單線鐵路下承式栓焊簡支鋼桁梁橋課程設計PAGE28TOC\o"1-4"\h\u35第一章設計資料 3489第一節基本資料 310327第二節設計內容 317407第二章主桁桿件內力計算 319868第一節主力作用下主桁桿件內力計算 3160531恒載 357712活載 4201893列車橫向搖擺力產生的弦桿內力 5HYPERLINK\l_Toc253044MIDAS計算結果 615040第二節橫向風力作用下的主桁桿件附加力計算 7223851風荷載施加 7133922風荷載計算結果 8HYPERLINK\l_Toc25678第三節制動力作用下的主桁桿件附加力計算 887521下弦桿制動力計算 823020第四節疲勞內力計算 93521第五節主桁桿件內力組合 10HYPERLINK\l_Toc50111主力組合 10181342主力和附加力組合 109428第三章主桁桿件截面設計 124538第一節下弦桿截面設計 12HYPERLINK\l_Toc112281中間下弦桿E2E4 1268241)初選桿件截面 12142332)剛度驗算 125033)拉力強度驗算 12265594)疲勞強度驗算 12118902端下弦桿E0E2 13241051)初選截面 13163192)剛度驗算 1351773)拉力強度驗算 1771322484)疲勞強度驗算 1431764第二節上弦桿截面設計 14313491端上弦桿A1A2 14217491)初選截面 14269432)剛度驗算 1448463)強度以及總體穩定驗算 15113704)局部穩定驗算 15322032中上弦桿A3A4 15HYPERLINK\l_Toc194211)初選截面 1520382)剛度驗算 16230293)強度以及總體穩定驗算 1696084)局部穩定驗算 1616589第三節端斜桿E0A1截面設計 17278921)初選截面 17181182)剛度驗算 17219973)強度以及總體穩定驗算 17277354)局部穩定驗算 1820584第四節中間斜桿截面設計 1954951斜桿A1E2 19319941)初選截面 19171682)剛度驗算 PAGEREF_Toc1716819227523)強度以及總體穩定驗算 1913804)局部穩定驗算 208765)疲勞驗算 20220942斜桿A3E2、A3E4 2012202第五節吊桿截面設計 21170851)初選截面 21113962)剛度驗算 21176313)拉力強度驗算 21HYPERLINK\l_Toc324274)疲勞強度驗算 2131961第六節腹桿高強度螺栓計算 228970第四章弦桿拼接計算和下弦端節點設計 239211第一節E2節點弦桿拼接計算 23HYPERLINK\l_Toc14231下弦桿的拼接計算 23140291)拼接板截面設計 23224182)拼接螺栓和拼接板長度 23298143)內拼接板長度 24HYPERLINK\l_Toc25952斜桿的拼接計算 2415983吊桿的拼接計算 245118第二節E0節點弦桿拼接計算 24307781)拼接板截面設計 24102382)拼接螺栓和拼接板長度 25134273)內拼接板長度 2526692第三節下弦端節點設計 2531733第五章桁架梁橋空間模型計算 2517255第一節建立空間詳細模型 2530126第二節恒載以及恒載和活載下豎向變形計算 2621617第三節主力作用下內力校核 2726895第四節主力+風荷載作用下內力校核 279075第五節主力+制動力荷載作用下內力校核 2810941第六章設計總結 28第一章設計資料第一節基本資料1.設計規范：鐵路橋涵設計基本規范(TB10002.1-2005)，鐵路橋梁鋼結構設計規范(TB10002.2-2005)。2.結構輪廓尺寸：計算跨度L＝64m，鋼梁分8個節間，節間長度d＝L/8=8m，主桁高度H＝11m，主桁中心距B＝5.75m，縱梁中心距b＝2.0m，縱聯計算寬度B0＝5.30m，傾斜角，采用明橋面、雙側人行道。3.材料：主桁桿件材料16Mnq，板厚≤32mm，高強度螺栓采用40B。