西南交大峨眉校区钢桥课程设计

西南交大峨眉校区 钢桥课程设计目录第一章 设计资料2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31恒载32 影响线面积计算33 恒载内力54列车横向摇摆力55 活载内力6第二节 横向附加力作用下的主桁内力计算81.横向力作用下的平纵联弦杆的内力计算82.桥门架效应10第三节 制动力作用下的主桁杆件内力计算105.内力组合12第三章 主桁杆件截面设计15第一节下弦杆截面设计151.中间下弦杆152.端下弦杆17第二节 上弦杆截面设计18第三节 端斜杆截面设计19第四节 中间斜杆截面设计21第五节 吊杆截面设计22第六节 杆端高强度螺栓计算261拉杆262压杆273拉压杆27第四章 弦杆拼接计算和下弦端节点设计28第一节 E2节点弦杆拼接计算281.拼接板截面设计292.拼接螺栓和拼接板长度293.内拼接板长度30第二节 节点板计算301.撕裂强度检算30第三节 E0节点弦杆拼接计算321.拼接板截面设计322.拼接螺栓和拼接板长度333.内拼接板长度33第五章 挠度计算和预拱度设计34第一节 挠度计算34第二节 预拱度设计36附表 中给出各节点实设上拱度。36第六章 设计总结38 40 / 40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L=80+(50- 42)0.2m=81.6m，钢梁分10个节间，节间长度d=L/10=8.16m，主桁高度H=11d/8=118.16/8=11.22m，主桁中心距B=6.4m，纵梁中心距b=2.0m，纵联计算宽度B0=5.95m，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ZG35II、辊轴采用35号锻钢。4 活载等级：中活载。5恒载（1）主桁计算桥面p1=10kN/m，桥面系p2=6.29kN/m，主桁架p3=14.51kN/m，联结系p4=2.74kN/m，检查设备p5=1.02kN/m，螺栓、螺母和垫圈p6=0.02（p2+ p3+ p4），焊缝p7=0.015（p2+ p3+ p4）;（2）纵梁、横梁计算纵梁（每线）p8=4.73kN/m（未包括桥面），横梁（每片）p9=2.10kN/m。6风力强度W0=1.25kPa，K1K2K3=1.0。7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P=200kN，抗滑移系数0=0.45。第二章 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 p314.51，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P=10+6.29+14.51+2.74+1.02+0.02(6.29+14.51+2.74)+0.015(6.29+14.51+2.74)/217.69 kN/m，近似采用： p18 kN/m。2 影响线面积计算（1）弦杆 影响线最大纵距 影响线面积 A1A3：l116.32，l265.28，0.2 y=-8.16228.1681.611.22=-1.1636=1281.61.1636=-47.4749E2E4: l124.48， l257.12，0.3， y=-8.16238.1681.611.22=1.5273 =1281.61.5273=62.31384其余弦杆计算方法同上,计算结果列于下表中。（2）斜杆， ， sin=HA1E0=0.8087E0A1：l10，l273.44，0.1y=1081.60.8087=0 =0y=-10.981.681.60.8087=-1.1129 =-121.112881.6=-45.4062=+=0-45.4062=-45.4062A1E2：l18.16，l265.52，0.1y=-10.181.681.60.8087=-0.1237 =-12(0.9067+8.16)0.1237=-0.5608y=-10.881.681.60.8087=0.9892 =-12(7.2533+88.16)0.9892=36.2267=+=-0.5608+36.2267=35.7059其余杆件按上述方法计算 (3)吊杆y=1 =1218.162=8.163 恒载内力Np=p例如：E0A1: Np=18-45.4062=-817.3116E4A5: Np=18-5.0459=-90.8262A5E5: Np=18-8.16=146.8800其余杆件Np按上述方法计算4列车横向摇摆力(1) 根据桥规4.3.8规定，横向摇摆力取100kN，作为一个集中荷载取最不利位置，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PH上=0.2100=20kn下平纵联所受的荷载PH下=1.0100=100kn(2) 摇摆力作用下弦杆内力：上弦杆A1A3对O点的力矩影响线纵距y=L1L2L上= 12.2453.0465.28=9.945M=209.945=198.9Nn=MB=198.96.4=31.0781下弦杆E0E2对O点的力矩影响线纵距y=L1L2L下= 