鋼桁架的工程應(yīng)用

1、第1章 緒論1.1 鋼橋的發(fā)展1894年建成灤河大橋，該橋上部結(jié)構(gòu)由多孔鋼桁梁和鋼板梁組成。在修建過(guò)程中，外國(guó)工程師遇到困難而告退，最后由我國(guó)工程師詹天佑完成。這是我國(guó)工程師第一次主持修建鋼橋。19051909年滿清政府在人民群眾“收回路權(quán)”這一愛(ài)國(guó)運(yùn)動(dòng)的壓力下，被迫用自己國(guó)家的資金和人力，修建京張鐵路，詹天佑任總工程師。這一條鐵路上的鋼橋，都是由我國(guó)自己設(shè)計(jì)、制造和安裝的。京張鐵路的建設(shè)，擺脫了帝國(guó)主義的控制，靠自力更生建成，在我國(guó)鐵路史上譜寫(xiě)了光輝的一頁(yè)。1937年我國(guó)建成了錢(qián)塘江大橋。該橋全長(zhǎng)1072m，公路橋面布置在上層，鐵路橋面布置在下層，正橋?yàn)?6孔65.86m簡(jiǎn)支鋼桁梁，鋼梁為鉚

2、接，采用浮運(yùn)架設(shè)。該橋?yàn)槲覈?guó)著名橋梁專(zhuān)家茅以升負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和監(jiān)督施工，是我國(guó)歷史上由自己工程師設(shè)計(jì)和監(jiān)造的第一座雙層公、鐵兩用大橋。舊中國(guó)的鐵路鋼橋建設(shè)，由于受到當(dāng)時(shí)的政治、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)條件的限制，發(fā)展極為緩慢，其中大多數(shù)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小跨度鋼梁，主跨超過(guò)100m的只有兩座鋼橋：一是隴海線上的黑石關(guān)伊洛河橋，主跨為128.7m；另一是津浦線上的濼口黃河橋，主跨為164.7m。解放前修建的鋼梁大部分由外國(guó)制造，由我國(guó)自己生產(chǎn)的鋼梁總量還不到1000t。建國(guó)后，鋼梁總產(chǎn)量現(xiàn)已超過(guò)450000t。主跨大于100m的鐵路鋼橋就有十余座，其中有：1957年建成的武漢長(zhǎng)江大橋?yàn)楣?、鐵兩用橋，正橋?yàn)槿?lián)，每聯(lián)為

3、3128m連續(xù)鉚接鋼桁梁，1968年建成的南京長(zhǎng)江大橋?yàn)楣?、鐵兩用橋，上部結(jié)構(gòu)的主要部分由一孔128m的簡(jiǎn)支鋼桁梁和三聯(lián)3160m連續(xù)鋼桁梁組成，主桁桿件采用16錳低合金鋼梁橋，用鉚釘連接，于1968年建成。1969年建成的成昆線三堆子金沙江橋?yàn)?92m的簡(jiǎn)支鉚接鋼桁梁。1970年左右建成的成昆鐵路安寧河橋、同模甸二橋、拉舊橋和迎水河橋均為112m系桿拱栓焊鋼橋。1971年建成的枝城長(zhǎng)江大橋?yàn)楣?、鐵兩用橋，由一聯(lián)5128m和一聯(lián)4160m的連續(xù)鉚接鋼桁梁組成。1977年建成的密云水庫(kù)白河橋，為3128m連續(xù)栓焊鋼桁梁，1982年建成的安康漢江橋?yàn)?76m的斜腿剛構(gòu)。舊中國(guó)的公路鋼橋的建設(shè)，也遭

4、遇和鐵路鋼橋同樣的命運(yùn)。天津的金華、金湯、舊萬(wàn)國(guó)開(kāi)啟橋，廣州的海珠開(kāi)啟橋，上海的外白渡橋、浙江路橋、新閘路橋等，都是由外國(guó)人設(shè)計(jì)或向外國(guó)貸款建造的。新中國(guó)成立后，我國(guó)公路鋼橋建設(shè)獲得較大的發(fā)展。1972年修建的北鎮(zhèn)黃河橋，主跨長(zhǎng)112.7m，為連續(xù)鋼桁梁，是我國(guó)目前跨度較大的一座公路梁式橋。1966年修建的廣西東蘭紅水河橋，為上承鋼桁梁與鋼筋混凝土板相結(jié)合的結(jié)合梁橋，跨長(zhǎng)66m，是我國(guó)目前跨度最大的公路結(jié)合梁橋。1955年建成的武漢漢水橋，為54m88m十54m剛性梁柔性拱組合體系公路鋼橋。1966年和1969年建成的四川渡口二號(hào)和三號(hào)橋，跨長(zhǎng)180m和181m，為公路鋼拱橋。我國(guó)已建成的大跨

5、度公路鋼橋，以懸索橋較多。50年代我國(guó)公路懸索橋最大跨度為126m；60年代為186m；7080年代已發(fā)展到400500m。如1984年建成的拉薩河達(dá)孜懸索橋，其主索跨度為500m，是我國(guó)目前最大跨度的橋梁；1987年在山東東營(yíng)市修建了一座主跨為288m的公路鋼斜拉橋。圖1-1：江陰長(zhǎng)江大橋建國(guó)以來(lái)，我國(guó)鋼橋建造的科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展迅速。武漢長(zhǎng)江大橋第一次征服了長(zhǎng)江天塹，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)人民多年來(lái)夢(mèng)寐以求的夙愿，它的建成反映了我國(guó)橋梁事業(yè)的飛躍，是我國(guó)鋼橋發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。南京長(zhǎng)江大橋，首次使用國(guó)產(chǎn)低合金鋼材，在結(jié)構(gòu)上和跨度上又向前邁進(jìn)了一步。栓焊鋼梁、斜腿薄壁箱形鋼梁、鋼斜拉橋的采用，反映了我國(guó)

