单线铁路下式栓焊简支钢桁梁桥设计.doc

单线铁路下式栓焊简支钢桁梁桥设计 目 录第一章 设计资料1第一节 基本资料1第二节 设计内容2第三节 设计要求3第二章 主桁杆件内力计算3第一节 主力作用下主桁杆件内力计算3第二节 横向附加力作用下的主桁杆件内力计算6第三节制动力作用下的主桁杆件内力计算9第四节主桁杆件的内力计算的确定9第三章 主桁杆件截面设计13第一节 下弦杆计算13第二节 上弦杆的计算17第三节 端斜杆的计算17第四节 腹杆计算20第五节杆端高强螺栓计算24第四章 拼接板和节点板的计算26第一节 弦杆拼接计算26第二节节点板计算27第五章 挠度计算及预拱度设计30第一节 挠度计算30第二节 预拱度设计3131 9 单线铁路下式栓焊简支钢桁梁桥设计 第一章 设计资料 第一节 基本资料1 设计规范：铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-2005) 铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.2-2005)2 结构轮廓尺寸：计算跨度L80+(5001)0.2m=89.8m，钢梁分10个节间，节间长度dL/10=8.98m，主桁高度H11d/8=12.3475m，主桁中心距B6.4m，纵梁中心距b2.0m，纵联计算宽度B05.95m，采用明桥面、双侧人行道。3 材料：主桁杆件材料Q345q，板厚40mm，高强度螺栓采用40B，精制螺栓采用BL3，支座铸件采用ZG35 II、辊轴采用35号锻钢。4 活载等级：中荷载5 恒载 (1) 主桁计算桥面p110kN/m，桥面系p26.29kN/m，主桁架p314.51kN/m，联结系p42.74kN/m，检查设备p51.02kN/m，螺栓、螺母和垫圈p60.02(p2p3p4)，焊缝p70.015(p2p3p4)；(2) 纵梁、横梁计算纵梁(每线)p84.73kN/m(未包括桥面)，横梁(每片)p92.10kN/m。6 风力强度W01.25kN/m2，K1K2K31.0。7 连接：工厂采用焊接，工地采用高强度螺栓连接，人行道托架采用精制螺栓，栓径均为22mm、孔径均为23mm。高强度螺栓设计预拉力P200kN，抗滑移系数00.45。第二节 设计内容1 主桁各杆件内力计算；2 主桁各杆件截面设计；3 挠度验算及上拱度设计；4 绘制E2节点图。第三节 设计要求主桁内力计算、设计汇总成表格；主桁内力计算表格项目包括： l、p、Np、k、Nk、1、1f、(1)Nk、a、纵联风力、桥门架效应风力与弯矩、制动力与弯矩、NI、NII、NIII、NC、疲劳计算内力Nnmin、Nnmax、弯矩Mnmin、Mnmax；主桁内力计算推荐应用Microsoft Excel电子表格；步骤清楚，计算正确，文图工整、装订成册。第2章 主桁杆件内力计算第一节 主力作用下主桁杆件内力计算1恒载 桥面 p110kN/m，桥面系p26.29kN/m 主桁架 p314.51KN/m，联结系p42.74kN/m 检查设备 p51.02kN/m，螺栓、螺母和垫圈 p60.02(p2+p3+p4)，焊缝 p70.015(p2+p3+p4)每片主桁所受恒载强度2 影响线面积计算（1）弦杆 影响线最大纵距 影响线面积 A1A3：l117.96，l271.84，0.2 ， E2E4：l126.94， l262.86，0.3， 其余弦杆计算方法同上，计算结果列于下表 2.1 中（2）斜杆， ， 式中 E0A1：l18.98，l280.82，0.1 A3E4： 其余斜杆按上述方法计算 并将其结果列于表中。