4.連接：工廠焊接，工地栓接，基本參數：栓徑23mm，預緊力200KN，摩擦系數0.45。5.活載等級：中－荷載。6.恒載：鋼橋橋面為明橋面，雙側人行道，自重按34KN/m，風力為1000KN/m2。第二節設計內容1.主桁桿件內力計算；2.主桁桿件截面設計；3.弦桿拼接計算和下弦端節點設計；4.撓度驗算和上拱度設計；5.空間分析模型的全橋計算。第二章主桁桿件內力計算說明：橋梁采用MIDASCIVIL進行建模計算各個桿件內力，其中上下弦桿、橋門架、斜桿、吊桿均采用梁單元，但是釋放兩端約束，而成為桁架體系，橫梁采用梁單元，為了便于施加移動荷載——中活載，設置虛擬梁，材料自定義，密度為0，彈性模量足夠小，截面取圓形，半徑足夠小，剛度可以忽略。第一節主力作用下主桁桿件內力計算1恒載根據要求，恒荷載采用34KN/m，加在虛擬梁之上。活荷載則加于虛擬梁之上，具體情況如圖所示：圖1恒荷載加載圖2活載活荷載則加于虛擬梁之上。虛擬梁材料自定義，密度為0，彈性模量足夠小，截面取圓形，半徑足夠小，剛度可以忽略。活載為中活載，車道數為1，單線鐵路。圖2活荷載加載圖圖3中活載定義圖示3列車橫向搖擺力產生的弦桿內力橫向搖擺力取S＝100KN作為一個集中荷載取最不利位置加載，水平作用在鋼軌頂面。搖擺力在上下平縱聯的分配系數如下：橋面系所在平面分配系數為1.0，另一平面為0.2。上平縱聯所受的荷載S上＝0.2×100＝20kN,下平縱聯所受的荷載S下＝1.0×100＝100kN。圖4列車橫向搖擺力加載圖4MIDAS計算結果通過計算，分別得出在恒載、活載以及活載+恒載作用下各個桿件的軸力大小，如下圖所示：圖5恒載作用下軸力圖圖6活載作用下最大值軸力圖圖7列車橫向搖擺力作用下最大值軸力圖圖8恒載+活載作用下絕對最大值軸力圖圖9恒載+活載+列車搖擺力作用下絕對最大值軸力圖第二節橫向風力作用下的主桁桿件附加力計算1風荷載施加依設計任務書要求，風壓W＝1000KN/m2。為了便于計算，將桁架一面建立虛擬面單元，厚度足夠薄（取0.001m），材料和虛擬梁一樣，密度為0，彈性模量足夠小，考慮到面荷載折減，乘以折減系數0.4，則為0.4KN/m2。如圖所示：圖10風荷載加載圖2風荷載計算結果圖11風荷載作用下軸力圖圖12恒載+活載+橫向搖擺力+風荷載作用下軸力圖第三節制動力作用下的主桁桿件附加力計算1下弦桿制動力計算圖13移動荷載最不利位置以下弦桿E3E4為例，通過邁達斯內部的移動荷載追蹤器確定將活載作如圖所示的布置，為產生最大桿力的活載布置位置。其中車頭至起始點距離為53m，故橋上活載總重＝5×220+30×92+15.5×80KN=5100KN，在主力作用下的內力已計入沖擊系數，制動力按靜活載的7％計算:制動力T＝5100×0.07＝357kN，加在中間橫梁上，得出各桿件內力情況。圖14制動力加載圖圖15制動力荷載作用下軸力圖第四節疲勞內力計算疲勞荷載組合包括設計載荷中的恒載和活載(包括沖擊力、離心力，但不考慮活載發展系數)。列車豎向活載包括豎向動力作用時，應將列車豎向靜活載乘以運營動力系數(1+μf)。同時，第4.3.5條又規定，焊接及非焊接(栓接)構件及連接均需進行疲勞強度檢算，當疲勞應力均為壓應力時，可不檢算疲勞。疲勞計算采用動力運營系數。其值按下式計算：。式中：L—橋梁跨度（m），承受局部活載桿件為影響線加載長度；—活載沖擊力的動力系數。，計算結果匯入表格。第五節主桁桿件內力組合1主力組合圖16恒載+活載+列車搖擺力作用下絕對最大值軸力圖2主力和附加力組合圖17恒載+活載+列車搖擺力+風荷載作用下絕對最大值軸力圖圖18恒載+活載+列車搖擺力+制動力荷載作用下絕對最大值軸力圖第六節各種工況下內力計算匯總表表1主桁桿件內力計算匯總表桿件類型桿件編號單元編號主動力附加力荷載組合疲勞荷載主力主力+風力主力+制動力恒載活載搖擺力風荷載制動力力彎矩力彎矩NminNmax單位KNKNKNKNKNKNKNKN*mKNKN*mKNKN上弦桿A1A21-564.441494.21-1.055.9702059.72053.732059.7A2A32-569.251507.12