6、鋼橋建造技術(shù)進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。我國(guó)僅在長(zhǎng)江上已有各種型式的橋梁29余座，其中接近半數(shù)為鋼橋，萬(wàn)里長(zhǎng)江成了中國(guó)當(dāng)代橋梁的展臺(tái)。關(guān)于焊接鋼橋，可以公路橋?yàn)閷?duì)象作比較，按大跨徑懸索橋的跨徑l600m，大跨徑斜拉橋l400m，進(jìn)行不完全統(tǒng)計(jì)，90年代以來(lái)中國(guó)已建成大跨徑懸索橋7座，大跨徑斜拉橋10座；同時(shí)期國(guó)外建成的大跨徑懸索橋有10座(其中日本6座)，大跨徑斜拉橋有15座(其中日本6座)。按跨徑大小排序，在世界上建成的全部懸索橋中排名前十位的焊接鋼橋中，中國(guó)有2座：江陰長(zhǎng)江大橋(l=1385m)排名第四(圖1-1)，香港青馬大橋(l=1377m)排名第五；日本明石海峽大橋l=1990m，居首位(圖

7、1-2)；丹麥的great belt大橋l=1624m，排名第二。而在全部斜拉橋排名前十位的焊接鋼橋中，日本的多多羅大橋l=890m，居首位；中國(guó)有6座橋，排名第三、四、五、六、七和第九(南京長(zhǎng)江二橋l=628m，排第三位；武漢長(zhǎng)江三橋l=618m，排第四位)。其中“不少已躋身世界級(jí)橋梁，展示出中國(guó)當(dāng)代建橋技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。圖1-2：日本明石海峽大橋1.2 鋼橋的建設(shè)1.2.1 鋼橋所用的材料橋梁結(jié)構(gòu)使用的鋼種主要有碳素鋼和低合金鋼兩類(lèi)。50年代我國(guó)鋼橋主要采用甲3橋低碳鋼(a3q)，武漢長(zhǎng)江大橋的3128m連續(xù)鋼桁梁就是用低碳鋼制造的。對(duì)于焊接鋼梁，用的是16橋鋼。由于低碳鋼的屈服強(qiáng)度

8、低(240mpa)，用以建造大跨度鋼橋，使桿件不可避免地要采用較大的截面尺寸，因而使鋼橋的自重加大，鋼材用量增加。為了減輕鋼梁自重，50年代后期我國(guó)開(kāi)始研究在橋梁上采用高強(qiáng)度低合金鋼。我國(guó)礦藏資源十分豐富，許多鐵礦中已天然帶有如錳、硅、釩、鈦、銅等各種合金元素，用普通的冶煉方法，即可煉出高質(zhì)量的低合金鋼，其強(qiáng)度、塑性、韌性及焊接性能良好。16錳橋鋼 (16mnq)是在60年代研制成功的普通低合金鋼，其屈服強(qiáng)度為340mpa。 首先用于成昆線上的鐵路橋梁，建成了四座跨度為112m的系桿拱橋。又用16mn橋鋼建成南京長(zhǎng)江大橋，其最大跨度160m，鋼梁總重31545t，比用低碳鋼節(jié)省鋼材約15。從此

9、，16mn橋鋼成為制造鋼梁的主要鋼種。為適應(yīng)發(fā)展大跨度栓焊鋼梁的需要，自60年代中期起，我國(guó)開(kāi)始研制強(qiáng)度更高的新鋼種。70年代研制成功的15錳釩氮橋梁鋼，其屈服強(qiáng)度達(dá)420mpa， 曾用于京承線白河橋和京山線永定新河橋，比用16mn橋鋼節(jié)約鋼材10以上，焊接鋼板最大厚度達(dá)40mm。為改善15mnvn橋梁鋼的焊接性能，提高焊后的低溫沖擊韌性和時(shí)效沖擊韌性，根據(jù)不同部位，將其分為a、b、c三級(jí)。a級(jí)(15mnvna)用于非焊接部件；b級(jí)(15mnvnb)用于受壓工字形或次要焊接部件；c級(jí)(15mnvnc)用于受拉和受疲勞控制的主要桿件。c級(jí)15mnvn鋼的化學(xué)成分()：c0.18； si0.20.

10、6； mn1.31.7； p0.02；s0.015；v0.18；n0.018。c級(jí)15mnvn鋼的機(jī)械性能：極限強(qiáng)度560mpa； 屈服強(qiáng)度420mpa； 伸長(zhǎng)率519；低溫沖擊值ak，10。c49j/cm2；時(shí)效沖擊值ak49j/cm2。1.2.2 制作工藝20世紀(jì)五六十年代之前，我國(guó)建設(shè)鋼橋所用結(jié)構(gòu)是鉚接，采用的工藝很簡(jiǎn)陋，大都采用手工操作，人工測(cè)量組裝，組裝后擴(kuò)孔。在建造武漢長(zhǎng)江大橋時(shí)，引用了當(dāng)時(shí)前蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)，采用覆蓋式樣板和立體式機(jī)器樣板。這一設(shè)備對(duì)我國(guó)鋼梁制造的工廠化和標(biāo)準(zhǔn)化起了很大的作用，大大加快了我國(guó)建國(guó)初期的鋼梁制造速度。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，已逐步采用先進(jìn)的程序控制鉆床取代

