中南大学10级钢桥课程设计.docx

一、设计目的： 跨度L=68m单线铁路下承载式简支栓焊钢桁梁设计二、设计依据： 1. 设计规范铁道部铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）铁道部铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.2-2005）。 2. 结构基本尺寸计算跨度L=68；桥跨全长L=68.10；节间长度d=8.5m； 主桁节间数； 主桁高度H=10.5,11.0,11.5m ； 3. 钢材及其基本容许应力：杆件及构件用Q345qD；高强度螺栓用20MnTiB钢；精制螺栓用BL3；螺母及垫圈用45号优质碳素钢；铸件用ZG25II；辊轴用锻钢35。钢材的基本容许应力参照铁路桥梁钢结构设计规范。 4. 结构的连接方式及连接尺寸： 连接方式：桁梁杆件及构件采用工厂焊接，工地高强螺栓连接； 人行道托架采用精制螺栓连接； 连接尺寸：焊缝的最小焊脚尺寸参照桥规； 高强螺栓和精制螺栓的杆径为22，孔径为d=23mm。 5. 设计活载等级：标准中活载 6. 设计恒载主桁，联结系； 桥面系；高强螺栓3%；检查设备；桥面； 焊缝。 计算主桁恒载时，按桥面全宽恒载。三、设计内容：1. 主桁杆件内力计算（全部），并将计算结果汇整于3号图上； 2. 主桁杆件截面设计与检算（交汇于E2节点的杆件）； 3. 主桁E2节点拼接计算与节点设计及检算； 4. 绘制主桁E2节点图(3号图)。四、提交文件：1. 设计说明书1份； 23号图2张。五、要求：1. 计算书条理清楚、语句通顺、计算正确；2. 结构图按绘制要求比例恰当、粗细线条明确、尺寸标注清楚、投影关系无误。18目 录第一部分 设计依据 11第二部分 主桁架杆件内力计算 13一、内力的组成13二、恒载所产生的内力14三、活载所产生的内力14四、横向荷载(风力或摇摆力)所产生的内力16五、纵向荷载（制动力）所产生的内力19六、立柱内力11七、竖向荷载通过横向刚架作用在挂杆与立柱中引起的弯矩11八、主桁杆件的内力组合12第三部分 主桁杆件设计15一、主桁杆件的检算内容及设计步骤15二、主桁杆件截面几何特征计算15三、主桁杆件截面检算19四、杆端高强螺栓计算21第四部分 弦杆拼接计算24一、计算依据24二、拼接板截面24三、拼接螺栓24四、内拼接板长度25第五部分 节点板设计 25第六部分 节点板强度检算 26一、斜杆所引起的节点板撕裂强度检算26二、节点板竖直最弱截面的强度检算28三、节点板水平最弱截面撕破强度检算30参考文献 33第一部分： 设计依据一、设计规范中华人民共和国铁道部2005年铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.2-2005）；中华人民共和国铁道部2005年铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005），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、连接方式 工厂连接采用焊接。工地连接采用高强螺栓连接。人行道托架工地连接采用精制螺栓连接。螺栓孔径一律为d=23mm。高强螺栓杆径为。四、容许应力 Q345qD的基本容许应力：轴向应力 ；弯曲应力 ； 剪应力 ；端部承压（磨光顶紧）应力。疲劳容许应力及其它的容许应力见桥规。五、计算恒载计算主桁时（每线）：桥面 ；桥面系 ；主桁架 ；联结系 ； 检查设备 ；高强螺栓 3%；焊缝 。计算主桁恒载时，按桥面全宽恒载 。六、活载等级按“中华人民共和国铁路标准活载（中活载）”。标准活载的计算图式见桥规。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、内力的组成主桁杆件的内力有以下几部分组成：竖向恒载所产生的内力,，静活载内力，；竖向活载产生的内力：横向风力（或列车摇摆力）所产生的内力，仅作用在上、下弦杆；横向风力通过桥门架效应在端斜杆和下弦杆所产生的内力；纵向制动力所产生的内力。根据桥规规定，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，如节点刚性引起的次弯矩、风力和制动力在某些杆件中引起的弯矩等，这些弯矩在检算杆件截面时应和轴力一起考虑，由于本设计所有杆件的高度均不超过长度的1/10，故根据桥规规定。不考虑节点刚性次内力。主桁各杆的内力图2和表1。 影响响线计算公式 二、 弦杆 斜杆 挂杆 支座反力 二、恒载所产生的内力根据设计任务书所提供的资料，每片主桁所承受的恒载内力： 恒载布满全跨，故恒载内力为：下弦杆为：斜杆为：三、活载所产生的内力1. 换算均布活载换算均布活载是影响线加载长度与顶点位置二者的函数。它们之间的函数关系反映在桥规附录所列的公式以及表中。根据与从该表中查得每线换算的均布活载，除以2即得每片主桁承受的换算的均布活载。 仍以下弦杆为例： 查表得 则。再以斜杆为例：，查表得 则。，查表得 则。2. 静活载所产生的内力为了求得最大活载内力，换算均布活载应布满同号影响线全长。下弦杆：再以斜杆为例，产生最大活载内力的加载情况有两种：活载布满后段长度产生最大压力，活载布满左段长度产生最大拉力。故分别加载后得：3. 冲击系数根据桥规规定，钢桁梁的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，其余均为桥梁跨度。弦杆、斜杆及支座冲击系数：挂杆的冲击系数：4. 活载发展的均衡系数桥规要求：所有杆件因活载产生的轴向力、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。下弦杆： 斜杆： 5. 活载产生的内力:考虑冲击作用和活载发展均衡系数在内时,活载所产生的内力为： 下弦杆： 斜杆： 四、横向荷载(风力或摇摆力)所产生的内力1. 