下承式钢桁梁桥结构设计及优化跨度48m

武汉理工大学毕业设计（论文）下承式钢桁梁桥结构设计及优化（跨度48M）学院（系）XXXXXXX专业班级XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX学生姓名XXX指导教师XXX武汉理工大学毕业设计（论文）2学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名XXXX年X月X日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名XXXX年X月X日导师签名XXXX年X月X日武汉理工大学毕业设计（论文）3武汉理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名XXXX专业班级XXXX指导教师XXXX工作单位XXXX设计论文题目下承式钢桁梁桥结构设计及优化（跨度48M）设计（论文）主要内容本次毕业设计拟对某48单线铁路下承式钢桁梁桥进行结构设计，并采用有限元方法进行强度校核。根据计算结果，修改设计方案，达到优化钢桁梁桥的目的。基本设计参数跨度48M,主桁中心距64M,主桁结构形式、桁高及节间长度自定。钢桁梁的杆件材料（主桁、纵梁和横梁、平纵联、桥门架等）均采用Q345QD级钢材，杆件间采用高强度螺栓连接。要求完成的主要任务1搜集、阅读有关钢桥资料（总篇数不少于15篇，英文文献不少于3篇），明确选题意义，了解钢桁梁桥常见的结构形式及各自特点，完成钢桥研究进展综述及开题报告。2查阅相关设计规范，了解铁路桥梁设计的方法及步骤，初步确定钢桁梁桥的主桁结构形式及总布置方案。3根据规范进行结构载荷以及内力计算，设计钢桁梁桥的主要构件（主桁、联接系、桥门架等）尺寸，完成设计计算说明书。4采用有限元软件对设计的钢桁梁结构进行强度校核，根据计算结果，优化主要构件尺寸，完成结构强度计算及优化说明书。5根据有限元计算的变形图，对钢桁桥进行预拱设计。讨论连接形式，进行节点板设计。6采用AUTOCAD绘制钢桁梁桥的结构设计图，包括总布置图、杆件截面图及典型节点板设计图等。要求完成图纸5张，其中1号图纸1张、2号图纸4张。7对所有设计及计算过程进行整理，完成不少于10000字的毕业设计计算说明书。8翻译外文文献一篇，英文字符数不少于2万印刷符（或翻译后的中文不少于5000个汉字）。必读参考资料武汉理工大学毕业设计（论文）41铁路桥涵设计基本规范（TB1000212005），中国铁道出版社，2005年。2铁路桥梁钢结构设计规范（TB1000222005），中国铁道出版社，2005年。3钢桥，铁道专业设计院著，中国铁道出版社，2003年。4现代钢桥（上册），吴冲主编，人民交通出版社，2006。5钢桥，周远棣徐君兰编，人民交通出版社，1991年。指导教师签名系主任签名院长签名（章）武汉理工大学毕业设计（论文）5武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）钢桁架桥以其跨越能力强、施工速度快、承载能力强、耐久性好普遍应用于铁路桥梁。长期以来，由于钢材价格高，材料养护费用高，钢桁架桥梁在公路领域应用较少。近年来，随着我国炼钢水平的提高，国产的钢材品质已经完全能满足结构安全的需要，同时随着钢结构防腐技术的提高，钢结构桥梁越来越多的在铁路工程领域得到应用。相比较我国当前100M左右中等跨径常用的桥型如连续梁、系杆拱、矮塔斜拉桥等结构，钢桁架桥梁虽然建筑成本高，但刨去成本控制的因素，钢桁架桥具有以下的几点优越性1建筑高度低。2施工周期短，速度快。3随着钢结构防腐技术的提高，钢桁架桥的耐久性大为提高，同时钢材作为延性材料，结构安全性较混凝土桥梁高。正因为钢桁架桥梁的这几方面的优点，桁架桥梁成为特定条件下的经济而合理的桥型选择。