钢箱梁桥设计_桥梁工程毕业设计

钢箱梁桥设计

目录

1.绪论 (3)

2.设计概述 (4)

2.1桥孔布置 (5)

2.2截面尺寸及拟定 (5)

2.2.3箱梁面板厚度设置 (6)

2.2.4箱梁腹板宽度设置 (7)

3.主梁截面几何特性计算 (7)

4.主梁内力计算 (8)

4.1恒载内力计算 (8)

4.1.1一期恒载内力 (9)

4.1.2二期恒载内力 (10)

4.1.3总恒载内力 (11)

4.2活载内力计算 (12)

4.2.1横向分布系数的计算 (12)

4.2.2主梁内力影响线及加载 (13)

4.3内力组合 (20)

4.3.1承载能力极限状态 (20)

5.第二体系的计算 (21)

5.1桥面板的局部应力计算 (21)

5.2截面几何特征值的计算 (22)

5.3纵横肋的弯矩计算 (26)

5.3.1活载的弯矩计算 (26)

5.3.2恒载的弯矩计算 (27)

5.3.3横肋弹性变形附加弯矩计算 (28)

5.4纵肋截面的应力计算 (30)

6.应力检算 (31)

小结 (33)

参考文献 (34)

致谢 (35)

附录A (36)

BRIDGE TO THE FUTURE (36)

桥梁走向未来 (45)

1. 绪论

世界上第一钢箱梁桥是1850年英国建造的britania铁桥路桥。该桥架设在Conway-Britania间的Menai海峡上，跨度142m。可是由创始人George Stephenson提出的薄避闭口截面形式的桥梁在100年间却很少再被采用。第2次世界大战后，在西德，随着对被炸毁的莱茵河桥修复工程的展开，在50年代初期接连假设了若干近代的箱梁桥，打破了Britania桥的跨长记录。箱梁桥的飞速增加主要是由于下述理由：

⑴由于箱梁桥的抗扭刚度和抗扭强度均较大，适用于曲线桥。直线桥在偏心活荷载作用下，其横向的荷载分配是良好的。即在单室箱梁桥中，两个腹板弯曲应力相差很少，上下翼缘弯曲应力也几乎相等。

⑵箱梁桥的翼缘宽度要比工形截面板梁桥大的多。因而，薄的翼缘也能很好的抵抗弯曲应力。工形板梁桥随着跨度加大，翼缘板要加厚，且需要高强度钢，从而连接就困难了。而箱梁因为翼缘薄这就不成其为问题了。一般来讲，箱梁和同跨度工形梁桥相比，梁的高度低。且有轻快美感。梁高跨比较小就具有十分是用的价值。

⑶进来，随着安装机械大型化，分块架设法正在迅速发展。箱梁适于用分块架设安装，可以提高安装效率，缩短工期。

⑷从箱梁的结构来看，无论是承受竖直偏心荷载，都能作为一个空间结构来抵抗外力，能发挥各个杆件的理学性能，没有所谓的零杆。箱梁在所有荷载作用下，各杆件按空间结构力分担作用力，一个杆件可以起几种作用。箱梁上翼缘起的作用有：①钢桥面板作用，将车轮荷载传递给主梁；②在竖直荷载作用下，作为主梁翼缘抵抗弯曲；③在偏心荷载作用下，作为闭口薄壁截面抵抗扭转。

