验算式中 为板厚的修正系数，依钢桥规范3.2.1 条及其条文说明，查“续说明表 3.2.1”，对于 Q345q，35tmax50mm 板厚 315/3450.913。4 疲劳强度验算由表 2.1 可知 Nmin1145.03kN、Nmax4517.96kN 得故 1.0×1.0×(112.23-28.444)83.786MPa1.01×130.7132.007MPa，通过验算。二、端下弦杆 E0E21初选截面选用腹板 1-436×12翼缘 2-460×16毛、净截面面积、毛截面惯性矩计算方法同上净截面惯性矩 IyjIy-Iy25962-1.6×2.3×4×(92+172)20515.6cm42 端斜杆制动力计算E0E1杆力影响线顶点位置离左端点支点7.12m，设将列车荷载的第 4 轴重 Pl置于影响线顶点处。因为影响线为三角形，故根据结构力学所述的法则，若满足下列条件，则该活载位置是产生最大杆力时的荷载 在第4轴不满足，现移动到第三轴将第 5 放到顶点位置上均不满足上述条件，故将上述活载即为产生最大杆力时的活载。制动力所产生的杆件内力Nt和M2：轴向力下弦杆弯矩2 刚度验算y62.27100，通过验算。3拉力强度验算(1)主力作用NI1962.40kN(2) 主力制动力作用NII2180.324kN，制动力弯矩 MII30.632kN·m1.25 为主力制动附加力作用验算的放大系数。4疲劳强度验算由表 2.1 可知 Nmin412.21kN、Nmax1714.72kN 得拉拉杆件验算式：故1.0×1.0×(101.39-24.374)77.016MPa1.01×130.7132.007MPa通过验算。 第二节上弦杆截面设计以上弦杆A1A3为例。1初选截面选用腹板 1-412×18、翼缘 2-460×242 刚度检算y61.96100，通过验算。3总体稳定验算由 y61.96，查表内插求得 10.6637通过验算4 局部稳定验算（1） 翼缘板 按照钢桥规范，查表5.3.3，当时，板件的宽厚比翼缘板(2)腹板按照钢桥规范，查表5.3.3，当时，板件的宽厚比腹板通过验算 同理，设计计算其他上弦杆。第三节 端斜杆截面设计1初选截面选用腹板 1-424×18、翼缘 2-600×18 截面面积，惯性矩计算方法同上。2刚度验算y73.16，y73.16100，通过验算。3总体稳定验算(1)主力作用由 y73.16，查表得 10.588(2)主力横向风力作用端斜杆E0A1在主力作用下为受压杆件，在主力与横向力作用下为压弯杆。附加力为横向力时，弯矩作用于主平面外。参照钢桥规范第 4.2.2 条规定，对受压并在一个主平面内受弯曲的杆件，总稳定性计算公式为换算长细比，查表得10.685式中系数，焊接杆件取1.8；杆件两翼缘板外缘距离，即截面宽度，。因端斜杆采用H形截面，且失稳平面为主桁平面，和弯矩作用平面不一致。按钢桥规范第4.2.2条，此可用作。所以应考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值式中构件在弯矩作用平面内的长细比； 钢材的弹性模量（MPa）; 压杆容许应力安全系数。主力组合时取用，应按主力组合采用；主力加附加力组合时取用，应按主力加附加力组合采用。主力+制动力作用依照钢桥规范4.2.2条规定，当验算的失稳平面和弯矩作用平面一致时，同上，见表3.1。第四节 中间斜杆截面设计以斜杆 E4A5为例。1初选截面选用腹板 1-424×14、翼缘 2-460×18截面面积、惯性矩计算方法同上。2刚度验算maxy84.99100，通过验算3总体稳定验算由 maxy84.99，查表内插得 10.514通过验算4局部稳定验算(1)翼缘板按照钢桥规范，查表 5.3.3，当 50 时，板件的宽厚比翼缘板，通过验算。(2) 腹板按照钢桥规范，查表 5.3.3，当 50 时，板件的宽厚比腹板通过验算。5 疲劳检算由表 2.1 可知 Nmin-833.65kN、Nmax463.71kN 得可知 E4A5为以压为主的拉压杆件，验算公式为1.0×1.0×24.5224.52MPa1.0×0.38×130.749.6MPa通过验算。