12.2469.3681.4=10.404M=10010.404=1040.4Nn=MB=1040.46.4=162.5625下弦杆E2E4对O点的力矩影响线纵距y=L1L2L下= 28.5653.0481.4=18.564M=10018.564=1856.4Nn=MB=1856.46.4=290.0625其余杆件Nn按上述方法计算5 活载内力(1)换算均布活载 k按及加载长度 l 查表，再用内插法可以求得， 例如E2E4：=0.3 l=81.6 k=89.86242=44.9312A1E2：=0.1 l=9.0667 k=153.94122=76.9706 l=72.5333 k=95.94292=47.9715A1E1：=0.5 l=16.32 k=118.08272=59.0414其余杆件K按上述方法计算（2）冲击系数弦杆、斜杆：1+=1+2840+L=1+2840+81.6=1.2303吊杆：1+=1+2840+L=1+2840+16.32=1.49716（3）静活载内力 NkNk=k例如：E0A1: =0.3 E4A5: Nk=53.90888.9688=483.4972 Nk=52.0167-14.0147=-728.9984A5E5: Nk=59.04148.16=481.7774其余杆件Nk按上述方法计算(4)活载发展均衡系数值的计算活载发展均衡系数：max=PK0.5(1+), max为跨中弦杆E4E4的值，max=0.3326 于是即可计算杆件的，例如E0A1: =1+160.3326-0.1838=1.0248E4A5: =1+160.3326+0.1378=1.0783 =1+160.3326-0.0938=1.0398A5E5:=1+160.3326+0.2036=1.0215其余杆件按上述方法计算第二节 横向附加力作用下的主桁内力计算1.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，W=K1K2K3W0式中W0=V21.6，现在采用W0=1250PaK1K2K3=1.0 则W=1250Pa （无车时）桥上有车时W=0.8W=0.81250=1000Pa(1) 上平纵联所受风力强度按桥上有车时计算W上=0.812500.50.411.22+0.21.69+3.00.6=2.8068KNm.上弦杆A1A3对O点的力矩影响线纵距y=L1L2L上= 12.2453.0465.28=9.945=12yl=129.94565.28=324.6048Nw=M0B=2.8086324.60486.4=142.4508.上弦杆A3A5对O点的力矩影响线纵距y=L1L2L上= 28.5636.7265.28=16.065=12yl=1216.06565.28=524.3616Nw=M0B=2.8086524.36166.4=229.9653(1) 下平纵联所受风力强度按桥上有车时计算W下=0.812500.50.411.22+11.69+3.00.6=5.058KNm.下弦杆E0E2对O点的力矩影响线纵距y=L1L2L下= 12.2469.3681.4=10.404=12yl=1210.40481.6=424.4832Nw=M0B=5.058424.48326.4=335.4744下弦杆E2E4对O点的力矩影响线纵距y=L1L2L下= 28.5653.0481.4=18.564=12yl=1218.56481.6=757.4112Nw=M0B=5.058757.41126.4=598.5915其余杆件Nw按上述方法计算2.桥门架效应桥门架所受总风力：Hw=122.806865.28=93.4418腿杆反弯点位置：l0=c2c+2l2c+l=8.0428.04+213.873528.04+13.8735=4.8029腿杆竖向反力：V=Hwl-l0B=93.8735-4.80296.4=132.4333下弦杆承受的纵向水平力：Nw=Vcos=132.4338.1613.8735=77.8935端斜杆所受附加弯矩：Mf=Hwc-l02=93.44188.04-4.80292=151.2404式中Mk端斜杆与端节点板连接处的弯矩，可近似地计算至横梁中心，即Mk=Hw2l0-h横2=93.8029-1.292=194.2608h横横梁高度=1.29m 计算结果列与附表中第三节 制动力作用下的主桁杆件内力计算求下弦杆E0E2所受的制动力将活载作书上图所示的布置，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。