中南大學鋼橋課程設計

1、 鋼橋課程設計計算書姓 名_學 號_ _學 院_土木工程學院_專業(yè)班級_土木工程1305_2016年9月26日第一部分： 設計依據(jù)一、設計規(guī)范中華人民共和國鐵道部2005年鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范（TB10002.2-2005）；中華人民共和國鐵道部2005年鐵路橋涵設計基本規(guī)范（TB10002.1-2005），以下簡稱橋規(guī)。二、鋼材 桿件 Q345qD。高強螺栓 20MnTiB鋼。螺母墊圈 45號優(yōu)質碳素鋼。焊縫 力學性能不低于基材。精制螺栓 BL3。鑄件 ZG25II。琨軸 鍛鋼35號。三、連接方式 工廠連接采用焊接。工地連接采用高強螺栓連接。人行道托架工地連接采用精制螺栓連接。螺栓孔徑一律

2、為d=23mm。高強螺栓桿徑為。四、容許應力 Q345qD的基本容許應力：軸向應力 ；彎曲應力 ； 剪應力 ；端部承壓（磨光頂緊）應力。疲勞容許應力及其它的容許應力見橋規(guī)。五、計算恒載計算主桁時（每線）：橋面 ；橋面系 ；主桁架 ；聯(lián)結系 ； 檢查設備 ；高強螺栓 ；焊縫 。計算主桁恒載時，按橋面全寬恒載 。六、活載等級按“中華人民共和國鐵路標準活載（中活載）”。標準活載的計算圖式見橋規(guī)。七、結構尺寸計算跨度；橋跨全長；節(jié)間長度； 主桁節(jié)間數(shù)；主桁中心距；平縱聯(lián)寬度；主桁高度；縱梁中心距；斜桿傾角，。其它尺寸 見圖1：第二部分： 主桁架桿件內力計算一、內力的組成主桁桿件的內力有以下幾部分組成：

3、豎向恒載所產(chǎn)生的內力,，靜活載內力，；豎向活載產(chǎn)生的內力：橫向風力（或列車搖擺力）所產(chǎn)生的內力，僅作用在上、下弦桿；橫向風力通過橋門架效應在端斜桿和下弦桿所產(chǎn)生的內力；縱向制動力所產(chǎn)生的內力。根據(jù)橋規(guī)規(guī)定，設計時候桿件軸力應該按下列三種情況考慮：1、主力 2、主力+風力（或搖擺力） 3、主力+制動力 主桁桿件除述軸力外，還要受到彎矩作用，如節(jié)點剛性引起的次彎矩、風力和制動力在某些桿件中引起的彎矩等，這些彎矩在檢算桿件截面時應和軸力一起考慮，由于本設計所有桿件的高度均不超過長度的1/10，故根據(jù)橋規(guī)規(guī)定。不考慮節(jié)點剛性次內力。主桁各桿的內力圖2和表1。 影響響線計算公式 2、 弦桿 斜桿 掛桿

4、支座反力 二、恒載所產(chǎn)生的內力根據(jù)設計任務書所提供的資料，每片主桁所承受的恒載內力： 恒載布滿全跨，故恒載內力為：下弦桿為：上弦桿為：斜桿為：三、活載所產(chǎn)生的內力1. 換算均布活載換算均布活載是影響線加載長度與頂點位置二者的函數(shù)。它們之間的函數(shù)關系反映在橋規(guī)附錄所列的公式以及表中。根據(jù)與從該表中查得每線換算的均布活載，除以2即得每片主桁承受的換算的均布活載。 仍以下弦桿為例：查表得 則；上弦桿：查表得 則；斜桿：，查表得 則；，查表得 則 2. 靜活載所產(chǎn)生的內力為了求得最大活載內力，換算均布活載應布滿同號影響線全長。下弦桿：上弦桿：再以斜桿為例，產(chǎn)生最大活載內力的加載情況有兩種：活載布滿后段

