中南大学钢桥专业课程设计.docx

钢桥课程设计计算书姓 名_学 号_ _学 院_土木工程学院_专业班级_土木工程1305_9月26日第一部分： 设计依据一、设计规范中国铁道部铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.2-）；中国铁道部铁路桥涵设计基础规范（TB10002.1-），以下简称桥规。二、钢材 杆件 Q345qD。高强螺栓 20MnTiB钢。螺母垫圈 45号优质碳素钢。焊缝 力学性能不低于基材。精制螺栓 BL3。铸件 ZG25II。琨轴 锻钢35号。三、连接方法 工厂连接采取焊接。工地连接采取高强螺栓连接。人行道托架工地连接采取精制螺栓连接。螺栓孔径一律为d=23mm。高强螺栓杆径为。四、许可应力 Q345qD基础许可应力：轴向应力 ；弯曲应力 ； 剪应力 ；端部承压（磨光顶紧）应力。疲惫许可应力及其它许可应力见桥规。五、计算恒载计算主桁时（每线）：桥面 ；桥面系 ；主桁架 ；联结系 ； 检验设备 ；高强螺栓 ；焊缝 。计算主桁恒载时，按桥面全宽恒载 。六、活载等级按“中国铁路标准活载（中活载）”。标准活载计算图式见桥规。七、结构尺寸计算跨度；桥跨全长；节间长度； 主桁节间数；主桁中心距；平纵联宽度；主桁高度；纵梁中心距；斜杆倾角，。其它尺寸 见图1：第二部分： 主桁架杆件内力计算一、内力组成主桁杆件内力有以下几部分组成：竖向恒载所产生内力,，静活载内力，；竖向活载产生内力：横向风力（或列车摇摆力）所产生内力，仅作用在上、下弦杆；横向风力经过桥门架效应在端斜杆和下弦杆所产生内力；纵向制动力所产生内力。依据桥规要求，设计时候杆件轴力应该按下列三种情况考虑：1、主力 2、主力+风力（或摇摆力） 3、主力+制动力 主桁杆件除述轴力外，还要受到弯矩作用，如节点刚性引发次弯矩、风力和制动力在一些杆件中引发弯矩等，这些弯矩在检算杆件截面时应和轴力一起考虑，因为本设计全部杆件高度均不超出长度1/10，故依据桥规要求。不考虑节点刚性次内力。主桁各杆内力图2和表1。 影响响线计算公式 二、 弦杆 斜杆 挂杆 支座反力 二、恒载所产生内力依据设计任务书所提供资料，每片主桁所承受恒载内力： 恒载充满全跨，故恒载内力为：下弦杆为：上弦杆为：斜杆为：三、活载所产生内力1. 换算均布活载换算均布活载是影响线加载长度和顶点位置二者函数。它们之间函数关系反应在桥规附录所列公式和表中。依据和从该表中查得每线换算均布活载，除以2即得每片主桁承受换算均布活载。 仍以下弦杆为例：查表得 则；上弦杆：查表得 则；斜杆：，查表得 则；，查表得 则 2. 静活载所产生内力为了求得最大活载内力，换算均布活载应充满同号影响线全长。下弦杆：上弦杆：再以斜杆为例，产生最大活载内力加载情况有两种：活载充满后段长度产生最大压力，活载充满左段长度产生最大拉力。故分别加载后得：3. 冲击系数依据桥规要求，钢桁梁冲击系数按下式计算：式中 除承受局部活载杆件为影响线加载长度外，其它均为桥梁跨度。弦杆、斜杆及支座冲击系数：挂杆冲击系数：4. 活载发展均衡系数桥规要求：全部杆件因活载产生轴向力、弯矩、剪力在计算主力组合时，均应乘以活载发展均衡系数：式中 全部杆件值中代数值之最大者。上弦杆： 下弦杆： 斜杆：5. 活载产生内力:考虑冲击作用和活载发展均衡系数在内时,活载所产生内力为： 下弦杆： 斜杆：四、横向荷载(风力或摇摆力)所产生内力1. 横向荷载计算主桁上下弦杆兼为上下平纵联弦杆,端斜杆又是桥门架腿杆, 横向风力或摇摆力作用在桥上时,将在这些杆件中产生内力。(1) 横向风力作用下荷载计算依据桥规要求,风压强度按标准设计考虑。有车时，并小于；无车时。式中： 风载体型系数； 风压高度改变系数； 主桁杆件计算由桥上有车时荷载组合控制，本设计中取。 风力在下平纵联（即桥面系所在平面）上分配系数为1.0，在上平纵联上分配系数为0.2。 对钢桁梁而言，横向风力受风面积应根据桥跨结构理论轮廓面积乘以0.4。 列车受风面积应按3m高长方带计算，其作用点在轨顶以上2m高度处。上、下平纵联单位长度上所受到风荷载分别为：上平纵联： （）下平纵联： （）其中，为主桁高度，；为列车高度，；为桥面高度，；为桥面系高度，代入数值得：上平纵联风荷载：下平纵联风荷载： (2) 横向摇摆力作用下荷载计算依据桥规，列车横向摇摆力以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面，大小为。