42米钢桁架铁路桥设计计算书(中南大学)

42m钢桁架铁路桥设计 学院：土木工程学院班级：桥梁姓名： 学号：指导老师： 42m钢桁架桥课程设计一、设计目的： 跨度L=42米单线铁路下承载式简支栓焊钢桁梁桥部分设计二、设计依据： 1. 设计规范 现行桥规，也可采用铁道部1986TB12-85铁路桥涵设计规范简称老桥规。 2. 结构基本尺寸 计算跨度L=42m；桥跨全长L=42.10m；节间长度d=7.00m； 主桁节间数n=6；主桁中心距B=5.75m；平纵联宽B0=5.30m； 主桁高度H=12.00m；纵梁高度h=1.45m；纵梁中心距b=2.00m； 3. 钢材及其基本容许应力： 杆件及构件16Mna；高强螺栓40B；精制螺栓ML3；螺母及垫圈45号碳素钢；铸件ZG25；辊轴锻钢35钢材的基本容许应力参照1986年颁布的铁路桥涵设计规范。 4. 结构的连接方式： 桁梁杆件及构件，采用工厂焊接，工地高强螺栓连接； 人行道托架采用精制螺栓连接； 焊缝的最小正边尺寸参照桥规； 高强螺栓和精制螺栓的杆径为22，孔径d=23mm； 5. 设计活载等级标准中活载 6. 设计恒载主桁P3=16.8kN/m；联结系P4=2.85kN/m； 桥面系P2=7.39kN/m；高强螺栓P6=(P2+P3+P4)3%; 检查设备P5=1.00kN/m；桥面P1=10.00kN/m； 焊缝P7=(P2+P3+P4)1.5%。 计算主桁恒载时，按每线恒载P=P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7。三、设计内容： 1. 主桁杆件内力计算，并将计算结果汇整于2号图上； 2. 围绕E2节点主桁杆件截面选择及检算； 3. 主桁E2节点设计及检算； 4. 绘制主桁E2节点图(3号图)。四、提交文件：1设计说明书； 2 2、3号图各一张要求：计算正确，书写条理清楚，语句通顺；结构图绘制正确，图纸采用的比例恰当，线条粗细均匀，尺寸标准清晰。第一章 设计依据一、设计规范 中华人民功和国铁道部1986年铁道桥涵设计规范（TBJ285），以下简称桥规。二、钢材 杆件 16锰桥（16Mnq） 高强螺栓 40硼（40B） 螺母垫圈 甲45（A45） 焊缝 力学性能不低于基材精制螺栓 铆螺3（ML3） 铸件 铸钢25（ZG25）琨轴 35号缎钢（DG35）三、连接方式 工厂连接采用焊接，工地连接采用高强螺栓连接，人行道托架工地连接采用精制螺栓连接，螺栓孔径一律为d=23mm,高强螺栓杆径为22。四、容许应力 16Mnq钢的基本容许应力：轴向应力 =200MPa 弯曲应力 =210MPa剪应力 =120MPa端部承压（磨光顶紧）应力=300 MPa。疲劳容许应力及其它的容许应力见桥规。五、计算恒载计算主桁时（每线）：主桁P3=16.8kN/m；联结系P4=2.85kN/m； 桥面系P2=7.39kN/m；高强螺栓P6=(P2+P3+P4)3%=0.7581; 检查设备P5=1.00kN/m；桥面P1=10.00kN/m； 焊缝P7=(P2+P3+P4)1.5%=0.3791。计算主桁恒载时，按每线恒载P=P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7。六、活载等级按“中华人民共和国铁路标准活载（中活载）”。