城市人行天桥(钢结构)结构计算书学士学位论文.doc

目 录一、工程概述1二、主要技术标准1三、设计规范1四、主要材料及计算参数24.1混凝土24.2 普通钢筋24.3钢材24.4 计算荷载取值34.4.1 永久作用34.4.2可变作用3五、人行天桥计算模型35.1梁单元计算简图35.2有限元模型中梁截面模型4六、人行天桥主桥上部结构分析结果描述46.1 应力分析46.2. 模态分析56.3 挠度计算66.4 整体稳定性计算66.5局部稳定性计算7七 、人行天桥主桥下部结构分析结果描述77.1 主墩截面验算77.2 桩基础验算8八、人行天桥梯道梁上部结构分析结果描述98.1 应力分析98.2 模态分析108.3 挠度计算结果11九 、人行天桥梯道梁下部结构分析结果描述119.1 梯道墩截面验算119.2 桩基础验算12十、结论13一、工程概述xxx路人行过街系统位于xxxx附近，结构形式为钢箱梁人行天桥。主桥的设计采用直线Q345钢箱梁主梁，梁高1.5m，主梁跨径布置为1.15m+28.05m+1.15m=30.35m，桥面全宽3.7m，其横向布置为0.1(栏杆)+3.5m(净宽)+0.1(栏杆) =3.7m。梯道的设计采用梯道梁与梯踏步组合而成，梯道梁采用Q345钢板焊接，梁高0.3m，宽1.0m，在梯道梁上设置预制C30钢筋砼梯踏步，梯道全宽2.3m，其横向布置为0.1(栏杆)+2.1m(净宽)+0.1(栏杆) =2.3m。下部结构主桥墩采用C40钢筋砼花瓶形桥墩，厚0.65m；基础采用直径为1.5m的C30钢筋砼桩基础。梯道桥墩采0.5x0.5m C40钢筋砼矩形桥墩，基础采用直径为1.0m的C30钢筋砼桩基础。二、主要技术标准（1）设计荷载：人群荷载：4.36 kN/m2；二期恒载（桥面铺装与栏杆总和）：9.0 kN/m；结构整体升降温：20。（2）地震烈度：抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，桥梁抗震设防类别为D类；（3）设计安全等级：一级；（4）环境类别：类；（5）设计基准期：100年。三、设计规范（1）公路工程技术标准(JTG B012003)（2）城市桥梁设计规范（CJJ 112011）（3）城市人行天桥与人行地道技术规范（CJJ69-95）（4）公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)（5）公路圬工桥涵设计规范(JTG D61-2005)（6）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)（7）公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）（8）公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02-01-2008）（9）公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）四、主要材料及计算参数4.1混凝土人行天桥桥墩采用C40混凝土，梯踏步、桩基础均采用C30混凝土，梯步底部砌体调整平台结构采用C25片石混凝土。其轴心抗压设计强度、轴心抗拉设计强度、弹性模量等指标应满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (JTG D62-2004)以及公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）的材料要求。C25混凝土：轴心抗压强度设计值fcd=11.5Mpa，轴心抗拉强度设计值ftd=1.23Mpa，弹性模量Ec=2.8x104Mpa。C30混凝土：轴心抗压强度设计值fcd=13.8Mpa，轴心抗拉强度设计值ftd=1.39Mpa，弹性模量Ec=3.0x104Mpa。C40混凝土：轴心抗压强度设计值fcd=18.4Mpa，轴心抗拉强度设计值ftd=1.65Mpa，弹性模量Ec=3.25x104Mpa。4.2 普通钢筋一般钢筋直径大于等于12mm者为HRB400钢筋，直径小于等于10mm者为HPB300钢筋。HPB300、HRB400钢筋标准应分别符合钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋（GB 1499.1-2008），钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋（GB 1499.2-2007）标准的规定。HPB300钢筋：抗拉标准强度fsk300Mpa，弹性模量Es=2.1105Mpa。HRB400钢筋：抗拉标准强度fsk400Mpa，弹性模量Es=2.0105Mpa。4.3钢材钢材的弹性模量、设计抗压（拉）强度参数等基本参数均按规范取值。Q345钢材：拉、压设计强度值为310MPa4.4 计算荷载取值4.4.1 永久作用一期恒载：按照实际结构尺寸考虑。二期恒载（桥面铺装与栏杆总和）：设计按9.0 kN/m取值。4.4.2可变作用a、人群荷载整体计算中按照4.36 kN/m2设计。b、温度荷载结构整体升温：20结构整体降温：-20；五、人行天桥计算模型桥梁纵向计算按梁单元建模计算，根据实际施工过程及使用过程的最不利状况，进行荷载组合，求得结构最不利状态下的应力和位移，按规范中所规定的各项容许指标，并得出结构自振频率，验算主梁是否满足要求。