横向荷载计算主桁的上下弦杆兼为上下平纵联的弦杆,端斜杆又是桥门架的腿杆, 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根据桥规规定,风压强度按标准设计考虑。有车时，并不大于；无车时。式中： 风载体型系数； 风压高度变化系数； 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）上的分配系数为1.0，在上平纵联上的分配系数为0.2。 对钢桁梁而言，横向风力的受风面积应按照桥跨结构理论轮廓面积乘以0.4。 列车受风面积应按3m高的长方带计算，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的风荷载分别为：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根据桥规，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、下平纵联分配到的横向摇摆力为：上平纵联摇摆力： 下平纵联摇摆力： 风力和摇摆力不同时计算，故在本设计中上、下平纵联均为风力控制设计。2. 横向荷载通过纵联在主桁杆件中所产生的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，均不考虑中间横联的弹性支承作用。当纵联为交叉形桁架时，取二斜撑的交点为力矩中心，于是按照图3（下页）可以算出影响线面积及内力。影响线面积： 弦杆内力： 以下弦杆为例：图3 钢桁架所受横向荷载再以上弦杆为例：3. 横向荷载通过桥门架在主桁杆件中所产生的内力（如图4）图4 横向荷载作用下带桁式顶撑的刚架内力计算上平纵联作用于桥门架顶部的反力：桥门架腿杆反弯点距支座的距离：（参考标准桁梁取） 反力在端斜杆产生的轴力和弯矩、反力通过支座斜反力在下弦产生的轴力上平纵联反力在支座引起的竖向反力列车及桥面上风力在支座引起的竖向反力五、纵向荷载（制动力）所产生的内力按照桥规规定，制动力与冲击力同时计算时，制动力按竖向静活载重量的计算。静活载的位置应分别与各杆件残生最大活载内力时的实际活载位置一致。为简化计算，下面近似按图5的加载位置计算。图5 制动力在主桁杆件中所产生的内力1. 制动力所产生的支座反力加载长度： 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的轴力由于本设计弦杆中线与支座中心间距离较小，因而忽略该项影响。加载长度： 静活载： 制动力： 、杆内产生的轴力为：六、立柱内力 立柱作为减少上弦压杆自由长度的支撑杆件，按桥规规定，应以其所支撑的压杆内力的作为其内力，予以检算。表1中立柱在运营阶段的内力按上弦的最大内力的算出。在安装阶段，立柱尚应检算在上弦的吊机压力。七、竖向荷载通过横向刚架作用在挂杆与立柱中引起的弯矩 横梁与挂杆截面的初选参照标准桁梁。桥规规定，对于主桁挂杆和立柱，应考虑横梁承受竖向荷载时，他们作为横向闭合钢架的腿杆所承受的弯矩。检算它们在轴力和弯矩共同作用下的疲劳强度。 图6 竖向荷载在立柱及挂杆中所产生的弯矩由图6所示计算图示，可算出挂杆或立柱在下端及中间支点处主桁平面外的弯矩及分别为：竖杆下端弯矩： 竖杆中间弯矩： 式中：，、分别为横梁与竖杆的惯性矩，其他符号见图6。已知：，代入以上两式可以求得：下端： 中间支点：八、主桁杆件的内力组合以上算出的主桁杆件所受单项轴力列表1第13-17项。按照桥规要求，各单项轴力应按照表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与稳定的计算内力，列于表1第21项。反复荷载出现拉力作用杆件，应检算疲劳；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。端斜杆与挂杆在荷载作用下，还受有弯矩，应与相应荷载情况下的轴力一并检算。 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A1A372.000.2544.1844.1818.5945.942029.711.252537.14+0.32380.00841.0014821.442540.69A3A372.000.558.9158.9118.5944.782637.951.253297.44+0.33220.00001.00001095.253297.44下弦杆E0E272.000.125+25.77+25.7718.5947.49+1223.951.25+1529.93+0.31320.01901.0032+479.17+1534.77E2E472.000.375+55.23+55.2318.5945.29+2501.241.25+3126.55+0.32840.00371.0006+1026.80+3128.50斜杆E0A172.000.12540.7040.7018.5947.491932.841.252416.05+0.31320.01901.0032756.702423.68A1E261.710.125+29.90+29.0718.5948.69+1455.801.25+1819.75+0.29700.03511.0059+540.50+1830.4010.290.1250.83+29.0772.4860.2075.257.18267.51472.2525169.50E2A351.430.12520.7717.4418.5950.311044.791.251305.99+0.24830.08381.0140324.301324.2320.570.125+3.3217.4459.82+198.75+248.441.30531.63751.2729+316.25