5、長度產(chǎn)生最大壓力，活載布滿左段長度產(chǎn)生最大拉力。故分別加載后得：3. 沖擊系數(shù)根據(jù)橋規(guī)規(guī)定，鋼桁梁的沖擊系數(shù)按下式計算：式中 除承受局部活載桿件為影響線加載長度外，其余均為橋梁跨度。弦桿、斜桿及支座沖擊系數(shù)：掛桿的沖擊系數(shù)：4. 活載發(fā)展的均衡系數(shù)橋規(guī)要求：所有桿件因活載產(chǎn)生的軸向力、彎矩、剪力在計算主力組合時，均應乘以活載發(fā)展均衡系數(shù)：式中 全部桿件值中代數(shù)值之最大者。上弦桿： 下弦桿： 斜桿：5. 活載產(chǎn)生的內力:考慮沖擊作用和活載發(fā)展均衡系數(shù)在內時,活載所產(chǎn)生的內力為： 下弦桿： 斜桿：四、橫向荷載(風力或搖擺力)所產(chǎn)生的內力1. 橫向荷載計算主桁的上下弦桿兼為上下平縱聯(lián)的弦桿,端斜桿又

6、是橋門架的腿桿, 橫向風力或搖擺力作用在橋上時,將在這些桿件中產(chǎn)生內力。(1) 橫向風力作用下荷載計算根據(jù)橋規(guī)規(guī)定,風壓強度按標準設計考慮。有車時，并不大于；無車時。式中： 風載體型系數(shù)； 風壓高度變化系數(shù)； 主桁桿件計算由橋上有車時荷載組合控制，本設計中取。 風力在下平縱聯(lián)（即橋面系所在平面）上的分配系數(shù)為1.0，在上平縱聯(lián)上的分配系數(shù)為0.2。 對鋼桁梁而言，橫向風力的受風面積應按照橋跨結構理論輪廓面積乘以0.4。 列車受風面積應按3m高的長方帶計算，其作用點在軌頂以上2m高度處。上、下平縱聯(lián)單位長度上所受到的風荷載分別為：上平縱聯(lián)： （）下平縱聯(lián)： （）其中，為主桁高度，；為列車高度，；

7、為橋面高度，；為橋面系高度，代入數(shù)值得：上平縱聯(lián)風荷載：下平縱聯(lián)風荷載： (2) 橫向搖擺力作用下荷載計算根據(jù)橋規(guī)，列車橫向搖擺力以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面，大小為。上、下平縱聯(lián)分配到的橫向搖擺力為：上平縱聯(lián)搖擺力： 下平縱聯(lián)搖擺力： 風力和搖擺力不同時計算，故在本設計中上、下平縱聯(lián)均為風力控制設計。2. 橫向荷載通過縱聯(lián)在主桁桿件中所產(chǎn)生的內力計算上平縱聯(lián)桁架時，可將橋門架做為其支點，計算下平縱聯(lián)桁架時，支座為其支點，均不考慮中間橫聯(lián)的彈性支承作用。當縱聯(lián)為交叉形桁架時，取二斜撐的交點為力矩中心，于是按照圖3（下頁）可以算出影響線面積及內力。影響線面積： ;弦桿內力： 下弦桿：下

8、弦桿：上弦桿：上弦桿：圖3 鋼桁架所受橫向荷載3. 橫向荷載通過橋門架在主桁桿件中所產(chǎn)生的內力（如圖4）圖4 橫向荷載作用下帶桁式頂撐的剛架內力計算上平縱聯(lián)作用于橋門架頂部的反力：橋門架腿桿反彎點距支座的距離：（參考標準桁梁取） 反力在端斜桿產(chǎn)生的軸力和彎矩、反力通過支座斜反力在下弦產(chǎn)生的軸力上平縱聯(lián)反力在支座引起的豎向反力列車及橋面上風力在支座引起的豎向反力五、縱向荷載（制動力）所產(chǎn)生的內力按照橋規(guī)規(guī)定，制動力與沖擊力同時計算時，制動力按豎向靜活載重量的計算。靜活載的位置應分別與各桿件殘生最大活載內力時的實際活載位置一致。為簡化計算，下面近似按圖5的加載位置計算。1. 制動力所產(chǎn)生的支座反力