另一方面，下翼缘除了起⑵、⑶作用外，在水平荷载作用下，还起平纵联作用。因而力学性能好，设计可达到经济的效果。

⑸箱梁的内部作为维修管理用的通道是很和使得不需要特殊的脚手架便可在内部进行观察、油漆和补修。

⑹电缆、水管、煤气管等附属设备容易在箱梁内部通过。

⑺箱梁不是密封的，与外面大气隔绝，不和海边、河上的湿气接触，有利于防止锈蚀。

⑻由于加劲杆、横联、节点板等几乎全设置在内部，箱梁外部显得很平滑。因而维修管理，油漆作业很容易，灰尘难以滞留，外观轻巧美观。

⑼由于梁的高度低，整个结构纤细，轻快而优美。

连续钢箱梁桥的截面形式很多，一般应根据桥梁的跨径、宽度、梁高度、支撑形式、总体布置和施工方法等方面综合确定，合理选择主梁的截面形式，对减轻桥梁自重、节约材料、简化施工和改善截面受力性能是十分重要的。目前连续钢箱梁桥的截面形式主要有：板式、肋梁式和箱形截面梁。其中，板式、肋梁式截面构造简单、施工方便，箱形截面具有良好的抗弯和抗剪性能，是预应力混凝土连续梁桥的主要截面形式。本设计采用箱（单厢三室），主要出于以下几点考虑：首先，箱形截面整体性好，结构刚度大；其次，抗扭能力强，同时箱形截面能提供较大的顶板翼缘悬臂，底板宽度相应较窄，可大幅度减小下部结构工程量。采用变高度主要是适应连续梁内力变化的需要。

设计具体分为以下几步：

⑴桥式方案的比选及施工方案拟定；

⑵上部结构截面形式及截面尺寸的拟定；

⑶上部结构截面几何特性计算；

⑷上部结构计算图式及有限元单元的划分；

⑸上部结构永久作用效应的计算（一期横载、二期横载分开计算）；

⑹上部结构可变作用效应的计算；

①影响线计算及绘制；

②影响线加载；

⑺上部结构内力组合的计算及包络图的绘制；

⑻主梁的各项检算

①承载能力极限状态强度计算

②正常使用极限状态应力计算

说明：本设计中影响线的绘制是通过spap90来进行检验，

通过本次设计，对以前和专业知识进行了一次系统的复习，加深了我的理论知识和水平，但由于时间关系，设计中还存在不少问题，恳请各位老师斧正。

2. 设计概述

连续钢箱梁桥，由于构造简单，预制和安装方便，在桥梁建设中得到了广泛的应用。然而但这种简支体系的跨径超过40-50m时，跨中恒载弯矩和活载弯矩将会迅速增大，

致使梁的截面尺寸合自重显著增加，这样不但材料耗费大，并且给施工带来困难。因此，对于向本设计的较大跨径的桥梁，就宜采用在内力分布方面较为合理的结构体系，本设计采用连续钢箱梁桥,连续钢箱梁桥由于跨越能力大、施工方法灵活、适应性强、结构刚度大、抗地震能力强、通车平顺性好以及造型美观等特点,目前在世界各地得到广泛的应用。

2.1桥孔布置

本桥为连续钢箱梁桥，从已建桥梁实例的统计资料分析，跨径大于100m的连续钢箱梁桥有90%以上是采用变截面梁。因为大跨桥梁在外载荷自重作用下，支点界面将出现较大的负弯矩，从绝对值来看，支点截面的负弯矩大于跨中界面的正弯矩，因此采用变截面梁能负荷量的内力分布规律，另外变高度梁使梁体外型和谐，节约材料并赠大桥下净空。在跨径布置上，为了减少便跨跨中正弯矩，宜采用不等跨不止，这样便于施工。孔径为35m+45m+35m，实际桥长采用115m，桥梁结构计算图示见图2-1。

图2-1 桥梁计算图示

2.2 截面尺寸及拟定

2.2.1截面形式及梁高

主梁高度通常是通过技术经济比较确定的，应考虑经济、梁重、建筑高度以及净空要求等，在标准设计中还应考虑标准化，提高梁的互换性。

桥梁上部结构横截面采用变截面箱型截面，截面形式为单厢三室，主要出于以下几点考虑：首先，箱形截面整体性好，结构刚度大；其次，箱梁的顶、底板可以提供足够活载变形；另外，抗扭能力强，同时箱形截面能提供较大的顶板翼缘悬臂，底板宽度相应较窄，可大幅度减小下部结构工程量。

