人行天桥结构设计与有限元仿真分析毕业论文.doc

人行天桥结构设计与有限元仿真分析毕业论文目录第1章 绪论11.1研究的背景及意义11.2国内研究现状11.3发展趋势11.4桥梁的几种主要分类21.5钢结构桥梁的优势31.6钢材的选择31.7本章小结42.1地形概况52.2主要技术指标52.3净高设计52.3.1桥下净高52.3.2桥面净高52.4桥面净宽52.5跨度设计62.6钢材选择62.7挠度允许值62.8荷载62.8.1天桥设计荷载分类62.8.2人群荷载72.9本章小结73.1桁架桥的总体设计83.2主桁的结构形式、基本尺寸及总体布置方案93.2.1主桁结构形式93.2.2主桁的基本尺寸103.2.3桁架方案布置图113.3主桁内力计算113.3.1荷载113.3.2杆件截面选择113.4.1整体有限元模型133.4.2桁架部分模型133.4.3桥面布置图133.4.4主桁布置图143.4.5约束图143.4.6荷载图143.5分析结果153.5.1挠度153.5.2梁单元应力153.5.3板单元应力163.6本章小结164.1钢箱梁的分类174.2钢箱梁桥的构造174.3钢箱梁的主要设计参数174.3.1顶板和底板的厚度174.3.2箱室数目184.3.3梁高194.3.4横隔板204.3.5加劲肋设计214.4方案设计214.5有限元建模214.5.1梁单元布置图214.5.2边界布置224.5.3荷载布置224.6有限元分析结果234.6.1挠度值234.6.2梁单元应力234.6.3板单元应力244.6.3纵隔板应力244.6.4横隔板应力254.7本章小结255.1钢板梁桥的结构形式265.2刚板梁桥的分类265.2.1根据支承条件和受力特点分类265.3主梁桥面尺寸选择原则及相关公式275.4截面设计285.5.1梁单元建模295.5.2板单元建模295.5.3边界条件295.5.4荷载条件305.6有限元分析结果305.6.1挠度值305.6.2板单元应力315.6.3梁单元应力315.7本章小结316.1方案比选的主要标准326.2相关参数统计326.3方案比选326.4方案选择336.5本章小结337.1桥墩形式347.2有限元模型347.3有限元结果357.4本章小结358.1梯道布置方案368.2有限元模型368.3有限元结果378.4本章小结38第9章 结论399.1关于如何减小桥梁跨中挠度399.2关于设计过程39参考文献40附录41桁架截面的选择过程411.内力计算简图412.内力计算表413.杆件截面选择42致谢45武汉理工大学毕业设计（论文）第1章 绪论本文拟对武汉理工大学理工一桥原址处进行城市钢结构人行天桥方案设计与计算，改善雄楚大道省出版车处人车合理分流，提高交通安全性。同时，对理工一桥钢结构人行天桥进行有限元仿真分析，根据计算结果修改设计方案，达到优化设计的目的。1.1研究的背景及意义人行天桥（又名过街天桥, 步道桥）是城市道路工程中的重要组成部分, 是在交通密集的地区, 为解决路人过街, 满足人车分流, 方便建筑物之间联系而建设的过街桥梁1。自改革开放以来，人们的出行方式日趋丰富，城市交通迅速发展。随着人口及交通工具的不断增多，交通拥堵及安全问题日益严重，这已成为我国当前的一大热点问题。人行天桥作为城市交通的重要一环，对解决此类问题起着至关重要的作用，但其相对于非步行空间，如车行道、高速公路、地铁站、立交桥等交通空间来说，还处于缓慢发展的不完善阶段。因此，我们积极开展人行天桥的研究，对于改善城市交通状况具有什么重要的意义。1.2国内研究现状我国的人行天桥建设始于20世纪70年代, 多为钢筋混凝土梁柱结构, 以满足行人过街通行的需求。在80年代后期, 国内曾经展开过关于天桥与地道建设优缺点比较的大讨论。由于当时的人行天桥大多讲求实用性, 忽略美观性, 普遍存在影响市容等原因, 天桥建设一度销声匿迹, 取而代之的是大量人行地道的实施。实践经验表明, 人行地道本身受地下管线、地下水位的影响,有些地方并不适合；并且人行地道建造成本是人行天桥的1.5至2倍以上, 且日常运营维护费用比天桥要高出很多2。随着我国交通建设的发展, 人民大众审美意识的提高, 天桥的建设再次成为人们关注的焦点。人们已经不再从纯粹的工程学角度来研究天桥, 而是结合时代的背景特点、生态环境和可持续发展的观点, 运用现代城市设计的理念, 来研究新城市化进程中的天桥建设。1.3发展趋势综观近几年的人行天桥的发展建设, 呈现出以下几个趋向。（1）成为塑造城市景观的重要元素城市景观是社会公众对城市的整体印象、感受与评价, 是对城市综合环境的集中反映。随着时代的进步, 传统的城市空间注人了现代内涵, 城市空间的开发向立体化三维发展, 人行天桥成为新型城市空间的重要组成部分。