我国的桥梁事业经过几十年的快速发展，已经取得了巨大成绩，中国桥梁的数量已经十分庞大，其中不少桥梁暴露出缺陷，仅铁路桥梁就有5000多座存在严重的安全隐患，更有一些桥梁在远没有达到设计预期寿命时就出现了耐久性能严重退化的现象，甚至出现倒塌等毁灭性的事故，造成非常严重的经济损失。以往的桥梁设计都是满足规范要求的最初等设计，这种设计既不能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素，也不能定量的分析计算安全适用及经济的各项指标，更无法科学的协调他们之间的矛盾，使它们达到合理的平衡。因而提出新思路，研究新方法是十分必要的也是十分迫切的任务。随着科学技术的发展，对桥梁设计的要求也越来越高，桥梁结构的优化设计以及理论和技术难度更高的基于可靠度的桥梁优化设计正是顺应了这一发展趋势，成为桥梁结构研究的前沿和热点。桥梁的优化设计可以解决减轻结构自重、降低应力水平、改进结构性能、提高桥梁的安全寿命等方面的问题。通过对桥梁的优化可以使桥梁更好的协调桥梁建设使用过程中的经济与安全性的问题，具体阐述为可以使桥梁在保证达到设计要求的安全性和耐久性的条件下使得桥梁的投资最少，另一种为在投资不变的条件下可以使桥梁的安全性武汉理工大学毕业设计（论文）6和耐久性达到最大。通过优化设计可以很好的解决在建设和使用过程中的经济性和安全性的矛盾。通过这次的毕业设计，我们将在学完培养计划所规定的基础课、技术基础课及各类必修课和选修专业课程之后，通过这次设计使我们能综合运用所学课程,系统地巩固基本理论和专业知识；培养分析问题和解决问题的独立工作能力；提高计算、绘图、查阅文献、使用规范手册和编写技术文件及计算机辅助设计计算等基本技能,树立正确的设计思想及严谨负责、实事求是、刻苦钻研、勇于创新的作风,为桥梁建设事业服务。2、基本内容和技术方案本次毕业设计拟对某单线铁路下承式钢桁梁桥进行结构设计，并采用有限元方法进行强度校核。根据计算结果，修改设计方案，达到优化钢桁梁桥的目的。基本设计参数跨度48M,主桁中心距64M,主桁结构形式、桁高及节间长度自定。钢桁梁桥的杆件材料（主桁、纵梁和横梁、平纵联、桥门架等）均采用Q345QD级钢材，杆件间采用高强度螺栓连接。本桥结构设计采用下承式钢桁梁桥。运用PATRAN有限元分析软件对其进行强度校核。优点跨越能力大、最合适无工业化制造、便于运输、安装速度快、钢桥构件易于修复和更换。缺点钢桁梁桥的杆件和节点较多，构造较为复杂，制造较为费工。钢材价格高、易腐蚀，材料养护费用高。结合PATRAN有限元分析软件中的优化分析功能对钢桁架桥进行以桥梁结构中最大应力和最大挠度为约束条件，以截面尺寸为设计变量，以全桥自重为目标函数的优化分析，对于优化结果进行局部稳定性、整体稳定性验算，对于不满足要求的截面尺寸进行调整，最终确定钢桁架桥截面尺寸。武汉理工大学毕业设计（论文）73、进度安排第13周搜集、阅读有关钢桥资料，明确选题意义，了解钢桁梁桥常见的结构形式及各自特点，完成钢桥研究进展综述及开题报告。第45周查阅相关设计规范，了解铁路桥梁设计的方法及步骤，初步确定钢桁梁桥的主桁结构形式及总布置方案。第67周根据规范进行结构载荷以及内力计算，设计钢桁梁桥的主要构件（主桁、联接系、桥门架等）尺寸，完成设计计算说明书。第810周采用有限元软件对设计的钢桁梁结构进行强度校核，根据计算结果，优化主要构件尺寸，完成结构强度计算及优化说明书。根据有限元计算的变形图，对钢桁桥进行预拱设计。第1112周采用AUTOCAD绘制钢桁梁桥的结构设计图，包括总布置图、杆件截面图及典型节点板设计图等。第1314周完成论文翻译，撰写毕业设计报告。第1516周最后修改，准备答辩。4、指导教师意见该生对于所开课题进行了较为详尽的调研，参考了许多文献，最后确定的课题具有一定的实用价值。本课题是学生所学专业知识的延续，符合学生专业发展方向，对于提高学生的基本知识和技能，对于提高学生的研究能力有益。研究方法和研究计划基本合理，难度合适，学生能够在预定时间内完成该课题的设计。