64m单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥

第一章设计资料 (3)

第一节基本资料 (3)

第二节设计内容 (3)

第二章主桁杆件内力计算 (3)

第一节主力作用下主桁杆件内力计算 (3)

1 恒载 (3)

2 活载 (4)

3 列车横向摇摆力产生的弦杆内力 (5)

4 MIDAS计算结果 (6)

第二节横向风力作用下的主桁杆件附加力计算 (7)

1 风荷载施加 (7)

2 风荷载计算结果 (8)

第三节制动力作用下的主桁杆件附加力计算 (8)

1 下弦杆制动力计算 (8)

第四节疲劳内力计算 (9)

第五节主桁杆件内力组合 (10)

1 主力组合 (10)

2 主力和附加力组合 (10)

第三章主桁杆件截面设计 (12)

第一节下弦杆截面设计 (12)

1 中间下弦杆E2E4 (12)

1)初选杆件截面 (12)

2)刚度验算 (12)

3)拉力强度验算 (12)

4)疲劳强度验算 (12)

2 端下弦杆E0E2 (13)

1)初选截面 (13)

2)刚度验算 (13)

3)拉力强度验算 (13)

4)疲劳强度验算 (14)

第二节上弦杆截面设计 (14)

1 端上弦杆A1A2 (14)

1)初选截面 (14)

2)刚度验算 (14)

3)强度以及总体稳定验算 (15)

4)局部稳定验算 (15)

2 中上弦杆A3A4 (15)

1)初选截面 (15)

2)刚度验算 (16)

3)强度以及总体稳定验算 (16)

4)局部稳定验算 (16)

第三节端斜杆E0A1截面设计 (16)

1)初选截面 (16)

2)刚度验算 (17)

3)强度以及总体稳定验算 (17)

4)局部稳定验算 (18)

第四节中间斜杆截面设计 (19)

1 斜杆A1E2 (19)

1)初选截面 (19)

2)刚度验算 (19)

3)强度以及总体稳定验算 (19)

4)局部稳定验算 (20)

5)疲劳验算 (20)

2 斜杆A3E2、A3E4 (20)

第五节吊杆截面设计 (21)

1)初选截面 (21)

2)刚度验算 (21)

3)拉力强度验算 (21)

4)疲劳强度验算 (21)

第六节腹杆高强度螺栓计算 (22)

第四章弦杆拼接计算和下弦端节点设计 (23)

第一节E2节点弦杆拼接计算 (23)

1 下弦杆的拼接计算 (23)

1)拼接板截面设计 (23)

2)拼接螺栓和拼接板长度 (23)

3)内拼接板长度 (24)

2 斜杆的拼接计算 (24)

3 吊杆的拼接计算 (24)

第二节E0节点弦杆拼接计算 (24)

1)拼接板截面设计 (24)

2)拼接螺栓和拼接板长度 (25)

3)内拼接板长度 (25)

第三节下弦端节点设计 (25)

第五章桁架梁桥空间模型计算 (25)

第一节建立空间详细模型 (25)

第二节恒载以及恒载和活载下竖向变形计算 (26)

第三节主力作用下内力校核 (27)

第四节主力+风荷载作用下内力校核 (27)

第五节主力+制动力荷载作用下内力校核 (28)

第六章设计总结 (28)

第一章设计资料

第一节基本资料

1.设计规范：铁路桥涵设计基本规范(TB1000

2.1-2005)，铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.2-2005)。

2.结构轮廓尺寸：计算跨度L＝64m，钢梁分8个节间，节间长度d＝L/8=8m，主桁高度H＝11m，主桁中心距B＝5.75m，纵梁中心距b＝2.0m，纵联计算宽度B0θ，采用明桥面、双侧人行道。