(3)吊杆 3、 主荷载作用下杆件内力的计算(1) 换算均布活载 k 按及加载长度 l 查表求得 例如 （2） 冲击系数的计算弦杆，斜杆：吊杆：（3） 杆件恒载内力及活载内力1 恒载内力2 静活载内力3 活载发展均衡系数活载发展均衡系数：其余杆件计算同上，并将其计算结果列于表 2.1 中 第二节 横向附加力作用下的主桁杆件内力计算一、横向力作用下的平纵联弦杆的内力计算1、 横向风力按照桥规，风压 WK1K2K3W01.01.25kPa=1250Pa(无车）风压 （有车）。(1)下平纵联的有车均布风荷载桁高 H10.2575m，h纵梁高+钢轨轨木高1.29+0.41.69m (2) 上平纵联的有车均布风荷载2、横向风力作用下的平纵联弦杆内力弦杆横向风力影响线顶点对应位置和纵距同上述的摇摆力计算。1 上弦杆 A1A3在O点的力矩影响线纵距 2 下弦杆在O点的力矩影响线纵距 其余节间弦杆内力可由同法求得。2、 列车摇摆力根据桥规，横向摇摆力100KN，作为一个集中荷载最不利位置，以水平放心垂直线路中心线作用于钢轨顶面。钢规给出了摇摆力在上下平纵联的分配系数如下：桥面系所在平面分配系数为1.0.另一平面为0.2。故 上平纵联所受的荷载 下平纵联所受的荷载 摇摆力作用下弦杆内力：1 上弦杆 A1A3在O点的力矩影响线纵距2 下弦杆:同理可得： 二、桥门架效应桥门架所受总风力第三节 制动力作用下的主桁杆件附加力计算1、下弦杆制动力计算以下弦杆 E2E4为例，将活载作如图所示的布置，根据结构力学方法，当三角形影响线顶点左边的活载之和等于右边之和时，为产生最大杆力的活载布置位置。解得故桥上活载总重=在主力作用下的内力已计入冲击系数，制动力按静活载的7%计算：制动力第4节 主桁杆件的内力计算的确定1、 主荷载作用下的杆件总内力，例如2、 弦杆的计算内力以为例：主力，附加风力主力+横向附加力 （主力控制）主力+纵向附加力（制动力）（主力控制）3、 简算疲劳的计算内力内力疲劳荷载组合包括设计载荷中的恒载和活载(包括冲击力、离心力，但不考虑活载发展系数)。列车竖向活载包括竖向动力作用时，应将列车竖向静活载乘以运营动力系数(1+f)。同时，第 4.3.5 条又规定，焊接及非焊接(栓接)构件及连接均需进行疲劳强度检算，当疲劳应力均为压应力时，可不检算疲劳。疲劳计算采用动力运营系数弦，斜杆：吊杆：其余计算内力见表2-1。10 单线铁路下式栓焊简支钢桁梁桥设计 表2-1 主桁杆件内力计算表11 单线铁路下式栓焊简支钢桁梁桥设计 31 单线铁路下式栓焊简支钢桁梁桥设计 第三章 主桁杆件截面设计第一节 下弦杆截面设计1、 受拉杆件 由上计算得到 1、疲劳容许应力 所以2、求所需要的净截面面积范围3、初选杆件截面选用腹板 1-36836翼缘 2-46046每侧有 4 排栓孔，孔径 d23cm; 毛截面 Am2464.636.83.6555.68cm2栓孔削弱面积 A244.62.384.64cm2净截面面积 AjAm-A555.68-84.64471.04cm24、刚度验算杆件自由长度通过验算。无需验算。5、强度验算6、疲劳强度验算疲劳应力为拉拉杆件验算式：式中线路系数=1.0，损伤修正系数=1.0，板厚修正系数查规范表 3.27-2 的杆件验算截面为第类疲劳等级，查表 3.27-1 知其疲劳容许应力0130.7MPa故 1.01.0(116.33-30.66)85.67MPa0.8586130.7112.21MPa，通过验算。