上、下平纵联分配到横向摇摆力为：上平纵联摇摆力： 下平纵联摇摆力： 风力和摇摆力不一样时计算，故在本设计中上、下平纵联均为风力控制设计。2. 横向荷载经过纵联在主桁杆件中所产生内力计算上平纵联桁架时，可将桥门架做为其支点，计算下平纵联桁架时，支座为其支点，均不考虑中间横联弹性支承作用。当纵联为交叉形桁架时，取二斜撑交点为力矩中心，于是根据图3（下页）能够算出影响线面积及内力。影响线面积： ;弦杆内力： 下弦杆：下弦杆：上弦杆：上弦杆：图3 钢桁架所受横向荷载3. 横向荷载经过桥门架在主桁杆件中所产生内力（图4）图4 横向荷载作用下带桁式顶撑刚架内力计算上平纵联作用于桥门架顶部反力：桥门架腿杆反弯点距支座距离：（参考标准桁梁取） 反力在端斜杆产生轴力和弯矩、反力经过支座斜反力在下弦产生轴力上平纵联反力在支座引发竖向反力列车及桥面上风力在支座引发竖向反力五、纵向荷载（制动力）所产生内力根据桥规要求，制动力和冲击力同时计算时，制动力按竖向静活载重量计算。静活载位置应分别和各杆件残生最大活载内力时实际活载位置一致。为简化计算，下面近似按图5加载位置计算。1. 制动力所产生支座反力加载长度： 静活载： 制动力： 水平反力： 支座竖向力 2. 制动力在弦杆中所产生轴力因为本设计弦杆中线和支座中心间距离较小，所以忽略该项影响。加载长度： 静活载： 制动力： 、杆内产生轴力为：图5 制动力在主桁杆件中所产生内力六、立柱内力 立柱作为降低上弦压杆自由长度支撑杆件，按桥规要求，应以其所支撑压杆内力作为其内力，给予检算。表1中立柱在运行阶段内力按上弦最大内力算出。在安装阶段，立柱尚应检算在上弦吊机压力。七、竖向荷载经过横向刚架作用在挂杆和立柱中引发弯矩 横梁和挂杆截面初选参考标准桁梁。桥规要求，对于主桁挂杆和立柱，应考虑横梁承受竖向荷载时，她们作为横向闭合钢架腿杆所承受弯矩。检算它们在轴力和弯矩共同作用下疲惫强度。 图6 竖向荷载在立柱及挂杆中所产生弯矩由图6所表示计算图示，可算出挂杆或立柱在下端及中间支点处主桁平面外弯矩及分别为：竖杆下端弯矩： 竖杆中间弯矩： 式中：，、分别为横梁和竖杆惯性矩，其它符号见图6。已知：，纵梁恒载反力：代入以上两式能够求得：下端： 中间支点：八、主桁杆件内力组合以上算出主桁杆件所受单项轴力列表1第13-17项。根据桥规要求，各单项轴力应根据表1第18-20项进行组合。三种组合内力中之大者为控制杆件强度和稳定计算内力，列于表1第21项。反复荷载出现拉力作用杆件，应检算疲惫；控制计算内力不考虑活载发展及附加力影响，其值列于表1第23项、24项。端斜杆和挂杆在荷载作用下，还受有弯矩，应和对应荷载情况下轴力一并检算。 主桁杆件内力及支座反力计算表 表1杆件名称影响线竖向荷载活载要素均衡系数单向内力主力加载长度顶点位置面积总面积均布恒载换算活载静活载内力冲击系数动活载内力恒载内力活载内力项 次1234567891011121314单 位mmmkN/mkN/mkNkNkNkN上弦杆A1A376.000.25-47.09-47.0918.4445.62-2148.251.241-2665.970.32570.00871.0014-868.34-2669.83A3A376.000.5-62.78-62.7818.4444.44-2789.941.241-3462.320.33440.00001.0000-1157.66-3462.34下弦杆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斜杆E0A176.000.125-43.13-43.1318.4447.07-2030.131.241-2519.390.31570.01871.0031-795.32-2527.25A1E265.140.12531.6830.8018.4418.4448.271529.191.2411.2411897.730.29930.03511.0059567.951908.8410.860.125-0.8871.23-62.68-77.79-7.30127.63562.2726-176.78E2A354.290.125-22.00-18.4818.4418.4449.84-1096.481.2411.241-1360.730.25040.08401