42m钢箱梁计算书

ES匝道钢箱梁上部结构计算书2023.11目录一、概述 11.1桥梁简介 11.2模型概况 11设计规范 12参考规范 13重要材料及性能指标 14荷载 2二、模型概述 32.1第一体系建模 32.2第二体系建模 4三、结果验算 53.1顶底板强度验算 51计算结果 52强度验算 63.2腹板验算 71厚度验算 72腹板强度验算 73腹板纵向加劲肋构造验算 84腹板横向加劲肋构造验算 83.3构件设计验算 91加劲肋构造验算 92受压板加劲肋刚度验算 103闭口肋几何尺寸验算 104支承加劲肋验算 113.4刚度验算 121车道荷载挠度值 122正交异形板桥面顶板挠跨比 123横隔板刚度验算 133.5整体稳定验算 133.6疲劳验算 13四、结论 14一、概述1.1桥梁简介ES匝道桥为一单跨42m简支钢箱梁桥。截面采用等截面形式，梁宽10.2m，梁高2m。主梁线型为圆曲线，中心线位于半径R=682m的圆弧上。顶板厚18mm，腹板和底板厚20mm，顶板U肋厚8mm，开口肋厚20mm。材料采用Q345C材质。图1.1典型钢箱梁横断面(mm)1.2模型概况1设计规范《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T50283-1999）;《公路工程技术标准》（JTGB01-2023）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2023）《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）《钢结构设计规范》(GB50017-2023)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2023)2参考规范《道路桥示方书·同解说》（日本道路协会，平成8年12月）3重要材料及性能指标主梁采用Q345C钢材，其重要力学性能见下表。表1.1钢材力学性能表钢种力学性能Q345C弹性模量E（MPa）206000剪切模量G（MPa）79000泊松比γ0.31拉压弯允许应力[σ]（MPa）275（≤16mm）拉压弯允许应力[σ]（MPa）270（＞16mm，＜40mm）剪切允许应力[τ]（MPa）160屈服强度σs（MPa）345线膨胀系数（1/℃）0.0000124荷载恒荷载：涉及自重和二期荷载。横隔板和加劲肋重力以点荷载形式加在实际位置。二期荷载涉及9cm沥青铺装和2道防撞墙，均布荷载分别按23.4kN/m和18.2kN/m考虑。温度作用：升温按25℃考虑，降温按-25℃考虑；由于中国规范未对钢箱梁桥温度梯度有明确规定，故参考BS5400，正温度梯度为2.08℃，负温度梯度为-1.04℃。支座沉降：支座沉降取-0.5cm并按照每个地基及基础的最大沉降量的最不利的荷载组合进行计算。汽车荷载：公路-I级。对于汽车荷载纵向整体冲击系数μ，按照《公路桥涵通用设计规范》第4.3.2条，冲击系数μ可按下式计算：EQ当f＜1.5Hz时，μ＝0.05；EQ当1.5Hz≤f≤14Hz时，μ＝0.1767ln(f)－0.0157；EQ当f＞14Hz时，μ＝0.45；根据程序计算的基频为0.12Hz，计算得汽车荷载冲击系数为0.05。图1.2车道布载离心力：根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2023）第4.3.3条，离心力系数：C=由v=60km/h，R=682m算得C=0.042。将离心力也均布于全跨，方向为径向向外。算得q=0.78kN/m。二、模型概述2.1第一体系建模第一体系整体模型采用MidasCivil2023软件建立，主梁工划分为34个单元，38个节点，桥梁采用盆式支座，以弹性连接中输入各方向刚度模拟，支座径向布置，支座与主梁采用刚性连接。支座布置和计算模型如图所示。图2.1支座布置示意图图2.2整体计算模型示意图图2.3钢箱梁标准断面模型示意图考虑剪力滞影响计算，根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.1.8条，计算剪力滞有效分布宽度。表2.1顶板考虑剪力滞后有效宽度计算表bilbi/lbeibe/b12023420230.048202321545420230.037154531545420230.037154541545420230.037154551545420230.037154562023420230.0482023求和10200102001.000表2.2底板考虑剪力滞后有效宽度计算表bilbi/lbeibe/b11545420230.037154521545420230.037154531545420230.037154541545420230.0371545求和618061801.000通过上述计算可知，有效宽度仍然为截面翼缘宽度，截面刚度未折减。2.2第二体系建模取第一体系中顶板应力较大的区段，进行第二体系应力计算。