A3E441.140.125+13.29+5.8118.5952.18+693.501.25+866.87+0.12470.20751.0346+108.10+896.8430.860.1257.48+5.8154.85410.03512.540.21090.54311.0905558.93竖杆A1E118.000.50+9.00+9.0018.5957.10+513.901.483+761.99+0.21960.11261.0188+167.33+776.28A3E3A2E218.000.509.009.0018.5957.10167.33A4E4支座竖向72.550+36.28+36.2818.5950.12+1818.081.25+2272.61+0.29680.03541.0059+674.43+2286.01纵向72.550横向 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+附加力强度与稳定疲劳纵联风力桥门架效应制动力内力项 次15161718192021222324单 位kNkNkNkNkNkNkNkNmkNkNm上弦杆A1A3164.19 3362.132938.603362.13A3A3212.844392.693837.944392.69下弦杆E0E2+430.41+145.95+231.70+2013.94+2158.58+1796.51+2158.58+2009.11+479.17E2E4+695.28+145.95+231.70+4155.30+4163.78+3509.60+4163.78+4153.35+1026.80斜杆E0A1148.953180.382774.443180.38+195.34134.90A1E2+2370.91+2370.91+2360.25+465.25+371.00+371.00E2A31648.541648.541630.2975.868.068.06A3E4+1004.95+1004.95+974.97404.44450.83450.83竖杆A1E1+943.61+943.61+929.32+167.33102.20A3E3A2E2299.11299.11A4E4支座竖向+218.58+13.15+2960.44+2649.19+2378.88纵向+233.24+186.59横向第三部分： 主桁杆件设计一、主桁杆件的检算内容及设计步骤主桁杆件根据受力性质的不同，应进行下表所列项目的检算。 各类杆件的检算内容 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 劳出现拉应力的受循环荷载杆件用试算法设计各类杆件的步骤：1. 参考性质相近（指内力性质及大小，杆长及截面式样，材料和连接方式）的已有设计资料，初步拟定截面尺寸；2. 根据初步拟定的截面尺寸，算出进行各类检算所需的截面几何特征数据；3. 按上表要求进行各项检算。如初选截面不合适，则进行修改，重新计算，直至符合要求为止；4. 为了减少杆件类型以简化制造，便于互换和管理，同一组设计中之同类杆件内力相差不大者，尽量采用相同的截面。二、主桁杆件截面几何特征计算由于H形截面在制造、安装、运营等方面比较优越，本设计主桁杆件全部采用H形截面，杆宽为460mm，杆高最大为600mm，该值小于杆长的1/10，按桥规要求均可免算节点刚性次应力。主桁杆件截面尺寸示下图7，各项几何特征列于表3。图7 主桁杆件截面尺寸杆件几何特征计算以端斜杆为例说明如下：截面组成为260022+141614，截面布置及栓孔数见表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半径自由长度长细比项 次123456789单 位mmmmmmmm2mm2mm4mm4mmmm上弦杆A1A3246026140816304.48256.6442192.86121827.2833295.0199272.9511.7720.0090090076.4544.99A3A3246032405.28346.451984.97149564.4441033.77122549.5111.3319.2190090079.4746.85139628下弦杆E0E2246014143212180.64154.8822717.9572134.1517926.8059319.7511.2119.9890080.2545.04900E2E4246022141614260.64220.1635699.38105553.6828170.4386122.7411.7020.1290076.9090044.72端斜杆E0A1260022141614322.24261.5279209.51135122.5059043.95105976.0915.6820.481279.11421.381.5969.41 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半径自由长度长细比项 次123456789单 位mmmmmmmm2mm2mm4mm4mmmm中间斜杆A1E2244012143610149.2127.1217040.4359905.3512933.7348823.8410.6920.041137.01421.3106.3970.93E2A3246016142812198.56169.1225962.4380417.7320486.8365902.2411.4320.121137.01421.399.4470.62A3E4244014143212175.04123.2149.2897.4419882.4969348.4115091.3456534.0112.7019.901137.01421.389.5071.40竖杆A1E122601214361010694.963518.8338224.132602.6932683.385.7618.998801100152.7357.93A3E3A2E2A4E422601214361010662.494.9651.363518.8338224.132602.6932683.387.5118.998801100117.1957.93三、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；疲劳检算内力值为，（1）刚度计算由表3计算，下弦杆，。