钢桁架的工程应用.doc

第1章 绪论1.1 钢桥的发展1894年建成滦河大桥，该桥上部结构由多孔钢桁梁和钢板梁组成。在修建过程中，外国工程师遇到困难而告退，最后由我国工程师詹天佑完成。这是我国工程师第一次主持修建钢桥。19051909年满清政府在人民群众“收回路权”这一爱国运动的压力下，被迫用自己国家的资金和人力，修建京张铁路，詹天佑任总工程师。这一条铁路上的钢桥，都是由我国自己设计、制造和安装的。京张铁路的建设，摆脱了帝国主义的控制，靠自力更生建成，在我国铁路史上谱写了光辉的一页。1937年我国建成了钱塘江大桥。该桥全长1072m，公路桥面布置在上层，铁路桥面布置在下层，正桥为16孔65.86m简支钢桁梁，钢梁为铆接，采用浮运架设。该桥为我国著名桥梁专家茅以升负责设计和监督施工，是我国历史上由自己工程师设计和监造的第一座双层公、铁两用大桥。旧中国的铁路钢桥建设，由于受到当时的政治、经济和科学技术条件的限制，发展极为缓慢，其中大多数为结构简单的小跨度钢梁，主跨超过100m的只有两座钢桥：一是陇海线上的黑石关伊洛河桥，主跨为128.7m；另一是津浦线上的泺口黄河桥，主跨为164.7m。解放前修建的钢梁大部分由外国制造，由我国自己生产的钢梁总量还不到1000t。建国后，钢梁总产量现已超过450000t。主跨大于100m的铁路钢桥就有十余座，其中有：1957年建成的武汉长江大桥为公、铁两用桥，正桥为三联，每联为3128m连续铆接钢桁梁，1968年建成的南京长江大桥为公、铁两用桥，上部结构的主要部分由一孔128m的简支钢桁梁和三联3160m连续钢桁梁组成，主桁杆件采用16锰低合金钢梁桥，用铆钉连接，于1968年建成。1969年建成的成昆线三堆子金沙江桥为192m的简支铆接钢桁梁。1970年左右建成的成昆铁路安宁河桥、同模甸二桥、拉旧桥和迎水河桥均为112m系杆拱栓焊钢桥。1971年建成的枝城长江大桥为公、铁两用桥，由一联5128m和一联4160m的连续铆接钢桁梁组成。1977年建成的密云水库白河桥，为3128m连续栓焊钢桁梁，1982年建成的安康汉江桥为176m的斜腿刚构。旧中国的公路钢桥的建设，也遭遇和铁路钢桥同样的命运。天津的金华、金汤、旧万国开启桥，广州的海珠开启桥，上海的外白渡桥、浙江路桥、新闸路桥等，都是由外国人设计或向外国贷款建造的。新中国成立后，我国公路钢桥建设获得较大的发展。1972年修建的北镇黄河桥，主跨长112.7m，为连续钢桁梁，是我国目前跨度较大的一座公路梁式桥。1966年修建的广西东兰红水河桥，为上承钢桁梁与钢筋混凝土板相结合的结合梁桥，跨长66m，是我国目前跨度最大的公路结合梁桥。1955年建成的武汉汉水桥，为54m88m十54m刚性梁柔性拱组合体系公路钢桥。1966年和1969年建成的四川渡口二号和三号桥，跨长180m和181m，为公路钢拱桥。我国已建成的大跨度公路钢桥，以悬索桥较多。50年代我国公路悬索桥最大跨度为126m；60年代为186m；7080年代已发展到400500m。如1984年建成的拉萨河达孜悬索桥，其主索跨度为500m，是我国目前最大跨度的桥梁；1987年在山东东营市修建了一座主跨为288m的公路钢斜拉桥。图1-1：江阴长江大桥建国以来，我国钢桥建造的科学技术水平发展迅速。武汉长江大桥第一次征服了长江天堑，实现了我国人民多年来梦寐以求的夙愿，它的建成反映了我国桥梁事业的飞跃，是我国钢桥发展史上的一个里程碑。南京长江大桥，首次使用国产低合金钢材，在结构上和跨度上又向前迈进了一步。栓焊钢梁、斜腿薄壁箱形钢梁、钢斜拉桥的采用，反映了我国钢桥建造技术进入了世界先进行列。我国仅在长江上已有各种型式的桥梁29余座，其中接近半数为钢桥，万里长江成了中国当代桥梁的展台。关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径l600m，大跨径斜拉桥l400m，进行不完全统计，90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座(其中日本6座)，大跨径斜拉桥有15座(其中日本6座)。