钢桥计算书邹越.doc

土木工程专业交通土建方向
钢结构课程设计
学生姓名: 邹越
学生班级:道桥141
学 号:
指导教师:秦泗风
设计时间:2017年6 月16日
至2017年 6月 21日
1、课程设计任务书——钢结构
1.1 、课程设计性质及目得
《钢结构》就是土木工程专业得一门主要专业课程,课程设计得目得就是使学生综 合运用本课程所学知识进行整体结构设计,提高学生思考与解决问题能力。通过课 程设计使学生学会钢桁架结构得设计及其施工图得绘制,为今后进行复杂钢结构得 设计与研究等工作打下坚实得基础。
1.2 、课程设计得要求
1、掌握钢桁架荷载得计算;
2、掌握杆件内力得计算与组合,截面选择及构造要求;
3、掌握桁架节点设计得原则与要求,主要节点设计及计算与构造;
4、掌握钢结构施工图得内容与绘制。
1.3 、设计任务与设计资料
1、设计任务
某下承式公路桁架桥由两榀主桁架组成,计算跨径 64m,主桁高度 H=8m,节间 长度为 8m。主桁中距为 17、5m。主桁立面布置图如图 1 所示,上平联及下平联分别 如图 2,3 所示(图 13 均为杆件轴线布置图)。各杆件均为工字型截面,设计该桥。
图 1、 主桁架得计算图示(单位:m)
图 2、 上平联计算图示(单位:m)
图 3、 下平联计算图示(单位:m)
2、设计荷载
车辆荷载:公路Ｉ级,双向四车道;
桥面系荷载: 40KN/m;
二期恒载(桥面板、人行道板、铺装、栏杆等重量):(20+0、1n)KN/m,n为学号后两位(25、9 KN/m);
3、主要材料
钢材:钢桁架采用 Q345qE 得钢材,应符合《桥梁用结构钢》(GB/T 7142008) 中相关要求。
螺栓及焊接材料:高强度螺栓、螺母、垫圈应符合 GB/T 12312006 标准得 10、9S 级,摩擦系数 0、4。焊接材料应根据焊接工艺评定试验结果确定。选定焊接材料应保 证焊缝金属与母材性能得匹配,并符合相关标准得规定。
1.4 、课程设计应完成成果
课程设计应完成以下成果: 1、钢桁架计算书一份,具体包括桁架荷载计算、内力计算、杆件得选择、各种
连接得计算等。计算书以封面、正文得顺序装订,手工书写,同任务书一同装入袋 中。计算书包括:
(1) 封皮 封皮包括:课程设计名称、班级、学号与姓名
(2)内容
n 设计资料;
n 荷载分析、计算;
n 内力分析、计算;
n 截面设计(上、下弦杆,腹杆及联结系杆件);
n 连接计算;
n 节点设计(主桁一个节点);
2、桁架施工图一份,具体包括桁架布置图、桁架得重要节点详图。
3、图纸尺寸为 A3,微机出图,要求严格按桁架施工图标准绘制,保证图幅清晰、 表答清楚。
4、编制规范得材料表。
1.5 、考核方法及成绩评定
课程设计成绩分优、良、中、及格、不及格五档。成绩采取综合评定得方式给 出,即:总成绩=出勤(20%)+计算书(40%)+图纸(40%);
1.6 、参考文献
1、《公路桥涵设计通用规范》(JTG D602004)
2、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 02586)
3、《钢结构设计规范》(GB 500172003)
4、《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002、22005)
5、《结构设计原理》,叶见曙,人民交通出版社
6、《现代钢桥》,吴冲,人民交通出版社
2、截面性质
根据已有得设计图纸,拟选定截面形式、面积、惯性矩如表 21 所示: 表 21
几何性质
上、下弦杆
斜杆
竖杆
截面形式