-7.89-0.43-0.012084.262084.72084.27A3A43-756.362045.92-15.782.23-0.012818.062815.832818.07下弦桿E0E17322.99853.96135.38114.55166.551312.331426.891478.89322.991330.66E1E28324.69858.4743.9327.03167.111227.091254.121394.2324.691337.68E2E39693.811859.32-49.03-47.3167.232504.12456.82671.32693.812887.81E3E410694.421861.04-138.86-88.17161.732416.62328.442578.33694.422890.45橋門架E0A115-588.561556.071.317.7102143.322135.6117.32143.312.52吊桿E1A117135.97549.02-0.02-0.01-0.01684.97684.96684.96135.97783.81E2A2180.010.06000.010.070.070.080.010.08E3A319135.92540.50.020.01-0.01676.44676.45676.43135.92773.71E4A42000.050.01000.060.060.0600.06斜桿E2A124420.421174.59-1.26-7.660.011593.751586.091593.76420.421806.44E2A325-252.2849.971.267.6601100.911093.241100.91-252.2750.76E4A32684.13561.56-1.31-7.70644.38636.68644.3884.13746.77第三章主桁桿件截面設計第一節下弦桿截面設計1中間下弦桿E2E41)初選桿件截面選用腹板1-420×12翼緣2-460×20每側有4排栓孔，孔徑d＝23cm;毛截面Am＝2×46×2＋42×1.2＝234.4cm2栓孔削弱面積ΔA＝2×4×2×2.3＝36.8cm2凈截面面積Aj＝Am-ΔA＝234.4-36.8＝197.6cm22)剛度驗算利用邁達斯計算截面特性有Iy=32451.38cm4桿件自由長度ly＝800cm，驗算通過。由于，無需驗算。3)拉力強度驗算4)疲勞強度驗算由表1可知Nmin＝694.42KN、Nmax＝2890.45KN得拉－拉桿件驗算式：式中線路系數，損傷修正系數，板厚修正系數查規范表3.27-2的桿件驗算截面為第Ⅲ類疲勞等級，查表3.27-1知其疲勞容許應力[σ0]＝130.7MPa,故1.0×1.0×(146.28-35.14)＝111.14MPa≤1.01×130.7＝132.01MPa，通過驗算。2端下弦桿E0E21)初選截面選用腹板1-436×10翼緣2-460×12每側有4排栓孔，孔徑d＝23cm;毛截面Am＝2×46×1.2＋43.6×1＝154cm2栓孔削弱面積ΔA＝2×4×1.2×2.3＝22.08cm2凈截面面積Aj＝Am-ΔA＝154-22.08＝131.92cm22)剛度驗算利用邁達斯計算截面特性有Iy=19470.83cm4桿件自由長度ly＝800cm，驗算通過。由于，無需驗算。3)拉力強度驗算NI＝1478.89KN，4)疲勞強度驗算由表1可知Nmin＝324.69KN、Nmax＝1337.68KN得 拉－拉桿件驗算式：式中線路系數，損傷修正系數，板厚修正系數查規范表3.27-2的桿件驗算截面為第Ⅲ類疲勞等級，查表3.27-1知其疲勞容許應力[σ0]＝130.7MPa,故1.0×1.15×(101.40-24.61)＝88.31MPa≤1.2×130.7＝156.84MPa，通過驗算。