按跨径大小排序，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥(l=1385m)排名第四(图1-1)，香港青马大桥(l=1377m)排名第五；日本明石海峡大桥l=1990m，居首位(图1-2)；丹麦的great belt大桥l=1624m，排名第二。而在全部斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥l=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九(南京长江二桥l=628m，排第三位；武汉长江三桥l=618m，排第四位)。其中“不少已跻身世界级桥梁，展示出中国当代建桥技术达到了世界先进水平。图1-2：日本明石海峡大桥1.2 钢桥的建设1.2.1 钢桥所用的材料桥梁结构使用的钢种主要有碳素钢和低合金钢两类。50年代我国钢桥主要采用甲3桥低碳钢(a3q)，武汉长江大桥的3128m连续钢桁梁就是用低碳钢制造的。对于焊接钢梁，用的是16桥钢。由于低碳钢的屈服强度低(240mpa)，用以建造大跨度钢桥，使杆件不可避免地要采用较大的截面尺寸，因而使钢桥的自重加大，钢材用量增加。为了减轻钢梁自重，50年代后期我国开始研究在桥梁上采用高强度低合金钢。我国矿藏资源十分丰富，许多铁矿中已天然带有如锰、硅、钒、钛、铜等各种合金元素，用普通的冶炼方法，即可炼出高质量的低合金钢，其强度、塑性、韧性及焊接性能良好。16锰桥钢 (16mnq)是在60年代研制成功的普通低合金钢，其屈服强度为340mpa。 首先用于成昆线上的铁路桥梁，建成了四座跨度为112m的系杆拱桥。又用16mn桥钢建成南京长江大桥，其最大跨度160m，钢梁总重31545t，比用低碳钢节省钢材约15。从此，16mn桥钢成为制造钢梁的主要钢种。为适应发展大跨度栓焊钢梁的需要，自60年代中期起，我国开始研制强度更高的新钢种。70年代研制成功的15锰钒氮桥梁钢，其屈服强度达420mpa， 曾用于京承线白河桥和京山线永定新河桥，比用16mn桥钢节约钢材10以上，焊接钢板最大厚度达40mm。为改善15mnvn桥梁钢的焊接性能，提高焊后的低温冲击韧性和时效冲击韧性，根据不同部位，将其分为a、b、c三级。a级(15mnvna)用于非焊接部件；b级(15mnvnb)用于受压工字形或次要焊接部件；c级(15mnvnc)用于受拉和受疲劳控制的主要杆件。c级15mnvn钢的化学成分()：c0.18； si0.20.6； mn1.31.7； p0.02；s0.015；v0.18；n0.018。c级15mnvn钢的机械性能：极限强度560mpa； 屈服强度420mpa； 伸长率519；低温冲击值ak，10。c49j/cm2；时效冲击值ak49j/cm2。1.2.2 制作工艺20世纪五六十年代之前，我国建设钢桥所用结构是铆接，采用的工艺很简陋，大都采用手工操作，人工测量组装，组装后扩孔。在建造武汉长江大桥时，引用了当时前苏联的经验，采用覆盖式样板和立体式机器样板。这一设备对我国钢梁制造的工厂化和标准化起了很大的作用，大大加快了我国建国初期的钢梁制造速度。近年来随着计算机的发展，已逐步采用先进的程序控制钻床取代覆盖式样板，大大加快了钢桥制造的现代化。20世纪60年代中期，为加快成昆铁路的修建，铁道部和国家科委组成铁路栓焊钢梁科研、设计、制造、安装新技术攻关组，系统地研发了栓焊钢桥新技术。2000年建成的芜湖长江大桥为低塔斜拉连续钢桁梁，其主桁节点拼装为全焊节点，节点外用高强螺栓连接。2003年建成的上海卢浦大桥为全焊刚拱桥。1.3 桁架的历史演变只受结点荷载作用的等直杆的理想铰结体系称为桁架结构。它是由一些杆轴交于一点的工程结构抽象简化而成的。桁架在建造木桥和屋架上最早见诸实用。古罗马人曾用桁架修建横跨多瑙河的特雷江桥的上部结构(发现于罗马的浮雕中)。文艺复兴时期，意大利建筑师(拔拉雕palladio)开始采用木桁架建桥，出现了朗式、汤式(斜交格栅)、豪式桁架。英国最早的金属桁架建于1845年，是和汤式木桁架相似的格构桁架，第二年又采用了三角形的华伦式桁架。