畢業(yè)設計（論文）-鐵路簡支鋼板梁橋設計.doc

石家莊鐵道大學畢業(yè)設計1第1章緒論1.1簡支鋼板梁橋的優(yōu)點及其在國內外的發(fā)展簡支鋼板梁橋具有構造簡單、強度高、自重輕、工廠化生產程度高、施工速度快等優(yōu)點，早在20世紀50年代起，在日本、德國等發(fā)達國家得到了廣泛應用。我國由于鋼材產量原因，20世紀90年代以前鋼橋的應用僅限于鐵路橋梁，公路鋼橋的極少。20世紀90年代以后，由于大跨度橋梁建設的需要，鋼結構橋梁有了很大的發(fā)展，特別是在大跨度懸索橋、斜拉橋和鋼管混凝土拱橋中得到廣泛應用。但是，除城市高架橋、立交橋等特殊情況外，在中小跨徑橋梁中還是很少采用鋼橋。1.1.1國內鋼橋的發(fā)展史我國鋼橋的建設已經有100多年的歷史，就鐵路鋼橋而言，解放前由于材料、設計水平、制造水平、施工技術等條件的限制，當時所建的鋼橋多是跨度很小的鋼板梁橋。解放后，經過幾十年的發(fā)展，我國鐵路鋼橋的整體技術水平有了長足的進步，使結構型式多樣化、橋梁規(guī)模大型化、鋼橋連接全焊化，這表現(xiàn)在鋼橋材料的不斷開發(fā)利用，設計理論、設計理念、設計手段的更新和提高，科研工作的不斷深化并及時應用于設計、施工，同時施工、制造水平的提高。特別是近10年來，整體節(jié)點的出現(xiàn)使得焊接不但用于構件組成，而且用于構件的聯(lián)接，節(jié)省了鋼材用量并使結構整體質量更加易于保障，結合梁的采用使鋼橋的應用空間得到進一步的拓展，主跨312m的蕪湖長江公鐵兩用大橋的建成標志著我國鐵路大跨度鋼橋的建設達到了一個新的高度。就公路橋梁而言，20世紀80年代中期以前，由于國家鋼材缺乏，加之公路橋梁的中小跨度可以采用RC梁或PC梁予以解決，使得公路鋼橋極少采用鋼梁，20世紀80年代中期以后，尤其是近十年來，我國公路大跨度鋼橋得到了飛速的發(fā)展，無論是跨度還是設計制造技術都正在迅速向世界水平接近，其中已經建成采用全焊鋼箱梁懸索橋的江陰長江大橋主跨達1385m，居世界第4位，采用全焊鋼箱梁斜拉橋的南京長江二橋南汊橋主跨達628m，居世界第3位。可以說，20世紀世界焊接鋼橋技術有了很大的發(fā)展，而20世紀的后10年，也是我國焊接鋼橋技術飛速發(fā)展并接近世界水平的黃金發(fā)展階段。1.1.2國內鋼橋的建設情況石家莊鐵道大學畢業(yè)設計2新中國成立后，建設面貌為之一新，各項建設蓬勃發(fā)展，橋梁事業(yè)亦不例外，推動我國鐵路鋼橋發(fā)展決定性作用的有武漢、南京、九江、蕪湖四座長江上的橋梁。這四座大橋都是公鐵兩用橋，鐵路為雙線，公路為四車道。武漢長江大橋，新中國成立后的1950年即著手興建，正橋長1156m，三聯(lián)三等跨128m的連續(xù)鋼桁梁，公鐵兩用橋。鋼梁的鋼材是進口蘇聯(lián)的CT3M(三號橋梁鋼，屈服強度240Mpa)技術有蘇聯(lián)專家援助，主要的還是我國自己設計和建造，是我國自力更生建設現(xiàn)代化橋梁的開端。南京長江大橋，1958年規(guī)劃興建，1968年建成通車。正橋全長1576m，計10孔，三聯(lián)3160m連續(xù)鋼桁梁加一孔128m簡支梁，鋼材為屈服強度350MPa低合金鋼。新中國成立后，我國被封鎖禁運，初期還有蘇聯(lián)的援助，上世紀50年代末，蘇聯(lián)也停止了對我國的援助，完完全全在獨立自主自力更生條件下建成的，建設這座大橋在材料方面遇到最困難是鋼材。