毕业设计（论文）-铁路简支钢板梁桥设计.doc

石家庄铁道大学毕业设计1第1章绪论1.1简支钢板梁桥的优点及其在国内外的发展简支钢板梁桥具有构造简单、强度高、自重轻、工厂化生产程度高、施工速度快等优点，早在20世纪50年代起，在日本、德国等发达国家得到了广泛应用。我国由于钢材产量原因，20世纪90年代以前钢桥的应用仅限于铁路桥梁，公路钢桥的极少。20世纪90年代以后，由于大跨度桥梁建设的需要，钢结构桥梁有了很大的发展，特别是在大跨度悬索桥、斜拉桥和钢管混凝土拱桥中得到广泛应用。但是，除城市高架桥、立交桥等特殊情况外，在中小跨径桥梁中还是很少采用钢桥。1.1.1国内钢桥的发展史我国钢桥的建设已经有100多年的历史，就铁路钢桥而言，解放前由于材料、设计水平、制造水平、施工技术等条件的限制，当时所建的钢桥多是跨度很小的钢板梁桥。解放后，经过几十年的发展，我国铁路钢桥的整体技术水平有了长足的进步，使结构型式多样化、桥梁规模大型化、钢桥连接全焊化，这表现在钢桥材料的不断开发利用，设计理论、设计理念、设计手段的更新和提高，科研工作的不断深化并及时应用于设计、施工，同时施工、制造水平的提高。特别是近10年来，整体节点的出现使得焊接不但用于构件组成，而且用于构件的联接，节省了钢材用量并使结构整体质量更加易于保障，结合梁的采用使钢桥的应用空间得到进一步的拓展，主跨312m的芜湖长江公铁两用大桥的建成标志着我国铁路大跨度钢桥的建设达到了一个新的高度。就公路桥梁而言，20世纪80年代中期以前，由于国家钢材缺乏，加之公路桥梁的中小跨度可以采用RC梁或PC梁予以解决，使得公路钢桥极少采用钢梁，20世纪80年代中期以后，尤其是近十年来，我国公路大跨度钢桥得到了飞速的发展，无论是跨度还是设计制造技术都正在迅速向世界水平接近，其中已经建成采用全焊钢箱梁悬索桥的江阴长江大桥主跨达1385m，居世界第4位，采用全焊钢箱梁斜拉桥的南京长江二桥南汊桥主跨达628m，居世界第3位。可以说，20世纪世界焊接钢桥技术有了很大的发展，而20世纪的后10年，也是我国焊接钢桥技术飞速发展并接近世界水平的黄金发展阶段。1.1.2国内钢桥的建设情况石家庄铁道大学毕业设计2新中国成立后，建设面貌为之一新，各项建设蓬勃发展，桥梁事业亦不例外，推动我国铁路钢桥发展决定性作用的有武汉、南京、九江、芜湖四座长江上的桥梁。这四座大桥都是公铁两用桥，铁路为双线，公路为四车道。武汉长江大桥，新中国成立后的1950年即着手兴建，正桥长1156m，三联三等跨128m的连续钢桁梁，公铁两用桥。钢梁的钢材是进口苏联的CT3M(三号桥梁钢，屈服强度240Mpa)技术有苏联专家援助，主要的还是我国自己设计和建造，是我国自力更生建设现代化桥梁的开端。南京长江大桥，1958年规划兴建，1968年建成通车。正桥全长1576m，计10孔，三联3160m连续钢桁梁加一孔128m简支梁，钢材为屈服强度350MPa低合金钢。新中国成立后，我国被封锁禁运，初期还有苏联的援助，上世纪50年代末，苏联也停止了对我国的援助，完完全全在独立自主自力更生条件下建成的，建设这座大桥在材料方面遇到最困难是钢材。