现代桁架多由此衍生而来，如钢桁梁标准设计中的带竖杆华伦式桁架和带竖杆的菱形(双三角形)桁架。桁架杆件只受轴向力，应力分布均匀，材料强度得到充分利用。从古代的木桁架到近代的钢桁架(薄壁钢杆)和钢筋混凝土(或预应力混凝土)桁架，桁架对材料的适应范围也很广。梁式桁架(桁梁)实际上是对实腹梁中性区的掏空和改进，有助于减轻自重，增加承受外荷载的数量比，适合于向大跨度发展。由构造简单的等截面梁逐渐发展到经济合理的梁式桁架似乎是结构形式发展的必然。实际上，早在结构理论诞生之前就有桁架的工程应用，但从实腹梁到桁架梁的演变过程却无从考证。19世纪中叶以后，随着桁架分析理论的完善，钢桁梁桥得到迅速发展。而等截面梁虽不经济，但在跨度不大和荷载较小的情况下，由于便于制造和施工，在工程中还广为采用。1.4 桁架种类及其内力特征1.4.1 平面桁架分类(1) 根据桁架的外形分为：平行弦桁架(便于布置双层结构；利于标准化生产，但杆力分布不够均匀)、折弦桁架(如抛物线形桁架梁，外形同均布荷载下简支梁的弯矩图，杆力分布均匀，材料使用经济，构造较复杂)、三角形桁架(杆力分布更不均匀，构造布置困难，但斜面符合屋顶排水需要)。 桁架的外形取决于弦杆的布置。若按桁架腹杆系的布置，则桁架还可细分为三角形腹系(即华伦式桁架)、带竖杆的三角形腹系、半斜杆腹系(如k式桁架)和组合腹系(亦称再分式桁架)。(2) 由桁架几何组成方式分为：简单桁架(由一个基本铰结三角形依次增加二元体组成)、联合桁架(由几个简单桁架按几何不变体系的简单组成规则联合组成)、复杂桁架(不同于前两种的其它静定桁架)。(3) 按所受水平推力分：无推力的梁式桁架(与相应的实体梁结构比较，掏空率大，上下弦杆联合抗弯，腹杆主要抗剪，受力合理，用材经济)和有推力的拱式桁架(拱圈与拱上结构联为一体，整体性好，便于施工，跨越能力强，节省钢材料)。1.4.2 桁架内力特征理想桁架杆件都是二力杆，其内力只有轴力，而没有弯矩和剪力，截面应力分布均匀。这一受力特点反映了实际桁架结构的主要工作形态，轴力为桁架的主内力。实际桁架(如整体浇筑的钢筋混凝土屋架，采用榫接或螺栓联接的木屋架，铆(栓)接或焊接的钢桁架桥)中由于各杆轴线不一定准确交于结点上，结点也并非理想铰结等原因，还同时存在微小的附加弯矩和剪力对轴力的影响，这种影响是次要的(因结点刚性及桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而异，一般在5%0.1%)，内力增量称为次内力。对于静定桁架，考虑桁架各结点的平衡条件(结点受汇交力系作用)，逐个建立结点的投影平衡方程，可求出所有的未知杆力，这种方法称结点法，最适用于简单桁架。求解时，先根据桁架组成特点判定零杆，并尽可能避免联立方程。当只需求少数杆件内力或者对于联合桁架和复杂桁架结点法无法奏效时，宜采用截面法。该法有选择地截断杆件(平面桁架一般不超过三杆)以桁架局部隔离体作为平衡研究对象，列出力矩(或投影)平衡方程即可求得所需杆件轴力。某些桁架(如k式桁架)需要联合应用结点法和截面法求解。对于多杆件的复杂桁架或空间桁架，最好的选择是计算机方法。在支架、塔架和桅杆等柱结构中使用的桁架应作为组合压杆考虑其稳定性问题。1.4.3 平面桁架与空间桁架桁架有平面桁架与空间桁架之分，虽说实际桁架都是空间桁架。理想化的平面桁架不仅各杆轴都是位于同一平面内并通过理想铰的中心的直线，而且外力只作用在桁架平面内的结点上，并维持平衡。实际建筑物所受的荷载常作用于不同方向的几个平面内。因此，必须由一系列平行的平面桁架用联结系组成一个空间体系，以承受各个方向的荷载，如屋架或桥梁。但这种空间桁架体系在设计中通常可分解简化为上述各类平面桁架来计算。另一类空间特征明显的空间桁架体系在设计中却不能简化为几个平面桁架，只能选取空间桁架的计算简图来计算，如圆屋顶桁架、水塔锥形塔架、高压输电塔及起重机构架等。为了计算简便，假设空间桁架的结点为完全光滑、可自由转动的球形铰，杆轴仍为直线。当外力只作用于空间桁架结点时，各杆只受轴力。空间桁架的支座形式有两种：一种是把桁架的一部分杆件直接与基础固结(如塔架)；另一种则是在桁架的某些结点处设置空间铰支座(如固定圆球式支座、可动圆柱式支座、可动圆球式支座等等)。