在舊中國，鋼的年產量不到100萬噸，新中國成立后的短短幾年內，在鋼材的底子很薄弱情況下，為本橋開發(fā)出屈服強度350MPa的16錳橋梁鋼(16Mnq)，的確是件重大的成就。武漢、南京兩橋鋼梁均是鉚接的。我國栓焊鋼梁在上世紀50年代開始研制。1961年湘桂線雒容江橋換梁時，用了一孔41.62m栓焊梁。在三線建設時大量推廣應用，跨度大多在40m以下，最大跨度112m，當時的16錳橋梁鋼(16Mnq)，鉚接梁是可以的，用在栓焊梁，材質是欠缺的，我國栓焊梁的跨度長期停留在雙線鐵路橋80m，單線鐵路橋112m。所有附連件都是栓接的，是少焊多栓的栓焊梁。九江長江大橋正橋全長1806.7m，主跨180m+216m+180m的剛性梁柔性拱，專門開發(fā)了15錳釩氮橋梁鋼(15MnVNq)，焊接構件最大板厚達56mm及材質35VB的大直徑高強度螺栓，建成了雙線鐵路、四車道公路最大跨度達216m的栓焊梁，也是少焊多栓，從此鉚接鋼橋退出新建鐵路鋼橋的歷史舞臺。蕪湖長江大橋正橋全長2193.7m，主跨為180m+312m+180m矮塔斜拉橋，加勁梁為鋼筋混凝土板與鋼桁梁結合共同受力的結合鋼桁梁，開發(fā)了綜合性能優(yōu)異的14錳鈮橋梁鋼(14MnNbq)，實現(xiàn)了厚板(50mm)焊接整體節(jié)點的栓焊梁，達到了多焊少栓的焊接橋梁，為全焊無栓的鐵路橋梁打下基礎。因受飛行凈空的限制，橋塔高度受到限制，如果是高塔，跨度可以增大。所以這種體系的橋梁，增大跨度留有很大空間。在封鎖禁運，獨立自主，自力更生條件下，中國橋梁工程師奮斗了幾十年，初石家莊鐵道大學畢業(yè)設計3步實現(xiàn)了上世紀70年代初期制訂的鐵路橋梁發(fā)展目標“高強、大跨、輕型、整體”的技術政策。1.2中國鋼橋技術最新進展1.2.1新一代橋梁用鋼的研制鋼橋的發(fā)展離不開橋梁用鋼的不斷開發(fā)，但是相對于橋梁技術的發(fā)展而言，橋梁鋼材的發(fā)展雖然起步早，但由于產量、用量的限制，在一定時期內發(fā)展較為緩慢，16Mn、16Mnq鋼在鐵路、公路鋼橋的應用相當廣泛，并占據了相當長的時間，但也反映出鋼橋設計選材上的局限性，而且16Mnq鋼的板厚效應明顯，限制了鐵路鋼橋一般橋式跨度的進一步發(fā)展。為了改變這一被動局面，鐵道部與原冶金部聯(lián)合進行了適應鋼橋發(fā)展新鋼種的研制，在鐵路研制并應用了15MnNbq、14MnNbq鋼種，其中典型的是14MnNbq，以16Mnq為基礎，適當降低碳當量并加入Nb等微量元素，采用先進的控溫控軋和鋼液爐外精煉技術，進行正火處理，細化晶粒并降低有害元素和氣體的含量，大大降低板厚效應，在鋼板使用厚度上達到50mm，針對YB/168-70和YB(T)10-81中U型缺口沖擊要求難以滿足橋梁設計要求的實際情況，這一鋼種采用與國際接軌的V型缺口沖擊韌性作為交貨條件，并具有良好的缺口沖擊韌性和焊接性能。蕪湖長江大橋的沖擊韌性交貨條件為-40C的V型缺口沖擊韌性值為120J，實際供貨的-40C的V型缺口沖擊韌性值的平均值達234J。南京長江二橋要求采用WQ490E熱軋鋼板，其沖擊韌性交貨條件為-40C的V型缺口沖擊韌性值為30J，其實際供貨的-40C的V型缺口沖擊韌性值的平均值達158J?？梢钥闯觯覈鴺蛄河娩撚捎诓捎昧讼冗M的冶煉、軋制及熱處理等技術，保證了鋼板的抗斷裂性能和焊接性能要求。