9、加載長度： 靜活載： 制動力： 水平反力： 支座豎向力 2. 制動力在弦桿中所產(chǎn)生的軸力由于本設計弦桿中線與支座中心間距離較小，因而忽略該項影響。加載長度： 靜活載： 制動力： 、桿內產(chǎn)生的軸力為：圖5 制動力在主桁桿件中所產(chǎn)生的內力六、立柱內力 立柱作為減少上弦壓桿自由長度的支撐桿件，按橋規(guī)規(guī)定，應以其所支撐的壓桿內力的作為其內力，予以檢算。表1中立柱在運營階段的內力按上弦的最大內力的算出。在安裝階段，立柱尚應檢算在上弦的吊機壓力。七、豎向荷載通過橫向剛架作用在掛桿與立柱中引起的彎矩 橫梁與掛桿截面的初選參照標準桁梁。橋規(guī)規(guī)定，對于主桁掛桿和立柱，應考慮橫梁承受豎向荷載時，他們作為橫向閉合鋼

10、架的腿桿所承受的彎矩。檢算它們在軸力和彎矩共同作用下的疲勞強度。 圖6 豎向荷載在立柱及掛桿中所產(chǎn)生的彎矩由圖6所示計算圖示，可算出掛桿或立柱在下端及中間支點處主桁平面外的彎矩及分別為：豎桿下端彎矩： 豎桿中間彎矩： 式中：，、分別為橫梁與豎桿的慣性矩，其他符號見圖6。已知：，縱梁恒載反力：代入以上兩式可以求得：下端： 中間支點：八、主桁桿件的內力組合以上算出的主桁桿件所受單項軸力列表1第13-17項。按照橋規(guī)要求，各單項軸力應按照表1第18-20項進行組合。三種組合內力中之大者為控制桿件強度與穩(wěn)定的計算內力，列于表1第21項。反復荷載出現(xiàn)拉力作用桿件，應檢算疲勞；控制計算內力不考慮活載發(fā)展及

11、附加力影響，其值列于表1第23項、24項。端斜桿與掛桿在荷載作用下，還受有彎矩，應與相應荷載情況下的軸力一并檢算。 主桁桿件內力及支座反力計算表 表1桿件名稱影響線豎向荷載活載要素均衡系數(shù)單向內力主力加載長度頂點位置面積總面積均布恒載換算活載靜活載內力沖擊系數(shù)動活載內力恒載內力活載內力項 次1234567891011121314單 位mmmkN/mkN/mkNkNkNkN上弦桿A1A376.000.25-47.09-47.0918.4445.62-2148.251.241-2665.970.32570.00871.0014-868.34-2669.83A3A376.000.5-62.78-62

12、.7818.4444.44-2789.941.241-3462.320.33440.00001.0000-1157.66-3462.34下弦桿E0E276.000.12527.4727.4718.4447.071293.011.2411604.630.31570.01871.0031506.551609.64E2E476.000.37558.8658.8618.4444.972646.931.2413284.850.33040.00401.00071085.383287.02斜桿E0A176.000.125-43.13-43.1318.4447.07-2030.131.241-2519.390

13、.31570.01871.0031-795.32-2527.25A1E265.140.12531.6830.8018.4418.4448.271529.191.2411.2411897.730.29930.03511.0059567.951908.8410.860.125-0.8871.23-62.68-77.79-7.30127.63562.2726-176.78E2A354.290.125-22.00-18.4818.4418.4449.84-1096.481.2411.241-1360.730.25040.08401.0140-340.77-1379.7721.710.1253.5259

14、.17208.28258.47-1.31841.65281.2755329.67A3E443.430.12514.087.9218.4418.4451.75728.641.2411.241904.240.16150.17291.0288146.04930.3032.570.125-6.1654.26-334.24-414.79-0.35210.68651.1144-462.25豎桿A1E119.000.50+9.509.5018.4456.10532.951.475786.100.22280.11161.0186175.18800.72A3E3A2E219.000.509.50-9.5018.