同平面桁架一样，静定空间桁架计算内力(轴力)常用的方法也是结点法和截面法。简单桁架的内力可以直接用结点法求出，对于联合桁架截面法特别有用，对于复杂桁架可联合应用结点法和截面法。也可以把空间桁架视为网架结构的一种形式，用空间杆系有限元方法分析。1.4.4 静定桁架与超静定桁架平面或空间的静定桁架，其支座反力和各杆轴力都可以用基于静力平衡条件的结点法和截面法求得。但超静定桁架存在多余联系，这些多余联系可以是内部的(多余桁架杆)，也可以是外部的(多余支杆)，或者是内部外部兼而有之。由于结点数多，超静定桁架在设计中一般使用力法来计算。工程实用的大型桁架结构多为高次超静定桁架，随着超静定次数的增多，计算工作量将迅速增加。因此，在用力法计算高次超静定桁架时，合理选择基本体系和基本未知量十分重要。对于某些连续桁架，主要是支杆多、外部超静定，所选基本体系宜切断各中间支座一侧节间的上弦杆联系，代以基本未知力，使之分为几个独立的跨度，成为多跨简支桁架。这样，多余未知力的作用仅限于两个跨度的杆件。如有对称性可利用，则将进一步减少计算量。对于工程中大量使用的双重斜腹杆的内部超静定桁架，可统一截断每一节间的上弦杆或斜腹杆取为基本体系，这样，每一节间都是内部几何不变。由于每一对广义单位未知力都是平衡力系，使得每一对单位未知力在基本体系中产生的内力只限于一个节间。现代桁架体系常采用矩阵力法分析，由计算机来完成。如果统一采用矩阵位移法，则静定与超静定桁架计算并无显著区别。1.5 钢桁架的工程应用桁架在土建工程中的应用非常广泛，除了古代用作木屋架和木桥外，近代大跨度钢桥的发展离不开桁架。18831890年建于英国爱丁堡的福斯湾铁路悬臂桁梁桥，为早期应用现代结构理论、反映当时世界建桥技术水平的里程碑工程(主跨521m,支承处桁高110m，保持最大跨度纪录达28年之久)。后来被同类型的加拿大魁北克桥以跨度548.8m超出。此外，日本港大公路悬臂钢桁梁桥(主跨510.0m)和美国西弗吉尼亚的新河谷钢桁架拱桥(净跨518.2m)也是桁架结构工程中的佼佼者。在公铁两用桥中桁架几乎成为不可替代的结构形式。中国首座公铁两用的钱塘江大桥就是1665.8m的简支钢桁梁桥。我国钢桥发展的三个里程碑都是由钢桁架创建的，其中有“天堑变通途”的武汉长江大桥，(正桥为跨度128m的铆接连续钢桁梁)、自力更生的南京长江大桥(正桥结构为跨度160m铆接连续钢桁梁)和1993年采用栓焊新技术建成的九江公铁两用大桥(主跨为216m的刚性桁梁柔性拱组合钢桥)。在大跨悬索桥中，钢桁架也是加劲梁的首选结构，著名的美国金门桥和跨径1990m居世界第一的日本明石海峡桥都采用了钢桁梁。近年来中国发展了钢筋混凝土和预应力混凝土桁架，并应用于桥梁建设上。除了作悬索桥的加劲梁(如福建沙县和龙海的悬索桥)外，还建成双层桥面预应力混凝土连续刚构桁梁桥(如广西峦城大桥)、预应力混凝土桁架式t型刚构桥(如福州洪山桥)以及预应力混凝土斜拉式桁架桥(如福州洪塘大桥)。20世纪60年代末发展起来的钢筋混凝土桁架拱桥，将桁架作为拱上建筑，使传统的拱桥轻型化。并由此发展成新型的特大跨径的预应力混凝土组合桁架拱桥。桁架便于现场拼装，在施工中作为混凝土现浇膺架、拱架和临时支架而得到广泛应用。工程抢险或施工便桥中常见的贝雷片就是一种装配式的桁架单元。建筑施工中不可缺少的起重设备构架，塔架，大跨度预应力混凝土屋架，会堂场馆的空间桁架和网架屋顶，电力工程中的高压输电塔，广播发射塔桅杆，甚至航天器、机器人的手臂都离不开桁架。1.6 本次设计所完成的任务本设计主题为下承式简支铁路桁架桥，设计的主要任务有：主桁几何图式，主要尺寸拟定，内力计算，主桁截面选取。主桁节点及杆件连接计算，桥面系计算。绘制桥跨结构总图、主要节点图、横梁和纵梁设计图、上平联和下平联设计图、桥门架和横联设计图。第2章 杆件内力计算2.1 主桁几何图示的选定一单线铁路简支栓焊桁架桥，32m，设计荷载为中荷载，主桁尺寸如图2-1所示，钢材为q345qd，主绗中心距6.4m。