1.2.2新結構形式(1)蕪湖長江大橋蕪湖長江大橋是國內首次采用板桁組合結構建造的一座公鐵兩用橋梁，其中鐵路全長10521m，公路全長5681m，正橋主航采用主跨312m的低塔、斜拉索加勁的連續(xù)鋼桁梁結構，該橋的低塔是由于受附近機場靜空限制，在總體布置和方案選取上具有相當難度和復雜性，因而在設計上采用了一系列新材料、新結構和新工藝，并針對設計、制造和施工進行了一系列科研攻關，對荷載等級、剛度標準、鋼材選型、構造細節(jié)疲勞設計、焊接韌性標準等進行了理論和試驗研究，為該橋的設計、制造和施工提供了保證。石家莊鐵道大學畢業(yè)設計4(2)SRC梁、結合梁應用于鐵路橋梁SRC梁是將鋼梁作為勁性骨架并外包混凝土的橋梁形式，適用于跨線橋等對施工或梁高等有特殊要求的地段，一般使用在中小跨度的橋梁，鋼梁一般為焊接工字梁，施工時可以不必采用施工鷹架，在跨線施工時可以不影響線下運營。這種橋梁形式充分發(fā)揮了鋼與混凝土各自在力學性能上的優(yōu)勢，在歐洲、日本鐵路已經使用幾十年，經過鐵道科學研究院的理論和試驗研究，已經在京九線等新建線路和既有線改造中采用了SRC簡支梁(跨度12m)、連續(xù)梁(兩跨24m)和斜梁(45跨度27.6米斜梁)。在我國第一條客運專線秦沈線建設中采用了結合梁的結構形式，其中鋼梁有工字梁和箱形梁兩種形式，在廠內焊接制造，運至施工現(xiàn)場進行混凝土部分及橋面板的灌注，共有24m、32m、48m和50m幾種跨度。(3)鋼管拱橋水柏線北盤江大橋水柏線北盤江大橋主橋為上承式鋼管混凝土拱橋，為我國第一座鐵路鋼管混凝土拱橋，是目前世界上最大跨度的上承式鐵路鋼管混凝土拱橋，其跨度達236m，橋面距江面高差達280米，也是目前國內最高的鐵路拱橋，鋼管采用廠內預制，現(xiàn)場節(jié)段間焊接，拱圈施工采用兩岸半拱平轉法合攏，轉體重量達上萬噸。1.2.3新構造及聯(lián)接形式(1)整體節(jié)點整體節(jié)點是焊接代替栓接一個重要進步，節(jié)約鋼材并保證連接的可靠性，這一進步也是在厚板性能和焊接工藝得到保證的前提下取得的。京九鐵路的孫口黃河大橋正橋4m108m無豎桿三角形雙線桁梁首次采用了整體節(jié)點、節(jié)點外拼接新技術，桿件為箱形截面，在工廠焊接制造成節(jié)段，采用整體節(jié)點使高強度螺栓節(jié)省30%，鋼材節(jié)省4%。蕪湖長江大橋主橋也普遍采用了整體節(jié)點。(2)錨箱結構南京長江二橋和蕪湖長江大橋的斜拉索與橋梁連接均采用了錨箱結構形式，錨箱結構由于其整體性好、剛度大因而具有很高的可靠性。南京長江二橋的錨箱由承壓板、縱錨板、蓋板組成，并與鋼箱梁腹板依斜拉索角度焊接成整體。蕪湖長江大橋錨箱則采用雙室箱，并與鋼桁梁高強度螺栓連接，錨箱的特點是鋼板厚、鋼板立體連接、幾何精度要求高、焊接難度大且焊接變形難以控制。采用了空間組裝工藝、立體連接的高強度螺栓孔鉆制、焊接順序選擇及焊接變形控制等保證質量要求。(3)鋼橋現(xiàn)場全斷面焊接秦沈客運專線是我國第一條接近高速的客運專線，對基礎設施建設的標準和施工質量要求很高。在我國鐵路橋梁史上首次使用鋼混凝土結合全焊工型板梁。其主要石家莊鐵道大學畢業(yè)設計5優(yōu)點是全橋整體性強，傳力明確，省料，施工簡單，造型美觀，但同時，也提出了現(xiàn)場焊、手工焊、厚板對接焊三大技術難題。鐵道部專門列科研課題進行研究，通過科研攻關、相應試驗研究及焊接工藝評定，解決了上述問題，實現(xiàn)了現(xiàn)場的全斷面焊接，為鐵路鋼橋的現(xiàn)場斷面焊接打下了良好的基礎。