在旧中国，钢的年产量不到100万吨，新中国成立后的短短几年内，在钢材的底子很薄弱情况下，为本桥开发出屈服强度350MPa的16锰桥梁钢(16Mnq)，的确是件重大的成就。武汉、南京两桥钢梁均是铆接的。我国栓焊钢梁在上世纪50年代开始研制。1961年湘桂线雒容江桥换梁时，用了一孔41.62m栓焊梁。在三线建设时大量推广应用，跨度大多在40m以下，最大跨度112m，当时的16锰桥梁钢(16Mnq)，铆接梁是可以的，用在栓焊梁，材质是欠缺的，我国栓焊梁的跨度长期停留在双线铁路桥80m，单线铁路桥112m。所有附连件都是栓接的，是少焊多栓的栓焊梁。九江长江大桥正桥全长1806.7m，主跨180m+216m+180m的刚性梁柔性拱，专门开发了15锰钒氮桥梁钢(15MnVNq)，焊接构件最大板厚达56mm及材质35VB的大直径高强度螺栓，建成了双线铁路、四车道公路最大跨度达216m的栓焊梁，也是少焊多栓，从此铆接钢桥退出新建铁路钢桥的历史舞台。芜湖长江大桥正桥全长2193.7m，主跨为180m+312m+180m矮塔斜拉桥，加劲梁为钢筋混凝土板与钢桁梁结合共同受力的结合钢桁梁，开发了综合性能优异的14锰铌桥梁钢(14MnNbq)，实现了厚板(50mm)焊接整体节点的栓焊梁，达到了多焊少栓的焊接桥梁，为全焊无栓的铁路桥梁打下基础。因受飞行净空的限制，桥塔高度受到限制，如果是高塔，跨度可以增大。所以这种体系的桥梁，增大跨度留有很大空间。在封锁禁运，独立自主，自力更生条件下，中国桥梁工程师奋斗了几十年，初石家庄铁道大学毕业设计3步实现了上世纪70年代初期制订的铁路桥梁发展目标“高强、大跨、轻型、整体”的技术政策。1.2中国钢桥技术最新进展1.2.1新一代桥梁用钢的研制钢桥的发展离不开桥梁用钢的不断开发，但是相对于桥梁技术的发展而言，桥梁钢材的发展虽然起步早，但由于产量、用量的限制，在一定时期内发展较为缓慢，16Mn、16Mnq钢在铁路、公路钢桥的应用相当广泛，并占据了相当长的时间，但也反映出钢桥设计选材上的局限性，而且16Mnq钢的板厚效应明显，限制了铁路钢桥一般桥式跨度的进一步发展。为了改变这一被动局面，铁道部与原冶金部联合进行了适应钢桥发展新钢种的研制，在铁路研制并应用了15MnNbq、14MnNbq钢种，其中典型的是14MnNbq，以16Mnq为基础，适当降低碳当量并加入Nb等微量元素，采用先进的控温控轧和钢液炉外精炼技术，进行正火处理，细化晶粒并降低有害元素和气体的含量，大大降低板厚效应，在钢板使用厚度上达到50mm，针对YB/168-70和YB(T)10-81中U型缺口冲击要求难以满足桥梁设计要求的实际情况，这一钢种采用与国际接轨的V型缺口冲击韧性作为交货条件，并具有良好的缺口冲击韧性和焊接性能。芜湖长江大桥的冲击韧性交货条件为-40C的V型缺口冲击韧性值为120J，实际供货的-40C的V型缺口冲击韧性值的平均值达234J。南京长江二桥要求采用WQ490E热轧钢板，其冲击韧性交货条件为-40C的V型缺口冲击韧性值为30J，其实际供货的-40C的V型缺口冲击韧性值的平均值达158J。可以看出，我国桥梁用钢由于采用了先进的冶炼、轧制及热处理等技术，保证了钢板的抗断裂性能和焊接性能要求。