e1e1e0e2a1 a2 a111me0 l=32m 图2-1 主桁结构图2.2 计算主力作用下各主桁杆件的内力2.2.1 内力计算(一)恒载计算主桁，桥面系，高强螺栓以及联结系：kn/m 桥面及人行道双侧设钢筋混凝土人行道板： 10 kn/m故每片主绗重： 19.06 kn/m(二)影响面积计算y1/sinl2l1l1l21/sin图2-3 斜杆影响线弦杆的影响线如图2-2所示，斜杆的影响线见图2-3所示，吊杆的影响线见图2-4所示。16m1图2-4吊杆影响线l1=all2y=图2-2弦杆影响线主桁各杆件的影响线的面积见表2-1。(三)内力计算由恒载和活载产生的各杆件的内力见表2-1所示。列车横向摇摆力：以下弦杆e0e2 举例说明，如图2-5所示为该杆件受列车摇摆力引起的弦杆内力计算图，其他杆件计算结果见表2-1。图2-5下弦杆受列车摇摆力的计算图示l=32m100kn(四)列表将计算结果列入表2-1。 表2-1 各杆件的主力计算表杆件加载长度顶点位置面积恒载内力换算活载冲击系数a1a3320.5-11.64-11.64-221.7949.21.39e0e2320.258.738.73166.3952.651.39a1e210.670.25-1.654.9494.1670.531.3921.330.256.59570841.39aiei160.588168.459.71.5杆件 活载发展系数列车摇摆力主力a1a3-796.00.2791-796.09.38-1027.2e0e2638.90.2601.003640.8117.2924.4a1e2-161.8-0.5821.144185.10-90.9529.80.1781.017538.80633.0aiei716.40.2351.007721.40889.8 续表2-12.2.2 附加力作用下的主桁杆件的内力(一)横向风力标准设计中，桥上有车时的风荷载强度采用1250 pakn/mkn/m由横向风力引起上弦杆内力的计算图式见图2-6所示。由横向风力引起下弦杆内力的计算见图2-7所示。l=32m图2-7 下平纵联横向风力计算图示l=16m图2-6上平纵联横向风力计算图示a1a1：kne0e2： kn(二)桥门架效应桥门架效应引起的主绗杆件的内力计算，其计算图示如图2-8所示。4mbmfc=9.6l013.6b=6.4图2-8 桥门架结构尺寸桥门架所受总风力：kn腿杆反弯点位置： =5.385m腿杆竖向反力： kn下弦杆e0e2所承受的纵向水平力： kn端斜杆所受附加弯矩： 57.5 kn/m kn/m2.2.3 制动力按相应于下弦杆在主力作用下时的静活载计算。e0e2 ：将活载作如图所示布置，根据结构力学方法，若能满足以下关系则产生最大杆力的活载位置：1.521m2a=8mb=24m92kn/mrbrap1 (满足)于是，制动力 杆件e0e2 因制动力所产生内力为： kn2.3 确定杆件计算内力端斜杆e0a1 ：主力：kn， 附加力：kn主+附： knknkn (主控)上弦杆a1a1：主力： kn 附加力：kn主+附： knknkn (主控)下弦杆e0e2： 主力：924.4kn 附加力：kn 106.1kn主+附： kn883.25924.4kn (主控)kn 792.69 kn924.4kn (主控)第3章 主桁杆件的截面尺寸设计及验算3.1 上弦杆计算上弦杆a1a1：恒载：kn 恒+活：kn按中心受压杆件初步拟订杆件截面尺寸如图3-1所示：yyxx460440图3-1 上弦杆截面尺寸(单位：mm)竖板：2块440mm32mm， 腹板：1块：396mm20mm截面特性： cm2cm4 cm4(一)刚度验算： 自由长度 cm=cm，cm100 (满足) 50，50， (满足)(三)杆件总体稳定的验算：由=71.4，查表3-1 得：0.616杆件a1a1： mpa200mpa (满足)3.2 下弦杆的计算e0e2 ： 恒载：166.39kn 恒+活：924.4kn下弦杆为拉杆，依强度条件入手，初步拟定杆件截面尺寸如图3-2所示： yyxx460440图3-2 下弦杆截面尺寸(单位：mm)竖板：2块440mm32mm， 腹板：1块：396mm20mm截面特性： cm2 =cm2 45431cm4 139311cm4(一)杆件强度验算：mpampa (满足)(二)刚度验算：自由长度 cm =cm，cm100 (满足) (三)疲劳验算：下弦杆为受拉杆件，根据其连接方式查知，其容许疲劳应力幅为109.6mpa运营动力系数： e0e2 ：574.5kn 恒+活574.5+166.39+117.2858.09kn 恒166.39kn验算： mpampa (满足)3.3 端斜杆根据主力作用下中心受压杆件计算初步拟定杆件截面如图3-3所示。 