.0140-340.77-1379.7721.710.1253.5259.17208.28258.47-1.31841.65281.2755329.67A3E443.430.12514.087.9218.4418.4451.75728.641.2411.241904.240.16150.17291.0288146.04930.3032.570.125-6.1654.26-334.24-414.79-0.35210.68651.1144-462.25竖杆A1E119.000.50+9.509.5018.4456.10532.951.475786.100.22280.11161.0186175.18800.72A3E3A2E219.000.509.50-9.5018.44-175.18A4E4 续表1杆件名称单项内力轴向力组合控制计算应力附加力主力主力+附加力强度和稳定疲惫纵联风力桥门架效应制动力内力项 次15161718192021222324单 位kNkNkNkNkNkNkNK NmkNkNm上弦杆A1A3189.56 -3538.17 3016.44 -3538.17 A3A3245.74-4620.01 4054.79-4620.01下弦杆E0E2+489.13+168.57+242.902116.18 2311.57+1887.262311.572111.18506.55E2E4+790.13+168.57+242.904372.40 4442.58+3692.244442.584370.231085.38斜杆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 竖杆A1E1975.90 975.90 961.28175.18102.20A3E3A2E2-314.4-314.4A4E4第三部分： 主桁杆件设计一、主桁杆件检算内容及设计步骤主桁杆件依据受力性质不一样，应进行下表所列项目标检算。 各类杆件检算内容 表2项目检算内容检 算 杆 件1刚 度各类杆件2局部稳定压 杆3整体稳定压 杆4强 度各类杆件5疲 劳出现拉应力受循环荷载杆件用试算法设计各类杆件步骤：1. 参考性质相近（指内力性质及大小，杆长及截面式样，材料和连接方法）已经有设计资料，初步确定截面尺寸；2. 依据初步确定截面尺寸，算出进行各类检算所需截面几何特征数据；3. 按上表要求进行各项检算。如初选截面不适宜，则进行修改，重新计算，直至符合要求为止；4. 为了降低杆件类型以简化制造，便于交换和管理，同一组设计中之同类杆件内力相差不大者，尽可能采取相同截面。二、主桁杆件截面几何特征计算因为H形截面在制造、安装、运行等方面比较优越，本设计主桁杆件全部采取H形截面，杆宽为460mm，杆高最大为600mm，该值小于杆长1/10，按桥规要求均可免算节点刚性次应力。杆件几何特征计算以端斜杆为例说明以下：截面组成为260022+141612，截面部署及栓孔数见表3。毛截面积： 扣孔截面积：净面积： 毛惯矩： 扣孔惯矩： 净惯矩： 回转半径： 杆件计算长度主桁平面内：主桁平面外：长细比： 表3所列截面尺寸全部符合桥规要求，以后不再检算。 主桁杆件截面几何特征 表3杆件名称截面形式截面组成毛面积净面积毛惯性矩净惯性矩回转自由长细比半径长度项 次123456789单 位mmmmmmcm2cm2cm4cm4cmm上弦杆A1A32*46024278.48238.0038943.8231437.1811.839.50801*41214113198.0096003.5820.1647A3A32*46036439.84399.3658472.5750965.9311.539.50821*38828162841.47145978.9919.2449下弦杆E0E22*46020242.80202.3232454.9324948.2911.569.50821*4201497760.9379892.9220.0747E2E42*46026312.64272.1642198.7629832.7011.629.50811*40818122959.23105764.8119.8347端斜杆E0A12*60022313.92253.2079205.9959040.3915.8813.43841*41612133922.64107628.2520.6514.9272 