＝5.30m，倾斜角809

=

.0

sin1-

3.材料：主桁杆件材料16Mnq，板厚≤32mm，高强度螺栓采用40B。

4.连接：工厂焊接，工地栓接，基本参数：栓径23mm，预紧力200KN，摩擦系数0.45。

5.活载等级：中－荷载。

6.恒载：钢桥桥面为明桥面，双侧人行道，自重按34KN/m，风力为1000KN/m2。第二节设计内容

1.主桁杆件内力计算；

2.主桁杆件截面设计；

3.弦杆拼接计算和下弦端节点设计；

4.挠度验算和上拱度设计；

5.空间分析模型的全桥计算。

第二章主桁杆件内力计算

说明：桥梁采用MIDAS CIVIL进行建模计算各个杆件内力，其中上下弦杆、桥门架、斜杆、吊杆均采用梁单元，但是释放两端约束，而成为桁架体系，横梁采用梁单元，为了便于施加移动荷载——中活载，设置虚拟梁，材料自定义，密度为0，弹性模量足够小，截面取圆形，半径足够小，刚度可以忽略。

第一节主力作用下主桁杆件内力计算

1 恒载

根据要求，恒荷载采用34KN/m，加在虚拟梁之上。活荷载则加于虚拟梁之上，具体情况如图所示：

图1 恒荷载加载图

2 活载

活荷载则加于虚拟梁之上。虚拟梁材料自定义，密度为0，弹性模量足够小，截面取圆形，半径足够小，刚度可以忽略。活载为中活载，车道数为1，单线铁路。

图2 活荷载加载图

图3 中活载定义图示

3 列车横向摇摆力产生的弦杆内力

横向摇摆力取S＝100KN 作为一个集中荷载取最不利位置加载，水平作用在钢轨顶面。摇摆力在上下平纵联的分配系数如下：桥面系所在平面分配系数为1.0，另一平面为0.2。

上平纵联所受的荷载S

上

＝0.2×100＝20kN,

下平纵联所受的荷载S

下＝1.0×100＝100kN。

图4列车横向摇摆力加载图

4 MIDAS计算结果

通过计算，分别得出在恒载、活载以及活载+恒载作用下各个杆件的轴力大小，如下图所示：

图5 恒载作用下轴力图

图6 活载作用下最大值轴力图

图7 列车横向摇摆力作用下最大值轴力图

图8 恒载+活载作用下绝对最大值轴力图

图9 恒载+活载+列车摇摆力作用下绝对最大值轴力图

第二节横向风力作用下的主桁杆件附加力计算

1 风荷载施加

依设计任务书要求，风压W＝1000KN/m2。为了便于计算，将桁架一面建立虚拟面单元，厚度足够薄（取0.001m），材料和虚拟梁一样，密度为0，弹性模量足够小，考虑到面荷载折减，乘以折减系数0.4，则为0.4KN/m2。如图所示：

图10 风荷载加载图

2 风荷载计算结果

图11 风荷载作用下轴力图

图12 恒载+活载+横向摇摆力+风荷载作用下轴力图

第三节 制动力作用下的主桁杆件附加力计算

1 下弦杆制动力计算

图13 移动荷载最不利位置

以下弦杆E 3E 4为例，通过迈达斯内部的移动荷载追踪器确定将活载作如图所示的布置，为产生最大杆力的活载布置位置。其中车头至起始点距离为53m ，故桥上活载总重＝5×220+30×92+15.5×80KN=5100KN ，在主力作用下的内力已计入冲击系数，制动力按静活载的7％计算: 制动力 T ＝5100×0.07＝357kN ，加在中间横梁上，得出各杆件内力情况。