11、覆蓋式樣板，大大加快了鋼橋制造的現(xiàn)代化。20世紀(jì)60年代中期，為加快成昆鐵路的修建，鐵道部和國(guó)家科委組成鐵路栓焊鋼梁科研、設(shè)計(jì)、制造、安裝新技術(shù)攻關(guān)組，系統(tǒng)地研發(fā)了栓焊鋼橋新技術(shù)。2000年建成的蕪湖長(zhǎng)江大橋?yàn)榈退崩B續(xù)鋼桁梁，其主桁節(jié)點(diǎn)拼裝為全焊節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)外用高強(qiáng)螺栓連接。2003年建成的上海盧浦大橋?yàn)槿竸偣皹颉?.3 桁架的歷史演變只受結(jié)點(diǎn)荷載作用的等直桿的理想鉸結(jié)體系稱為桁架結(jié)構(gòu)。它是由一些桿軸交于一點(diǎn)的工程結(jié)構(gòu)抽象簡(jiǎn)化而成的。桁架在建造木橋和屋架上最早見(jiàn)諸實(shí)用。古羅馬人曾用桁架修建橫跨多瑙河的特雷江橋的上部結(jié)構(gòu)(發(fā)現(xiàn)于羅馬的浮雕中)。文藝復(fù)興時(shí)期，意大利建筑師(拔拉雕palladi

12、o)開(kāi)始采用木桁架建橋，出現(xiàn)了朗式、湯式(斜交格柵)、豪式桁架。英國(guó)最早的金屬桁架建于1845年，是和湯式木桁架相似的格構(gòu)桁架，第二年又采用了三角形的華倫式桁架?，F(xiàn)代桁架多由此衍生而來(lái)，如鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中的帶豎桿華倫式桁架和帶豎桿的菱形(雙三角形)桁架。桁架桿件只受軸向力，應(yīng)力分布均勻，材料強(qiáng)度得到充分利用。從古代的木桁架到近代的鋼桁架(薄壁鋼桿)和鋼筋混凝土(或預(yù)應(yīng)力混凝土)桁架，桁架對(duì)材料的適應(yīng)范圍也很廣。梁式桁架(桁梁)實(shí)際上是對(duì)實(shí)腹梁中性區(qū)的掏空和改進(jìn)，有助于減輕自重，增加承受外荷載的數(shù)量比，適合于向大跨度發(fā)展。由構(gòu)造簡(jiǎn)單的等截面梁逐漸發(fā)展到經(jīng)濟(jì)合理的梁式桁架似乎是結(jié)構(gòu)形式發(fā)展的必然。

13、實(shí)際上，早在結(jié)構(gòu)理論誕生之前就有桁架的工程應(yīng)用，但從實(shí)腹梁到桁架梁的演變過(guò)程卻無(wú)從考證。19世紀(jì)中葉以后，隨著桁架分析理論的完善，鋼桁梁橋得到迅速發(fā)展。而等截面梁雖不經(jīng)濟(jì)，但在跨度不大和荷載較小的情況下，由于便于制造和施工，在工程中還廣為采用。1.4 桁架種類(lèi)及其內(nèi)力特征1.4.1 平面桁架分類(lèi)(1) 根據(jù)桁架的外形分為：平行弦桁架(便于布置雙層結(jié)構(gòu)；利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，但桿力分布不夠均勻)、折弦桁架(如拋物線形桁架梁，外形同均布荷載下簡(jiǎn)支梁的彎矩圖，桿力分布均勻，材料使用經(jīng)濟(jì)，構(gòu)造較復(fù)雜)、三角形桁架(桿力分布更不均勻，構(gòu)造布置困難，但斜面符合屋頂排水需要)。 桁架的外形取決于弦桿的布置。若按桁

14、架腹桿系的布置，則桁架還可細(xì)分為三角形腹系(即華倫式桁架)、帶豎桿的三角形腹系、半斜桿腹系(如k式桁架)和組合腹系(亦稱再分式桁架)。(2) 由桁架幾何組成方式分為：簡(jiǎn)單桁架(由一個(gè)基本鉸結(jié)三角形依次增加二元體組成)、聯(lián)合桁架(由幾個(gè)簡(jiǎn)單桁架按幾何不變體系的簡(jiǎn)單組成規(guī)則聯(lián)合組成)、復(fù)雜桁架(不同于前兩種的其它靜定桁架)。(3) 按所受水平推力分：無(wú)推力的梁式桁架(與相應(yīng)的實(shí)體梁結(jié)構(gòu)比較，掏空率大，上下弦桿聯(lián)合抗彎，腹桿主要抗剪，受力合理，用材經(jīng)濟(jì))和有推力的拱式桁架(拱圈與拱上結(jié)構(gòu)聯(lián)為一體，整體性好，便于施工，跨越能力強(qiáng)，節(jié)省鋼材料)。1.4.2 桁架內(nèi)力特征理想桁架桿件都是二力桿，其內(nèi)力只有

15、軸力，而沒(méi)有彎矩和剪力，截面應(yīng)力分布均勻。這一受力特點(diǎn)反映了實(shí)際桁架結(jié)構(gòu)的主要工作形態(tài)，軸力為桁架的主內(nèi)力。實(shí)際桁架(如整體澆筑的鋼筋混凝土屋架，采用榫接或螺栓聯(lián)接的木屋架，鉚(栓)接或焊接的鋼桁架橋)中由于各桿軸線不一定準(zhǔn)確交于結(jié)點(diǎn)上，結(jié)點(diǎn)也并非理想鉸結(jié)等原因，還同時(shí)存在微小的附加彎矩和剪力對(duì)軸力的影響，這種影響是次要的(因結(jié)點(diǎn)剛性及桁架桿橫截面積與慣性矩比值的大小而異，一般在5%0.1%)，內(nèi)力增量稱為次內(nèi)力。對(duì)于靜定桁架，考慮桁架各結(jié)點(diǎn)的平衡條件(結(jié)點(diǎn)受匯交力系作用)，逐個(gè)建立結(jié)點(diǎn)的投影平衡方程，可求出所有的未知桿力，這種方法稱結(jié)點(diǎn)法，最適用于簡(jiǎn)單桁架。求解時(shí)，先根據(jù)桁架組成特點(diǎn)判定零桿