二、端下弦杆 E0E2验算下弦杆在制动力作用下的应力杆件在主力和风力作用下截面计算方法和完全相同。1、由上计算得到 疲劳容许应力 所以2、求所需要的净截面面积范围3、初选截面选用腹板 1-43612翼缘 2-46018毛、净截面面积、毛截面惯性矩计算方法同上净截面惯性矩 4、 刚度验算通过验算5、强度验算 通过验算6、疲劳强度验算疲劳应力为拉拉杆件验算式：式中线路系数=1.0，损伤修正系数=1.0，板厚修正系数 ,所以查规范表 3.27-2 的杆件验算截面为第类疲劳等级，查表 3.27-1 知其疲劳容许应力0130.7MPa故 通过疲劳验算7、确定在主力作用下求最大杆力时的活载位置1 杆力影响线顶点位置离左端点支点8.98m，设将列车荷载的第 4 轴重 Pl置于影响线顶点处。因为影响线为三角形，故根据结构力学所述的法则，若满足下列条件，则该活载位置是产生最大杆力时的荷载 将第 3 轴重或第 5 放到顶点位置上均不满足上述条件，故将上述活载即为产生最大杆力时的活载。2 求制动力3 制动力所产生的杆件内力：轴向力弯矩其中设已求得杆件的8、截面应力验算主力+制动力制动力产生的弯矩截面应力通过验算 第二节上弦杆截面设计以上弦杆为例。1初选截面选用腹板 1-38820翼缘 2-460362 、 刚度检算 通过验算。3、杆件的总体稳定验算由，查表得到（线性内插）通过验算4、局部稳定验算（1） 翼缘板 按照钢桥规范，查表5.3.3，当时，板件的宽厚比翼缘板(2)腹板按照钢桥规范，查表5.3.3，当时，板件的宽厚比腹板通过验算 同理，设计计算其他上弦杆。 第三节 端斜杆截面设计端斜杆的计算1、初选截面选用腹板 1-38824翼缘 2-60036 2、刚度验算 刚度满足要求3、总体稳定验算端斜杆E0A1在主力作用下为受压杆件，在主力与横向力作用下为压弯杆。附加力为横向力时，弯矩作用于主平面外。参照钢桥规范第 4.2.2 条规定，对受压并在一个主平面内受弯曲的杆件，总稳定性计算公式为由前面计算可以到主力和附加力如下 查表线性内插得到1) 主力组合简算2) 附加力组合时换算长细比，查表得式中系数，焊接杆件取1.8；杆件两翼缘板外缘距离，即截面宽度，。因端斜杆采用H形截面，且失稳平面为主桁平面，和弯矩作用平面不一致。按钢桥规范第4.2.2条，此可用作。所以应考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值式中构件在弯矩作用平面内的长细比； 钢材的弹性模量（MPa）; 压杆容许应力安全系数。主力组合时取用，应按主力组合采用；主力加附加力组合时取用，应按主力加附加力组合采用。考虑附加应力，计算应力：4、局部稳定检算略5、 强度检算 第四节 腹杆计算1、 斜杆计算（以为例）斜杆为以压为主的拉压杆件，计算内力由主力控检算疲劳的计算内力选用腹板 1-38812、翼缘 2-46036毛截面面积，净截面面积1 、 刚度检算 通过验算。2、杆件的总体稳定验算由，查表得到（线性内插）通过验算3、局部稳定验算（1）翼缘板按照钢桥规范，查表5.3.3，当时，板件的宽厚比翼缘板(2)腹板按照钢桥规范，查表5.3.3，当时，板件的宽厚比腹板通过验算 4、疲劳强度验算疲劳应力为拉压杆件验算式：式中线路系数=1.0，损伤修正系数板厚修正系数 ,所以查规范表 3.27-2 的杆件验算截面为第类疲劳等级，查表 3.27-1 知其疲劳容许应力0130.7MPa故 通过疲劳验算5、 拉力强度杆件承受拉力，故还应该验算净截面的拉力强度二、吊杆计算选用腹板 1-43610、翼缘 2-26012截面面积，惯性矩计算方法同上。