通过运用景观设计手法, 合理布置景观要素, 49武汉理工大学毕业设计（论文）可以提高人行天桥的整体景观效益, 创造出现代、新颖、美观、独特的视觉效果。经过精心设计的人行天桥已经越来越多地成为城市的地标性景观建筑。同时, 富于形式变化的天桥造型, 成为美化城市轮廓线的有效手段。（2）体现高技术与新结构的形式美人行天桥设计在满足人行交通功能的基础上, 追求形式、结构与材料上的大胆创新, 大量运用钢材以及新型复合材料如玻璃钢, 综合运用斜拉索、钢箱梁、中承式拱等结构形式, 通过“ 结构暴露” 反映现代的结构技术与材料技术的进步趋势。新型人行天桥, 具有结构轻巧、造型独特、跨度较大、承载力高的优点, 同时安装便利、施工周期短。（3）注重结构元素的细部设计天桥的结构元素, 是天桥向人们传趁信息的主要媒介, 是塑造天桥特色的重要手段, 具体包括桥面铺装、栏板、栏杆、扶手、台阶、桥墩等部位。通过材料选择、色彩搭配、纹理设计、尺度划分、虚实变化等细部设计, 可以加强天桥的结构特点和个性特征, 体现天桥所在地区的历史文脉内涵和人们的审美情趣及文化品位。（4）崇尚以人为本的关怀理念人行天桥在外在形态上具有特定的城市形体特征, 但在其内部空间上却具有人性化的尺度, 应体现对行人的关照, 尤其突出对老、少、病、残等特殊群体的照顾。（5）强化天桥的绿化与亮化随着城市生态环境建设的加强, 人行天桥为改善绿化环境提供了新的空间领域,在新建天桥上设计一定的绿化空间, 并对已建天桥进行竖向绿化改造, 使之成为“ 空中绿廊” 。作为城市夜景照明的重要手段之一,亮化的天桥景观是城市夜空中的绚丽长虹。天桥照明以轮廓照明为主, 突出“ 线” 性空间的形式, 通过对桥梁造型的勾画, 为城市夜色增光添彩。具体手段从一些简单的射灯、外打灯, 到利用数码光管等高科技光管材料等, 来突出天桥的结构感、轮廓感, 以营造明亮、欢快、热烈的夜景效果。（6）实现多种功能的合理结合天桥空间除了发挥其交通功能外, 还为人们创造出多层次、多功能、多涵义的社会公共空间。将传统上的一宽的人行天桥, 扩展为巧一宽的“ 过街天桥平台” , 赋予天桥室外休闲、娱乐、观光、交往、交流、购物、餐饮等多种功能3。1.4桥梁的几种主要分类（1）按受力体系分类按受力体系分类，桥梁有梁、拱、索三大基本体系，其中梁桥以受弯为主，拱桥以受压为主，悬索桥以受拉为主。另外，由上述三大基本体系的相互组合，派生出在受力上也具有组合特征的多种桥型，如钢架桥和斜拉桥等。（2）按主要承重结构所用的材料分类按主要承重结构所用的材料划分，有圬工桥（包括砖、石、混凝土桥）、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥、钢混凝土组合桥和木桥等。木材易腐，且资源有限，一般不用于永久性桥梁。（3）按上部结构的行车道位置分类按上部结构的行车道位置分类，分为上承式桥、中承式桥和下承式桥4。1.5钢结构桥梁的优势（1）良好的力学性能和加工性能与混凝土相比，钢材具有很高的强度，特别适用于建造跨度大、荷载重的结构。钢材的塑性好，承受静力荷载时吸收变形的能力强，不会由于偶然超载而忽然断裂，只增大变形，故易于被发现；钢材的韧性好，具有良好的动力工作性能，适宜在动力荷载下工作。（2）工业化程度高、施工周期短钢结构所用的材料皆已轧制成各种型材，加工简易而迅速；钢结构构件一般在专业加工厂制作，因此精准度较高，质量也易于控制。钢构件较轻，连接简单，运输安装方便，且施工采用机械化，可以大大缩短现场的施工周期。同时，采用螺栓连接的钢结构，在结构加固、改建和可拆卸结构中，也具有其他结构不可替代的优势。（3）设计计算量小，计算结果比较符合实际由于冶炼和轧制过程的科学控制，钢材的材质接近于均质和各向同性体，力学性能也接近理想的弹性塑性体，因此，钢结构实际受力情况与工程力学计算结果比较符合。在设计中采用的经验公式不多，计算上的不确定性较小，计算结果比较可靠。（4）钢结构天桥有造价优势大跨度结构主要是在自重荷载下工作，采用钢结构承重骨架，可比钢筋混凝土结构减轻自重约1/3 以上。结构自重轻，减少了运输和吊装费用；基础负载相应减少，可以降低基础造价。通过计算可知，在同等跨度下钢天桥的平米用钢量已经低于钢筋混凝土中的钢筋含量。（5）拆迁回收价值高目前社会高度发展，建筑工程也日新月异，有的工程建成不过几年时间，就由于种种原因需要拆除或改造。钢结构工程不仅拆迁难度小，环境污染少，而且回收价值高，废钢铁的价格可达到新钢材的65%以上5。1.6钢材的选择钢箱梁钢材设计选用标准集中于3个方面： （1）强度的要求 钢结构设计采用容许应力法，强度设计以控制截面应力不超过材料容许应力为原则。