16、，并盡可能避免聯(lián)立方程。當(dāng)只需求少數(shù)桿件內(nèi)力或者對(duì)于聯(lián)合桁架和復(fù)雜桁架結(jié)點(diǎn)法無(wú)法奏效時(shí)，宜采用截面法。該法有選擇地截?cái)鄺U件(平面桁架一般不超過(guò)三桿)以桁架局部隔離體作為平衡研究對(duì)象，列出力矩(或投影)平衡方程即可求得所需桿件軸力。某些桁架(如k式桁架)需要聯(lián)合應(yīng)用結(jié)點(diǎn)法和截面法求解。對(duì)于多桿件的復(fù)雜桁架或空間桁架，最好的選擇是計(jì)算機(jī)方法。在支架、塔架和桅桿等柱結(jié)構(gòu)中使用的桁架應(yīng)作為組合壓桿考慮其穩(wěn)定性問(wèn)題。1.4.3 平面桁架與空間桁架桁架有平面桁架與空間桁架之分，雖說(shuō)實(shí)際桁架都是空間桁架。理想化的平面桁架不僅各桿軸都是位于同一平面內(nèi)并通過(guò)理想鉸的中心的直線，而且外力只作用在桁架平面內(nèi)的結(jié)點(diǎn)上

17、，并維持平衡。實(shí)際建筑物所受的荷載常作用于不同方向的幾個(gè)平面內(nèi)。因此，必須由一系列平行的平面桁架用聯(lián)結(jié)系組成一個(gè)空間體系，以承受各個(gè)方向的荷載，如屋架或橋梁。但這種空間桁架體系在設(shè)計(jì)中通?？煞纸夂?jiǎn)化為上述各類(lèi)平面桁架來(lái)計(jì)算。另一類(lèi)空間特征明顯的空間桁架體系在設(shè)計(jì)中卻不能簡(jiǎn)化為幾個(gè)平面桁架，只能選取空間桁架的計(jì)算簡(jiǎn)圖來(lái)計(jì)算，如圓屋頂桁架、水塔錐形塔架、高壓輸電塔及起重機(jī)構(gòu)架等。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，假設(shè)空間桁架的結(jié)點(diǎn)為完全光滑、可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的球形鉸，桿軸仍為直線。當(dāng)外力只作用于空間桁架結(jié)點(diǎn)時(shí)，各桿只受軸力?？臻g桁架的支座形式有兩種：一種是把桁架的一部分桿件直接與基礎(chǔ)固結(jié)(如塔架)；另一種則是在桁架的某些結(jié)

18、點(diǎn)處設(shè)置空間鉸支座(如固定圓球式支座、可動(dòng)圓柱式支座、可動(dòng)圓球式支座等等)。同平面桁架一樣，靜定空間桁架計(jì)算內(nèi)力(軸力)常用的方法也是結(jié)點(diǎn)法和截面法。簡(jiǎn)單桁架的內(nèi)力可以直接用結(jié)點(diǎn)法求出，對(duì)于聯(lián)合桁架截面法特別有用，對(duì)于復(fù)雜桁架可聯(lián)合應(yīng)用結(jié)點(diǎn)法和截面法。也可以把空間桁架視為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的一種形式，用空間桿系有限元方法分析。1.4.4 靜定桁架與超靜定桁架平面或空間的靜定桁架，其支座反力和各桿軸力都可以用基于靜力平衡條件的結(jié)點(diǎn)法和截面法求得。但超靜定桁架存在多余聯(lián)系，這些多余聯(lián)系可以是內(nèi)部的(多余桁架桿)，也可以是外部的(多余支桿)，或者是內(nèi)部外部兼而有之。由于結(jié)點(diǎn)數(shù)多，超靜定桁架在設(shè)計(jì)中一般使用力法

19、來(lái)計(jì)算。工程實(shí)用的大型桁架結(jié)構(gòu)多為高次超靜定桁架，隨著超靜定次數(shù)的增多，計(jì)算工作量將迅速增加。因此，在用力法計(jì)算高次超靜定桁架時(shí)，合理選擇基本體系和基本未知量十分重要。對(duì)于某些連續(xù)桁架，主要是支桿多、外部超靜定，所選基本體系宜切斷各中間支座一側(cè)節(jié)間的上弦桿聯(lián)系，代以基本未知力，使之分為幾個(gè)獨(dú)立的跨度，成為多跨簡(jiǎn)支桁架。這樣，多余未知力的作用僅限于兩個(gè)跨度的桿件。如有對(duì)稱性可利用，則將進(jìn)一步減少計(jì)算量。對(duì)于工程中大量使用的雙重斜腹桿的內(nèi)部超靜定桁架，可統(tǒng)一截?cái)嗝恳还?jié)間的上弦桿或斜腹桿取為基本體系，這樣，每一節(jié)間都是內(nèi)部幾何不變。由于每一對(duì)廣義單位未知力都是平衡力系，使得每一對(duì)單位未知力在基本體系