桥面板体系通过考虑纵肋和横肋的有效分布宽度，建立梁格模型计算纵肋和横肋的应力；纵肋和横肋的有效分布宽度参考《现代钢桥》拟定；1）纵肋盖板有效分布宽度横隔板间距:L=3000(mm)等效跨径:l=0.6*L=1800(mm)纵肋间距:2b=300(mm),故b=150(mm)b/l=0.083可得Cs=124(mm)2）横隔板盖板有效分布宽度腹板间距:L=3090(mm)等效跨径:l=3090(mm)隔板间距:2b=3000(mm),故b=1500(mm)b/l=0.485可得Cs=463.5(mm)取最重轮轴140kN,考虑冲击系数0.4。轴重P=140*1.4=196kN。顺桥向长度取跨中附近6m长，横桥向取腹板间距3.1m宽范围内盖板建立有限元模型；车辆荷载按照车轮作用在实际位置按照影响线加载；纵肋和横隔板断面根据前面计算有效宽度取用。模型见图2.4-2.5。图2.4桥面体系模型示意图图2.5桥面体系模型边界示意图三、结果验算3.1顶底板强度验算1计算结果由于桥面为正交异性钢板，在进行顶板强度验算时，尚应计入第二体系（桥面体系）在车辆单独作用的应力影响。整体模型计算结果罗列如下：图3.1.1基本组合包络（all）作用梁体顶板最大压应力（MPa）图3.1.2基本组合包络（all）作用梁体底板最大拉应力（MPa）可见第一体系计算中顶板最大压应力-91.7MPa，底板最大拉应力129.88MPa。第二体系模型计算结果罗列如下：图3.1.3第二体系计算桥面顶板应力包络图（MPa）图3.1.4第二体系计算U肋应力包络图（MPa）可见第二体系计算中，顶板最大拉应力31.2MPa，最大压应力-26.9MPa；U肋最大拉应力96.09MPa，最大压应力-51.1MPa。2强度验算1）顶板应力第一体系作用下，顶板最大拉应力：σt=0(Mpa)；顶板压应力为：σc=-91.7(Mpa)；第二体系作用下，顶板最大拉应力：σt=31.2(Mpa)；顶板压应力为：σc=--26.9(Mpa)；第三体系应力较小，不予考虑则三体系叠加作用下，顶板拉应力:σt=31.2(Mpa)；顶板压应力为:σc=-155.9(Mpa)；根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64-2023)规定，当16<t<40时，[σt]=270(Mpa)，可知顶板强度满足设计规定。2）底板应力底板应力验算仅考虑第一体系作用下的应力。第一体系作用下，底板压应力：σt=-129.88(Mpa)；底板拉应力为：σt=0(Mpa)；根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64-2023)规定，当16<t<40时，[σt]=270(Mpa)，可知底板强度满足设计规定。3.2腹板验算1厚度验算腹板设立一道纵向加劲肋和一道横向加劲肋，根据第一体系计算，在基本组合作用下支点附近腹板最大剪应力如下图所示。图3.2.1基本组合作用下梁体腹板最大剪应力（MPa）τ=46.38MPa，根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.3.3条，，取η=0.85，tw=20mm≥0.85×1962/240=6.95mm，腹板厚度满足规范规定。2腹板强度验算1）根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.3.1条，γ0τ≤fvd，即：1.1×46.38=51.02MPa≤160MPa，满足规范强度规定。2）腹板局部应力验算考虑铺装厚度90mm对局部车轮压力扩散的影响。不考虑U肋分担车压。σz=F/（tlx）=140000/（20×（50+2×90））=30.43MPaγ0σz=1.1×30.43=33.48MPa≤fd=275MPa；局部应力满足规范规定。3）腹板组合应力验算前面知道，在墩顶附近腹板剪应力最大，但墩顶几乎没有正应力，通过验算满足规范规定。现对跨中进行组合应力验算。根据上述计算结果，跨中最大正应力为底板129.88MPa。剪应力分布见图3.6：图3.2.2基本组合包络（max）作用下钢箱梁腹板剪应力图（MPa）可见跨中剪应力12.65MPa。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.3.1条：≤1即：，腹板顶部组合应力满足规范规定。3腹板纵向加劲肋构造验算根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.3.3条：Iz≥I1=ξlhwtw3，即：ξl=（1500/1962）2×[2.5-0.45×（1500/1962）]<1.5，取ξl=1.5腹板单侧纵肋对腹板的惯性矩：Iz=2023×20/3=53333333mm4>I1=1.5×1962×203=23544000mm4；腹板纵向加劲肋惯性矩满足规范规定；根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.1.5条：h/t≤18，即：200/20=10≤18腹板纵向加劲肋宽厚比满足规范规定。4腹板横向加劲肋构造验算根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.3.3第2条：腹板横向加劲肋的间距a不得大于腹板高度hw的1.5倍。