（2）强度计算由表3得下弦杆的净面积（3）疲劳检算根据桥规，疲劳应力为拉拉构件时，简算公式为：式中：疲劳容许应力幅；双线桥的双线系数；损伤修正系数；板厚修正系数。查规范表3.27-1得下弦杆的疲劳容许应力幅类别为，查表3.27-1知其疲劳容许应力幅为；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得上弦杆的净面积（3）整体稳定检算，查桥规表3.2.6，按照线性内插计算得：容许应力折减系数容许应力：；计算应力： （4）局部稳定检算a、水平板 按照桥规，查表5.3.3，当时，水平板的宽厚比最大值为b、竖板 按照桥规，查表5.3.3，当时，竖板的宽厚比最大值为3. 拉弯杆件（吊杆）由于本设计中无桥面系设计，即无挂杆的主平面外弯矩，因此挂杆只按照强度等进行检算。（注：按设计要求需对交汇于E2节点的所有杆件进行截面检算，除上述下弦杆、吊杆外的其它杆件，其强度、刚度、局部稳定性、整体稳定性以及疲劳验算的方法均相同，检算过程不再累述，检算结果详见表4）四、杆端高强螺栓计算按照钢桥规范第6.1.1条，每个高强度螺栓的容许抗滑承载力计算式为：式中： 高强螺栓的容许抗滑承载力；高强螺栓连接处的抗滑面数；高强螺栓连接的钢材表面抗滑移系数，不大于0.45；高强螺栓的设计预拉力，为；安全系数，采用1.7。主桁腹杆杆端高强度螺栓个数n应满足。为杆件的承载力，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：杆件承载力 螺栓数个；3. 拉压杆杆件承载力 螺栓数个。33 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劳高强螺栓水平板竖板计算应力容许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A1A376.45100.00131.0125.508.54110.42113.413453.0965.22200.0040.5815.70A3A379.47126.8114.146.75108.39109.494437.5883.82100.00200.0041.7916.13下弦杆E0E280.25139.3784.70130.73097.6058.51112100.00200.00E2E476.90189.13119.96130.74403.2083.17112100.00200.00端斜杆E0A181.59121.6129.7113.3298.70113.55106.863443.5965.05100.00200.0042.6316.42108.95中间斜杆A1E2106.39186.51127.01130.72370.9144.7848180.00200.00E2A399.4497.4835.6714.0083.0285.471697.0232.0548100.00200.0049.7718.92A3E489.5067.3236.0015.2957.4197.2178.81130.72985.6056.39100.00200.0045.8017.53竖杆A1E1152.7399.3771.89130.71899.2035.87A3E3180.00200.00A2E2117.1931.5043.6010.4228.2267.88719.4913.5928A4E4150.00200.0056.8721.41第四部分： 弦杆拼接计算以下弦杆与在节点中心的拼接为例。由于弦杆截面对轴对称，故只需取轴一侧的半个截面进行计算。一、计算依据根据第二章表3计算结果，已知：杆半净面积：杆半净面积：节点板选用厚度： 节点板供给拼接面积：二、拼接板截面拼接板与节点板共需净面积选用220022作为内拼接板，供给面积为：内、外拼接板（节点板）合计供给面积为： 内、外拼接板供给面积较需要面积小，在一般设计容许误差范围内。三、拼接螺栓拼接板在节点中心截面承受循环拉力，其承载力应按杆的疲劳强度确定，但桥规未给出弦杆拼接板及节点板的疲劳强度，用基本容许应力计算，这样计算的连接较安全。节点板每端需要高强螺栓数：实际用32个。上、下拼接板每端共需要高强螺栓数：实际用28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，端距采用50mm，间距按节点板样板标准栓孔布置，具体情况见下图8，可以得出内拼接板长度：图8 拼接板螺栓布置示意图第五部分： 节点板设计为保证横梁长度一致，本设计节点的节点板均采用。节点板的平面尺寸系先根据杆端连接螺栓排列需要拟定，再根据强度检算确认。以节点为例，节点板平面尺寸按外形方整，裁制简便，根据等强度原则，经修改定案后，长，高。节点板上实际螺栓个数的确定：在节点板最小轮廓线与设计轮廓线之间空下的栓孔位置，应按桥规规定的容许最大栓距补上一定数量的螺栓。此时即可统计出节点板、拼接板和杆件上的实际螺栓个数，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保证节点板在交汇杆件外力作用下有足够的强度，对节点板的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的强度均应比作用于该截面的杆件强度大，并规定了破坏截