Raa=Rbb故5220+92x8.16=9230-x+8043.44+x73.44解出：x=-4.3628m故桥上活载总重 =5220+3092+43.44-4.362880=6986.176kn 制动力T=6986.1767%=489.0323kn因制动力而产生的内力Nt=T2=489.03232=244.5162同理可以算出E2E4Raa=Rbb故5220+92x24.48=9230-x+8027.12+x57.12解出：x=10.4247m故桥上活载总重 =5220+3092+27.12+10.424780=6863.576kn 制动力T=6863.5767%=480.4503kn因制动力而产生的内力Nt=T2=480.45032=240.2252kn其余杆件E4E4的Nt按上述方法计算5、内力组合N1=Np+(1+)Nk其余杆件NII NII 按上NIII NIII述方法计算第三章 主桁杆件截面设计第一节 下弦杆截面设计一、中间下弦杆 E4E41、初选杆件截面选用腹板 1-41224翼缘 2-46036每侧有 4 排栓孔，孔径 d23cm; 毛截面 Am2463.641.22.4430.08cm2栓孔削弱面积 A243.22.358.88 cm2净截面面积 AjAm-A430.08-58.88371.2 cm22、刚度验算杆件自由长度通过验算。无需验算。3 拉力强度验算式中 为板厚的修正系数，依钢桥规范3.2.1 条及其条文说明，查“续说明表 3.2.1”，对于 Q345q，35tmax50mm 板厚 315/3450.913。疲劳强度验算由表 2.1 可知 Nmin1335.287kN、Nmax5349.804kN 得拉拉杆件验算式：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(147.04-36.6)110.34MPa0.912130.7119.20MPa，通过验算。二、端下弦杆 E0E21初选截面选用腹板 1-43812翼缘 2-46016毛、净截面面积、毛截面惯性矩计算方法同上净截面惯性矩 IyjIy-Iy25963-1.62.34(92+172)20516.6cm42 刚度验算y71.58100，通过验算。3拉力强度验算(1)主力作用NI2031.74kN(2) 主力制动力作用NII2529.77kN已知在制动力对弦杆E0E2所产生的内力NT=244.5162Kn，由于制动力对固定支座铰中心有一定偏心距h=0.37m，故产生附加弯矩M=T2h=244.51620.37=90.4710Knm，该附加弯矩对下弦杆E0E2分配弯矩为：M2=90.47102.59631088.162.59631088.16+8.64210813.8743=30.5887KnmIIj=NIIAj+M2230Ij=2529.7710170.32+30.589230.6=182.82MPa=250MPa4疲劳强度验算由表 2.1 可知 Nmin480.6648kN、Nmax2031.7377kN 得拉拉杆件验算式：故通过验算。第二节上弦杆截面设计以上弦杆A1A3为例。1初选截面选用腹板 1-41218翼缘 2-460242 刚度检算y71.006100，通过验算。3总体稳定验算由 y71.06，查附表4内插求得 10.60211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bt0.14+5翼缘板通过验算同理，设计计算其他上弦杆。第三节 端斜杆截面设计1E0A1初选截面选用腹板 1-41218翼缘 2-60024 截面面积，惯性矩计算方法同上。2刚度验算y52.8242，x40.4341100，通过验算。3总体稳定验算(1)主力作用由 y52.8242，查附表4插值得 10.7272(2)主力横向风力作用端斜杆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换算长细比e=Lrxhry=1.812486201.81460154.475=35.461，查表得 1=0.8580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11=1-n1N22EAm=1-1.42926.2768.7452103.142362.16=0.7418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。主力+制动力作用依照钢桥规范4.2.2条规定，当验算的失稳平面和弯矩作用平面一致时，所以应考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值1=1-n1N22EAm=1-1.42793.83368.7452103.142362.16=0.7532局部稳定验算同上，见表3.1。第四节 中间斜杆截面设计以斜杆 E4A5为例。1初选截面腹板 1-42820翼缘 2-46016截面面积、惯性矩计算方法同上。2刚度验算y77.24，x42.54100，通过验算。3总体稳定验算由 maxy77.24，查表内插得 10.562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 50 时，板件的宽厚比翼缘板，通过验算。腹板按照钢桥规范，查表 5.3.3，当 50 时，板件的宽厚比腹板5 疲劳检算由上内力计算表 可知 Nmin546.84kN、Nmax-882.77kN 得可知 E4A5为以压为主的拉压杆件，验算公式为6 拉力强度验算杆件同时承受拉力，故还应验算其净截面的拉力强度，通过验算。第五节 吊杆截面设计1初选截面选用腹板 1-43610、翼缘 2-26012截面面积，惯性矩计算方法同上。2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x42.97，y141.63180，通过验算。