本桥腹板横向加劲肋间距1.5m，腹板高度1.962m，满足规范规定。本桥设一道纵向加劲肋，横向加劲肋的间距a还应满足式(5.3.3-2a)和(5.3.5-2b)。图3.3.1基本组合包络（min）作用下钢箱梁受压翼缘腹板底部最大正应力图（MPa）图3.3.2基本组合包络（min）作用下钢箱梁受压翼缘腹板剪应力图（MPa）对跨中：，满足规范规定。对墩顶：，满足规范规定。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.3.3第3条：腹板横向加劲肋惯性矩应满足It≥3hwtw3即：It=1962*225^3/12+1962*225*112.5^2=mm4≥3×1962×203=47088000mm4，满足规范规定。3.3构件设计验算1加劲肋构造验算根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.1.5条，验算加劲肋构造。对球扁钢：满足规范规定；对闭口肋：，满足规范规定。经计算，加劲肋构造满足规范规定。2受压板加劲肋刚度验算根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.1.6条，进行受压加劲板刚度验算。先对顶板(t=18mm)进行验算：D=Et3/（12（1-v2））,γl=EI1/(bD)=12(1-v2)I1/(bt3)=12×（1-0.312）×/（3090×183）=149.11n=nl+1=5+1=6α0==5.47α=a/b=3000/3090=0.97＜α0=5.47δ1=As，l/（bt）=5725/（2800×20）=0.11γl*=[4n2（1+nδ1）α2-（α2+1）2]/n=36.49≤γl=149.11As，l=5933mm2≥bt/（10n）=3090×18/（10×6）=927mm2则顶板纵肋刚度满足规范规定。再对底板(t=20mm)进行验算：D=Et3/（12（1-v2））,γl=EI1/(bD)=12(1-v2)I1/(bt3)=12×（1-0.312）×/（3090×203）=54.58n=nl+1=6+1=7α0==4.42α=a/b=3000/3090=0.97＜α0=5.47δ1=As，l/（bt）=5725/（2800×20）=0.06γl*=[4n2（1+nδ1）α2-（α2+1）2]/n=37.81≤γl=54.58As，l=4000mm2≥bt/（10n）=3090×20/（10×7）=882.85mm2则底板纵肋刚度满足规范规定。3闭口肋几何尺寸验算根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）8.2.3条，，满足规范规定。4支承加劲肋验算根据第一体系计算，整体结构在基本荷载组合作用下单支座最大反力为3233.4kN。基本组合包络结果如图：图3.3.3基本组合包络支座反力图(kN)根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.3.4条，支承加劲肋应满足以下规定：取支承加劲肋厚度ts=16mm，单侧宽度hs=235mm，各支座处支承加劲肋具体布置情况见断面布置图。支承加劲肋验算结果列于下表tw=24,tf=28,B=900。ns和bs的值根据各支座位置再由断面布置图。支承加劲肋验算表Rv(N)As(mm^2)Beb(mm)Bev(mm)(5.3.4-1)左边(5.3.4-2)左边fcdfd验算261848072023800880105.584199.469355270OK323266372023800880130.349246.255355270OK261862172023800880105.59199.479355270OK323345272023800880130.381246.316355270OK计算表白支承加劲肋满足规范5.3.4规定。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）5.1.5条，验算支承加劲肋构造规定：，不满足规范规定。3.4刚度验算1车道荷载挠度值根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）4.2.3条，简支桥梁汽车荷载作用下的最大向下竖向挠度Dz<=l/500：活载作用最大正向挠度和负挠度分别如图：图3.4.1最大正向挠度图（单位：mm）图3.4.2最大负向挠度图（单位：mm）则Dz=0.8+32.7=33.5mm＜42023/500=84mm，满足规范规定。2正交异形板桥面顶板挠跨比根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）8.2.5条，正交异形板顶板的挠跨比D/L≤1/700。第二体系计算结果如图：图3.4.3车辆作用最大挠度图图3.4.4桥面顶板构造图L1=300mm,L2=210mm，D=-1.3mm。计算可知D/L1>1/700；D/L2>1/700；不满足规范规定。3横隔板刚度验算根据公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2023）8.5.2条，验