图14 制动力加载图

图15 制动力荷载作用下轴力图

第四节 疲劳内力计算

疲劳荷载组合包括设计载荷中的恒载和活载(包括冲击力、离心力，但不考虑活载发展系数)。列车竖向活载包括竖向动力作用时，应将列车竖向静活载乘以运营动力系数(1+μf)。同时，第4.3.5条又规定，焊接及非焊接(栓接)构件及连接均需进行疲劳强度检算，当疲劳应力均为压应力时，可不检算疲劳。疲劳计算采用动力运营系数。其值按下式计算：L

f ++

=+4014

11μ。式中： L —桥梁跨度（m ），承受局部活载杆件为影响线加载长度；f μ—活载冲击力的动力系数。

18.1118.064

4014

1401411=+=++=++=+L f μ，计算结果汇入表格。

第五节主桁杆件内力组合

1 主力组合

图16 恒载+活载+列车摇摆力作用下绝对最大值轴力图

2 主力和附加力组合

图17 恒载+活载+列车摇摆力+风荷载作用下绝对最大值轴力图

图18 恒载+活载+列车摇摆力+制动力荷载作用下绝对最大值轴力图第六节各种工况下内力计算汇总表

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 土木0706 曾清 07231173

11

表1 主桁杆件内力计算汇总表

杆件类型 杆件编号 单元编号

主动力

附加力 荷载组合

疲劳荷载

主力 主力+风力

主力+制动力

恒载 活载 摇摆力 风荷载 制动力 力 弯矩 力 弯矩 Nmin Nmax 单位

KN

KN

KN

KN KN KN KN KN*m KN KN*m KN KN

上弦杆

A 1A 2

1 -564.44 1494.21 -1.05 5.97 0 2059.7

2053.73

2059.7

A 2A 3 2 -569.25 1507.12 -7.89 -0.43 -0.01 2084.26 2084.7 2084.27 A 3A 4 3 -756.36 2045.92 -15.78 2.23 -0.01 2818.06 2815.83 2818.07

下弦杆

E 0E 1

7 322.99 853.96 135.38 114.55 166.55 1312.33 1426.89 1478.89 322.99 1330.66 E 1E 2 8 324.69 858.47

43.93

27.03 167.11 1227.09 1254.12 1394.2

324.69 1337.68 E 2E 3 9 693.81 1859.32 -49.03

-47.3

167.23 2504.1 2456.8 2671.32

693.81 2887.81 E 3E 4

10 694.42

1861.04 -138.86 -88.17

161.73 2416.6

2328.44

2578.33 694.42 2890.45

桥门架

E 0A 1 15 -588.56 1556.07 1.31 7.71 0 2143.32 2135.61 17.3 2143.31 2.52

吊杆

E 1A 1

17 135.97 549.02 -0.02 -0.01 -0.01 684.97 684.96 684.96 135.97 783.81 E 2A 2 18 0.01 0.06 0 0 0.01 0.07 0.07 0.08 0.01 0.08 E 3A 3 19 135.92 540.5 0.02 0.01 -0.01 676.44 676.45 676.43 135.92 773.71 E 4A 4 20 0 0.05

0.01

0 0 0.06

0.06

0.06

0 0.06 斜杆

E 2A 1

24 420.42 1174.59 -1.26 -7.66 0.01 1593.75 1586.09 1593.76 420.42 1806.44 E 2A 3 25 -252.2 849.97 1.26 7.66 0 1100.91 1093.24 1100.91 -252.2 750.76 E 4A 3

26

84.13

561.56

-1.31

-7.7

644.38

636.68

644.38

84.13

746.77

第三章 主桁杆件截面设计

第一节 下弦杆截面设计

1 中间下弦杆E 2E 4

1)初选杆件截面 选用腹板1-420×12

翼缘2-460×20

每侧有4排栓孔，孔径d ＝23cm;

毛截面Am ＝2×46×2＋42×1.2＝234.4cm 2 栓孔削弱面积ΔA ＝2×4×2×2.3＝36.8cm 2 净截面面积Aj ＝Am-ΔA ＝234.4-36.8＝197.6cm 2 2)刚度验算