截面积 A
(m2)
0、035000
0、026580
0、025380
惯性矩 I
(m4)
Ix= 1、3273E03 Iy= 0、 6564E03
Ix= 0、9915E03 Iy= 0、3688E03
Ix= 0、9360E03 Iy= 0、3039E03
3、内力计算
3、1 恒荷载计算
3、1、1 已知条件:
已知桥面系荷载: 40KN/m;弦杆:A=0、035000m2、斜腹杆:A=0、026580 m2、 竖腹杆:A=0、025380 m2。
3、1、2 程序修改: d 文件: section
Y=1
1 A=0、035000 q=2、7475 E=2、1e8 :弦杆
2 A=0、026580 q=2、08653 :斜腹杆
3A=0、025380 q=1、99233 :竖腹杆
PFR2— 恒载计算
D、in — 输入数据得输出,以供核对数据用
D、F — 杆件内力
D、U — 杆件位移
3、1、3 主桁各单元恒荷载数据
表 31
主桁编号
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
恒载内力
(kN)
2071、6
2071、6
2765、9
2765、9
2071、6
2071、6
1203、9
1203、9
2592、3
2592、3
主桁编号
12
13
14
15
21
22
23
24
25
26
恒载内力
(kN)
2592、3
2592、3
1203、9
1203、9
301、5
22、0
301、5
22、0
301、5
22、0
主桁编号
27
31
32
33
34
35
36
37
38

恒载内力
(kN)
301、5
1694、2
1235、5
728、0
253、8
253、8
728、0
1235、5
1694、2

3.2 、汽车荷载计算
3、2、1、已知条件:
车辆荷载:公路Ｉ级,双向四车道; 3、2、2、程序输入:
inL6 — 影响线计算 Load — 活载计算 Load ↙d↙qf、out
3、2、3、主桁各单元汽车荷载数据
主桁编号
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
车载 MAX
(kN)
0
0
0
0
0
0
1242、7
1242、7
2662、8
2662、8
车载 MIN
(kN)
2130、3
2130、3
2840、4
2840、4
2130、3
2130、3
0
0
0
0
主桁编号
12
13
14
15
21
22
23
24
25
26
车载 MAX
(kN)
2662、8
2662、8
1242、7
1242、7
954、2
0
954、2
0
954、2
0
车载 MIN
(kN)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
主桁编号
27
31
32
33
34
35
36
37
38

车载 MAX
(kN)
954、2
0
1412、2
345、2
815、9
815、9
345、2
1412、2
0

车载 MIN
(kN)
0
1757、4
156、9
1098、4
564、8
564、8
1098、4
156、9
1757、4

表 32
4、荷载组合
公路桥涵设计通用规范
第 2、1、2 条设计桥涵时,应根据可能同时出现得作用荷载选择下列荷载组合。 组合Ⅰ:基本可变荷载得一种或几种与永久荷载得一种或几种相组合。
[σ]=270MPa
4.1 、组合Ⅰ
(1、2恒载+1、4汽车)
表 41
主桁编号
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
恒载+ 汽车
MAX
(kN)
2485、9
2485、9
3319、1
3319、1
2485、9
2485、9
3184、5
3184、5
6838、7
6838、7
MIN
(kN)
5468、3
5468、3
7295、6
7295、6
5468、3
5468、3
1444、7
1444、7
3110、8
3110、8
主桁编号
12
13
14
15
21
22
23
24
25
26
恒载+ 汽车
MAX
(kN)
6838、7
6838、7
3184、5
3184、5
1697、7
26、4
1697、7
26、4
1697、7
26、4
MIN
(kN)
3110、8
31108
1444、7
1444、7
361、8
26、4
361、8
26、4
361、8
26、4
主桁编号
27
31
32
33
34
35
36
37
38