6拉力强度验算杆件同时承受拉力，故还应验算其净截面的拉力强度通过验算。第五节 吊杆截面设计1初选截面选用腹板 1-436×14、翼缘 2-260×12截面面积，惯性矩计算方法同上。2刚度验算钢桥规范规定仅受拉力且长度16m 的腹杆容许最大长细比为 180，由表 3.1 可知x53.73，y146.56180，通过验算。 吊杆疲劳弯矩作用在纵梁上的恒载p=9.73KN|m由恒载产生纵梁对横梁的作用力Np=69.2776KN当L=14.24m和a=0.5时，k=62.16KNm由活载产生纵梁对横梁的作用力由恒载产生的简支梁弯矩由静活载产生的简支梁弯矩冲击系数63疲劳强度验算吊杆无附加力，在主力作用下，吊杆除受到轴力外，还受到横向钢架作用产生的弯矩，故应检算轴力与弯矩共同作用下的疲劳。由表 2.1 可知 Nmax715.41kN、Nmin125.95kN，Mmax117.1662kN.m、Mmin10.7588kN.m 吊杆A1E1净截面积 Aj94.96cm2，毛惯性矩 Imx40987cm4。栓孔惯性矩；净惯性矩IjxImx- Ix40987-554135446 cm2故 rdrn(min-max)1.00×1.00×(139.675-18.1866)121.4884MPart01.00×130.70130.70 MPa，通过验算。 第六节 腹杆高强度螺栓计算按照钢桥规范第6.1.1条，高强度螺栓容许抗滑承载力为：式中高强螺栓的容许抗滑承载力；高强螺栓连接处的抗滑面数；高强螺栓连接的钢材表面抗滑移系数，不大于0.45；高强螺栓的设计预拉力，为；安全系数，采用1.7。主桁腹杆杆端高强度螺栓个数n应满足。为杆件的承载力，对于主桁杆件：受拉杆件；受压杆件；受拉压杆件。一下各取一杆件举例说明：1拉杆杆件承载力 螺栓数个；需要螺栓数：48个2压杆杆件承载力 螺栓数个；需要螺栓数：61个第四章 弦杆拼接计算和下弦端节点设计第一节 E2节点弦杆拼接计算1 拼接板截面设计钢桥规范第9.0.7 条规定，主桁受拉杆件拼接板净面积应比被拼接杆件净面积大10。根据前面表3-1 计算结果， 杆(2-460×16，1-428×12)一半净面积为杆(2-460×38，1-384×28)一半净面积为节点板选用厚度一块节点板作为外拼接板提供的面积(取杆件高度46cm 部分)内外拼接板净面积为初选内拼接板为4-200×34(一侧两块)，两块内拼接板净面积为通过验算。2 拼接螺栓和拼接板长度单抗滑面高强螺栓的容许承载力为：一侧节点板(外拼接板)所需高强螺栓 数：个(实际布置32个)一侧两块内拼接板所需高强螺栓数：个(实际布置28个)3 内拼接板长度内拼接板一侧28个高强度螺栓，排成7排，端距取50mm，其长度为第二节 节点板计算为保证横梁长度一致，本算例各节点板均采用厚度 = 30 mm 。节点板的平面尺寸要先根据端连接螺栓排列需要拟定，再根据强度检算确定。以节点为例，节点板平面尺寸按外形方整，裁制简便，有足够强度的原则，如图4-2所示，节点板2-1280´30´2100，弦杆内拼接板为4-200´34´1260，弦杆高为460mm1、 撕裂强度检算根据前面表3-3计算结果，斜杆与的承载力分别为： N = 2507.35kN： N = 2024.28kN由于节点板平面尺寸对称，故仅需检算杆引起的撕裂。按照钢规规定，节点板任何连接截面的撕裂强度,应较各被连接杆件的强度至少大10。即撕裂面的强度应满足1.1 = 1.1×2597.35=2857.085 kN其中，垂直于被连接杆件中线的截面部分，如2-3截面，以及在主力作用下检算主桁节点板法向应力时采用基本容许应力 = 200 MPa；与被连接杆件中线倾斜相交或平行的截面部分，如1-2、3-4、3-6等截面，以及在主力作用下检算主桁节点板剪应力时采用基本容许应力0.75由图4-2，杆可能引起的撕裂方式有10-2-3-4，1-2-3-4,1-2-3-5三种 第一撕裂面10-2-3-4已知数据：第二撕裂面1-2-3-4已知数据： 第三撕裂面1-2-3-5已知数据：2、法向应力检算由表2-1可知，所以 作用力由于上弦杆在E2节点中断，竖直最弱截面只包括节点板与拼接板面积，该截面面积计算如表4-1。 