考虑到在钢结构桥加工制作及拼装过程中，会产生很多由于误差造成的附加应力及焊接参与应力，这些应力是无法计算的，在施工安装中也会产生误差附加应力，这些应力虽能计算，却是不确定的。故在设计中，一般会采用较高的应力储备，以提高安全度。现阶段我国的公路钢箱梁桥采用强度级别主要是屈服点 级，如 Q345。少数铁路桥采用了级的。采用国外钢材的强度级别均相当于Q345,如SM490C、Fe510D、STE355。 （2）使用气候条件的要求 钢材性能受温度影响较大，钢材牌号的选择应考虑到桥梁所在地气候条件对结构的影响。设计常用的低合金高强度结构钢，按冲击韧性进行质量分级，分为A、B、C、D、E 等级别，各级别对应不同的冲击试验温度。国内公路桥梁钢箱粱采用的级别大部分集中在C、D 和E，对应的试验温度分别是是0、20 和-40。对于南方地区，常年温度较高的情况下，选用Q345C已经满足使用要求在北方寒冷地区，考虑到钢材在低温下的使用条件，宜使用Q345D，甚至是Q345E。 （3）加工制造的要求 高强钢的焊接工艺复杂、参数控制严格。不同牌号的钢材其焊接性能有较大差别，即使同一牌号，不同等级的钢材，其可焊性也不尽相同。钢结构桥制造过程是大量的钢材焊接过程的集合体，焊缝检查要求极为严格。过于追求强度、硬度等指标而忽视可焊性，会造成不必要的浪费6。1.7本章小结本章主要阐述了目前国内城市中人车冲突问题的严峻形势，引出了人行天桥对改善城市交通状况的重要意义，还介绍了国内对人行天桥的研究现状状况。展望了未来人行天桥在实用性及景观性等方面的发展趋势。简述了桥梁的几种主要分类方式。阐明了钢结构桥梁相对于其他桥梁的优势。以上要点都对本次的理工一桥方案设计具有十分重要的参考价值。通过本章的讨论，我们还发现国内现有的城市人行天桥与人行地道技术规（CJJ69-95）严重滞后，不能满足现代化的需求，故本次毕业设计以武汉理工大学理工一桥的方案设计与有限元建模分析为题目，旨在引导我们通过有限元的方案学会桥梁方案设计的一般过程，从而学以致用。第2章 武汉理工一桥的工程概况2.1地形概况桥址位于雄楚大道与出版城路相交的T字型路口，宽度30m左右。其中雄楚大街为城市主干道，出版城路为在建城市次干道。该处以北为武汉理工大学校园，理工大新建的升升学生公寓位于雄楚大道以南约300m的出版城的东侧。根据勘测资料，场地内有杂填土，粘土、强风化灰岩及弱风化灰岩等地质层，其中，粘土层可作扩大基础持力层。弱风化灰岩承载力1500KPa，可作桩基的持力层。2.2主要技术指标（1）人流量：自行车及行人高峰流量为10000人次/小时。（2）温度：-1545（3）风荷载：基本风压取400KPa2.3净高设计2.3.1桥下净高理工一桥下为机动车道，根据城市人行天桥与人行地道技术规（CJJ69-95），天桥桥下为机动车道时最小净高4.5m,为行驶电车时最小净高为5.0m。参照武汉本地各人行天桥的高度情况，本次方案桥下净高定为5.0m。2.3.2桥面净高根据城市人行天桥与人行地道技术规（CJJ69-95），天桥桥面最小净高为2.5m。为了桥身的美观与行人的舒适度，本次方案设计桥面净高取为4m。2.4桥面净宽根据城市人行天桥与人行地道技术规，天桥与地道的通道净宽应根据设计年限内高峰小时人流量及设计通行能力计算。且天桥桥面净宽不宜小于3m。综合各种情况考虑，桥面净宽取为6m。2.5跨度设计 桥址桥址位于雄楚大道与出版城路相交的T字型路口，路面宽度约为30m，但是考虑到学生交通安全，本桥一端须设置在理工大学校园内，故设计跨度采用50m。2.6钢材选择 根据第1章提到的选择标准，本次设计选用Q345钢材，屈服强度345MPa，采用安全系数1.2，则应力最大值287MPa。2.7挠度允许值天桥上部结构由人群荷载计算的最大竖向挠度不应超过下列允许值7梁板式主梁跨中L/600梁板式主梁悬臂端L1/300桁架、拱L/800注：L为计算跨径，L1为悬臂长度2.8荷载2.8.1天桥设计荷载分类表2.1 设计荷载分类编号荷载分类荷载名称1永久荷载（恒载）结构重力2预加应力3 混凝土收缩及徐变影响力4基础变为影响力5水的浮力6可变荷载基本可变荷载（活载）人群78其他可变荷载风力、雪重力、温度影响力9偶然荷载地震力10汽车撞击力注：如构件主要为承受某种其他可变荷载而设置，则计算该构件时，所承荷载作为基本可变荷载。2.8.2人群荷载梁桁拱及其他大跨结构采用下列公式计算：当加载长度为20m以下（包括20m）时 （2.1）当加载长度为21100m（100m以上同100m）时 （2.2）式中W为单位面积的人群荷载，kPa； L为加载长度，m； B为半桥宽度，m。大于4m时仍按4m计。本次设计中，计算跨径L为50m，桥面宽度为6m，故人群荷载2.9本章小结 本章主要介绍了理工一桥的一些基本工程概况，包括地形地质状况、风力等级、温度以及人流量状况，为具体方案设计提供了基础的依据。