1.2.4科研成果及相關標準(1)鋼橋設計理論我國鋼橋的設計長期采用容許應力理論和極限強度理論，其中大跨度鐵路鋼橋設計采用容許應力理論。鐵道部從上世紀八十年代開始研究可靠度理論用于橋梁設計規(guī)范，并已取得實質性進展，現(xiàn)在上部結構的規(guī)改工作已經完成，預計基于可靠度理論的橋梁設計規(guī)范的頒布執(zhí)行將會使鋼橋設計邁上一個新臺階。(2)針對鋼橋建設的試驗研究對于新的鋼橋結構和構造形式，需要相應的理論和試驗研究加以保證，為此，針對H形壓桿殘余應力和極限承載能力、整體節(jié)點受力性能、大型鋼箱梁節(jié)段間焊栓受力性能、錨箱結構板材抗層狀撕裂及整體性能、實橋模型力學性能等方面做了深入的理論分析和試驗研究，取得的成果為鋼橋設計和制造提供了可靠依據。(3)鐵路鋼橋疲勞設計方法研究鐵路鋼橋承受的荷載為循環(huán)往復荷載，因而既有鋼橋的疲勞問題比較突出，為了解決這一問題，鐵道部科學研究院結合新線建設蕪湖長江大橋和高速鐵路研究進行了有針對性的鐵路鋼橋疲勞設計研究。根據蕪湖長江大橋采用新材料、整體節(jié)點等特點，做了9組大尺寸構造細節(jié)的疲勞試驗并回歸分析得到疲勞試驗曲線，結合以往數據得到蕪湖橋鋼梁14種構造細節(jié)的疲勞強度，為設計提供了可靠依據。(4)焊縫強度及斷裂韌性準則的變遷鋼橋的焊縫存在初始缺陷并處于應力集中的位置，因而是結構的薄弱環(huán)節(jié)，以往我國鋼橋的防斷裂設計采用常規(guī)U型缺口沖擊值來確定韌性指標，這難以反映鋼材和相應焊縫的實際情況，近年來的鋼橋設計開始采用V型缺口沖擊值作為韌性指標，同時將焊縫強度(韌性值)與基材強度(韌性值)匹配考慮，從而橋梁結構的整體力學性能達到最優(yōu)化。蕪湖長江大橋焊接接頭質量標準如下：(1)焊縫強度對接焊縫屈服強度、極限強度不低于基材標準，并不超過基材標準100Mpa；角接焊縫屈服強度、極限強度不低于基材標準，并不超過基材標準120Mpa；(2)焊縫韌性(包括焊縫、熔合線、熱影響區(qū))對接焊縫及受拉的開坡口的角接焊縫各部位-30C時的V型缺口沖擊功不低于48J；角接焊縫及棱角焊縫各部位-30C時的V型缺口沖擊功不低于34J。石家莊鐵道大學畢業(yè)設計61.3本設計主要完成的內容(1)鐵路簡支板梁橋主要尺寸的擬定，包括主梁高度的選取和主梁中心距的選取；(2)主梁內力的計算，包括主截面的選擇，變截面設計，翼緣與腹板的連接焊縫計算，梁總體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的驗算以及腹板中加勁肋的布置和頂梁的設計；(3)平縱聯(lián)的設計計算，上承式板梁橋的傾覆穩(wěn)定性計算；(4)計算部分完成后需要繪制的結構圖包括：主梁結構總圖，主梁翼緣和腹板的結構總圖，上下平縱聯(lián)設計圖，中間橫聯(lián)和端橫聯(lián)設計圖，頂梁設計圖。石家莊鐵道大學畢業(yè)設計7第2章主梁的計算2.1板梁主要尺寸擬定(1)按照主梁主要尺寸擬定的原則，以及鋼廠軋制鋼板的規(guī)格選定梁高h=2.0m。(2)為使橋跨結構具有必要橫向鋼度鐵路橋梁結構設計規(guī)范(TB10002.22005)要求主梁中心距不得小于跨度的1/15且不小于2.2m所以中心距取2.2m。(3)主梁截面的選擇按鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)定(TB10002.2005)規(guī)定腹板高度1.8mfh厚度=12mm。