续表3杆件名称截面形式截面组成毛面积净面积毛惯性矩净惯性矩回转自由长细比半径长度项 次123456789单 位mmmmmmcm2cm2cm4cm4cmm中间斜杆A1E22*44020226.40185.9228400.7120894.0711.2011.941061*4201292651.4674783.4520.2314.9273E2A32*44024260.64220.1634079.5326572.8911.4311.94941*41212107465.5190271.0920.3114.9273A3E42*44020226.40185.9228400.7120894.0711.2011.94961*4201292651.4674783.4520.2314.9273竖杆A1E12*26016126.00105.764690.492540.246.109.20150A3E31*4281047555.6038278.3319.4311.5059A2E22*26016126.00105.764690.492540.246.109.20150A4E41*4281047555.6038278.3319.4311.5059三、主桁杆件截面检算主桁杆件截面检算结果列于表4。下面选择有代表性者加以说明。1. 受拉杆件（以下弦杆为例）由表1知：控制计算内力为4442.58KN；疲惫检算内力值为4370.23KN，（1）刚度计算由表3计算，下弦杆，。（2）强度计算由表3得下弦杆净面积（3）疲惫检算依据桥规，疲惫应力为拉拉构件时，简算公式为：式中：疲惫许可应力幅；双线桥双线系数；损伤修正系数；板厚修正系数。查规范表3.27-1得下弦杆疲惫许可应力幅类别为，查表3.27-1知其疲劳许可应力幅为；对于单线铁路；桥梁跨度为，取；下弦杆板厚，取。代入简算公式：2. 受压杆件（以上弦杆为例）由表1计算知上弦杆在主力或附加力作用下均只受压力。由表1得计算内力为主力控制，（1）刚度计算由表3计算，上弦杆，。（2）强度计算由表3得上弦杆净面积（3）整体稳定检算，查桥规表3.2.6，根据线性内插计算得：许可应力折减系数许可应力：；计算应力： （4）局部稳定检算a、水平板 根据桥规，查表5.3.3，当初，水平板宽厚比最大值为b、竖板 根据桥规，查表5.3.3，当初，竖板宽厚比最大值为3. 拉弯杆件（吊杆）因为本设计中无桥面系设计，即无挂杆主平面外弯矩，所以挂杆只根据强度等进行检算。（注：按设计要求需对交汇于E2节点全部杆件进行截面检算，除上述下弦杆、吊杆外其它杆件，其强度、刚度、局部稳定性、整体稳定性和疲惫验算方法均相同，检算过程不再累述，检算结果详见表4）四、杆端高强螺栓计算根据钢桥规范第6.1.1条，每个高强度螺栓许可抗滑承载力计算式为：式中： 高强螺栓许可抗滑承载力；高强螺栓连接处抗滑面数；高强螺栓连接钢材表面抗滑移系数，小于0.45；高强螺栓设计预拉力，为；安全系数，采取1.7。主桁腹杆杆端高强度螺栓个数n应满足。为杆件承载力，对于主桁杆件：受拉杆件：；受压杆件：；受拉压杆件：。取若干杆件举例说明：1. 拉杆：杆件承载力 螺栓数个；2. 压杆A3A3：杆件承载力 螺栓数个；3. 拉压杆 螺栓数个。 主桁杆件检算表 表4杆件名称刚度强度局部稳定整体稳定疲惫高强螺栓水平板竖板计算应力许可应力杆件承载力螺栓个数需要实有项 次123456789101112单 位MpaMpaMpaMpaMpaMpakN个个上弦杆A1A380100-141.2729.439.29-141.266148.84143.7878.3132200.004216.2A3A382-109.9913.866-109.993134.65480.4103.5132100200.0042.816.48下弦杆E0E282106.6966.09129.394046.476.4136100200.00E2E481152.99105.07129.395443.2102.8136100200.00中间斜杆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竖杆A1E115089.2262.39129.392115.240.072A3E3180200.00A2E2150-28.2842.87.81-28.28232.8413.287.872A4E4150200.007026第四部分： 弦杆拼接计算以下弦杆和在节点中心拼接为例。