20、中產(chǎn)生的內(nèi)力只限于一個(gè)節(jié)間?，F(xiàn)代桁架體系常采用矩陣力法分析，由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。如果統(tǒng)一采用矩陣位移法，則靜定與超靜定桁架計(jì)算并無(wú)顯著區(qū)別。1.5 鋼桁架的工程應(yīng)用桁架在土建工程中的應(yīng)用非常廣泛，除了古代用作木屋架和木橋外，近代大跨度鋼橋的發(fā)展離不開(kāi)桁架。18831890年建于英國(guó)愛(ài)丁堡的福斯灣鐵路懸臂桁梁橋，為早期應(yīng)用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理論、反映當(dāng)時(shí)世界建橋技術(shù)水平的里程碑工程(主跨521m,支承處桁高110m，保持最大跨度紀(jì)錄達(dá)28年之久)。后來(lái)被同類(lèi)型的加拿大魁北克橋以跨度548.8m超出。此外，日本港大公路懸臂鋼桁梁橋(主跨510.0m)和美國(guó)西弗吉尼亞的新河谷鋼桁架拱橋(凈跨518.2m)也是桁架

21、結(jié)構(gòu)工程中的佼佼者。在公鐵兩用橋中桁架幾乎成為不可替代的結(jié)構(gòu)形式。中國(guó)首座公鐵兩用的錢(qián)塘江大橋就是1665.8m的簡(jiǎn)支鋼桁梁橋。我國(guó)鋼橋發(fā)展的三個(gè)里程碑都是由鋼桁架創(chuàng)建的，其中有“天塹變通途”的武漢長(zhǎng)江大橋，(正橋?yàn)榭缍?28m的鉚接連續(xù)鋼桁梁)、自力更生的南京長(zhǎng)江大橋(正橋結(jié)構(gòu)為跨度160m鉚接連續(xù)鋼桁梁)和1993年采用栓焊新技術(shù)建成的九江公鐵兩用大橋(主跨為216m的剛性桁梁柔性拱組合鋼橋)。在大跨懸索橋中，鋼桁架也是加勁梁的首選結(jié)構(gòu)，著名的美國(guó)金門(mén)橋和跨徑1990m居世界第一的日本明石海峽橋都采用了鋼桁梁。近年來(lái)中國(guó)發(fā)展了鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土桁架，并應(yīng)用于橋梁建設(shè)上。除了作懸索橋的

22、加勁梁(如福建沙縣和龍海的懸索橋)外，還建成雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)桁梁橋(如廣西巒城大橋)、預(yù)應(yīng)力混凝土桁架式t型剛構(gòu)橋(如福州洪山橋)以及預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉式桁架橋(如福州洪塘大橋)。20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的鋼筋混凝土桁架拱橋，將桁架作為拱上建筑，使傳統(tǒng)的拱橋輕型化。并由此發(fā)展成新型的特大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土組合桁架拱橋。桁架便于現(xiàn)場(chǎng)拼裝，在施工中作為混凝土現(xiàn)澆膺架、拱架和臨時(shí)支架而得到廣泛應(yīng)用。工程搶險(xiǎn)或施工便橋中常見(jiàn)的貝雷片就是一種裝配式的桁架單元。建筑施工中不可缺少的起重設(shè)備構(gòu)架，塔架，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土屋架，會(huì)堂場(chǎng)館的空間桁架和網(wǎng)架屋頂，電力工程中的高壓輸電塔，廣播發(fā)射塔桅桿，

23、甚至航天器、機(jī)器人的手臂都離不開(kāi)桁架。1.6 本次設(shè)計(jì)所完成的任務(wù)本設(shè)計(jì)主題為下承式簡(jiǎn)支鐵路桁架橋，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有：主桁幾何圖式，主要尺寸擬定，內(nèi)力計(jì)算，主桁截面選取。主桁節(jié)點(diǎn)及桿件連接計(jì)算，橋面系計(jì)算。繪制橋跨結(jié)構(gòu)總圖、主要節(jié)點(diǎn)圖、橫梁和縱梁設(shè)計(jì)圖、上平聯(lián)和下平聯(lián)設(shè)計(jì)圖、橋門(mén)架和橫聯(lián)設(shè)計(jì)圖。第2章 桿件內(nèi)力計(jì)算2.1 主桁幾何圖示的選定一單線鐵路簡(jiǎn)支栓焊桁架橋，32m，設(shè)計(jì)荷載為中荷載，主桁尺寸如圖2-1所示，鋼材為q345qd，主絎中心距6.4m。e1e1e0e2a1 a2 a111me0 l=32m 圖2-1 主桁結(jié)構(gòu)圖2.2 計(jì)算主力作用下各主桁桿件的內(nèi)力2.2.1 內(nèi)力計(jì)算(一)恒

24、載計(jì)算主桁，橋面系，高強(qiáng)螺栓以及聯(lián)結(jié)系：kn/m 橋面及人行道雙側(cè)設(shè)鋼筋混凝土人行道板： 10 kn/m故每片主絎重： 19.06 kn/m(二)影響面積計(jì)算y1/sinl2l1l1l21/sin圖2-3 斜桿影響線弦桿的影響線如圖2-2所示，斜桿的影響線見(jiàn)圖2-3所示，吊桿的影響線見(jiàn)圖2-4所示。16m1圖2-4吊桿影響線l1=all2y=圖2-2弦桿影響線主桁各桿件的影響線的面積見(jiàn)表2-1。(三)內(nèi)力計(jì)算由恒載和活載產(chǎn)生的各桿件的內(nèi)力見(jiàn)表2-1所示。列車(chē)橫向搖擺力：以下弦桿e0e2 舉例說(shuō)明，如圖2-5所示為該桿件受列車(chē)搖擺力引起的弦桿內(nèi)力計(jì)算圖，其他桿件計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-1。圖2-5下弦桿