第二節上弦桿截面設計1端上弦桿A1A21)初選截面選用腹板1-420×12翼緣2-460×20每側有4排栓孔，孔徑d＝23cm;毛截面Am＝2×46×2＋42×1.2＝234.4cm2栓孔削弱面積ΔA＝2×4×2.0×2.3＝36.8cm2凈截面面積Aj＝Am-ΔA＝234.4-36.8＝197.6cm22)剛度驗算利用邁達斯計算截面特性有Iy=32451.38cm4桿件自由長度ly＝800cm，驗算通過。由于，無需驗算。3)強度以及總體穩定驗算由λy＝68.02，查表內插求得φ1＝0.873通過驗算。4)局部穩定驗算(1)翼緣板按照《鋼橋規范》，查表5.3.3，當λ≥50時，板件的寬厚比翼緣板,通過驗算。(2)腹板按照《鋼橋規范》，查表5.3.3，當λ≥50時，板件的寬厚比腹板通過驗算。2中上弦桿A3A41)初選截面選用腹板1-412×16翼緣2-460×24每側有4排栓孔，孔徑d＝23cm;毛截面Am＝2×46×2.4＋41.2×1.6＝286.72cm2栓孔削弱面積ΔA＝2×4×2.4×2.3＝44.16cm2凈截面面積Aj＝Am-ΔA＝286.72-44.16＝242.56cm22)剛度驗算利用邁達斯計算截面特性有Iy=38948.46cm4桿件自由長度ly＝800cm，驗算通過。由于，無需驗算。3)強度以及總體穩定驗算由λy＝68.64，查表內插求得通過驗算。4)局部穩定驗算(1)翼緣板按照《鋼橋規范》，查表5.3.3，當λ≥50時，板件的寬厚比翼緣板,通過驗算。(2)腹板按照《鋼橋規范》，查表5.3.3，當λ≥50時，板件的寬厚比腹板通過驗算。第三節端斜桿E0A1截面設計1)初選截面選用腹板1-420×12翼緣2-600×20每側有4排栓孔，孔徑d＝23cm;毛截面Am＝2×60×2＋42×1.2＝290.4cm2栓孔削弱面積ΔA＝2×4×2.0×2.3＝36.8cm2凈截面面積Aj＝Am-ΔA＝290.4-36.8＝253.6cm22)剛度驗算利用邁達斯計算截面特性有Iy=72006.05cm4，Ix=123648.8cm4桿件自由長度ly＝1360.15cm，，驗算通過。3)強度以及總體穩定驗算(1)主力作用由λy＝86.35，查表內插求得通過驗算。(2)主力＋橫向風力作用端斜桿E0A1在主力作用下為受壓桿件，在主力與橫向力作用下為壓彎桿。附加力為橫向力時，彎矩作用于主平面外。參照《鋼橋規范》第4.2.2條規定，對受壓并在一個主平面內受彎曲的桿件，總穩定性計算公式為：換算長細比，查表得，式中α——系數，焊接桿件取1.8；h——桿件兩翼緣板外緣距離，即截面寬度，h＝460mm。因端斜桿采用H形截面，且失穩平面為主桁平面，和彎矩作用平面不一致。按《鋼橋規范》第4.2.2條，此可以用作。所以應考慮彎矩因構件受壓而增大所引用的值μ1式中λ——構件在彎矩作用平面內的長細比；E——鋼材的彈性模量(MPa)；n1——壓桿容許應力安全系數。主力組合時取用n1＝1.7，[σ]應按主力組合采用；主力加附加力組合時取用n1＝1.4，[σ]應按主力加附加力組合采用。通過驗算。(3)主力＋制動力作用依照《鋼橋規范》4.2.2條規定，當驗算的失穩平面和彎矩作用平面一致時，，所以應考慮彎矩因構件受壓而增大所引用的值μ1通過驗算。4)局部穩定驗算(1)翼緣板按照《鋼橋規范》，查表5.3.3，當λ≥50時，板件的寬厚比翼緣板,通過驗算。(2)腹板按照《鋼橋規范》，查表5.3.3，當λ≥50時，板件的寬厚比腹板通過驗算。第四節中間斜桿截面設計1斜桿A1E21)初選截面選用腹板1-436×10翼緣2-460×12每側有4排栓孔，孔徑d＝23cm;毛截面Am＝2×46×1.2＋43.6×1＝154cm2栓孔削弱面積ΔA＝2×4×1.2×2.3＝22.08cm2凈截面面積Aj＝Am-ΔA＝154-22.08＝131.2cm22)剛度驗算利用邁達斯計算截面特性有Iy=19470.83cm4，Ix=62314.37cm4桿件自由長度ly＝1360.15×0.8=1088.12cm，lx＝1360.15cm，，，驗算通過。3)強度以及總體穩定驗算由λy＝96.80，查表內插求得通過驗算。4)局部穩定驗算(1)翼緣板按照《鋼橋規范》，查表5.3.3，當λ≥50時，板件的寬厚比翼緣板,通過驗算。(2)腹板按照《鋼橋規范》，查表5.3.3，當λ≥50時，板件的寬厚比腹板，通過驗算。