利用迈达斯计算截面特性有I y =32451.38cm 4 杆件自由长度ly ＝800cm

cm A I i m y y 77.11234.4

32451.38===

100][67.9977

.11800=≤===

λλy y y i I ，验算通过。 由于y x λλ≤，无需验算。 3)拉力强度验算

MPa A N j I j 200][135.19197.6

102671.32=≤=?==

σσ 4)疲劳强度验算

由表1可知 N min ＝694.42KN 、N max ＝2890.45KN 得

35.14MPa 100197.61000

694.42min min =??==

j A N σ 146.28MPa 100

197.61000

2890.45min min =??==

j A N σ 拉－拉杆件验算式：][)(0min max σγσσγγt n d ≤-

式中线路系数0.1=d γ，损伤修正系数0.1=n γ， 板厚修正系数01.124

252544

===t r t 查规范表3.27-2的杆件验算截面为第Ⅲ类疲劳等级，查表3.27-1知其疲劳容 许应力[σ0]＝130.7MPa ,故 1.0×1.0×(146.28-35.14)＝111.14MPa ≤1.01×130.7＝132.01MPa ，通过验算。

2 端下弦杆E 0E 2

1)初选截面 选用腹板1-436×10

翼缘2-460×12

每侧有4排栓孔，孔径d ＝23cm; 毛截面Am ＝2×46×1.2＋43.6×1＝154cm 2

栓孔削弱面积ΔA ＝2×4×1.2×2.3＝22.08cm 2

净截面面积Aj ＝Am-ΔA ＝154-22.08＝131.92cm 2 2)刚度验算

利用迈达斯计算截面特性有I y =19470.83cm 4 杆件自由长度ly ＝800cm

cm A I i m y y 24.11154

19470.83

===

100][15.1724

.11800=≤===

λλy y y i I ，验算通过。 由于y x λλ≤，无需验算。 3)拉力强度验算 N I ＝1478.89KN ，

MPa A N j I j 200][112.11131.92

101478.89=≤=?==

σσ

4)疲劳强度验算

由表1可知N min ＝324.69KN 、N max ＝1337.68KN 得

MPa 61.42100131.921000

324.69min min =??==

j A N σ MPa 40.011100

92.3111000

1337.68min min =??==

j A N σ 拉－拉杆件验算式：][)(0min max σγσσγγt n d ≤- 式中线路系数0.1=d γ，损伤修正系数15.1=n γ， 板厚修正系数20.112

25

2544

===t r t 查规范表3.27-2的杆件验算截面为第Ⅲ类疲劳等级，查表3.27-1知其疲劳容 许应力[σ0]＝130.7MPa ,故1.0×1.15×(101.40-24.61)＝88.31MPa ≤1.2×130.7＝156.84MPa ，通过验算。

第二节 上弦杆截面设计

1 端上弦杆A 1A 2

1)初选截面 选用腹板1-420×12

翼缘2-460×20

每侧有4排栓孔，孔径d ＝23cm; 毛截面Am ＝2×46×2＋42×1.2＝234.4cm 2

栓孔削弱面积ΔA ＝2×4×2.0×2.3＝36.8cm 2 净截面面积Aj ＝Am-ΔA ＝234.4-36.8＝197.6cm 2 2)刚度验算

利用迈达斯计算截面特性有I y =32451.38cm 4 杆件自由长度ly ＝800cm

cm A I i m y y 76.11234.4

32451.38

===

100][.028630

.12800=≤===

λλy y y i I ，验算通过。 由于y x λλ≤，无需验算。 3)强度以及总体稳定验算

200MPa ][MPa 48.105197.6

102084.27=≤=?==

σσj I j A N 由λy ＝68.02，查表内插求得φ1＝0.873

200MPa ][MPa 73.104234.4

0.84910

2084.27=≤=??==

σ?σm c A N 通过验算。 4)局部稳定验算 (1) 翼缘板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比