恒载+ 汽车
MAX
(kN)
1697、7
2033、0
3459、7
390、3
1446、8
1446、8
390、3
3459、7
2033、0

MIN
(kN)
361、8
4493、4
1262、9
2411、4
486、2
486、2
2411、4
1262、9
4493、4

5、强度验算
5、1 验算项目
由 4、1、4、2 得荷载组合可知,主桁各杆得受力状况:上弦杆(单元号 16)受压, 下弦杆(单元号 815)受拉,斜杆(单元号 3138)拉压、腹杆(单元号 2127)拉 压。现进行在荷载组合Ⅰ与荷载组合Ⅱ下得强度验算。
对于有孔洞削弱得轴心受拉、受压构件得强度计算

式中:N ——构件得计算轴心力
A ——构件得截面面积
[σ]——钢材得基本容许应力,当构件承受动力荷载作用时,则计算应力𝜎不 得超过容许疲劳应力[σ]。在本例中,对于荷载Ⅰ,取[σ]=270MPa
5、2 验算结果
表 51

受力 状况
截面面积
(m2)
组合Ⅰ最 大荷载
(KN)
组合Ⅰ最 大应力
(MPa)
组合Ⅰ容 许应力[𝜎]
(MPa)
上弦杆
受压
0、029400
6838、7
232、609
270
上弦杆
受拉
0、029400
7295、6
248、140
270
斜杆
拉压
0、022480
4493、4
199、884
270
腹杆
拉压
0、021280
1697、7
79、779
270
故各杆件得强度满足要求。
6、稳定性验算
6、1 验算项目
对于轴心压杆,要进行整体稳定性验算与局部稳定性验算。即对上弦杆(单元 号 16)、斜杆(单元号 31、33、36、38)、腹杆(单元号 22、24、26)进行稳定性 验算。
6、1、1 整体稳定性验算 为保持构件整体稳定条件:截面应力不超过截面应力。
𝑁
因此,整体稳定性计算公式为:

式中 N——轴心受压杆得计算压力
Am——毛截面面积
——纵向弯曲系数(稳定系数)
[σ]——钢材得轴向容许应力
6、1、2 局部稳定性验算 为保证构件得局部稳定性:保证实腹式截面得板件得局部 稳定承载＞整体稳定:故限制板得宽厚比。即:
6、2验算结果
6、2、1 整体稳定性验算
(1)截面性质计算表

截面面积A
(m2)
构件计算长度Lo(m)
惯性矩Iy
(m4)
回转半径
(m)
长细比

稳定系数

上弦杆
0、035000
8
0、6564E03
0、1369
58、437
0、8230
斜杆
0、026580
11、31
0、3688E03
0、1178
76、808
0、6861
腹杆
0、025380
8
0、3039E03
0、1094
58、501
0、7877
表61

组合Ⅰ最大 荷载(KN)
组合Ⅰ(Mpa)
组合Ⅰ限值
[σ]Mpa
上弦杆
7295、6
253、28
270
斜杆
4493、4
246、39
270
腹杆
26、4
1、25
270
（2） 构件得平面外整体稳定
表62
故各杆件得强度满足要求。
（3） 局部稳定性验算
表63
几何性质
上、下弦杆
斜杆
竖杆
截面形式

长细比
58、437
76、808
58、501
翼缘宽度比
10、40
11、55
10、80
限值
≤12 0、2=8、15
主要杆件不大于18、
次要杆件不大于 20
≤12 0、2=11、507
腹板高度比
400/20=20、00
410/18=22、78
410/18=22、78
限值
≤30
0、5+5=34
但不大于45
≤30
故构件得局部稳定性满足要求
7、刚度验算
7、1杆件得刚度验算
轴心受力构件得刚度以其长细比来衡量:

式中
——相应方向得构件计算长度:《公路桥规》规定,对于桁架得腹杆平面内弯曲长度得计算长度为0、8:平面外得弯曲为。
——相应方向得截面回转半径:
——受拉或受压构件得容许长细比。
表71

截面面积
A(m2)
构件计算
长度 L0
(m)
惯性矩 Ix
(m4)
惯性矩 Iy
(m4)
平面内回
转半径
(m)