1.2.2新结构形式(1)芜湖长江大桥芜湖长江大桥是国内首次采用板桁组合结构建造的一座公铁两用桥梁，其中铁路全长10521m，公路全长5681m，正桥主航采用主跨312m的低塔、斜拉索加劲的连续钢桁梁结构，该桥的低塔是由于受附近机场静空限制，在总体布置和方案选取上具有相当难度和复杂性，因而在设计上采用了一系列新材料、新结构和新工艺，并针对设计、制造和施工进行了一系列科研攻关，对荷载等级、刚度标准、钢材选型、构造细节疲劳设计、焊接韧性标准等进行了理论和试验研究，为该桥的设计、制造和施工提供了保证。石家庄铁道大学毕业设计4(2)SRC梁、结合梁应用于铁路桥梁SRC梁是将钢梁作为劲性骨架并外包混凝土的桥梁形式，适用于跨线桥等对施工或梁高等有特殊要求的地段，一般使用在中小跨度的桥梁，钢梁一般为焊接工字梁，施工时可以不必采用施工鹰架，在跨线施工时可以不影响线下运营。这种桥梁形式充分发挥了钢与混凝土各自在力学性能上的优势，在欧洲、日本铁路已经使用几十年，经过铁道科学研究院的理论和试验研究，已经在京九线等新建线路和既有线改造中采用了SRC简支梁(跨度12m)、连续梁(两跨24m)和斜梁(45跨度27.6米斜梁)。在我国第一条客运专线秦沈线建设中采用了结合梁的结构形式，其中钢梁有工字梁和箱形梁两种形式，在厂内焊接制造，运至施工现场进行混凝土部分及桥面板的灌注，共有24m、32m、48m和50m几种跨度。(3)钢管拱桥水柏线北盘江大桥水柏线北盘江大桥主桥为上承式钢管混凝土拱桥，为我国第一座铁路钢管混凝土拱桥，是目前世界上最大跨度的上承式铁路钢管混凝土拱桥，其跨度达236m，桥面距江面高差达280米，也是目前国内最高的铁路拱桥，钢管采用厂内预制，现场节段间焊接，拱圈施工采用两岸半拱平转法合拢，转体重量达上万吨。1.2.3新构造及联接形式(1)整体节点整体节点是焊接代替栓接一个重要进步，节约钢材并保证连接的可靠性，这一进步也是在厚板性能和焊接工艺得到保证的前提下取得的。京九铁路的孙口黄河大桥正桥4m108m无竖杆三角形双线桁梁首次采用了整体节点、节点外拼接新技术，杆件为箱形截面，在工厂焊接制造成节段，采用整体节点使高强度螺栓节省30%，钢材节省4%。芜湖长江大桥主桥也普遍采用了整体节点。(2)锚箱结构南京长江二桥和芜湖长江大桥的斜拉索与桥梁连接均采用了锚箱结构形式，锚箱结构由于其整体性好、刚度大因而具有很高的可靠性。南京长江二桥的锚箱由承压板、纵锚板、盖板组成，并与钢箱梁腹板依斜拉索角度焊接成整体。芜湖长江大桥锚箱则采用双室箱，并与钢桁梁高强度螺栓连接，锚箱的特点是钢板厚、钢板立体连接、几何精度要求高、焊接难度大且焊接变形难以控制。采用了空间组装工艺、立体连接的高强度螺栓孔钻制、焊接顺序选择及焊接变形控制等保证质量要求。(3)钢桥现场全断面焊接秦沈客运专线是我国第一条接近高速的客运专线，对基础设施建设的标准和施工质量要求很高。在我国铁路桥梁史上首次使用钢混凝土结合全焊工型板梁。其主要石家庄铁道大学毕业设计5优点是全桥整体性强，传力明确，省料，施工简单，造型美观，但同时，也提出了现场焊、手工焊、厚板对接焊三大技术难题。