同意该课题开题。指导教师签名2013年3月15日武汉理工大学毕业设计（论文）8目录摘要1ABSTRACT21绪论311引言312钢桥的特点3121自身特点3122适用范围313我国钢桥的发展历程4131我国钢桥发展的历程回顾4132三个里程碑和新技术发展的新纪元414钢桥的发展现状5141大跨度钢桥5142复合桥梁7143我国铁路钢桥的新型结构715国外钢桥概况816国内外桥梁情况比较917钢桥发展的要求1018钢桥发展的趋势102设计资料1221设计目的1222设计依据12221设计规范12222结构基本尺寸1222钢材及其基本容许应力12224结构的连接方式12225设计活载等级13226设计恒载1323主桁架杆件内力计算14231内力的组成14232影响线14233恒载所产生的内力15234活载所产生的内力17235横向风力作用下的主桁杆件附加力计算21武汉理工大学毕业设计（论文）9236纵向荷载所产生的内力22237桁架梁中的立杆与竖杆23238主桁杆件的内力组合243主桁杆件截面设计2731下弦杆截面设计27311中间下弦杆22EE27312端下弦杆02EE2832上弦杆截面设计2933端斜杆截面设计3034中间斜杆截面设计3235吊杆截面设计3436腹杆高强度螺栓计算374弦杆拼接计算和下弦端节点设计39412E节点弦杆拼接计算39411拼接板截面设计39412拼接螺栓和拼接板长度39413内拼接板长度40420E节点弦杆拼接计算40421拼接板截面设计40422拼接螺栓和拼接板长度40423内拼接板长度4143下弦端节点设计415挠度计算及预拱度设计4251挠度计算4252预拱度设计436钢桁梁桥的有限元分析4561钢桁梁桥的属性45611钢桁梁桥主要构件尺寸45612材料属性4662有限元模型46621约束条件46622钢桁桥上的荷载4763结果分析48631工况一48武汉理工大学毕业设计（论文）10632工况二49633工况三50634工况四5164结论527结构优化5371优化分析5372杆件截面优化5373结构优化的结论54参考文献56致谢57武汉理工大学毕业设计（论文）1摘要论文内容主要包括对钢桥的自身特点、历史和发展现状的介绍；在设计的初期通过手算，对主桁的受力进行了分析，包括对主桁的结构设计计算。该48M下承式简支钢桁梁桥，主桁采用带竖杆的三角形腹杆体系，主桁弦杆、腹杆均采用H形截面；在上、下弦杆平面内设置交叉式上、下平纵联。并进行预拱度设计。采用PATRAN2008建立主梁三维有限元模型，计算在不同工况下的主梁杆件应力及竖向挠度，结果显示，本桥梁的设计在强度方面是偏于安全的设计。在PATRAN中通过改变杆件的截面属性，对该桥进行结构优化。最后对结果做出分析并得出结论。计算结果表明该桥设计合理，满足规范要求。关键词钢桁梁；下承式桥；结构设计；强度验算；结构优化武汉理工大学毕业设计（论文）2ABSTRACTPAPERSCONTENTMAINLYINCLUDESINTRODUCESTHECHARACTERISTICS，THEHISTORYANDCURRENTSITUATIONOFTHEDEVELOPMENTOFSTEELBRIDGE；INTRODUCESTHEHISTORYOFSTEELBRIDGEANDTHEDEVELOPMENTOFSTEELBRIDGE；INTHEEARLYDESIGNBYHANDTOCALCULATE，ANALYZESTHEMAINTRUSSSTRESS，INCLUDINGTHEMAINTRUSSTHESTRUCTUREDESIGNANDCALCULATIONOFBRIDGETHE48MSPANSIMPLYSUPPORTEDTHROUGHSTEELTRUSSGIRDERBRIDGE，THEMAINTRUSSOFTHEBRIDGEISTHETRIANGLEWEBMEMBERSYSTEMWITHVERTICALMEMBERS，OFWHICHTHECHORDSANDTHEWEBMEMBERSAREOFHSHAPESECTIONSINTHEPLANEOFTHEUPPERANDUNDERCHORDS，THECRISSCROSSTOPLATERALBRACINGSAREARRANGEDANDPREFABRICATEDCAMBERDESIGNTHREEDIMENSIONALFINITEELEMENTMODEL，USINGPATRAN2008ESTABLISHEDMAINGIRDERWERECALCULATEDUNDERDIFFERENTCONDITIONSOFMAINGIRDERBARSTRESSANDVERTICALDEFLECTION，THERESULTSSHOWTHATTHEDESIGNOFTHISBRIDGEISTOBESAFEINTERMSOFSTRENGTHDESIGNINPATRANBYCHANGINGTHESECTIONPROPERTIESOFBEAM，WEREONTHEBRIDGESTRUCTUREOPTIMIZATIONFINALLYANALYZETHERESULTSANDCONCLUSIONSTHECALCULATIONRESULTSSHOWTHATTHEBRIDGEDESIGNISREASONABLE,MEETTHESPECIFICATIONREQUIREMENTSKEYWORDSSTEELTRUSSGIRDER；THROUGHBRIDGE；STRUCTURALDESIGN；INTENSITYCHECKING；STRUCTURALOPTIMIZATION武汉理工大学毕业设计（论文）31绪论11引言便利的交通条件，对促进国民经济的发展、加强全国各民族之间的交往、巩固国防均有极其重要的作用。在交通工程建设中常常要跨越一些河流、山谷和道路，因此要修建大量的桥涵和隧道，同时城市中为了缓解交通压力常常需要修建一些大型立交桥，这些桥梁在交通建设过程中因其建设工期长，投资大一般来说平均占公路总投资的1020，一旦破坏将造成巨大损失，所以桥梁工程在交通命脉中往往成为咽喉工程和控制工程。桥梁按主要承重结构所用的材料来划分，有木桥、钢桥、圬工桥包括砖、石、混凝土桥、钢筋混凝土桥和预应力钢筋混凝土桥。12钢桥的特点121自身特点钢桥是由钢材通过铆接、焊接、栓接等手段拼装而成，而钢材的本身是一种抗拉、抗压和抗剪强度均较高的均质材料。由于钢材的强度高，所以钢桥具有较大的跨越能力。钢桥的构件最适合工业化方法制造，便于运输，工地安装速度快，因此，缩短了施工期限，加工方便且不受季节影响。而且，钢桥在受到破坏后，易于修复和更换，所以，从抢修方面来考虑，它较其他材料优越。但钢桥的耐火性，耐腐蚀性差，需要经常检查，维修，养护费用高。钢桁梁桥由桁架杆件组成，尽管整体上看钢桁梁桥以受弯和受剪为主，但具体到每根桁架杆件则主要承受轴向力。与实腹梁相比是用稀疏的腹杆代替整体的腹板，从而节省钢材和减轻结构自重，又由于腹杆钢材用量比实腹梁的腹板有所减少，钢桁梁可做成较大高度，从而具有较大的刚度及更大的跨越能力。但是，钢桁梁的杆件和节点较多，构造较为复杂，制造较为费工。122适用范围目前桥梁市场主要是钢桥、PC和RC桥。在跨长大于120米的大跨度桥梁领域，钢桥自重约为PC桥的1/51/65，故占绝对优势。在中小跨度桥梁中，由于材料、制造和安装技术、地理条件、维修与造价等一系列因索的不同，在桥型选择时应综合考虑上述因素。往往在跨度较小的情况下，从经济考虑，尽可能采用钢筋混凝土桥代替钢桥。而近些年钢混凝土组合结构技术的发展和广泛应用，增强了钢桥在中小跨长桥系的竞争力。武汉理工大学毕业设计（论文）413我国钢桥的发展历程131我国钢桥发展的历程回顾我国钢桥是在中华人民共和国建国后，在国外对我们实施经济、技术封锁的情况下，自力更生成长起来的。中国早在1889年就开始了钢桥的建设，到现在已经有100多年的历史了。但那时所建的钢桥标准杂乱，跨度都很小。