箱形截面主要有顶板、底板、腹板与加劲构件组成

钢桥面板若仅考虑强度，则其厚度只需6mm左右，但薄板的刚度过小，在活载作用下自身变形过大，因此设计时桥面板不小于10mm。此桥设计顶班、底板均取14mm。

此桥为6车道，设计荷载：城－A级，桥面较宽，荷载较大，应设计成单箱多室箱梁桥合适，此桥采用单箱三室箱梁截面，

此桥设计成U 形闭口截面，内部截面纵肋受到保护，不易生锈板厚可用到6mm 。

纵肋主要其起加劲作用，其间距与钢桥面板的厚度相关，此桥取300mm ，底板也要设纵横肋，纵肋间距可校顶板纵肋间距大，取400mm ；横肋于顶板位置相同，以组成横向联接系，增加横向刚度。

箱梁设置一定数量的横隔板以增加其整体作用。横隔板的位置和尺寸由计算而定，一般其间距可达10－15m ，在跨中和支承处必须设置横隔板，此桥边跨的横隔板间距为2m 。

箱梁高度的确定方法：h=l/25。所以此桥的箱高采用2000mm 。

主梁横截面构造图如图2-2：

图2-2 主梁横截面构造图（单位：cm ）

2.2.2箱梁板面曲线方程

当按正交异性板分析第Ⅱ结构体系的应力时，板曲面的微分方程为 (2-1)：

),(24422444y x p y

D y x H x D y x =??+???+??ωωω (2-1) 式中：ω（x,y ）——正交异性板的中间面内各点在z 方向的挠度（mm ）；

P (x,y) ——垂直板面的分布荷载（MPa ）;

t

EI D x x =——板在x 方向的抗弯刚度（mm Nmm /2）; a EI D y

y =——板在y 方向的抗弯刚度（mm Nmm /2）;

H ——正交异性板的有效抗弯刚度（mm Nmm /2）;

E ——钢材的弹性模量（mm N /）;

t,a ——横肋的间距及纵肋的间距(mm)，

2.2.3箱梁面板厚度设置

整体支架施工的连续梁桥，中撑处负弯矩比较大，箱梁底板厚度需要适当的加厚，以提供必要的受压面积；同时，跨中正弯矩比较大，应避免该区底板过厚而增加恒载弯矩，支点处板面厚度δ＝20cm，

2-4

中孔其余部分底板厚度均按14cm设置，按上述思路设置的底板厚度如图

2.2.4箱梁腹板宽度设置

图2-5 箱梁腹板构造示意图（单位：mm）

3 主梁截面几何特性计算

截面几何特征的计算是结构内力计算、以及挠度计算的前提。以往的设计大都通过手工计算来完成，其方法虽然简单但计算工作量很大，如果将这项工作编程通过计算机来完成，不仅可以把设计者从繁重的简单计算中解放出来，而且有助于设计者习惯于编程，同时也便于正确地应用或检验现有的一些桥梁设计软件。毛截面几何特征的计算方法有很多种，常用的有节线法、分块面积法等，可以根据截面类型选用具体的计算方法。本设计采用分块面积法。本设计所用的截面比较复杂，所以变成计算的优点尤为明显，截面几何特征计算采用分块面积法。本桥为恒截面，截面特性相同，截面规则，截面特

性可运用Excel来进行计算比较简单。截面特性计算结果见下表3-1：

表3-1 截面几何特性计算结果

4 主梁内力计算

鉴于满堂支架施工的连续梁桥产生的恒载徐变二次力的计算比较复杂，目前情况下的主梁内力计算主要包括以下几个方面：恒载内力计算、活载内力计算、温度次内力计算及支座沉降次内力计算。本设计主要考虑恒载内力计算（一期恒载，二期恒载）、活载内力计算，不考虑温度次内力计算和支座沉降次内力计算。