514.0+≤λδ

b

翼缘板726.13562.4014.0514.02.1120212

460=+?=+≤=-=λδb ,通过验算。

(2) 腹板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比104.0+≤λδ

b

腹板

21.370168.024.0104.03512

420

=+?=+≤==

λδ

b

通过验算。 2 中上弦杆A 3A 4

1)初选截面 选用腹板1-412×16

翼缘2-460×24

每侧有4排栓孔，孔径d ＝23cm; 毛截面Am ＝2×46×2.4＋41.2×1.6＝286.72cm 2

栓孔削弱面积ΔA ＝2×4×2.4×2.3＝44.16cm 2 净截面面积Aj ＝Am-ΔA ＝286.72-44.16＝242.56cm 2

2)刚度验算

利用迈达斯计算截面特性有I y =38948.46cm 4 杆件自由长度ly ＝800cm

cm A I i m y y 66.11286.72

38948.46===

100][64.6866

.11800=≤===

λλy y y i I ，验算通过。 由于y x λλ≤，无需验算。 3)强度以及总体稳定验算

200MPa ][MPa 18.116242.56

102818.07=≤=?==

σσj I j A N 由λy ＝68.64，查表内插求得0.8461=?

200MPa ][MPa 18.116286.72

0.84610

07.81821=≤=??==

σ?σm c A N 通过验算。 4)局部稳定验算 (1) 翼缘板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比

514.0+≤λδ

b

翼缘板61.14568.6414.0514.01.1120216

460=+?=+≤=-=λδb ,通过验算。 (2) 腹板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比104.0+≤λδ

b

腹板

45.370164.864.0104.075.2516

412

=+?=+≤==

λδ

b

通过验算。 第三节 端斜杆E 0A 1截面设计

1)初选截面

选用腹板1-420×12 翼缘2-600×20 每侧有4排栓孔，孔径d ＝23cm;

毛截面Am ＝2×60×2＋42×1.2＝290.4cm 2

栓孔削弱面积ΔA ＝2×4×2.0×2.3＝36.8cm 2

净截面面积Aj ＝Am-ΔA ＝290.4-36.8＝253.6cm 2 2)刚度验算

利用迈达斯计算截面特性有I y =72006.05cm 4，I x =123648.8cm 4 杆件自由长度ly ＝1360.15cm

cm A I i m y y 75.15290.4

72006.05

===

，cm A I i m x x 63.20290.4

123648.8

=== 100][35.8675.1515.1360=≤===

λλy y y i I ，100][91.6563

.2015

.1360=≤===λλx x x i I 验算通过。

3)强度以及总体稳定验算 (1) 主力作用

200MPa ][MPa 52.84253.6

102143.31=≤=?==

σσj I j A N 由λy ＝86.35，查表内插求得0.7421=?

200MPa ][MPa 47.99290.4

0.74210

31.21431=≤=??==

σ?σm c A N 通过验算。 (2)主力＋横向风力作用

端斜杆E 0A 1在主力作用下为受压杆件，在主力与横向力作用下为压弯杆。附加力为横向力时，弯矩作用于主平面外。参照《钢桥规范》第4.2.2条规定，对受压并在一个主平面内受弯曲的杆件，总稳定性计算公式为：

][1211σ??μ?σ≤+=

m

m W M A N 换算长细比71.6975

.154663.2015.13608.1=??==y x e hi Li α

λ，查表得0.8391='?，式中α——系数，焊接杆件取1.8；h ——杆件两翼缘板外缘距离，即截面宽度，h ＝460mm 。 因端斜杆采用H 形截面，且失稳平面为主桁平面，和弯矩作用平面不一致。按《钢桥规范》第4.2.2条，此1?'可以用作2?。