标准活载的计算图式见桥规。七、结构尺寸 计算跨度L=42m；桥跨全长L=42.10m；节间长度d=7.00m； 主桁节间数n=6；主桁中心距B=5.75m；平纵联宽B0=5.30m；主桁高度H=12.00m；纵梁高度h=1.45m；纵梁中心距b=2.00m；斜杆长度 S=13.89m 斜杆倾角 sin=0.8639 cos=0.5040 斜撑倾角 sin=0.6036 cos=0.7973其它见尺寸图：第二章 主桁架杆件内力计算一、内力组成：主桁杆件的内力有以下几部分组成：竖向恒载所产生的内力 静活载内力 竖向活载产生的内力：横向风力（或列车摇摆力）所产生的内力仅作用在上下弦杆，横向风力通过桥门架效应在端斜杆和下弦杆所产生的内力；纵向制动力所产生的内力。根据桥规规定，设计时候杆件轴力应该按下列情况考虑：主力 =+主力加风力（或摇摆力） =主力+制动力 =主桁杆件除述轴力外，还要受到弯矩作用，如节点刚性引起的次弯矩，风力和制动力在某些杆件中引起的弯矩等，这些弯矩在检算杆件截面时应和轴力一起考虑，由于本设计所有杆件的高度均不超过长度的1/10，故根据桥规规定。不考虑节点刚性的次内力。主桁各杆的内力图2和表1。2、 影响线三、恒载所产生的内力每片主桁所承受的恒载内力：恒载布满全跨，故恒载为：上弦杆：下弦杆：下弦杆为：端斜杆：斜杆：斜杆：四、活载所产生的内力：1.换算均布活载是影响线加载长度L与顶点位置二者的函数，查结构力学表，根据L与从该表中查得每线换算的均布活载K，查不到则线性内插，除以2得每片主桁承受的换算的均布活载。下弦杆件为例 斜杆为例 其余各杆件类似，结果见表1.2.静活载所产生的内力为了求得最大活载内力，换算均布活载K应布满同号影响线全长。上弦杆： 下弦杆：下弦杆： 再以斜杆为例，产生最大的活载内力的加载情况有两种：活载布满后段L1，长度产生最大的压力，活载布满左段L2长度产生最大的拉力，故分别加载后得：斜杆： 斜杆： 端斜杆：3.冲击系数 1+根据桥规规定，钢桁梁的冲击系数1+按下式计算：1+=1+28/（40+L）【式中L对于主要杆件（弦杆、斜杆）为跨长，对于次要杆件（挂杆、立杆）等于影响线长度】弦杆，斜杆及支座冲击系数为： 挂杆的冲击系数：4.活载发展的均衡系数桥规要求所有杆件因活载产生的轴向力，弯矩，剪力在计算主力的组合时均应乘以活载发展均衡系数： 下弦杆： =1上弦杆： 下弦杆： 端斜杆： 斜杆： 斜杆： 竖杆： 5.活载产生的内力:考虑冲击作用和活载发展的均衡系数在内时,活载所产生的内力为 上弦杆件: 下弦杆件: 端斜杆：斜杆: 五、横向荷载(风力或摇摆力)所产生的内力1.横向荷载计算主桁的上下弦杆兼为上下平纵联的弦杆,端斜杆又是桥门架的腿杆, 横向风力或摇摆力作用在桥上时,将在这些杆件中产生内力。根据桥规规定,风压强度W按标准设计考虑.桥上无车风压强度用,桥上的有车风压强度用.主桁杆件计算由桥上的有车时荷载组合控制,主桁架受风面积按轮廓的40%计算，列车受风面积按3m计算，车上风力作用点在轨顶以上2m处，下承式桥梁列车、桥面系受风面积扣除主桁架遮挡部分。故本算例上下平纵联单位长度上所受到的风荷载和分别为:上平纵联: =下平纵联: =其中h=12m =1.45 =0.4m =3m按桥规得上平纵联摇摆力 所以: 风力与摇摆力不同时计算，故在本算例中上，下平纵联均为风力控制设计。