利用结构力学（力法原理）可计算出等截面连续梁在恒载、活载等作用下的内力。

4.1 恒载内力计算

主梁恒载内力包括主梁自重（前期恒载或一期恒载）引起的主梁自重内力S G1和后期恒载（如桥面铺装、人行道、灯柱和防护拦等桥面系）引起的主梁后期恒载内力S G2,总称为主梁恒载内力。主梁自重是在结构逐步形成的过程中作用于桥上的，因而它的计算于施工方法有密切的关系。特别是在大、中跨预应力混凝土超静定梁桥的施工中不断有体系转换过程，在计算主梁自重内力时必须分阶段进行，有一定的复杂性。而后期恒载作用于桥上时，主梁结构已形成最终体系，这部分内力可直接应用结构内力影响线进行计算。随着预应力工艺、悬臂施工方法等的发展，预应力混凝土两瞧的施工方法得到不断创新和发展。主梁自重内力计算方法可归为两大类：

1：在施工过程中结构不发生体系转换；

2：在施工过程中结构发生体系转换。

本设计施工方法为满堂支架法，对于满堂支架建造过程没有体系转换，故恒载内力可按结构力学方法计算，此设计采用有限元法计算。

一期集度计算：5.781?=A q

=1.2×78.5

=94.2kN/m （为均布荷载集度）

1q ——一期恒载集度；

4.1.1一期恒载内力

一期荷载内力由力法计算得出，其结果为下图所示（图4－1）：

（a ） 结构体系 单位（m ）

（b ）剪力图 单位（kN ）

（c）弯矩图单位（kN·m）

图4-1 一期荷载内力图

4.1.2二期恒载内力

q=桥面铺装集度+防撞护栏集度

二期恒载集度计算：

2

=（0.0.8×21+0.08×23）×25+0.27×4×25

= 111.8 （kN/m）

式中，A——截面面积；0.08分别为铺装沥青混凝土厚度和钢筋混凝土面板铺装厚度；0.27表示护栏按每10m为0.27m3混凝土计。

二期荷载内力由力法计算得出，其结果为下图所示（图4－2）：

（a）结构体系单位（m）

（b）剪力图单位（kN）

（c ）弯矩图 单位（k N ·m ）

图4-2 二期荷载内力图

4.1.3总恒载内力

总的恒载集度计算：i q =1q +2q

=94.2+111.8

=206（kN/m ）

总的恒载(包括一期恒载和二期恒载)内力由力法计算得出，其大小如下图所示（图4－3）

（a ）结构体系 单位（m ）

（b ）剪力图 单位（kN ）

（c）弯矩图单位（k N·m）

图4-3 总荷载内力图

4.2 活载内力计算

活载内力由基本可变荷载中的车辆荷载和人群产生。在使用阶段，结构以成为最终

体系，其纵向的力学计算图式是明确的。但此时主梁的横向也连成了整体，因此荷载在横向对各片主梁的分配用横向分配系数m考虑，从而把一个空间结构的力学计算问题转化成平面问题。

主梁活载内力计算分为两步：

第一步求某一主梁的横向分布系数m i;

第二步应用主梁内力影响线，给荷载乘以横向分布系数。

4.2.1横向分布系数的计算

本梁为单箱三室，有四片腹板组成，可划分为四个单元，每片腹板作为一个主梁，求主梁①的横向分布系数m。

按照汽车车辆横向排列的规定，两列汽车横向位置如图4－3s所示。边轮离缘石不小于0.5m，因此，它离①号梁的距离为5.75-1=4.75m，八个轮压的合力R=4P,它的位置