本章介绍了武汉理工一桥主体结构的设计尺寸，主跨度50m，桥面净宽6m，桥下净高5m，桥面净高4m，桥面具体建筑结构有待设计。本章还很细致的介绍了本次设计主要用到的规范城市人行天桥与人行地道技术规（CJJ69-95）中关于挠度允许值和荷载及荷载组合值的计算。并成功运用规范公式计算出了本次人行天桥设计的主要荷载人群荷载的大小，3.6125kPa，为下文方案设计打下了基础。第3章 桁架桥方案设计钢桁梁桥的主梁是由位于多个平面内的钢桁架连接形成的整体空间结构，来承受荷载作用的空腹式受弯结构。同实腹时梁相比，当跨径较大时，桁架主梁具有刚度大、通透性好、用钢量省、制造运输及拼装方便等特点。刚桁架桥应用范围广泛，既可用作独立的钢桁梁桥主承重结构，又可用作悬索桥和斜拉桥的加劲梁、拱桥的拱肋等结构；还可用作工业与民用建筑中的屋架、桁架式吊车梁、电视塔、输电线路支架、龙门吊以及其他临时性空腹式结构。3.1桁架桥的总体设计下承式简支桁架桥由五个部分组成：桥面、桥面系、主桁、联结系和支座。主桁是桁梁桥的主要承重结构，其作用是承受竖向荷载，它由上、下弦杆和腹杆组成，各桁件交汇处用节点板连接，形成节点。为把两片或多片桁架连成空间受力结构而设置的水平框架成为纵向联结系，其中位于主桁上弦杆平面内的纵向联结系将成为上平纵联，位于主桁下弦杆平面内的纵向联结系简称为下平纵联。横向联结系是指为了增加钢桁梁桥的抗扭刚度并提高横断面的稳定性，以确保各片主桁架共同受力而在主桁的竖腹杆平面内设置的横向连接杆。其中位于主梁端部的横向联结系称为端横梁，位于主梁中部的横向联结系成为中横梁。道桥系是指桥面、纵梁、横梁、以及他们之间的连接系统。为了提供行车桥面，应设置纵、横梁的桥道梁支撑桥面板，或设置纵、横肋支撑钢板的钢桥面。从桥面传来的荷载经由纵梁传递至横梁然后传至主桁节点，并最终传至基础。虽然组成钢桁梁桥的杆件数目繁多，并且节点构造复杂，但钢桁梁的传力路径简单明确。不管上承式桁梁还是下承式桁梁其传力路径都为：在竖向荷载作用下的受力顺序均为：桥面纵梁横梁或纵梁横肋主桁支座墩台或基础；在水平风载以及水平地震荷载作用下，则为：上、下水平联主桁弦杆桥门架（或端横联）支座基础8。3.2主桁的结构形式、基本尺寸及总体布置方案3.2.1主桁结构形式主桁是桁架桥的主要组成部分，它的结构选择是否合理，对桁架的设计质量起着重要的作用。在拟制主桁结构形式时，应根据桥位当地的具体情况（如地形、地质、水文、气象、运输条件等），选择一个较为经济合理的方案。它不仅能满足桥上运输及桥下净空的要求，而且还能节约钢材，便于制造、运输、安装和养护。以下是几种常用桁架形式。图3.1 主桁架的常用类型（a）华伦桁架（b）柏氏桁架（c）K氏桁架（d）双腹杆华伦桁架（1）三角形桁架（Warren trusses）由斜腹杆与弦杆组成等腰三角形的桁架成为三角形桁架，又称华伦桁架，如图3.1（a）所示。它是目前世界上应用最广的一种桁架形式，适用于大中等跨径的下沉式钢桁梁桥。华伦桁架构造简单，部件较少，竖杆只承受局部荷载，它适用于定量化设计，有利于安装制造。但华伦桁架没有方向性，需要平纵联。（2）斜杆形桁架（Pratt trusses）相邻斜杆互相平行的桁架称为斜杆形桁架，又称为柏氏桁架，如图3.1（b）所示。它与三角形桁架相比，其弦杆规格多，每个节间都有变化；竖杆不仅规格多，而且内力大，所有节点都有斜杆交汇，均为大节点。因此，在构造及用钢量方面都不及三角形桁架优越。（3）K形桁架（K truss）斜杆与竖杆构成K字形的桁架称为K形桁架，如图3.1(c)所示。K形桁架由于主桁架同一节间内的剪力由两根斜杆分担，其斜杆截面较上述几种类型都要小，但此种桁架杆件规格多、节点多、连接多、构造复杂，一般用于小跨度桥梁。K形桁架斜杆倾角以4560为经济，但当跨度增大时，应做适当调整。（4）双重腹杆形桁架（Parallel chord rhomhic truss）双重腹杆形桁架是由两个不带竖杆的三角形桁架迭合而成，如图3.1（d）所示。由于斜杆只承受节间剪力的一般，杆件短、截面小，如用于大跨度梁，受压斜杆短，对压屈稳定有利。斜杆截面小，则在节点板上的链接栓也少，有助于解决钢板供货尺寸不足的矛盾9。本次设计，综合考虑各种因素，觉得主桁架形式为华伦桁架，并作适当调整，最终方案如下图3.2所示。图3.2 主桁架布置图及尺寸3.2.2主桁的基本尺寸主桁的基本尺寸是指：主桁高度（简支桁高）、节间长度、斜杆倾斜及两主桁的中心距离。这些尺寸的拟定，对桁架桥的技术经济指标起着重要的作用。（1）桁高 桁高越大时弦杆受力越小，弦杆的用钢量减少。但同时桁高加大带来腹杆增长，因而腹杆的用钢量又将有所增加。对于一定跨度的桁架桥，将有一定的桁高对用钢量而言是较经济的，这个桁高我们称为经济桁高。