平面外回
转半径
(m)

容许长细比
下弦杆
0、035000
8
1、3273E03
0、6564E03
0、1947
41、089
0、1369
58、437
130
上弦杆
0、035000
8
1、3273E03
0、6564E03
0、1947
41、089
0、1369
58、437
100
受拉斜杆
0、026580
11、31
0、9915E03
0、3688E03
0、1931
58、571
0、1178
76、808
130
受压斜杆
0、026580
11、31
0、9915E03
0、3688E03
0、1931
58、571
0、1178
76、808
100
受拉腹杆
0、025380
8
0、9360E03
0、3039E03
0、1920
41、667
0、1094
41、667
130
受压腹杆
0、025380
8
0、9360E03
0、3039E03
0、1920
41、667
0、1094
41、667
100
故该桁架结构各构件得刚度满足要求。
7、2 整体刚度验算
为防止结构得变形过大而造成损坏,应验算结构得变形。即:ω ≤[ω]
式中 ω——结构在可变荷载作用下产生得最大挠度
[ω] ——规定得容许度。 程序输入:
(1)、更改 d 文件中得 M=1;
(2)、inL6 — 影响线计算;
(3、)Load — 活载计算,Load ↙d↙qf、out 。
输出文件:
NODE
U
V
CETA
1
0、01299
0、01688
0
2
0、01107
0、03104
0
3
0、00915
0、04073
0
4
0、00662
0、04464
0
5
0、00409
0、04073
0
6
0、00217
0、03104
0
7
0、00025
0、01688
0
9
0、00104
0、01711
0
10
0、00209
0、03104
0
11
0、00472
0、04196
0
12
0、00662
0、04464
0
13
0、00852
0、04196
0
14
0、01115
0、03104
0
15
0、01219
0、01711
0
16
0
0
0
可以得出,跨中节点(4、12)得竖向位移 V=4464
=0、04464
8、节点设计与计算
8、1 杆端连接螺栓个数计算
杆件得承载力要大于其内力。对于承受活荷载得杆件,为保证活载发展或遇到 特种超重列车时,杆件得承载力能充分发挥,应使其连接部分与杆件有同等得承载 力,即按承载力计算得等强原则,这适合于主桁杆件设计。
对于受拉杆件:
对于受压杆件:
式中An 、Am——分别为杆件净截面、毛截面面积;
[N] ——单栓得容许承载力,对于摩擦性高强螺栓,选用 10、9 级 M24, 孔径为 26mm,μ = 0、4,
——轴心压杆得容许应力折减系数。
弦杆设计两个摩擦面,内设拼接板,则

腹杆设一个摩擦面,则

对于腹杆《桥规》容许其连接螺栓数可按 1、1 倍得杆件内力与 75%得杆件净面 积强度二者取较大值进行计算。
由毛截面面积可粗略布置弦杆单侧螺栓个数:4*9=36 个;
斜杆单侧螺栓数:4*7=28 个 ;
腹杆单侧螺栓数:4*7=28 个。
由净截面面积计算得螺栓个数如下表所示。
杆件
受力 状态
毛截面 面积 Am mm2
净截面面 积 An mm2
单栓容许 承载力 [N] KN
稳定系数

容许应力

受拉:
受压:

螺栓个数 取用值
下弦杆
受拉
350004
29400
162
0、8230
270
70、971
72
斜杆
受压
26580
22480
81
0、6861
270
52、483
56
腹杆
受压
25380
21280
81
0、7877
270
54、598
56
表 81
8、2 节点螺栓得布置及节点板得设计
详见附图1
经计算,杆件得净面积:

节点板净面积:

8、3、节点板得强度计算

8、3、1 节点板撕破强度验算
如图所示节点板,在腹杆外力作用下得撕破方式。可沿 1234、1235、12367 截面撕破,故要对这些撕破截面进行撕破强度验算。
由于节点板得应力状态复杂及计算方法得近似性,《公路桥规》规定,节点板得撕破强度应 较被连接杆件至少大 10%,撕破截面得容许应力为:垂直于被连接杆件轴线得截面为基本容许应力[σ];斜交或平行于被连接杆件轴线得截面为 0、75[σ]。
L12=53、7、L23=32、0、L34=68、0
L35=53、7、L36=28、7、L67=38、0
各截面得强度:
N12 = 2 × (53、7 − 0、5 × 2、6) × 1、8 × 0、75[σ] = 141、48[σ]
N23 = 2 × (32、0 − 3 × 2、6) × 1、8[σ] = 87、12[σ]
N34 = 2 × (68、0 − 6、5 × 2、6) × 1、8 × 0、75[σ] = 137、97[σ]
N35 = 2 × (53、7 − 0、5 × 2、6) × 1、8 × 0、75[σ] = 141、48[σ]
N36 = 2 × (28、7 − 1 × 2、6) × 1、8 × 0、75[σ] = 70、47[σ]
N67 = 2 × (38、0 − 3、5 × 2、6) × 1、8 × 0、75[σ] = 78、03[σ]
1234 截面得撕破强度=(141、48+87、12+137、97) [σ]=366、57[σ]
1235 截面得撕破强度=(141、48+87、12+141、48) [σ]=370、08[σ]
12367 截面得撕破强度=(141、48+87、12+70、47+78、03) [σ]=377、1[σ]
已知斜杆得净截面面积为A=(480× 20 − 26 × 20 × 4) × 2 = 150、40cm2
故:1、1A𝑗[σ] = 1、1 × 150、40[σ] = 165、44[σ]
以上三个截面得撕破强度均不小于所连接杆件强度得 1、1 倍。故撕破强度无问题。
8、3、2 节点板中心竖直截面得法向应力验算
节点中心截面
已知节点板:2—2244×18×1437
内拼接板:4—2244×18×240
节点板中心竖直截面,在其一侧杆件外力得作用下,产生法向力 N 与剪力 Q,节点板可能 沿中部数字最薄弱截面 88 或 1010 破坏。由于弦杆在该截面处已中断,故其面积均只包括节点板与拼接板得面积,但截面 88 与 1010 所受得剪力 Q 不一样,对于 E10 节点,显然应验算所受剪力较大得 88 截面,根据平衡条件,采用组合 I 得荷载值,该截面得法向力 N 为
N = N2 + N4 ×cosθ = 6838、7 – 390、3× cos45° = 6562、7KN
𝑚
毛截面面积:𝐴’ = 1、8 × 145 × 2 + 4 × 24 × 1、8 = 694、8cm2
扣孔:∆A = 2 × 2、6 × 11 × 1、8 + 4 × 24 × 1、8 = 140、4cm2
净截面面积:Aj = Am− ∆A = 694、8 − 140、4 = 554、4 cm2
节点中心竖截面得形心对节点板底面得距离:

对形心轴得毛截面惯性矩:

对形心轴得净截面惯性矩:

节点板边缘对形心轴得距离:
外缘 y1 = 60、59cm
内缘 y2 = 145 − 60、59 = 84、41cm
作用在节点中心得拉力为:N = N2 + N4 × cosθ = 6562、7KN

、均不大于[σ],安全。
7、3、3 腹杆与弦杆间节点板水平截面得剪应力验算
最不利抗剪得 99 只包括两块节点板得水平截面,而不包括拼接板截面,作用于节点板 99
截面上得水平剪力为:T = (N3 + N4)cosθ = (3459、7− 390、3) × cos45° = 2170、4KN
A= 239 × 1、8 × 2 + 2 × 1、8 × 234 = 1702、8
∆A = 2 × 1、8 × 2、6 × 18 = 168、48
An= A− ∆A= 1534、32
则 99 截面上得剪应力为

综上,节点板得设计满足要求。