离边轮为6.85-1=5.85m,即距①号梁的距离为6.85-5.75=1.1m,其合力R的影响线纵标－

，可用η1和η4之间的线性内插求得。

图4-4 1号梁荷载横向分布系数计算（尺寸单位：cm ）

则m c0＝0.626

考虑到箱梁按整体设计计算，故其做为整体等于受力二向分布系数为： m c ＝4×m c0＝2.51

4.2.2主梁内力影响线及加载

连续梁桥为超静定结构，活载内力计算以影响线为基础，对等截面连续梁桥或截面按某种规律变化的连续梁，可用有限元计算绘制影响线。也可用结构矩阵程序进行计算绘制。进行影响线加载时，如采用手工计算，一般将车辆荷载的最大轮载质量置于影响线的最大竖向坐标处，即可求出最大活载内力。当直接在内力影响线上加载时

(4-1)

式中，p S ——主梁最大活载内力； ()1μ+——汽车荷载冲击系数，对于本次设计取()1μ+=1.3；

ξ——汽车荷载折减系数；

i m ——荷载横向分布系数；

i P ——车队各轮载质量；

i y ——主梁内力影响线中纵坐标。

()1p i i i

S m Py μξ=+∑

本设计加载的种类有城－A级。

上部结构可变作用效应组合的计算：

均布荷载：

q＝4m cξηq

＝4×2.51×0.55×1×10

＝56.1kN/m

集中荷载：

P=4m

ξηp

c

=4×2.55×0.55×1×300

=925.65 kN/m

主梁内力影响线及加载如下图所示（图4－5）：

（a）主梁布置图单位（m）

m in

max

（b）B截面弯矩最不利位置影响线加载图

min

max

（c）C截面弯矩最不利位置影响线加载图

max

min

（d ）D 截面弯矩最不利位置影响加载图

Q A （min ）

Q A （

max ）

（e ）A 截面剪力最不利位置影响线加载

Q C （min ）

Q C （max

）

（f ）C 截面剪力最不利位置影响线加载

Q B 左（min ）

Q B 左（max

）

（g ）B 左截面剪力最不利位置影响线加载

Q B右（min）

Q B右（max）

（h）B右截面剪力最不利位置影响线加载

Q D（min）

Q D（max）

（i）D截面剪力最不利位置影响线加载

图4－5 弯矩、剪力最不利位置影响线加载

弯矩包络图计算如下图所示（图4－6）：

（a）梁的受力类型、位置

（b）恒载弯矩图

（c）集中荷载作用在左边跨夸中时梁弯矩图

（d）集中荷载作用在中跨夸中时梁弯矩图

（e）集中荷载作用在右边跨夸中时梁弯矩图

（f）均布荷载作用在左边跨时梁弯矩图

（g）均布荷载作用在中跨时梁弯矩图

（h）均布荷载作用在右边跨时梁弯矩图

（i）弯矩包络图

图4－6 弯矩包络图单位（kN·m）剪力包络图计算如下图所示（图4—7）：

（a）荷载类型、位置

（b）恒载剪力图

（c）均布荷载作用在左边跨左部时剪力图

（d）均布荷载作用在右边跨右部时剪力图

（e）均布荷载作用在左边跨右部时剪力图

（f）均布荷载作用在右边跨左部时剪力图

（g）均布荷载作用在中跨左部时剪力图

（h）均布荷载作用在中跨右部时剪力图

（i）剪力包络图

图4－7 剪力包络图单位（kN）

4.3 内力组合

结构内力是荷载效应的必然结果。桥梁结构按极限状态设计时，有正常使用极限状态和承载能力极限状态两种设计方法。对于这两种极限状态，应按照相应的荷载组合规律进行内力组合。对于预应力混凝土连续梁桥，同一截面因不同荷载作用所产生的内力可能同号，也可能异号，所以要考虑不同的荷载安全系数进行内力组合。

说明：对于混凝土连续梁来说，控制设计的常常是弯矩，它影响预应力钢筋的布置，因此，以下的内力组合均是按弯矩来进行计算.

4.3.1承载能力极限状态

当结构重力产生的效应与汽车（或挂车）荷载产生的效应同号时：