1、刚度验算钢桥规范规定仅受拉力且长度16m 的腹杆容许最大长细比为 180，由表 3.1 可知，通过验算。2、作用在纵梁上的恒载由恒载产生纵梁对横梁的作用力当时，时活载产生纵梁对横梁的作用力恒载产生的简支梁弯矩静活载产生的简支梁弯矩冲击系数3、疲劳强度验算吊杆无附加力，在主力作用下，吊杆除受到轴力外，还受到横向钢架作用产生的弯矩，故应检算轴力与弯矩共同作用下的疲劳。由表 2.1 可知 吊杆净截面积 ，毛惯性矩 。栓孔惯性矩；净惯性矩IjxImx- Ix42933-646536468cm2故 rdrn(min-max)1.001.00(140.52-21.54)118.98MPart01.00130.70130.70 MPa，通过验算。表3-1第5节 腹杆高强度螺栓计算按照钢桥规范第6.1.1条，高强度螺栓容许抗滑承载力为：式中高强螺栓的容许抗滑承载力； 高强螺栓连接处的抗滑面数；高强螺栓连接的钢材表面抗滑移系数，不大于0.45；高强螺栓的设计预拉力，为；安全系数，采用1.7。主桁腹杆杆端高强度螺栓个数n应满足。为杆件的承载力，对于主桁杆件：受拉杆件；受压杆件；受拉压杆件。1、 拉杆 杆件承载力 螺栓数个；2、 压杆 杆件承载力螺栓数个；3拉压杆杆件承载力 螺栓数个。表3-2 第四章 弦杆拼接计算和下弦端节点设计第一节 E2节点弦杆拼接计算由于弦杆截面对称，故只需取半个截面进行计算。1、 计算依据根据前表3-1计算结果，已知杆半净面积杆半净面积节点板选用厚度节点板供给面积1、拼接板截面设计钢桥规范第9.0.7 条规定，主桁受拉杆件拼接板净面积应比被拼接杆件净面积大10。拼接板与节点板共需面积拼接板需要净面积选用作2-20038为内拼接板，供给面积（接近所需面积，故认为可以）2、拼接螺栓按照钢桥规范第6.1.1条，高强度螺栓容许抗滑承载力为：式中高强螺栓的容许抗滑承载力；高强螺栓连接处的抗滑面数；高强螺栓连接的钢材表面抗滑移系数，不大于0.45；高强螺栓的设计预拉力，为；安全系数，采用1.7。拼接板在节点中心截面承受循环内力，其承载力可近似按杆的疲劳强度确定。杆：节点板每端需要高强螺栓数：两块内拼接板每端共需要高强螺栓数：3、内拼接板长度内拼接板实用32个，排成4行8列，端距采用50mm,间距按节点板样板标准孔布置，可以得出内拼接板长度。 第二节 节点板计算为保证横梁长度一致，本算例各节点板均采用厚度节点板的平面尺寸要先根据端连接螺栓排列需要拟定，再根据强度验算确定。以节点为例，节点板平面尺寸按外形方正，裁制简便，有足够强度的原则，节点板214402824201. 撕裂强度验算根据前面表3-3计算结果，斜杆与杆的承载力分别为:由于节点板平面尺寸对称，故仅需检算杆引起的撕裂。按照钢规第9.0.8条规定，节点板任何连接截面的撕裂强度，应较各被连接杆件的强度至少大于10%。及撕裂面的强度应满足其中，垂直于被连接杆件中线的截面部分，如图截面，以及在主力作用下检算主桁节点板法向应力时采用基本容许应力；与被连接杆件中线倾斜相交或平行的截面部分，如图 等截面，以及在主力作用下检算主桁节点板剪应力时采用基本容许应力。第一撕裂面已知数据：。第二撕裂面已知数据：。第三撕裂面已知数据：。2、法向应力检算由表可知，由表2-1可知，SE2A3= -2258.52kN， SA1E2=2936.31kN ，SA1A3=3828.77kN所以 作用力N = SA1A3=3828.77kN由于上弦杆在E2节点中