根据过去统计资料，并考虑到经济桁高，简支桁架桥的桁高可参考表3.1。表3.1 简支桁架桥经济桁高桥 型铁 路 桥公 路 桥平行弦桁架多边形桁架平行弦桁架多边形桁架下承式1/7L（1/51/6.5）L（1/71/10）L（1/5.51/8）L上承式(1/71/8)L(1/81/10)L本次设计方案为人行天桥，故桁高取值比公路桥略小，考虑多种因素后取为4米。（2）节间长度考虑到我国钢板等型材的标准化生产等因素，其节间长度宜取为5米。（3）斜杆倾斜 斜杆倾角由上桁高度与节间长度的比值决定，对腹杆用钢量和节点构造有很大影响。倾角过小，腹杆数少，但腹杆长度增加，而且腹杆内力很大。倾角过大，则腹杆内力小，但腹杆数量增多。此外，倾角过小或过大，均使斜杆无法伸入节点中心，节点板变得很长很高，使外表面的刚度很差。有竖杆的桁架的合理倾角为50左右；无竖杆的桁架的合理倾角为60左右。考虑到人行天桥跨度与高度，本次设计的倾角为38.66。（4）主桁的中心距横向刚度、稳定性和桥面净宽决定钢桁梁桥主桁架的中心距。本次设计为一人行天桥，中心距取为6米。3.2.3桁架方案布置图图3.3 桁架桥总布置图3.3主桁内力计算3.3.1荷载自重：参考以往钢桁桥经验，取每片主桁架所受恒载：人群荷载：，等效节点荷载为：。3.3.2杆件截面选择（1） 腹杆截面选择表3.1 腹杆截面选择表截面名称截面类型截面大小下弦杆热轧H型钢上弦杆热轧H型钢竖杆热轧H型钢杆件19热轧H型钢杆件21热轧H型钢杆件23热轧H型钢杆件25热轧H型钢杆件27热轧H型钢纵梁热轧H型钢下横梁热轧H型钢上横梁热轧H型钢详细计算过程，见附录（2）纵梁 人行天桥桥面采用0.03m橡胶铺装，重力可以忽略不计，故荷载主要为人群荷载，纵梁间隔1m，则均布荷载为：，跨中弯矩根据抗弯强度选择界面，需要的截面模量为： 选用热轧H型钢，其，跨中无孔眼削弱，此大于，梁的抗弯强度已足够。由于型钢腹板较厚，一般不必验算抗剪强度。其他界面特性。（3）下横梁选用和纵梁一样的截面热轧H型钢。（4）上横梁 由于上横梁起着增加钢桁梁桥的抗扭刚度并提高横断面的稳定性，以确保各片主桁架共同受力的作用，故选用较小截面杆件比较经济，本处选取热轧H型钢。（5）桥面板厚参考以往设计资料，桥面板采用钢板厚度为0.01m。3.4有限元建模分析3.4.1整体有限元模型模型长度值50m，宽6m，高4m。长度单位m，力单位kN。图3.5 整体有限元模型3.4.2桁架部分模型图3.6 桁架部分模型3.4.3桥面布置图图3.7 桥面布置图3.4.4主桁布置图图3.8 主桁架布置图3.4.5约束图约束条件：两端简支图3.9 约束图3.4.6荷载图自重：整体坐标Z方向，系数-1人群荷载：板单元受均布荷载，大小3.6125kN/m2，方向竖直向下，如下图所示图3.10 荷载分布图3.5分析结果3.5.1挠度图3.11 扰度示意图挠度最大值：3.5.2梁单元应力图3.12 梁单元应力图最大拉应力：，安全最大压应力：，安全3.5.3板单元应力图3.13 板单元应力图最大应力：，安全3.6本章小结本章详细介绍了简直桁架梁桥的设计过程，从杆件内力的计算，到杆件截面的选取，以及有限元软件的建模验算，步骤明确，条理清晰。在做设计的过程中，我发现几条有用的经验：（1）增大桥面板单元厚度，有助于减小挠度值，但是效果不是很明显；（2）增大主桁下弦杆的截面，有助于减小挠度值，但是效果有限；（3）增大纵梁的截面，有助于减小挠度值，效果显著；（4）增大主桁上弦截面，有助于减小挠度值，效果显著；（5）增大主桁的高度，有助于减小挠度值，效果最好，但是要综合考虑经济和实际调节，适当调节。第4章 箱梁方案设计钢箱梁又叫钢板箱形梁，是工程中常采用的结构形式。一般用在跨度较大的桥梁上，外型像一个箱子故叫做钢箱梁。 箱梁截面有单箱单室、单箱双室(或多室)，早期为矩形箱，逐渐发展成斜腰板的梯形箱。 箱梁桥可以是变高度，也可以是等高度。从美观上看，有较大主孔和边孔的三跨箱梁桥，用变高度箱梁是较美观的；多跨桥(三跨以上)用等高箱梁具有较好的外观效果。国外早期的大跨度桥梁多采用桁架式钢加劲梁，如美国的金门大桥(1937)。1966年英国建成了第一座采用流线形钢箱梁为主梁的悬索桥Seven桥。此后，钢箱梁逐渐在公路大跨度桥梁上取代了桁架式钢梁的地位。我国桥梁建设事业自20世纪末以来，进入了高速发展期，已经建成的几座大跨度悬索桥，从三峡西陵长江大桥开始，都采用了钢箱梁主梁。钢箱梁的优势在于：结构重量轻、抗风稳定性好、 抗扭刚度高、施工和养护方便11。4.1钢箱梁的分类根据钢箱梁桥的结构形式，可以分为单箱单室、单箱多室、双箱单室、扁平钢箱梁桥等多种形式。其中，双箱单室钢箱梁桥是钢箱梁桥中采用最多的梁桥结构形式。扁平钢箱梁桥梁高与桥宽之比很小，主要用作吊桥、斜拉桥、拱桥等的加劲梁，梁式桥中很少采用。