25、受列車(chē)搖擺力的計(jì)算圖示l=32m100kn(四)列表將計(jì)算結(jié)果列入表2-1。 表2-1 各桿件的主力計(jì)算表?xiàng)U件加載長(zhǎng)度頂點(diǎn)位置面積恒載內(nèi)力換算活載沖擊系數(shù)a1a3320.5-11.64-11.64-221.7949.21.39e0e2320.258.738.73166.3952.651.39a1e210.670.25-1.654.9494.1670.531.3921.330.256.59570841.39aiei160.588168.459.71.5桿件 活載發(fā)展系數(shù)列車(chē)搖擺力主力a1a3-796.00.2791-796.09.38-1027.2e0e2638.90.2601.003640.8

26、117.2924.4a1e2-161.8-0.5821.144185.10-90.9529.80.1781.017538.80633.0aiei716.40.2351.007721.40889.8 續(xù)表2-12.2.2 附加力作用下的主桁桿件的內(nèi)力(一)橫向風(fēng)力標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，橋上有車(chē)時(shí)的風(fēng)荷載強(qiáng)度采用1250 pakn/mkn/m由橫向風(fēng)力引起上弦桿內(nèi)力的計(jì)算圖式見(jiàn)圖2-6所示。由橫向風(fēng)力引起下弦桿內(nèi)力的計(jì)算見(jiàn)圖2-7所示。l=32m圖2-7 下平縱聯(lián)橫向風(fēng)力計(jì)算圖示l=16m圖2-6上平縱聯(lián)橫向風(fēng)力計(jì)算圖示a1a1：kne0e2： kn(二)橋門(mén)架效應(yīng)橋門(mén)架效應(yīng)引起的主絎桿件的內(nèi)力計(jì)算，其計(jì)算

27、圖示如圖2-8所示。4mbmfc=9.6l013.6b=6.4圖2-8 橋門(mén)架結(jié)構(gòu)尺寸橋門(mén)架所受總風(fēng)力：kn腿桿反彎點(diǎn)位置： =5.385m腿桿豎向反力： kn下弦桿e0e2所承受的縱向水平力： kn端斜桿所受附加彎矩： 57.5 kn/m kn/m2.2.3 制動(dòng)力按相應(yīng)于下弦桿在主力作用下時(shí)的靜活載計(jì)算。e0e2 ：將活載作如圖所示布置，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，若能滿足以下關(guān)系則產(chǎn)生最大桿力的活載位置：1.521m2a=8mb=24m92kn/mrbrap1 (滿足)于是，制動(dòng)力 桿件e0e2 因制動(dòng)力所產(chǎn)生內(nèi)力為： kn2.3 確定桿件計(jì)算內(nèi)力端斜桿e0a1 ：主力：kn， 附加力：kn主+附

28、： knknkn (主控)上弦桿a1a1：主力： kn 附加力：kn主+附： knknkn (主控)下弦桿e0e2： 主力：924.4kn 附加力：kn 106.1kn主+附： kn883.25924.4kn (主控)kn 792.69 kn924.4kn (主控)第3章 主桁桿件的截面尺寸設(shè)計(jì)及驗(yàn)算3.1 上弦桿計(jì)算上弦桿a1a1：恒載：kn 恒+活：kn按中心受壓桿件初步擬訂桿件截面尺寸如圖3-1所示：yyxx460440圖3-1 上弦桿截面尺寸(單位：mm)豎板：2塊440mm32mm， 腹板：1塊：396mm20mm截面特性： cm2cm4 cm4(一)剛度驗(yàn)算： 自由長(zhǎng)度 cm=cm

29、，cm100 (滿足) 50，50， (滿足)(三)桿件總體穩(wěn)定的驗(yàn)算：由=71.4，查表3-1 得：0.616桿件a1a1： mpa200mpa (滿足)3.2 下弦桿的計(jì)算e0e2 ： 恒載：166.39kn 恒+活：924.4kn下弦桿為拉桿，依強(qiáng)度條件入手，初步擬定桿件截面尺寸如圖3-2所示： yyxx460440圖3-2 下弦桿截面尺寸(單位：mm)豎板：2塊440mm32mm， 腹板：1塊：396mm20mm截面特性： cm2 =cm2 45431cm4 139311cm4(一)桿件強(qiáng)度驗(yàn)算：mpampa (滿足)(二)剛度驗(yàn)算：自由長(zhǎng)度 cm =cm，cm100 (滿足) (三)

30、疲勞驗(yàn)算：下弦桿為受拉桿件，根據(jù)其連接方式查知，其容許疲勞應(yīng)力幅為109.6mpa運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)： e0e2 ：574.5kn 恒+活574.5+166.39+117.2858.09kn 恒166.39kn驗(yàn)算： mpampa (滿足)3.3 端斜桿根據(jù)主力作用下中心受壓桿件計(jì)算初步擬定桿件截面如圖3-3所示。 yyxx460600圖3-3 端弦桿截面尺寸(單位：mm)豎板：2塊600mm32mm， 腹板：1塊396mm20mm截面特性： 603.22+39.62463.20cm2 2115200cm42186206cm4同弦桿，cm，cm以主力加附加力驗(yàn)算截面。(一)剛度驗(yàn)算： 截面特性： 1

31、360cm， cm=100100 (滿足)(二)強(qiáng)度驗(yàn)算：mpampa (滿足)(三)總體穩(wěn)定性驗(yàn)算： 由，查表3-10得， 。查表3-10得：求： mpa mpa取1.0。(四)驗(yàn)算： mpampa (滿足)3.4 斜桿的計(jì)算a1e2：恒+活633.0 kn，恒+活90.9 kn從強(qiáng)度條件入手，初步擬定截面尺寸如圖3-4所示。yyxx460440圖3-4 斜桿截面尺寸(單位：mm)豎板：2塊440mm32mm， 腹板1塊396mm20mm截面特性： cm2 cm4 cm4 =cm，cm(一)剛度驗(yàn)算： 自由長(zhǎng)度 cm， cm 100 100 (滿足)(二)強(qiáng)度驗(yàn)算：mpa50，50， (滿足