yyxx460600图3-3 端弦杆截面尺寸(单位：mm)竖板：2块600mm32mm， 腹板：1块396mm20mm截面特性： 603.22+39.62463.20cm2 2115200cm42186206cm4同弦杆，cm，cm以主力加附加力验算截面。(一)刚度验算： 截面特性： 1360cm， cm=100100 (满足)(二)强度验算：mpampa (满足)(三)总体稳定性验算： 由，查表3-10得， 。查表3-10得：求： mpa mpa取1.0。(四)验算： mpampa (满足)3.4 斜杆的计算a1e2：恒+活633.0 kn，恒+活90.9 kn从强度条件入手，初步拟定截面尺寸如图3-4所示。yyxx460440图3-4 斜杆截面尺寸(单位：mm)竖板：2块440mm32mm， 腹板1块396mm20mm截面特性： cm2 cm4 cm4 =cm，cm(一)刚度验算： 自由长度 cm， cm 100 100 (满足)(二)强度验算：mpa50，50， (满足)(四)疲劳验算：主力计算：knkn疲劳验算： mpampa (满足)3.5 吊杆的计算初步设计截面尺寸如图3-5所示。yyxx460260图3-5 吊杆截面尺寸(单位：mm)竖板：2块260mm32mm， 腹板：1块396mm20mm截面特性： cm2 cm2 cm4 cm4 =cmcm(一)刚度验算： 自由长度 cm， cm 180 180 (满足)(二)强度验算：求横梁内力：首先求出由纵梁传来的竖向力，其影响线见图3-6所示。l=8ml=8m图3-6 n的影响线作用于纵梁上的恒载7.5kn/m，当16m，时，由表查得换算均布荷载为119.4kn/m。每片纵梁的换算均布荷载：kn/mn的影响面积：由恒载p产生的内力：kn由活载产生的内力：kn由恒载产生的剪力：kn由恒载产生的弯矩：knm由静活载产生的剪力：kn由静活载产生的弯矩：knm冲击系数：横梁值：主桁弦杆最大的值为=0.279，所以活载发展均衡系数为：横梁计算内力：knm第4章 主桁节点及杆件拼接计算4.1 腹杆杆端连接螺栓数的计算斜杆截面尺寸如图4-1所示，yxx460440图4-1 斜杆截面尺寸(单位：mm)竖板：2块440mm32mm， 腹板：1块396mm20mmcm2yyxx460260图4-2 吊杆截面尺寸(单位：mm)吊杆截面尺寸如图4-2所示，竖板：2块260mm32mm， 腹板：1块396mm20mm216.16cm2yyxx460440图4-3 斜杆截面尺寸(单位：mm)端斜杆截面尺寸如图4-3，竖板：2块600mm32mm， 腹板：1块396mm20mmcm2单个螺栓的容许抗滑承载力：kn4.1.1 斜杆的计算斜杆为受拉或以受拉为主的杆件，其承载能力为和中较小者，根据其杆端连接方式知，所以承载力为=301.92109.6=3309kn。所需螺栓数： 实用64个，每侧32个。4.1.2 吊杆的计算吊杆为受拉杆件，所以其承载力为=kn所需螺栓数： 实用48个，每侧24个。4.1.3 端斜杆的计算端斜杆为受拉杆件，其承载力为依端斜杆截面特性：，cm2所以其杆端连接螺栓数：实用108个，每侧54个。4.2 下弦杆节点连接螺栓数计算弦杆截面尺寸：竖板：2块440mm32mm， 腹板：1块396mm20mm取杆件截面的一半计算：cm2下弦杆为受拉杆件，拼接板的净截面面积为：=1.1150.96166.1cm2一块节点板提供净截面面积443.2-42.33.2111.3cm2拼接板净截面面积166.1-111.3654.vm2，采用4块280mm20mm两块拼接板净截面面积=cm2单个螺栓的承载力： 53 kn外拼接板的净截面面积： cm2所需螺栓数： 实用48个。