根据受力体系钢箱梁桥可以分为简支钢箱梁桥、连续钢箱梁桥和悬臂钢箱梁桥。其中，钢箱梁桥特别适合做成连续梁桥。 4.2钢箱梁桥的构造钢箱梁桥下部结构的组成与工字形刚板梁桥类似，主要由主梁、横向联结系和桥面系组成。由于钢箱梁桥的横向刚度很大，可以不设纵向联结系。钢箱梁的单箱承载力较大，可以采用单箱、双箱和多箱的结构形式，总体布置比较灵活。对于铁路桥梁由于桥宽不大，单线铁路基本采用单箱。复线铁路可以做成单箱双室的结构形式。4.3钢箱梁的主要设计参数4.3.1顶板和底板的厚度 钢箱梁顶、底板是箱形结构体主要抵抗弯矩的构件。尤其是顶板，直接承受人群荷载。设计中主要考虑强度条件，即顶、底板厚度要使使用过程中的应力在钢材容许应力限度之内，这关系到结构自身安全运营。欧洲最初的钢箱梁顶板设计采用12 mm。我国早期修建的几座大跨度悬索桥，从西凌长江大桥、虎门大桥，到江阴长江大桥、厦门海沧桥等，钢桥面板厚度也都采用了12 mm。但是武汉理工大学理工一桥作为一座人行天桥，是否也需要这么厚的钢板，就需要我们研究分析了。图4.1 箱型梁截面通过对如图4.1所示箱型梁截面，通过控制其他变量参数，只改变顶板和底板厚度，进行有限元分析得出如下结果：图4.2 板厚对挠度的影响 结论：可以看出，随着板厚的增加，跨中挠度总体呈减小趋势。在板厚较小时，板厚的增加对跨中挠度的影响较大；在板厚较大时，板厚增加对跨中挠度的影响越来越小，所以板厚并不是越大越好。针对次方案设计，板厚的最佳范围大约为10mm14mm，结合以往设计经验，故本次毕业设计板厚取值14mm。4.3.2箱室数目单箱室简支箱梁桥可细分为单箱单室、单箱双室和单箱多室等几种类型。接下来我们将讨论箱室数目对跨中挠度的影响。通过控制其他变量参数，只改变箱室数目，进行有限元分析得出如下结果：图4.3 箱室数目对挠度的影响 结论：由上图，我们可以看出，箱室的数目对挠度具有一定的影响，由单箱室增加到双箱室，挠度变化值达到了100多个单位厚度。从双箱室到多箱室的挠度虽然仍然随着箱室数目的增多而减少，但是影响变得很小。随着箱室数目的增加，用钢量逐渐增加，从经济角度考虑，本次设计的方案将采取单箱三室的形式。4.3.3梁高随着梁高的增加，箱梁的截面惯性矩增大，跨中挠度减小。城市人行天桥的箱梁高度根据所处地点、设计承载能力等因素的不同，一般都在80cm150cm之间。但是本次方案要满足上下课人流高峰期理工大学生安全快速通过的要求，桥面宽度达到了6m，大于城市一般人行天桥的4m宽度，梁高的设计我们也通过有限元模拟实验，得到的结果如下： 图4.4梁高对挠度的影响 结论：由图标，我们可以看出，随着梁高的增加，挠度值总体呈现减小趋势。针对本方案，在梁高较小时，梁高对挠度的影响比较明显，随着梁高的增加，挠度的减小趋势逐渐缓和。可以看出，在1.3m之前，挠度值下降较快，1.3m之后，挠度值下降较慢。所以，本次方案设计的梁高取值为1.3m。4.3.4横隔板 钢箱梁桥的箱体一般应用低合金薄板焊接而成，抗弯抗扭刚度大，弯曲应力图形合理，剪应力小，自重小。另外，从箱梁的结构上来看，无论是承受竖直偏心荷载还是水平荷载，都能作为一个空间结构来抵抗外力，能发挥各个杆件的力学性能，没有零杆。 然而钢箱梁的顶板、底板和腹板，其厚度与高度和宽度之比非常小，是较混凝土箱梁更为典型的薄壁结构，在集中荷载、均布荷载、弯矩和扭矩等作用下横截面会发生明显的变形，从而导致整个梁体发生局部屈曲、腹板压皱和弯折破坏等现象，因此设置一定数量的横隔板来保证其受力性能，达到阻止横截面形状的变形，限制由横截面形状变形和扭转共同引起的横向弯曲畸变应力和纵向正应力，同时起着局部约束截面扭曲的作用，从而阻止梁体由于局部屈曲而产生的失稳现象。 横隔板主要起到荷载横向分配的作用，间距不宜过大，日本阪神规定其间距不大于6m。本次方案取横隔板间距为5m。 对于横隔板间距对挠度的影响，我也通过有限元建模分析了，结果如下：图4.5 横隔板间距对挠度影响结论：由图可以看出，横隔板间距对挠度的影响很小，可以忽略不计。4.3.5加劲肋设计参照以往设计经验，加劲肋采用热轧H型钢。4.4方案设计 根据以上对各种参数的实验结果，箱型梁的截面形式最终定为：单箱三室，板厚14mm，梁高1.3m，横隔板间距5m，加劲肋热轧H型钢。最终截面方案如图4.6所示。图4.6 箱型截面布置4.5有限元建模4.5.1梁单元布置图模型长度值50m，宽6m，高1.3m。