E2节点板竖直截面面积计算表截面组合毛截面积扣孔面积A'= nd净面积Aj'= Am'-A'mm21440×30864103.5760.54200×3024055.2184.8合计1104158.7945.3(1) 求截面中性轴的位置值(2) 求毛截面绕弦杆中性轴的惯性矩：栓孔：所以弦杆中心线至截面中性轴的距离 (3)求节点板上下边缘到中性轴的距离y上缘到中性轴的距离 下缘到中性轴的距离 (4) 求法向应力上缘法向应力 下缘法向应力 3、剪应力检算 验算截面图4-2中9-9截面剪应力：剪力(可)其余节点板检算略。第五章 挠度计算和预拱度设计第一节 挠度计算全桥满布单位均布荷载时简支桁架跨中挠度为：式中单位集中荷载作用在跨中时各杆件内力；全桥满布单位均布荷载时各杆内力，即杆件影响线总面积；、桁架各杆长度和毛截面积；钢材的弹性模量。跨中单位集中荷载作用下各杆内力分别为弦杆斜杆吊杆：其余竖杆 。式中、 分别为影响线顶点位置及桁高；斜杆与弦杆夹角。挠度计算见表5-1表3 钢桁架单位均布荷载挠度计算表杆件加载点位置毛截面积Am杆件长度lN0=N1单位cm2cmkNkNcmA1A3 0.2294.961424 -41.43 -0.730.014 A3A50.4424.321424 -62.14 -1.450.029 E0E20.1198.561424 23.30 0.360.006 E2E40.3457.121424 54.37 1.090.018 E4E4，0.5472.48712 64.73 1.820.017 E0A10.1292.321211 -39.62 -0.620.010 A1E20.1224.961211 30.81 0.620.010 E2A30.1180.641211 -20.31 -0.620.008 A3E40.11541211 13.21 0.620.006 E4A50.1224.961211 -4.41 -0.620.001 E5A50.5123.449797.1210.005 0.123恒载产生的挠度：活载产生的挠度：式中 为影响线长、顶点时每片主桁的换算均布静活载。第二节 预拱度设计钢桥规范要求当恒载和静活载挠度超过跨度的1/1600 时，应设上拱度。本设计L=71.2m 按钢桥规范规定，下弦各节点应设拱度等于恒载加一半静活载所产生的挠度，跨中E5节点应设拱度：钢桁架起拱方法，采用将弦上每个节间伸长d(利用调节上弦节点栓孔位置使上杆件伸长)，杆长不变，形成拱度。由几何关系，可知 化简可得 化简近似可得 联立可解得 所以 取 所以跨中的实设挠度 下弦任一节点的上拱度为表5-2 中给出各节点实设上拱度。 表4 下弦各节点预拱度设置节点E0E1E2E3E4E5E4，E3，E2，E1，E0，纵坐标x(m)-35.60-28.48-21.36-14.24-7.120.007.1214.2521.36-28.48-35.60fm(cm)01.483.014.104.754.974.754.103.011.480第六章 设计总结1 通过本次课程设计，较好掌握如下问题：(1).用影响线法求桁架杆件内力(2).各杆件节点构造细节(3).通过计算内力对各杆件截面进行计算(4)对WORD文档的编辑和使用2 本次课程设计仍存在如下不足：(1).在截面设计中并没有考虑到各杆件装配等的细节合理的问题(2).截面设计偏于保守存在浪费(3).WORD文档的部分使用还必须加强和熟练。3 通过本次课程设计和钢桥课程学习，我有如下体会和看法：(1).通过学习我了解了全球各地钢桥设计的不同理念(2).希望能提供实际桥梁的清晰图纸方面对构造细节的学习(3).课程通过案例教学能增强我们对实际桥梁工程中问题的理解，对钢桥设计的一些影响使用和耐久的设计细节有一个直观的了解。方便我们对实际工程中钢桥设计的一种直观感觉。4 其它问题本课程在学习的过程中感觉上课效率还不错。老师结合案例教学我们学习兴趣还是比较浓。但是由于课程讲义过于精炼，讲义附图偏小，所以课后复习存在一些问题。5 设计者基本情况介绍邓高攀 男 09土木工程检测一班