两块内拼接板的净截面积为： cm2所需螺栓数为： 实用24个。4.3 上弦杆节点螺栓数计算上弦杆一半截面积： cm2节点外：cm2节点板尺寸：440mm32mm节点内：cm2拼接板尺寸：290mm36mm外节点板连接螺栓数： ，实用78个。内拼接板连接螺栓数： ，实用42个。4.4 节点板计算以大节点e2为例说明，其图示如图4-4所示。主力作用下节点中心处节点板竖向截面上法向应力的验算，其计算图示如图4-5所示。节点板为2块1490mm12mm1930mm，弦杆内拼接板为4块200mm20mm1010mm，弦杆高440mm。主力作用下弦杆a1a1的内力na1a31027.2kn截面a-a上的栓孔位置如图4-4所示，栓孔为。(一)求截面中性轴的位置y0值cm，cm，cmcm2，cm2，cm2cm2cm图4-4 e2节点图单位：(mm)(二)验算法向应力节点板a-a截面上下边缘处的法向应力为：求净截面：cm2求：为截面绕中性轴的净截面惯性矩.设为截面绕弦杆中线的净截面惯性矩，则：，式中e弦杆中心线至截面中性轴的距离。毛截面套弦杆中线的惯性矩：cm4栓孔： 所以： cm4cm所以： cm4求节点板上下边缘至中性轴的距离：上缘至中性轴的距离：cm下缘至中性轴的距离：cm作用力n：kn求法向应力：上缘法向应力：mpa (压应力)下缘法向应力：mpa (拉应力)上下缘法向应力均小于=200mpa (满足)(三)验算剪应力：见图4-4，节点板长度为1930mm，厚度为12mm，栓孔23mm斜杆a1e2的内力： kn， dd截面的剪应力剪力： knkpa50，应设置中间竖向加颈肋。应取2m。5.3 横梁及梁端连接计算(一)作用于纵梁上的恒载p=7.5kn/m，当l=16m，=时，由表查得换算均布荷载为119.4 kn/m。每片纵梁的换算均布荷载，纵梁上的恒载产生的内力np=7.58=60kn作用在横梁上的外力(二)横梁的内力计算：如图5-4所示：bnnb+-nn剪力图+弯矩图图5-4 横梁受力计算图恒载产生的剪力：qp=np=60kn恒载产生的弯矩：活载产生的剪力：qk=nk=740kn活载产生的弯矩：横梁的内力为q= qp+qk=800knm=mp+mk=1554+126=1680(三)横梁端连接螺栓计算实用18个。实用20个。结论经过两个月的努力终于完成设计设计，毕业设计是理论知识与实际操作的准结合。由于以前没有接触过这方面的东西，使得在这次设计过程中，困难重重，举步维艰，但这并没有把我吓倒，反而更加锻炼了我综合运用所学理论知识，解决实际问题的能力更可谓是受益匪浅。在本次设计中我学到了很多的知识，得到了如下结论：1) 懂得了钢桁架桥的设计方法和设计步骤；2) 学会了利用影响线面积进行杆件内力计算；3) 杆件在综合作用下的应力计算；4) 杆件截面选取的思想和验算方法。5) 提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平；由于本人水平有限，设计时间紧迫，在设计过程中难免出现一些不尽人意的情况，还请读者谅解。参考文献1铁路桥涵设计基本规范s002.120052铁路桥涵钢结构设计规范s002.120053钢结构设计规范s001720034李富文，伏魁先。铁路钢桥m.中国铁道出版社，1992（2）5陈绍蕃，钢结构m。西安建筑科技大学6向敏.桥梁工程下m.中国铁道出版社，20077沈祖炎.钢结构设计原理m.中国建筑工业出版社。8李廉锟.结构力学m.高等教育出版社9周远棣，徐君兰编，钢桥m.人民交通出版社，1991（1）。10孙训芳，方孝淑，关来泰编，材料力学m.高等教育出版社，1987（2）其他.致谢本设计是在xx老师的悉心指导下完成的。在设计过程中，所遇到的理论难题在xx老师的悉心指导下最终一一破解。在此向xx老师表示由衷的感谢！另外在设计中，还得到了很多同学的帮助，在此也向他们表达谢意！附录英文文献英语部分：38页43页；中文部分：44页50页。