长度单位m，力单位kN图4.7 梁单元布置图4.5.2边界布置约束条件：两端简支图4.8 边界布置图4.5.3荷载布置自重：整体坐标Z方向，系数1.0人群荷载：顶部板单元受均布荷载，大小3.6125kN/m2，方向竖直向下，如下图所示图4.9 荷载布置图4.6有限元分析结果4.6.1挠度值图4.10 挠度值图跨中最大挠度为：4.6.2梁单元应力图4.11 梁单元应力图最大正应力，安全最大负应力，安全4.6.3板单元应力图4.12 顶板应力图图4.13 底板应力图最大应力值：，安全4.6.3纵隔板应力图4.14 纵隔板应力图4.6.4横隔板应力图4.15 横隔板应力图4.7本章小结本章通过利用有限元软件的模拟计算结果，参考以往的设计经验，设计出了一种等截面的箱型梁桥方案，挠度满足规范的要求，应力也满足安全要求。本章总结出了一些对于以后设计有参考价值的经验：（1）随着板厚的增加，跨中挠度总体呈减小趋势。（2）箱室的数目对挠度具有一定的影响，需要具体问题具体分析。（3）随着梁高的增加，挠度值总体呈现减小趋势。（4）横隔板间距对挠度的影响很小，可以忽略不计（5）随着加劲肋截面的增大，挠度值减小。第5章 板梁桥方案设计钢板梁桥是指由钢板焊接、栓接或铆接，形成的实腹式钢梁作为主要承重结构的钢梁，截面多为工字形。钢板梁桥是中小跨径桥梁中最常用的钢桥形式，同时也是构成其他形式钢桥构件的一部分。5.1钢板梁桥的结构形式钢板梁桥的主梁，通常采用工字钢、H形钢、焊接工形梁等结构形式，主梁与主梁之间采用横梁和纵梁相连形成整体受力结构。主要受力结构的主梁和横梁在平面上形成格子形状的梁格，因此钢板梁桥也被称为格子梁桥。工字钢和H形钢是由工厂轧制而成，通常为等截面形式，与焊接钢梁相比，具有结构简单、造价低的特点。但是，采用工字钢和H形钢作为钢板梁桥的主梁，截面尺寸往往会受到工厂的轧制能力的限制，跨越能力较小，通常在20m以下，这种由工字钢或H形钢作为主梁的钢梁桥统称为“beam bridge”，为了提高工字钢和H形钢的跨越能力，可在上下翼缘板上增加盖板，盖板通常采用焊接形式与型钢连接。 焊接工形钢是由上下翼板和腹板焊接而成，具有结构灵活、构造简单、受力明确、工地连接方便、单个构件重量轻等优点，使用跨径可达到60m，是中小跨径钢梁桥最为经济和采用最多的结构形式。但是，焊接工形梁的抗扭刚度和横向抗弯刚度较小，在运输和安装过程中或者桥梁的宽跨比较小时，必须充分注意横向失稳问题。焊接工形梁桥称为“I-girder bridge”。5.2刚板梁桥的分类5.2.1根据支承条件和受力特点分类 钢板梁桥根据支承条件和受力特点可以分为：简支钢板梁桥、连续钢板梁桥和悬臂钢板梁桥。简支钢板梁桥是最为简单的结构形式，经济跨径一般在40m以下，当跨径较大时，采用连续钢板梁桥的结构形式，它的经济跨径可以达到60m，与简支梁桥相比，连续钢板梁桥有伸缩缝少、噪音小、行车平稳、挠度小、截面经济等优点，又逐渐取代简支梁的趋势，但是，连续梁对地基和支座的不均匀沉降较为敏感，软土地基的连续梁桥附加弯矩较大。悬臂钢板梁桥是静定结构，弯矩却与连续梁桥比较接近，截面比简支梁经济，对地基不均匀沉降不会产生附加弯矩，但是它的伸缩缝多、悬臂的挠度大、有折角现象，对于行车不利，而且牛腿结构复杂，容易引起疲劳破坏等，目前已经很少被采用，只用于不适合修建其他桥型的特殊情况。5.2.2桥面板形式分类 按桥面板形式还可以分为钢筋混凝土桥面板钢板梁桥和钢板面板梁桥。其中根据桥面板与主梁的受力情况又分为结合梁桥和非结合梁桥。结合梁桥的桥面板参与主梁共同工作，钢板梁与桥面板结合后由组合截面承受外荷载，非结合梁桥的桥面板不参与主梁共同受力，外荷载由钢板梁单独承担。对于钢筋混凝土桥面板结合梁桥，桥面板与钢板梁间用剪力连接构件连接。钢桥面由顶板和焊接于顶板上的纵向及横向加劲肋组成，它具有自重轻、极限承载力大、钢桥面建筑高度小等特点，是大跨度钢桥和建筑高度受到限制时最常用的结构形式。5.3主梁桥面尺寸选择原则及相关公式 根据主要拟定原则，腹板高度大约比梁高小812cm，腹板厚度一般可选用1012mm，对跨度等于或大于16m的焊接板梁，腹板厚度不宜小于12mm，以减小焊接所引起的对腹板的削弱。（1）主梁经济高度： （5.1）式中，系数，取2.52.7 弯曲容许应力(Mpa) 设计弯矩值（KN m） 腹板厚度（mm）（2）主梁最小高度： （5.2）式中，均布恒载（KN/m）； 计算跨径（m）； 冲击系数； 弹性模量(Mpa) 均布活载(KN/m)； 弯曲容许应力（Mpa）； 容许最大挠度（mm）（3）估算所需翼缘截面积： （5.3）式中，h主梁高度（m）； M设计弯矩值（KNm）； 腹板厚度（mm）；翼缘厚度不宜太大（最好不超过32mm）。5.4截面设计 本桥宽6m，设计主梁间隔1m，跨径设置为25m。参照相关设计资料，设桥跨自重=17KN/m，人群荷载，所以每片主梁所受均布荷载，跨中弯矩为（1） 主梁经济高度（2） 主梁最小高度冲击系数参照铁路桥梁钢结构设计基本规范（TB 10002D22005）和铁路桥涵设计基本规范，。