5)疲勞驗算由Nmin＝-252.2kN、Nmax＝750.76kN得：，，為主拉為主的拉壓桿件，拉－拉桿件驗算式：式中線路系數，損傷修正系數，板厚修正系數查規范表3.27-2的桿件驗算截面為第Ⅲ類疲勞等級，查表3.27-1知其疲勞容許應力[σ0]＝130.7MPa,故1.0×1.15×(75.08+19.22)＝108.45MPa≤1.20×130.7＝156.84MPa，通過驗算。2斜桿A3E2、A3E4由于斜桿A3E2、A3E4截面選擇同斜桿A1E2，而受力參數皆小于斜桿A1E2，因此驗算都通過。不用再做相應驗算。第五節吊桿截面設計1)初選截面選用腹板1-436×10翼緣2-260×12每側有4排栓孔，孔徑d＝23cm;毛截面Am＝2×26×1.2＋43.6×1＝106cm2栓孔削弱面積ΔA＝2×4×1.2×2.3＝22.08cm2凈截面面積Aj＝Am-ΔA＝106-22.08＝83.92cm22)剛度驗算利用邁達斯計算截面特性有Iy=3518.8334cm4，Ix=38224.13cm4,桿件自由長度ly＝880cm，lx＝1100cm，，，《鋼橋規范》規定僅受拉力且長度≤16m的腹桿容許最大長細比為180。3)拉力強度驗算4)疲勞強度驗算由表1可知Nmin＝135.97KN、Nmax＝783.81KN得 ，拉－拉桿件驗算式：式中線路系數，損傷修正系數，板厚修正系數查規范表3.27-2的桿件驗算截面為第Ⅲ類疲勞等級，查表3.27-1知其疲勞容許應力[σ0]＝130.7MPa,故1.0×1.15×(93.40-16.19)＝88.80MPa≤1.2×130.7＝156.84MPa，通過驗算。第六節腹桿高強度螺栓計算按照《鋼橋規范》第6.1.1條，高強度螺栓容許抗滑承載力為：式中P——高強螺栓的容許抗滑承載力；m——高強螺栓連接處的抗滑面數；μ0——高強螺栓連接的鋼材表面抗滑移系數，不大于0.45；N——高強螺栓的設計預拉力，M22為200kN。K——安全系數，采用1.7。主桁腹桿桿端高強度螺栓個數n應滿足[N]為桿件的承載力，對于主桁桿件：受拉桿件，受壓桿，受拉壓桿件，1拉桿A1E2、A3E4桿件承載力螺栓數個。2壓桿A1E0桿件承載力螺栓數個。3拉壓桿A2E3螺栓數個。第四章弦桿拼接計算和下弦端節點設計第一節E2節點弦桿拼接計算1下弦桿的拼接計算1)拼接板截面設計《鋼橋規范》第9.0.7條規定，主桁受拉桿件拼接板凈面積應比被拼接桿件凈面積大10％。根據前面計算結果，E0E2桿(2-460×12，1-436×10)一半凈面積為，E2E4桿（2-460×20，-420×12）一半凈面積為節點板選用厚度δ＝12mm一塊節點板作為外拼接板提供的面積(取桿件高度46cm部分)A'p1＝(46-4×2.3)×1.2＝44.16cm2初選內拼接板為4-200×24(一側兩塊)，兩塊內拼接板凈面積為A'p2＝(2×20-4×2.3)×2.4＝73.92cm2內外拼接板凈面積為A'p＝A'p1+A'p2＝44.16+73.92＝118.08cm2≥1.1Aj2＝1.1×98.8＝108.68cm2，通過驗算。2)拼接螺栓和拼接板長度單抗滑面高強螺栓的容許承載力為：一側節點板(外拼接板)所需高強螺栓數：(至少取5排，共20個)一側兩塊內拼接板所需高強螺栓數：(至少取8排，共32個)但是考慮到外拼接板和內拼接板統一，于是取8排，共32個3)內拼接板長度內拼接板一側32個高強度螺栓，排成8排，端距取50mm，其長度為L＝2×(90+80+90+(8-3)×80+50)＝1420mm，根據節點布置的實際需要，最后兩塊上端內側內拼接板P1、P2取200×24×1420，兩塊下端內側內拼接板P3、P4取200×24×1420，滿足驗算要求。2斜桿的拼接計算按等強度理論，，(至少取8排，共32個)。拼接板一側24個高強度螺栓，排成6排，端距取50mm，其長度為L＝6×80+50×2＝580mm，滿足驗算要求。3吊桿的拼接計算按等強度理論，，(取5排，共20個)。拼接板一側20個高強度螺栓，排成5排，端距取50mm，其長度為L＝5×80+