lrfd 3 edition three-span continuous straight i-girderfigure 9: dead- and live-load shear envelopesmay 3, 2004 page 31 of 123three-span continuous straight i-girder lrfd 3 edition figure 10: fatigue-load momentspage 32 of 123 may 3, 200lrfd 3 edition three-span continuous straight i-girderfigure 11: fatigue-load shearsmay 3, 200 page 33 of 123three-span continuous straighti-girder lrfd 3rd edition 8.2. live load deflection as discussed previously, the optional live-load deflection check consists of evaluating two separate live- load conditions to simulate current aashto hs20 loadings. again, the two load conditions are (article 3.6.1.3.2): the design truck. the design lane load plus 25 percent of the design truck. the dynamic load allowance of 33 percent is applied to the design truck in each case. a load factor of 1.0 is applied to the live load since the live-load portion of the service i load combination is to be used in the check. the lateral distribution factor for live-load deflection, computed earlier, is also used. the actual n-composite moments of inertia along the entire length of the girder are used in the analysis. because live-load deflection is not anticipated to be a significant concern for the example bridge, the stiffness of the barriers is not included in the composite stiffness used in determining the live-load deflections. however, the full width of the concrete deck associated with the exterior girder (versus the effective flange width) is used in determining the composite stiffness, as recommended in article 4.6.2.6 for the calculation of live-load deflections. the maximum live-load deflections in the end span and center span due to the design truck plus the dynamic load allowance are: ( ll+im ) end span = 0.91 in. (g