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 Nmax782.63.43kN、Nmin146.88kN，Mmax94.4kN.m、Mmin8.954kN.m 吊杆A1E1净截面积 Aj83.92cm2，毛惯性矩 Imx38224cm4。栓孔惯性矩；净惯性矩IjxImx- Ix38224-554132683 cm2故 rdrn(min-max)1.001.00(159.69-22.38)135.89MPart01.00130.70130.70 MPa，通过验算。第六节 杆端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。一下各取一杆件举例说明：1拉杆杆件承载力 螺栓数个；拉杆承载力螺栓数个；拉杆承载力螺栓数个；2压杆杆件承载力 螺栓数个；（至少取7排，共80个）3拉压杆杆件承载力 N=maxAj,Am1=4067.2Kn 螺栓数nNP=4067.252.94=76.81个螺栓杆件承载力 N=maxAj,Am1=3952Kn 螺栓数nNP=.94=74.65个螺栓杆件承载力 N=maxAj,Am1=1678.4Kn 螺栓数nNP=1678.452.94=31.70个螺栓其余各杆计算数据如下表：NAmAj需要螺栓数实际螺栓数E0E22638.4154001319264.3596E2E44684,4278482343290.796E4E46611.23894433056124.9128A1A33622.8374270242260868.481A3A55281.6934399043364899.8104E0A13494.0928290402536075.274A1E23331.2192321665660.6664E2A31989.174198561691274.780A3E42542.814920127124856E4A53097.6180641548876.880A1E12073.6114721036831.744A3E32073.6114721036831.744A5E52073.6114721036831.744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。根据前面表3-1 计算结果， 杆(2-46016，1-43812)一半净面积为杆(2-46024，1-41218)一半净面积为节点板选用厚度一块节点板作为外拼接板提供的面积(取杆件高度46cm 部分)初选内拼接板为4-20032 (一侧两块)，两块内拼接板净面积为内外拼接板净面积为：2 拼接螺栓和拼接板长度单抗滑面高强螺栓的容许承载力为：一侧节点板(外拼接板)所需高强螺栓 数：一侧两块内拼接板所需高强螺栓数：3 内拼接板长度内拼接板一侧40个高强度螺栓，排成10排，端距取50mm，其长度为第二节 节点板计算1、撕裂强度检算根据前面计算结果，斜杆A1E2与E2A3的承载力分别为：由于E2节点板平面尺寸对称，所以仅需检算A1E2所引起的撕裂。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10%。其中，垂直于被连接杆件中线的截面部分，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，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A1E2杆，可能引起的撕裂方式有：1-2-3-5、1-2-3-4、6-2-3-4三种。l6-2=l3-4=687.75mm、l2-3=340mm、l1-2=603.96mm、l3-5=620.83mm第一撕裂面6-2-3-4 lii=3.610-1268.7752000.75+34200=9731.7KN1.1N第二撕裂面1-2-3-4 lii=3.610-168.7750.75200+34200+60.3962000.75=9423.234KN1.1N 第三撕裂面1-2-3-5 lii=3.610-134200+60.3960.75200+62.8030.75200=9100.746KN1.1N 法向应力检算由于上弦杆在节点中断，竖直最弱截面只包括节点板与拼接板面积。1)节点板净截面面积：2）毛截面惯性矩：3）净截面惯性矩： 4）正应力检算：第三节 E0节点弦杆拼接计算1 拼接板截面设计根据前面表3-1 计算结果，E0E2 杆(2-46016，1-43812)一半净面积为节点板选用厚度一块节点板作为外拼接板提供的面积(取杆件高度46cm 部分)初选内拼接板为4-20016 (一侧两块)，两块内拼接板净面积为内外拼接板净面积为通过验算。2 拼接螺栓和拼接板长度单抗滑面高强螺栓的容许承载力为：一侧节点板(外拼接板)所需高强螺栓：n1=N1P=Ap1P=58.882052.94=22.24个至少取6排，共24个一侧两块内拼接板所需高强螺栓数：n2=N2P=Ap2P=49.282052.94=18.61个至少取5排，共20个3 内拼接板长度内拼接板一侧24个高强度螺栓，排成6排，端距取50mm，其长度为根据节点布置的实际需要，最后两块上端