15、44-175.18A4E4 續(xù)表1桿件名稱單項內力軸向力組合控制計算應力附加力主力主力+附加力強度與穩(wěn)定疲勞縱聯(lián)風力橋門架效應制動力內力項 次15161718192021222324單 位kNkNkNkNkNkNkNK NmkNkNm上弦桿A1A3189.56 -3538.17 3016.44 -3538.17 A3A3245.74-4620.01 4054.79-4620.01下弦桿E0E2+489.13+168.57+242.902116.18 2311.57+1887.262311.572111.18506.55E2E4+790.13+168.57+242.904372.40 4442.

16、58+3692.244442.584370.231085.38斜桿E0A1174.07-3322.57 2913.87-3322.57+216.94144.27A1E22476.79 2476.79 +2465.68567.95391.17 391.17 E2A3-1720.55 -1720.55 1701.5-340.77-11.10 -11.10 A3E41076.34 1076.34 1050.28146.04-316.21 -316.21 豎桿A1E1975.90 975.90 961.28175.18102.20A3E3A2E2-314.4-314.4A4E4第三部分： 主桁桿件設計

17、一、主桁桿件的檢算內容及設計步驟主桁桿件根據(jù)受力性質的不同，應進行下表所列項目的檢算。 各類桿件的檢算內容 表2項目檢算內容檢 算 桿 件1剛 度各類桿件2局部穩(wěn)定壓 桿3整體穩(wěn)定壓 桿4強 度各類桿件5疲 勞出現(xiàn)拉應力的受循環(huán)荷載桿件用試算法設計各類桿件的步驟：1. 參考性質相近（指內力性質及大小，桿長及截面式樣，材料和連接方式）的已有設計資料，初步擬定截面尺寸；2. 根據(jù)初步擬定的截面尺寸，算出進行各類檢算所需的截面幾何特征數(shù)據(jù)；3. 按上表要求進行各項檢算。如初選截面不合適，則進行修改，重新計算，直至符合要求為止；4. 為了減少桿件類型以簡化制造，便于互換和管理，同一組設計中之同類桿件內

18、力相差不大者，盡量采用相同的截面。二、主桁桿件截面幾何特征計算由于H形截面在制造、安裝、運營等方面比較優(yōu)越，本設計主桁桿件全部采用H形截面，桿寬為460mm，桿高最大為600mm，該值小于桿長的1/10，按橋規(guī)要求均可免算節(jié)點剛性次應力。桿件幾何特征計算以端斜桿為例說明如下：截面組成為260022+141612，截面布置及栓孔數(shù)見表3。毛截面積： 扣孔截面積：凈面積： 毛慣矩： 扣孔慣矩： 凈慣矩： 回轉半徑： 桿件計算長度主桁平面內：主桁平面外：長細比： 表3所列截面尺寸全部符合橋規(guī)要求，以后不再檢算。 主桁桿件截面幾何特征 表3桿件名稱截面形式截面組成毛面積凈面積毛慣性矩凈慣性矩回轉自由長

19、細比半徑長度項 次123456789單 位mmmmmmcm2cm2cm4cm4cmm上弦桿A1A32*46024278.48238.0038943.8231437.1811.839.50801*41214113198.0096003.5820.1647A3A32*46036439.84399.3658472.5750965.9311.539.50821*38828162841.47145978.9919.2449下弦桿E0E22*46020242.80202.3232454.9324948.2911.569.50821*4201497760.9379892.9220.0747E2E42*460