（3） 估算所需翼缘截面面积根据以上计算结果参照以往设计，主梁采用热轧H型钢，横梁采用热轧H型钢，桥面板采用16mm厚钢板。5.5有限元建模5.5.1梁单元建模模型长度值50m，宽6m，高约0.5m。长度单位m，力单位kN图5.1 梁单元模型5.5.2板单元建模图5.2 板单元模型5.5.3边界条件约束条件：简直约束图5.3 边界条件5.5.4荷载条件自重：自重系数1，方向竖直向下荷载：桥面板承受大小为3.6125kN/m2均布力，方向竖直向下，如下图所示图5.4 荷载条件5.6有限元分析结果5.6.1挠度值图5.5 挠度值示意图挠度最大值：，安全5.6.2板单元应力图5.6 板单元应力图最大应力值：，安全5.6.3梁单元应力图5.7 梁单元应力图最大正应力：，安全最大负应力：，安全5.7本章小结钢板梁桥是中小跨径桥梁中最常用的钢桥形式，构造比较简单，设计过程也相对比较简单。可以自己独立成为一座桥，也可以构成其他形式钢桥构件的一部分。虽然本章成功设计出了一座安全的人行天桥，但是由于冲击系数等某些数据在城市人行天桥及人行地道技术规范 （CJJ 88-95）中没有明确规定，只能参考相关规范和以往设计资料，所以部分结果可能不是很准确。第6章 方案比选6.1方案比选的主要标准 在桥梁方案比选中，要注意下列四项。主要标准：安全、功能、经济、美观。其中以安全与经济为重。至于桥梁美观，要视经济与环境条件而定12。6.2相关参数统计表6.1 三种设计方案统计数据项目桁架方案箱型梁方案板梁方案用钢量（t）102.26132.3171.06跨径（m）505025挠度值（cm）5.148.143.92挠度允许值公式L/800L/600L/600挠度允许值（cm）6.258.334.17挠度富余量17.76%2.28%6.00%最大应力值(MPa)92.1741.2437.996.3方案比选（1） 安全 从表6.1中可以看出，所有方案的挠度都是符合规范要求的，都是安全的。但是桁架方案挠度值的富余量很高，有足够的富余量应对各种突发状况；箱型梁方案和板梁方案挠度值的富余量很小，安全系数较小。三种方案的最大应力值也都是满足规范要求的，且远远小于屈服极限。在这种情况下，桁架方案的应力较大，材料利用比较充分。就安全性而言，我认为桁架方案比较合理。（2） 功能 桥下净高满足双层公交等车辆通行要求，桥面净高最小达到了4m，也能满足行人的要求。但是板梁方案单跨跨度25m，即道路中间需设置一个桥墩，考虑到雄楚大道出版城路段道路中间是没有绿化带和安全岛等设施的，且路段车流量很大，桥墩势必会影响正常的交通通行，过大的车流量对桥墩的安全、桥梁及行人的安全有威胁。所以，我认为从功能方面考虑，板梁桥方案不是最理想的方案。（3） 经济 从表6.1可以看出各桥的用钢量，由于都采用Q345的钢材，我们就可以仅通过用钢量的对比，大致估算出各种方案的造价。板梁桥方案的造价最低，而箱型梁方案的造价最高，大致是板梁桥方案的2倍，桁架桥方案造价居中。从造价方案考虑，我认为箱型梁方案不是最理想的方案。（4） 美观桁架方案骨架清晰，有一种硬朗的美感；箱型梁方案厚度较大，看起来比较沉稳；板梁桥方案，简单明快。而且，现在城市人行天桥的装饰，绿化与亮化等技术已经比较完善，经过专业美化人员的装点，都能散发出迷人的光彩。“智者见智，仁者见仁”，在美观方面本人不发表观点。6.4方案选择综合以上各方面的讨论，我觉得桁架方案不论安全性、功能性、经济性还是美观性方面都能满足要求，所以本次方案设计最终方案为桁架方案。6.5本章小结 本章简介了桥梁方案比选的几种常见原则，即“安全、功能、经济、美观”。从各方面分别对比了三种方案的优劣，综合考虑各种因素，选出了本人心中认为的比较合理的方案桁架桥。第7章 桥墩设计7.1桥墩形式本次设计采用门式桥墩，墩柱采用400mm，厚度为16mm的热轧圆柱钢管，横梁采用的矩形截面钢管。7.2有限元模型图7.1 桥墩模型图7.2 桥墩荷载和约束图荷载：自重系数1.0，方向竖直向下；所受均布荷载由桥墩上方结构自重和人群荷载组成，大小为173.8kN/m，方向竖直向下。约束：桥墩与地面的约束为固端约束。模型长度6m，高5m。长度单位m，力单位kN.7.3有限元结果图7.3 变形图最大挠度值：，较安全图7.4 应力图最大应力值：，安全7.4本章小结 本章设计出了一种简单的主桥墩方案，并用有限元软件验证了其安全性。第8章 梯道设计8.1梯道布置方案 本梯道主要采用了厚度8mm的钢板和的加劲肋制成。坡度设计按照规范要求，取为1:2，具体布置见CAD图纸。阶梯参照学校宿舍楼梯设计，每个阶梯高20cm，宽40cm。8.2有限元模型图8.1 梯道模型图8.2 梯道约束图约束条件：在每个斜坡的端部，采用固端约束的形式跟桥墩连接在一起。图8.3 梯道荷载荷载：梯道自重系