因为弦杆截面对轴对称，故只需取轴一侧半个截面进行计算。一、计算依据依据第二章表3计算结果，已知：杆半净面积：杆半净面积：节点板选择厚度： 节点板供给拼接面积：二、拼接板截面拼接板和节点板共需净面积选择220020作为内拼接板，供给面积为：内、外拼接板（节点板）累计供给面积为： 内、外拼接板供给面积足够三、拼接螺栓拼接板在节点中心截面承受循环拉力，其承载力应按杆疲惫强度确定，但桥规未给出弦杆拼接板及节点板疲惫强度，用基础许可应力计算，这么计算连接较安全。节点板每端需要高强螺栓数：实际用28个。上、下拼接板每端共需要高强螺栓数： 实际用24个。四、内拼接板长度内拼接板实际用28个螺栓，排成4行7列，端距采取50mm，间距按节点板样板标准栓孔部署，具体情况见下图8，能够得出内拼接板长度：图7 拼接板螺栓部署示意图第五部分： 节点板设计为确保横梁长度一致，本设计节点节点板均采取。节点板平面尺寸系先依据杆端连接螺栓排列需要确定，再依据强度检算确定。以节点为例，节点板平面尺寸按外形方整，裁制简便，依据等强度标准，经修改定案后，长，高。节点板上实际螺栓个数确实定：在节点板最小轮廓线和设计轮廓线之间空下栓孔位置，应按桥规要求许可最大栓距补上一定数量螺栓。此时即可统计出节点板、拼接板和杆件上实际螺栓个数，如表5。 主桁杆件检算表 表5螺栓位置节点板上A1E2E2A3E0E2E2E4E2A2需要43.155.62*16.72*16.733.1实际56562*322*3236螺栓位置杆件上拼接板上A1E2E2A3E0E2E2E4E0E2，E2E4需要43.155.647.471.52*26.3实际56561201202*28第六部分： 节点板强度检算为了确保节点板在交汇杆件外力作用下有足够强度，对节点板各个可能破坏截面应进行强度检算。桥规要求任何可能破坏截面强度均应比作用于该截面杆件强度大，并要求了破坏截面许可应力：1. 法向应力，许可应力为；2. 剪应力和斜应力，许可应力为。一、斜杆所引发节点板撕裂强度检算1. 计算依据依据表4计算，斜杆和承载力为：杆 杆 因为节点板平面尺寸对称，故只需检算杆引发撕裂。2. 强度检算按桥规要求，撕裂面强度应满足：A1E2杆可能引发撕裂方法有图所表示四种，各面尺寸图9：图9 斜杆引发四种可能撕裂情况第一撕裂面 ： 第二撕裂面 ： 第三撕裂面 ： 第四撕裂面 ： 以上四个检算均满足强度要求，不会撕裂。二、节点板竖直最弱截面强度检算1. 计算依据节点板中心竖直截面在其一侧杆件外力水平分力作用下承受法向应力，在其一侧杆件外力竖直分力作用下承受剪力。对于节点，沿节点板微弱面破坏法向力和剪力分别为：2. 截面几何特征计算因为弦杆在E2节点中止，竖直最弱截面只包含节点板和拼接板面积，见图10，该界面面积计算如表6。 E2节点板竖直截面面积计算 表6截面组成毛截面面积扣孔面积净面积mmcm2cm2cm2211701421171.4=327.62122.31.4=77.28250.324200224202.2=176.0242.32.2=40.48135.52累计=503.6=117.76=385.84图10 节点板竖直最弱截面强度简算截面中性轴x-x距弦杆中心轴K-K距离计算：对中性轴X-X惯性矩和计算：对中性轴x-x面积矩计算：中性轴至节点板下边缘和上边缘距离距离计算：3. 强度检算节点板下边缘法向应力：节点板上边缘法向应力：中性轴处最大剪应力：三、节点板水平最弱截面撕破强度检算1. 计算依据节点板水平截面最弱处于弦杆最上一排螺栓上，该截面仅有节点板组成，见图11。作用于该截面内力有纵向剪力和和偏心距所形成力矩。因为各杆件荷载情况不一样，节点板剪力不能从节点平衡条件求得，而应直接用其本身影响线计算。影响线图形及公式图11所表示，对于节点，图11 节点板水平最弱截面强度简算（校核：应等于。依据主桁杆件内力计算表：，故本计算无误）。恒载，冲击系数活载：，时，2. 截面几何特征计算3. 强度检算最弱处截面边缘法向应力最弱处截面最大剪应力【参考文件】1 万明坤，王俭槐编著.铁路钢桁梁桥计算.北京：中国铁道出版社，1988 2 裘伯永，盛兴旺，乔建东，文雨松编著.桥梁工程.北京：中国铁道出版社，3 吴冲主编.现代钢桥.北京：人民交通出版社，4 铁道部西南交通大学铁路桥梁编写组编著.铁路钢桥.北京：人民铁道出版社，1978