20、26312.64272.1642198.7629832.7011.629.50811*40818122959.23105764.8119.8347端斜桿E0A12*60022313.92253.2079205.9959040.3915.8813.43841*41612133922.64107628.2520.6514.9272 續(xù)表3桿件名稱截面形式截面組成毛面積凈面積毛慣性矩凈慣性矩回轉自由長細比半徑長度項 次123456789單 位mmmmmmcm2cm2cm4cm4cmm中間斜桿A1E22*44020226.40185.9228400.7120894.0711.2011.941061*4

21、201292651.4674783.4520.2314.9273E2A32*44024260.64220.1634079.5326572.8911.4311.94941*41212107465.5190271.0920.3114.9273A3E42*44020226.40185.9228400.7120894.0711.2011.94961*4201292651.4674783.4520.2314.9273豎桿A1E12*26016126.00105.764690.492540.246.109.20150A3E31*4281047555.6038278.3319.4311.5059A2E22*

22、26016126.00105.764690.492540.246.109.20150A4E41*4281047555.6038278.3319.4311.5059三、主桁桿件截面檢算主桁桿件截面檢算結果列于表4。下面選擇有代表性者加以說明。1. 受拉桿件（以下弦桿為例）由表1知：控制計算內力為4442.58KN；疲勞檢算內力值為4370.23KN，（1）剛度計算由表3計算，下弦桿，。（2）強度計算由表3得下弦桿的凈面積（3）疲勞檢算根據(jù)橋規(guī)，疲勞應力為拉拉構件時，簡算公式為：式中：疲勞容許應力幅；雙線橋的雙線系數(shù)；損傷修正系數(shù)；板厚修正系數(shù)。查規(guī)范表3.27-1得下弦桿的疲勞容許應力幅類別為，

23、查表3.27-1知其疲勞容許應力幅為；對于單線鐵路；橋梁跨度為，?。幌孪覘U板厚，取。代入簡算公式：2. 受壓桿件（以上弦桿為例）由表1計算知上弦桿在主力或附加力作用下均只受壓力。由表1得計算內力為主力控制，（1）剛度計算由表3計算，上弦桿，。（2）強度計算由表3得上弦桿的凈面積（3）整體穩(wěn)定檢算，查橋規(guī)表3.2.6，按照線性內插計算得：容許應力折減系數(shù)容許應力：；計算應力： （4）局部穩(wěn)定檢算a、水平板 按照橋規(guī)，查表5.3.3，當時，水平板的寬厚比最大值為b、豎板 按照橋規(guī)，查表5.3.3，當時，豎板的寬厚比最大值為3. 拉彎桿件（吊桿）由于本設計中無橋面系設計，即無掛桿的主平面外彎矩，因此

24、掛桿只按照強度等進行檢算。（注：按設計要求需對交匯于E2節(jié)點的所有桿件進行截面檢算，除上述下弦桿、吊桿外的其它桿件，其強度、剛度、局部穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性以及疲勞驗算的方法均相同，檢算過程不再累述，檢算結果詳見表4）四、桿端高強螺栓計算按照鋼橋規(guī)范第6.1.1條，每個高強度螺栓的容許抗滑承載力計算式為：式中： 高強螺栓的容許抗滑承載力；高強螺栓連接處的抗滑面數(shù)；高強螺栓連接的鋼材表面抗滑移系數(shù)，不大于0.45；高強螺栓的設計預拉力，為；安全系數(shù)，采用1.7。主桁腹桿桿端高強度螺栓個數(shù)n應滿足。為桿件的承載力，對于主桁桿件：受拉桿件：；受壓桿件：；受拉壓桿件：。取若干桿件舉例說明：1. 拉桿：桿件