32、)(四)疲勞驗(yàn)算：主力計(jì)算：knkn疲勞驗(yàn)算： mpampa (滿足)3.5 吊桿的計(jì)算初步設(shè)計(jì)截面尺寸如圖3-5所示。yyxx460260圖3-5 吊桿截面尺寸(單位：mm)豎板：2塊260mm32mm， 腹板：1塊396mm20mm截面特性： cm2 cm2 cm4 cm4 =cmcm(一)剛度驗(yàn)算： 自由長(zhǎng)度 cm， cm 180 180 (滿足)(二)強(qiáng)度驗(yàn)算：求橫梁內(nèi)力：首先求出由縱梁傳來(lái)的豎向力，其影響線見(jiàn)圖3-6所示。l=8ml=8m圖3-6 n的影響線作用于縱梁上的恒載7.5kn/m，當(dāng)16m，時(shí)，由表查得換算均布荷載為119.4kn/m。每片縱梁的換算均布荷載：kn/mn的影

33、響面積：由恒載p產(chǎn)生的內(nèi)力：kn由活載產(chǎn)生的內(nèi)力：kn由恒載產(chǎn)生的剪力：kn由恒載產(chǎn)生的彎矩：knm由靜活載產(chǎn)生的剪力：kn由靜活載產(chǎn)生的彎矩：knm沖擊系數(shù)：橫梁值：主桁弦桿最大的值為=0.279，所以活載發(fā)展均衡系數(shù)為：橫梁計(jì)算內(nèi)力：knm第4章 主桁節(jié)點(diǎn)及桿件拼接計(jì)算4.1 腹桿桿端連接螺栓數(shù)的計(jì)算斜桿截面尺寸如圖4-1所示，yxx460440圖4-1 斜桿截面尺寸(單位：mm)豎板：2塊440mm32mm， 腹板：1塊396mm20mmcm2yyxx460260圖4-2 吊桿截面尺寸(單位：mm)吊桿截面尺寸如圖4-2所示，豎板：2塊260mm32mm， 腹板：1塊396mm20mm2

34、16.16cm2yyxx460440圖4-3 斜桿截面尺寸(單位：mm)端斜桿截面尺寸如圖4-3，豎板：2塊600mm32mm， 腹板：1塊396mm20mmcm2單個(gè)螺栓的容許抗滑承載力：kn4.1.1 斜桿的計(jì)算斜桿為受拉或以受拉為主的桿件，其承載能力為和中較小者，根據(jù)其桿端連接方式知，所以承載力為=301.92109.6=3309kn。所需螺栓數(shù)： 實(shí)用64個(gè)，每側(cè)32個(gè)。4.1.2 吊桿的計(jì)算吊桿為受拉桿件，所以其承載力為=kn所需螺栓數(shù)： 實(shí)用48個(gè)，每側(cè)24個(gè)。4.1.3 端斜桿的計(jì)算端斜桿為受拉桿件，其承載力為依端斜桿截面特性：，cm2所以其桿端連接螺栓數(shù)：實(shí)用108個(gè)，每側(cè)54

35、個(gè)。4.2 下弦桿節(jié)點(diǎn)連接螺栓數(shù)計(jì)算弦桿截面尺寸：豎板：2塊440mm32mm， 腹板：1塊396mm20mm取桿件截面的一半計(jì)算：cm2下弦桿為受拉桿件，拼接板的凈截面面積為：=1.1150.96166.1cm2一塊節(jié)點(diǎn)板提供凈截面面積443.2-42.33.2111.3cm2拼接板凈截面面積166.1-111.3654.vm2，采用4塊280mm20mm兩塊拼接板凈截面面積=cm2單個(gè)螺栓的承載力： 53 kn外拼接板的凈截面面積： cm2所需螺栓數(shù)： 實(shí)用48個(gè)。兩塊內(nèi)拼接板的凈截面積為： cm2所需螺栓數(shù)為： 實(shí)用24個(gè)。4.3 上弦桿節(jié)點(diǎn)螺栓數(shù)計(jì)算上弦桿一半截面積： cm2節(jié)點(diǎn)外：c

36、m2節(jié)點(diǎn)板尺寸：440mm32mm節(jié)點(diǎn)內(nèi)：cm2拼接板尺寸：290mm36mm外節(jié)點(diǎn)板連接螺栓數(shù)： ，實(shí)用78個(gè)。內(nèi)拼接板連接螺栓數(shù)： ，實(shí)用42個(gè)。4.4 節(jié)點(diǎn)板計(jì)算以大節(jié)點(diǎn)e2為例說(shuō)明，其圖示如圖4-4所示。主力作用下節(jié)點(diǎn)中心處節(jié)點(diǎn)板豎向截面上法向應(yīng)力的驗(yàn)算，其計(jì)算圖示如圖4-5所示。節(jié)點(diǎn)板為2塊1490mm12mm1930mm，弦桿內(nèi)拼接板為4塊200mm20mm1010mm，弦桿高440mm。主力作用下弦桿a1a1的內(nèi)力na1a31027.2kn截面a-a上的栓孔位置如圖4-4所示，栓孔為。(一)求截面中性軸的位置y0值cm，cm，cmcm2，cm2，cm2cm2cm圖4-4 e2節(jié)點(diǎn)