5.1梁单元计算简图采用midas 2012有限元软件，建立天桥主桥模型。注意：在P0-1号、P1-1号墩方向存在梯步。为了简化模型的建立，单独建立梯道部分模型，对主体结构影响不明显。人行天桥钢箱梁主桥计算模型人行天桥梯道钢梁计算模型5.2有限元模型中梁截面模型人行天桥钢箱梁截面模型人行天桥梯道钢梁截面模型六、人行天桥主桥上部结构分析结果描述6.1 应力分析组合按照公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004），并进行构件应力验算（所有组合系数取1）。设计是按钢结构设计规范（GB 50017-2003）取用Q345钢材。Q345钢，拉、压设计强度值为310MPa。承载能力极限状态梁顶板应力包络图承载能力极限状态梁底板应力包络图根据midas有限元模型计算分析可知：顶板最大压应力为35.6MPa，底板最大拉应力为58.6MPa。从上部结构纵向计算几种组合的验算结果可以看出，天桥主梁的应力验算满足要求。6.2. 模态分析模态分析采用midas 2012有限元软件进行分析，用梁单元建立了上部主梁单元，空间模型如下：质量源选取：主梁自重及桥面铺装等恒荷载。经计算钢结构一阶竖向自振频率为3.95Hz，满足规范规定大于3Hz要求，桥梁使用性满足要求。一阶模态振形图：（周期T=0.284）6.3 挠度计算根据城市人行天桥与人行地道技术规范2.5.2条规定，由人群荷载计算的最大竖向挠度为13.238mm，小于规范要求的允许值L/600=4.675cm。6.4 整体稳定性计算根据钢结构设计规范（GB 50017-2003）4.2.4条规定：,所以整体稳定满足要求。 6.5局部稳定性计算对于主梁腹板位置，根据钢结构设计规范（GB 50017-2003）4.3.2条规定：,故需设横向加劲，采用横隔板进行加劲。,故不需设纵向加劲。加劲区域稳定验算：根据钢结构设计规范（GB 50017-2003）4.3.3条规定，若满足，则满足要求，具体如下：跨中截面：支点截面：七 、人行天桥主桥下部结构分析结果描述由于桥梁规模较小，引起水平荷载不显著。故可近似的按轴心受压构件计算.桥墩验算，采用桥梁博士进行墩身截面验算7.1 主墩截面验算(1)墩身抗压承载能力验算桥梁最大支座反力991.9 KN，主墩自重为122.5KN。考虑按矩形截面计算取，最小截面1.0m x 0.65m，按照JTG D62-2004 5.3.1条计算，由：控制稳定性,与lo(构件计算长度)有关;A构件毛截面面积,当钢筋配筋率大于3%时An=A-As;As为全部纵向钢筋面积;fcd混凝土轴心抗压强度设计值，C40取18.4MPa.r0Nd（KN）A（m2）As（m2）fcd（KN/m2）fsd（KN/m2）1.1991.91.00.650.013745218400330000左边（KN）右边（KN）是否满足1091.114846.3满足(2)墩顶局部抗剪承载能力验算主墩采用花瓶型桥墩，墩顶支座位置对应竖向截面需验算局部抗剪承载能力验算。其中，单个支座最大反力496.0 KN。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)第5.2.10条，公式左边为：公式右边为：满足公式及规范要求，故可不进行斜截面抗剪承载力验算。7.2 桩基础验算由Ra= C1Apfrk+uc2ihi+1/2suliqik 式中:Ra- 单桩轴向受压容许承载力(kpa)，桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；C1-据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，按表5.3.4采用;Ap-桩端截面面积（m2）,对于扩底桩，取扩底截面面积;frk-桩端截岩石饱和单轴极限抗压强度(kpa)，粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值；C2i-据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数，按表5.3.4采用;u-各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；hi-桩嵌入各岩层部分的厚度(m)，不包括强风化层和全风化层；m-岩层的层数不包括强风化层和全风化层；s-覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端frk确定：当2MPafrk15 MPa时，取0.80;当15MPafrk30 MPa时，取0.50;当frk30 MPa时，取0.20；li-各土层的厚度（m）；qi-桩侧第i层土的侧阻标准值（Kpa），宜采用单桩摩阻力试验值，当无试验条件时，对钻（挖）孔桩按本规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按本规范表5.3.3-4选用；n-土层的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑.条件C1C2良好0.60.05一般0.50.04较差0.40.03计算得到桩基直径 d1.5m端阻发挥系数 c10.5岩层的层数 m1岩层的侧阻发挥系数 c2ic210.04c220.04c230.04桩嵌入各岩层部分的厚度 hih10mh20mh36m桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值 frkifrk10kPafrk26000kPafrk36000kPa土层的层数 n0土层的侧阻力标准值 qikq1k0kPaq2k0kPaq3kkPa各土层的厚度 lil10ml20ml30m覆盖层土的侧阻发挥系数 s0.8单桩轴向受压承载力设计值 P2043kN计算过程参数桩端截面面积 Ap1.8m2各土层或各岩层部分桩身周长 u4.7m计算结果单桩轴向受压承载力容许值 Ra12081kN承载能力是否满足满足八、人行天桥梯道梁上部结构分析结果描述8.1 应力分析组合按照公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004），并进行构件应力验算（所有组合系数取1）。设计是按钢结构设计规范（GB 50017-2003）取用Q345钢材。Q345钢，拉、压设计强度值为310MPa。承载能力极限状态梁顶板应力包络图极限承载能力状态梁底板应力包络图根据midas有限元模型计算分析可知：顶板最大拉应力为51.6MPa，最大压应力为34.0MPa底板最大拉应力为33.9MPa，最大压应力为51.6MPa从上部结构纵向计算几种组合的验算结果可以看出，天桥梯道梁的应力验算满足要求。8.2 模态分析模态分析采用midas 2012有限元软件进行分析，用梁单元建立了上部梯道梁单元，空间模型如下：质量源选取：主梁自重及桥面铺装等恒荷载。经计算钢结构一阶竖向自振频率为6.97Hz，满足规范规定大于3Hz要求，桥梁使用性满足要求。一阶模态振形图：（周期T=0.143）8.3 挠度计算结果根据城市人行天桥与人行地道技术规范2.5.2条规定，由人群荷载计算的最大竖向挠度为1.402mm，小于规范要求的允许值L/600=1.25cm。九 、人行天桥梯道梁下部结构分析结果描述由于桥梁规模较小，引起水平荷载不显著。故可近似的按轴心受压构件计算.桥墩验算，采用桥梁博士进行墩身截面验算9.1 梯道墩截面验算桥梁最大支座反力316.7 KN，梯道墩自重为25.0KN。考虑按矩形截面计算取，最小截面0.6mx0.6m，按照JTG D62-2004 5.3.1条计算，由：控制稳定性,与lo(构件计算长度)有关;A构件毛截面面积,当钢筋配筋率大于3%时An=A-As;As为全部纵向钢筋面积;fcd混凝土轴心抗压强度设计值，C40取18.4MPa.r0Nd（KN）A（m2）As（m2）fcd（KN/m2）fsd（KN/m2）1.1341.71.00.250.00628418400330000左边（KN）右边（KN）是否满足375.96006.3满足9.2 桩基础验算由Ra= C1Apfrk+uc2ihi+1/2suliqik 式中:Ra- 单桩轴向受压容许承载力(kpa)，桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑；C1-据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，按表5.3.4采用;Ap-桩端截面面积（m2）,对于扩底桩，取扩底截面面积;frk-桩端截岩石饱和单轴极限抗压强度(kpa)，粘土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值；C2i-据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数，按表5.3.4采用;u-各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；hi-桩嵌入各岩层部分的厚度(m)，不包括强风化层和全风化层；m-岩层的层数不包括强风化层和全风化层；s-覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端frk确定：当2MPafrk15 MPa时，取0.80;当15MPafrk30 MPa时，取0.50;当frk30 MPa时，取0.20；li-各土层的厚度（m）；qi-桩侧第i层土的侧阻标准值（Kpa），宜采用单桩摩阻力试验值，当无试验条件时，对钻（挖）孔桩按本规范表5.3.3-1选用，对于沉桩按本规范表5.3.3-4选用；n-土层的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑.条件C1C2良好0.60.05一般0.50.04较差0.40.03计算得到桩基直径 d1.0m端阻发挥系数 c10.5岩层的层数 m1岩层的侧阻发挥系数 c2ic210.04c220.04c230.04桩嵌入各岩层部分的厚度 hih10mh20mh34m桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值 frkifrk10kPafrk26000kPafrk36000kPa土层的层数 n0土层的侧阻力标准值 qikq1k0kPaq2k0kPaq3kkPa各土层的厚度 lil10ml20ml30m覆盖层土的侧阻发挥系数 s0.8单桩轴向受压承载力设计值 P657.0kN计算过程参数桩端截面面积 Ap0.785m2各土层或各岩层部分桩身周长 u3.14m计算结果单桩轴向受压承载力容许值 Ra5369kN承载能力是否满足满足十、结论（1）经对人行天桥主桥及下部结构计算可知，桥梁满足安全，适用，耐久的条件；（2）经对人行天桥梯道钢梁及下部结构计算可知，梯道钢梁满足安全，适用，耐久的条件。14