铁道部专门列科研课题进行研究，通过科研攻关、相应试验研究及焊接工艺评定，解决了上述问题，实现了现场的全断面焊接，为铁路钢桥的现场断面焊接打下了良好的基础。1.2.4科研成果及相关标准(1)钢桥设计理论我国钢桥的设计长期采用容许应力理论和极限强度理论，其中大跨度铁路钢桥设计采用容许应力理论。铁道部从上世纪八十年代开始研究可靠度理论用于桥梁设计规范，并已取得实质性进展，现在上部结构的规改工作已经完成，预计基于可靠度理论的桥梁设计规范的颁布执行将会使钢桥设计迈上一个新台阶。(2)针对钢桥建设的试验研究对于新的钢桥结构和构造形式，需要相应的理论和试验研究加以保证，为此，针对H形压杆残余应力和极限承载能力、整体节点受力性能、大型钢箱梁节段间焊栓受力性能、锚箱结构板材抗层状撕裂及整体性能、实桥模型力学性能等方面做了深入的理论分析和试验研究，取得的成果为钢桥设计和制造提供了可靠依据。(3)铁路钢桥疲劳设计方法研究铁路钢桥承受的荷载为循环往复荷载，因而既有钢桥的疲劳问题比较突出，为了解决这一问题，铁道部科学研究院结合新线建设芜湖长江大桥和高速铁路研究进行了有针对性的铁路钢桥疲劳设计研究。根据芜湖长江大桥采用新材料、整体节点等特点，做了9组大尺寸构造细节的疲劳试验并回归分析得到疲劳试验曲线，结合以往数据得到芜湖桥钢梁14种构造细节的疲劳强度，为设计提供了可靠依据。(4)焊缝强度及断裂韧性准则的变迁钢桥的焊缝存在初始缺陷并处于应力集中的位置，因而是结构的薄弱环节，以往我国钢桥的防断裂设计采用常规U型缺口冲击值来确定韧性指标，这难以反映钢材和相应焊缝的实际情况，近年来的钢桥设计开始采用V型缺口冲击值作为韧性指标，同时将焊缝强度(韧性值)与基材强度(韧性值)匹配考虑，从而桥梁结构的整体力学性能达到最优化。芜湖长江大桥焊接接头质量标准如下：(1)焊缝强度对接焊缝屈服强度、极限强度不低于基材标准，并不超过基材标准100Mpa；角接焊缝屈服强度、极限强度不低于基材标准，并不超过基材标准120Mpa；(2)焊缝韧性(包括焊缝、熔合线、热影响区)对接焊缝及受拉的开坡口的角接焊缝各部位-30C时的V型缺口冲击功不低于48J；角接焊缝及棱角焊缝各部位-30C时的V型缺口冲击功不低于34J。石家庄铁道大学毕业设计61.3本设计主要完成的内容(1)铁路简支板梁桥主要尺寸的拟定，包括主梁高度的选取和主梁中心距的选取；(2)主梁内力的计算，包括主截面的选择，变截面设计，翼缘与腹板的连接焊缝计算，梁总体稳定性和局部稳定性的验算以及腹板中加劲肋的布置和顶梁的设计；(3)平纵联的设计计算，上承式板梁桥的倾覆稳定性计算；(4)计算部分完成后需要绘制的结构图包括：主梁结构总图，主梁翼缘和腹板的结构总图，上下平纵联设计图，中间横联和端横联设计图，顶梁设计图。石家庄铁道大学毕业设计7第2章主梁的计算2.1板梁主要尺寸拟定(1)按照主梁主要尺寸拟定的原则，以及钢厂轧制钢板的规格选定梁高h=2.0m。(2)为使桥跨结构具有必要横向钢度铁路桥梁结构设计规范(TB10002.22005)要求主梁中心距不得小于跨度的1/15且不小于2.2m所以中心距取2.2m。(3)主梁截面的选择按铁路桥梁钢结构设计规定(TB10002.2005)规定腹板高度1.8mfh厚度=12mm。