37、圖單位：(mm)(二)驗(yàn)算法向應(yīng)力節(jié)點(diǎn)板a-a截面上下邊緣處的法向應(yīng)力為：求凈截面：cm2求：為截面繞中性軸的凈截面慣性矩.設(shè)為截面繞弦桿中線的凈截面慣性矩，則：，式中e弦桿中心線至截面中性軸的距離。毛截面套弦桿中線的慣性矩：cm4栓孔： 所以： cm4cm所以： cm4求節(jié)點(diǎn)板上下邊緣至中性軸的距離：上緣至中性軸的距離：cm下緣至中性軸的距離：cm作用力n：kn求法向應(yīng)力：上緣法向應(yīng)力：mpa (壓應(yīng)力)下緣法向應(yīng)力：mpa (拉應(yīng)力)上下緣法向應(yīng)力均小于=200mpa (滿足)(三)驗(yàn)算剪應(yīng)力：見(jiàn)圖4-4，節(jié)點(diǎn)板長(zhǎng)度為1930mm，厚度為12mm，栓孔23mm斜桿a1e2的內(nèi)力： kn，

38、dd截面的剪應(yīng)力剪力： knkpa50，應(yīng)設(shè)置中間豎向加頸肋。應(yīng)取2m。5.3 橫梁及梁端連接計(jì)算(一)作用于縱梁上的恒載p=7.5kn/m，當(dāng)l=16m，=時(shí)，由表查得換算均布荷載為119.4 kn/m。每片縱梁的換算均布荷載，縱梁上的恒載產(chǎn)生的內(nèi)力np=7.58=60kn作用在橫梁上的外力(二)橫梁的內(nèi)力計(jì)算：如圖5-4所示：bnnb+-nn剪力圖+彎矩圖圖5-4 橫梁受力計(jì)算圖恒載產(chǎn)生的剪力：qp=np=60kn恒載產(chǎn)生的彎矩：活載產(chǎn)生的剪力：qk=nk=740kn活載產(chǎn)生的彎矩：橫梁的內(nèi)力為q= qp+qk=800knm=mp+mk=1554+126=1680(三)橫梁端連接螺栓計(jì)算實(shí)

39、用18個(gè)。實(shí)用20個(gè)。結(jié)論經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的努力終于完成設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)是理論知識(shí)與實(shí)際操作的準(zhǔn)結(jié)合。由于以前沒(méi)有接觸過(guò)這方面的東西，使得在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，困難重重，舉步維艱，但這并沒(méi)有把我嚇倒，反而更加鍛煉了我綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題的能力更可謂是受益匪淺。在本次設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多的知識(shí)，得到了如下結(jié)論：1) 懂得了鋼桁架橋的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟；2) 學(xué)會(huì)了利用影響線面積進(jìn)行桿件內(nèi)力計(jì)算；3) 桿件在綜合作用下的應(yīng)力計(jì)算；4) 桿件截面選取的思想和驗(yàn)算方法。5) 提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專(zhuān)業(yè)能力水平；由于本人水平有限，設(shè)計(jì)時(shí)間緊迫，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)一

40、些不盡人意的情況，還請(qǐng)讀者諒解。參考文獻(xiàn)1鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范s002.120052鐵路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范s002.120053鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范s001720034李富文，伏魁先。鐵路鋼橋m.中國(guó)鐵道出版社，1992（2）5陳紹蕃，鋼結(jié)構(gòu)m。西安建筑科技大學(xué)6向敏.橋梁工程下m.中國(guó)鐵道出版社，20077沈祖炎.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理m.中國(guó)建筑工業(yè)出版社。8李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)m.高等教育出版社9周遠(yuǎn)棣，徐君蘭編，鋼橋m.人民交通出版社，1991（1）。10孫訓(xùn)芳，方孝淑，關(guān)來(lái)泰編，材料力學(xué)m.高等教育出版社，1987（2）其他.致謝本設(shè)計(jì)是在xx老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，所遇到的理論難題在x

41、x老師的悉心指導(dǎo)下最終一一破解。在此向xx老師表示由衷的感謝！另外在設(shè)計(jì)中，還得到了很多同學(xué)的幫助，在此也向他們表達(dá)謝意！附錄英文文獻(xiàn)英語(yǔ)部分：38頁(yè)43頁(yè)；中文部分：44頁(yè)50頁(yè)。lrfd 3 edition three-span continuous straight i-girderfigure 9: dead- and live-load shear envelopesmay 3, 2004 page 31 of 123three-span continuous straight i-girder lrfd 3 edition figure 10: fatigue-load momen

42、tspage 32 of 123 may 3, 200lrfd 3 edition three-span continuous straight i-girderfigure 11: fatigue-load shearsmay 3, 200 page 33 of 123three-span continuous straighti-girder lrfd 3rd edition 8.2. live load deflection as discussed previously, the optional live-load deflection check consists of evalu

43、ating two separate live- load conditions to simulate current aashto hs20 loadings. again, the two load conditions are (article 3.6.1.3.2): the design truck. the design lane load plus 25 percent of the design truck. the dynamic load allowance of 33 percent is applied to the design truck in each case.

44、 a load factor of 1.0 is applied to the live load since the live-load portion of the service i load combination is to be used in the check. the lateral distribution factor for live-load deflection, computed earlier, is also used. the actual n-composite moments of inertia along the entire length of t

45、he girder are used in the analysis. because live-load deflection is not anticipated to be a significant concern for the example bridge, the stiffness of the barriers is not included in the composite stiffness used in determining the live-load deflections. however, the full width of the concrete deck

46、 associated with the exterior girder (versus the effective flange width) is used in determining the composite stiffness, as recommended in article 4.6.2.6 for the calculation of live-load deflections. the maximum live-load deflections in the end span and center span due to the design truck plus the dynamic load allowance are: ( ll+im ) end span = 0.91 in. (gove