2.横向荷载通过纵联在主桁杆件中所产生的内力计算上平纵联桁架时，可将桥门架做为其支点，计算下平纵联桁架时，支座为其支点，均不考虑中间横联的弹性支承作用，纵联为交叉形珩架时，取二斜撑的交点为力矩中心，于是可以算出影响线面积及内力影响线面积： 弦杆内力：下弦杆：下弦杆：上弦杆：3.横向荷载通过桥门架在主桁杆件中所产生的内力上平纵联作用于桥门架顶部的反力W：桥门架腿杆反弯点距支座的距离 反力W在端斜杆产生的轴力和弯矩，=反力W通过支座斜反力R在下弦产生的轴力六、纵向荷载所产生的内力1.制动力所产生的支座反力加载长度 L=42m静活载 制动力 水平反力 2.制动力在弦杆中所产生的轴力杆件产生的轴力为 杆件产生的轴力为七、立柱内力 立柱下端承受荷载与挂杆相同，上端在运营阶段不承受竖向荷载。立柱作为减少上弦压杆自由长度的支撑杆件，按桥规规定，应以其所支撑的压杆内力的3%作为其内力，予以检算，表一中主柱在运营阶段的内力按上弦的最大内力的3%算出，在安装阶段，立柱应检算在上弦的吊机压力。八、主珩杆件的内力组合以上算出的主桁杆件所受单项轴力列表1第1317项。按照桥规要求，各单项粥力应按照表一第1820项进行组合，三种组合内力中之大者为控制杆件强度与稳定的计算内力，列表于1第21项。反复荷载出现拉力作用杆件，应检算疲劳，控制计算内力不考虑活载发展及附加力影响。端斜杆与挂杆在荷载作用下还受到弯-矩，应与相应荷载情况下的轴力一起检算。第三章 主桁杆件设计一、 主桁杆件得检算内容及设计步骤主桁杆件根据受力性质的不同，应进行下表所列项目的检算。各类杆件的检算内容（表2）项目检算内容检算杆件1刚度各类杆件2局部稳定压杆3整体稳定压杆4强度各类杆件5疲劳出现拉应力的受循环荷载杆件用试算法设计各类杆件的步骤：1. 参考性质相近（只内力性质及大小，杆长及截面式样，材料和连接方式）的已有设计资料，初步拟定截面尺寸；2. 根据初步拟定的截面尺寸，算出进行各类检算所需的截面几何特征数据；3. 按上表要求进行各项检算。如初选截面不合适，则进行修改，重新计算，直至符合要求；4. 为了减少杆件类型，以简化制造，同类杆件的内力相差不大者应尽量采用相同的截面。二、 主桁杆件截面几何特征计算由于H形截面在制造、安装、运营等方面比较优越。本设计主桁杆件全部采用H形截面，杆宽为460mm，杆高最大为600mm，该值小于杆长的1/10，按桥规要求均可免算节点刚性次应力。主桁杆件截面尺寸如下图：杆件几何特征计算以上弦杆为例说明如下：E0A1截面组成为244020+142012，截面布置见表3。毛截面积：扣孔截面积：净面积：毛惯矩：扣孔惯矩： 净惯矩：回转半径：自由长度：长细比： 注：中间斜杆，；挂杆和立柱，表3所列截面尺寸全部符合桥规要求，以后不再检算。三、 主桁杆件截面检算主桁杆件截面检算结果列于表41. 受拉杆件（）控制计算内力由表1知；疲劳检算内力值 （1）刚度计算由表2计算，杆件，（2）强度计算净面积 （3）疲劳检算循环特征系数：按桥规栓焊杆件组合焊缝处及高强螺栓连接处的疲劳强度，前者疲劳容许应力为，后者为，故高强螺栓连接处疲劳强度控制杆件疲劳计算。2. 受压杆件（）由表1计算知上弦杆在主力或附加力作用下均只受压力。由表1得计算内力为主力控制。