25、承載力 螺栓數(shù)個；2. 壓桿A3A3：桿件承載力 螺栓數(shù)個；3. 拉壓桿 螺栓數(shù)個。 主桁桿件檢算表 表4桿件名稱剛度強度局部穩(wěn)定整體穩(wěn)定疲勞高強螺栓水平板豎板計算應力容許應力桿件承載力螺栓個數(shù)需要實有項 次123456789101112單 位MpaMpaMpaMpaMpaMpakN個個上弦桿A1A380100-141.2729.439.29-141.266148.84143.7878.3132200.004216.2A3A382-109.9913.866-109.993134.65480.4103.5132100200.0042.816.48下弦桿E0E282106.6966.09129.3

26、94046.476.4136100200.00E2E481152.99105.07129.395443.2102.8136100200.00中間斜桿A1E2106127.5283.81129.393718.470.296180200.00E2A394-74.8834.338.92-74.879296.652.21113.862517.747.696100200.0047.618.16A3E49654.0539.94129.393718.470.296100200豎桿A1E115089.2262.39129.392115.240.072A3E3180200.00A2E2150-28.2842.8

27、7.81-28.28232.8413.287.872A4E4150200.007026第四部分： 弦桿拼接計算以下弦桿與在節(jié)點中心的拼接為例。由于弦桿截面對軸對稱，故只需取軸一側的半個截面進行計算。一、計算依據(jù)根據(jù)第二章表3計算結果，已知：桿半凈面積：桿半凈面積：節(jié)點板選用厚度： 節(jié)點板供給拼接面積：二、拼接板截面拼接板與節(jié)點板共需凈面積選用220020作為內拼接板，供給面積為：內、外拼接板（節(jié)點板）合計供給面積為： 內、外拼接板供給面積足夠三、拼接螺栓拼接板在節(jié)點中心截面承受循環(huán)拉力，其承載力應按桿的疲勞強度確定，但橋規(guī)未給出弦桿拼接板及節(jié)點板的疲勞強度，用基本容許應力計算，這樣計算的連接較

28、安全。節(jié)點板每端需要高強螺栓數(shù)：實際用28個。上、下拼接板每端共需要高強螺栓數(shù)： 實際用24個。四、內拼接板長度內拼接板實際用28個螺栓，排成4行7列，端距采用50mm，間距按節(jié)點板樣板標準栓孔布置，具體情況見下圖8，可以得出內拼接板長度：圖7 拼接板螺栓布置示意圖第五部分： 節(jié)點板設計為保證橫梁長度一致，本設計節(jié)點的節(jié)點板均采用。節(jié)點板的平面尺寸系先根據(jù)桿端連接螺栓排列需要擬定，再根據(jù)強度檢算確認。以節(jié)點為例，節(jié)點板平面尺寸按外形方整，裁制簡便，根據(jù)等強度原則，經(jīng)修改定案后，長，高。節(jié)點板上實際螺栓個數(shù)的確定：在節(jié)點板最小輪廓線與設計輪廓線之間空下的栓孔位置，應按橋規(guī)規(guī)定的容許最大栓距補上一

29、定數(shù)量的螺栓。此時即可統(tǒng)計出節(jié)點板、拼接板和桿件上的實際螺栓個數(shù)，如表5。 主桁桿件檢算表 表5螺栓位置節(jié)點板上A1E2E2A3E0E2E2E4E2A2需要43.155.62*16.72*16.733.1實際56562*322*3236螺栓位置桿件上拼接板上A1E2E2A3E0E2E2E4E0E2，E2E4需要43.155.647.471.52*26.3實際56561201202*28第六部分： 節(jié)點板強度檢算為了保證節(jié)點板在交匯桿件外力作用下有足夠的強度，對節(jié)點板的各個可能破壞截面應進行強度檢算。橋規(guī)要求任何可能破壞截面的強度均應比作用于該截面的桿件強度大，并規(guī)定了破壞截面的容許應力：1. 法向應力，容許應力為；2. 剪應力與斜應力，容許應力為。一、斜桿所引起的節(jié)點板撕裂強度檢算1. 計算依據(jù)根據(jù)表4計算，斜桿與的承載力為：桿