MPa MPa A N m 17.25][15.054.73290.410

61.21351=≥=?=σ? 所以应考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值μ1

629.04

.29021000014.31086.3561.21354.111222211=?????-=-=m EA N n πλμ

式中λ——构件在弯矩作用平面内的长细比； E ——钢材的弹性模量(MPa)；

n 1——压杆容许应力安全系数。主力组合时取用n 1＝1.7，[σ]应按主力组合采用；主力加附加力组合时取用n 1＝1.4，[σ]应按主力加附加力组合采用。

145.2MPa 2000.742MPa 87.311123648.8

100

2303.170.8390.6290.7424.2901.21356=?≤=?????=

m σ通过验算。

(3) 主力＋制动力作用

依照《钢桥规范》4.2.2条规定，当验算的失稳平面和弯矩作用平面一致时，

0.12=?，

MPa MPa A N m 1.23][15.081.73290.4

10

31.21431=≥=?=σ? 所以应考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值μ1

628.04

.29021000014.310

86.3531.21434.111222211=?????-=-=m EA N n πλμ

145.2MPa 2000.742MPa 88.04123648.8

100

23052.20.10.6280.7424.2901.21433=?≤=?????=

m σ 通过验算。 4)局部稳定验算 (1) 翼缘板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比

514.0+≤λδ

b

翼缘板09.17535.6814.0514.07.1420212

600=+?=+≤=-=λδb ,通过验算。 (2) 腹板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比104.0+≤λδ

b

腹板

54.440135.864.0104.03512

420

=+?=+≤==

λδ

b

通过验算。 第四节 中间斜杆截面设计

1 斜杆A 1E 2

1)初选截面 选用腹板1-436×10 翼缘2-460×12 每侧有4排栓孔，孔径d ＝23cm; 毛截面Am ＝2×46×1.2＋43.6×1＝154cm 2

栓孔削弱面积ΔA ＝2×4×1.2×2.3＝22.08cm 2 净截面面积Aj ＝Am-ΔA ＝154-22.08＝131.2cm 2 2)刚度验算

利用迈达斯计算截面特性有I y =19470.83cm 4，I x =62314.37cm 4 杆件自由长度l y ＝1360.15×0.8=1088.12cm ，l x ＝1360.15cm ，

cm A I i m y y 24.11154

19470.83===

，cm A I i m x x 11.20154

62314.37

=== 100][80.9624.111088=≤===

λλy y y i I ，100][63.6711

.2015

.1360=≤===λλx x x i I 验算通过。

3)强度以及总体稳定验算

200MPa ][MPa 21.52131.2

10684.97=≤=?==

σσj I j A N

由λy ＝96.80，查表内插求得0.6511=?

200MPa ][MPa 32.6854

10.65110

97.6841=≤=??==

σ?σm c A N 通过验算。 4)局部稳定验算 (1) 翼缘板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比

514.0+≤λδ

b

翼缘板55.18596.8014.0514.02.1120212

460=+?=+≤=-=λδb ,通过验算。 (2) 腹板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比104.0+≤λδ

b

腹板

72.480180.964.0104.06.4310

436

=+?=+≤==

λδ

b

，通过验算。 5)疲劳验算

由N min ＝-252.2kN 、N max ＝750.76kN 得 ：

MPa 22.19131.2102.522-min -=?==

j mim A N σ，MPa 08.75131.2

10

750.76-max max =?==j A N σ，33.0max

min

-==

σσρ为主拉为主的拉压杆件， 拉－拉杆件验算式：][)(0min max σγσσγγt n d ≤- 式中线路系数0.1=d γ，损伤修正系数15.1=n γ， 板厚修正系数20.112

252544

===t t γ 查规范表3.27-2的杆件验算截面为第Ⅲ类疲劳等级，查表3.27-1知其疲劳容 许应力[σ0]＝130.7MPa ,故 1.0×1.15×(75.08+19.22)＝108.45MPa ≤1.20×130.7＝156.84MPa ，通过验算。

2 斜杆A 3E 2、A 3E 4

由于斜杆A 3E 2、A 3E 4截面选择同斜杆A 1E 2，而受力参数皆小于斜杆A 1E 2，因此验算都通过。不用再做相应验算。