刚度检算根据表2计算，上弦杆，（1） 强度检算（2） 整体稳定检算由查桥规得容许应力：； （4）局部稳定检算按桥规规定，焊接H形杆件竖板伸出肢与水平板的容许宽厚比为：竖板故 现竖板 平板故现平板 3. 挂杆由于本设计中无桥面系设计，即无挂杆的容许弯矩，略去。4. 压拉杆件（）杆件的刚度、强度、总体稳定性与局部稳定性与单纯受压杆件相同（如上弦杆），计算不再赘述，检算结果见表3，但应检算拉力作用下的疲劳。其疲劳容许应力与拉压杆件不同。按桥规，以上条件必须满足，即当时，当时，不必检算受拉时的疲劳。，四、 杆端高强螺栓计算桥规规定主桁杆件杆端高强螺栓连接，按被连接杆件的承载力计算。受拉杆件：受压杆件：按一个摩擦面计算的单个高强度螺栓的承载力，由桥规知：拉杆：需要螺栓数：个拉杆：需要螺栓数：个拉杆：需要螺栓数：个压杆：需要螺栓数：个拉杆：需要螺栓数：个第四章 弦杆拼接计算以下弦杆E0E2与E2E4在节点E2中心的拼接为例。由于弦杆截面对yy轴对称，故只需取yy轴一侧的半个截面进行计算。一、 计算依据根据第二章表3计算结果，已知：E0E2杆半净面积：E2E2杆半净面积：节点板选用厚度：节点板供给拼接面积：二、 拼接板截面拼接板与节点板共需净面积选用222020作为内拼接板，供给面积为：内外拼接板合计：三、 拼接螺栓拼接板在E2节点中心截面承受循环拉力，其承载力应按疲劳强度确定，但桥规未给出弦杆拼接板及节点板的疲劳强度，用基本容许应力计算，这样计算的连接较安全。节点板每端需要高强螺栓数n1实际用28个。上、下拼接板每端共需要高强螺栓数n1实际用24个。四、 内拼接板长度内拼接板实际用28个螺栓，排成4行6列，端距采用50mm，间距按节点板样板标准栓孔布置，具体情况见下图，可以得知内拼接板长度：拼接板螺栓布置示意图第五章 节点板设计为保证横梁长度一致，本设计节点的节点板均采用12mm。节点板的平面尺寸系先根据杆端连接螺栓排列需要拟定，再根据强度检算确认。以节点E2为例，节点板平面尺寸按外形方整，裁制简便，根据等强度原则，经修改定案后，长1500mm，高1290mm。节点板上实际螺栓个数的确定：在节点板最小轮廓线与设计轮廓线之间空下的栓孔位置，应按桥规规定的容许最大栓距补上一定数量的螺栓。此时即可统计出节点板、拼接板和杆件上的实际螺栓个数。螺栓位置节点板上A1E2E2A3E0E2E2E4E2A2需要43.137.5215.8215.833实际484822822836螺栓位置杆件上拼接板上A1E2E2A3E0E2E2E4E0E2，E2E4需要43.137.545.746.1215.8实际48485656224第六章 节点板强度检算一、 节点板强度检算的基本要求为了保证节点板在交汇杆件外力作用下有足够的强度，对节点板的各个可能破坏截面应进行强度检算。桥规要求任何可能破坏截面的强度均应比作用于该截面的杆件强度大10%，并规定了破坏截面的容许应力：1.法向应力，容许应力为；2.剪应力与斜应力，容许应力为0.75。二、 斜杆所引起的节点板撕裂强度检算1. 计算依据由表4知，斜杆A1E2与E2A3的承载力A1E2杆 E2A3杆 由于E2节点板平面尺寸对称，故只需检算A3E4杆引起的撕裂。2. 强度检算按桥规规定，撕裂面的强度应满足A1E2杆可能引起的撕裂方式有图所示四种，各面尺寸如图. 斜杆引起的四种可能撕裂情况第一撕裂面 4-2-3-4第二