清朝末期，世界列强相继人侵，那时修建的钢桥大部分是由外国人设计和监造的。如19世纪末，由俄国和比利时建成的哈尔滨松花江桥，1905年由比利时人建成的郑州黄河桥等。我国工程界第一次主持修建的钢桥是成滦河大桥，由詹天佑完成。而且，由他主持修建的京张铁路上的钢桥均由我国自己设计、制造和安装的，从而开创了我国铁路钢桥的新篇章。之后，于1937年由我国著名桥梁专家茅以升负责设计并监督施工的钱塘江大桥，拉开了我国建大跨度钢桥的序幕。132三个里程碑和新技术发展的新纪元1949年新中国成立后，各项建设蓬勃发展，桥梁建设也不例外。但改革开放以前，由于材料的原因，主要发展的是铁路钢桥。发展过程可以概括为三个里程碑和一个新纪元。建国初期建桥用的材料都要进口，也没有建造大型复杂桥梁的经验。1956年由原苏联进口低碳钢材料并接受其技术指导，建成京广铁路武汉长江公铁路大桥，武汉长江大桥全长1156M，桥跨结构为128M铆接米字形连续钢桁梁。首次在长江上实现了“一桥飞架南北，天堑变通途”。这是在长江上建造的第一座大桥，是我国桥梁史上第一个里程碑。20世纪60年代，为了连通京沪铁路，决定修建南京长江大桥以取代南京轮渡。为解决无低合金结构钢料的困难，鞍山钢铁公司于1962年研制成功16锰低合金高强度桥梁钢16MNQ，屈服点RS340MPA，南京桥除少部分仍用原苏联已进口的低合金钢外，其余全部用国产钢材代替了原定进口的钢材，当时这些钢的研制成功，十分鼓舞人心，被称之为“争气钢”。南京长江大桥正桥钢梁全长1576M，结构为跨度160M铆接米字形连续钢桁梁。这座桥是完全依靠自己的技术力量和国产材料建成的长江大桥，标志著我国的建桥技术进入到了一个独立自主的新水平，所以南京大桥的建成是我国桥梁史上的第二个里程碑1965年为加快成昆铁路的建设，铁道部和国家科委组建铁路栓焊钢梁科研、设计、制造、安装新技术攻关组，系统研究、发展了栓焊钢桥新技术。19651970年一举建成13种不同结构的栓焊钢桥44座，达到了当时的国际先进水平，为加快成昆铁路建设起了重要作用，更有意义的是从此结束了我国使用近100年的铆接钢桥的历史，为我国钢桥技术发展开创了新纪元。栓焊钢桥比铆接钢桥可节约钢材1215，可加快建桥速度，改善工人劳动条件和结构的传力状态。20世纪70年代初，九江长江公铁路桥的建造方案有两种一是根据当时的条件，主张设计仍采用南京桥相似的米字型铆接钢梁方案另一种是九江桥应当比南京桥前进一步，采武汉理工大学毕业设计（论文）5用国产高强度钢建造一座高强、轻型、整体的栓焊结构方案。最后是后者取得了国家有关主管领导部门的同意。但采用这一方案面临的困难很多，当时没有制造大跨度焊接钢梁的材料。原来造桥采用的16锰桥钢，在材质和规格上已不符合制造大跨度焊接钢桥的需要。因这种钢材的板厚效应很大，钢材的强度、韧性随板厚的增加下降很快，用原来的16锰桥钢建桥，铁路单线桁梁桥最大跨度只可能达到112M。为此，铁道部和原冶金部决定研究开发15锰钒氮桥梁钢15MNVNQ，其屈服点比16锰桥梁钢高，RS420MPA。由于当时钢铁冶炼及轧制设备落后，合金元素不全，前后经历了20多年研究。通过大量的焊接及力学性能试验和在北京密云建造白河试验桥的工程实践，优化生产出了15锰钒氮C级正火桥梁钢。这种钢的板厚效应小，板厚56MM，焊接性及力学性均较好。在当时的条下，取得如此的结果，确实非常不易，为改革开放后钢桥材料、焊接制造工艺、设计理论发展奠定了基础。当时由于设备和资源原因，15锰钒氮C钢的降碳、脱硫、脱磷不够，加入的合金元素V与N也不理想，因此焊接工艺要求比较严格。有人形容说这个钢在焊接时既怕冷又怕热。经科研、设计、制造人员的艰苦努力，1993年用这种钢建成了九江长江公铁路大桥。该桥正桥钢梁全长1806M，主跨是216M的刚性梁柔性拱，结构雄伟壮观，桥形秀丽。从此我国用国产高强度钢材建造大跨度栓焊钢桥，在材料、工艺、理论方面都没有问题了，彻底地完成了铆接钢桥向栓焊钢桥的过渡。这是我国钢桥史上的第三个里程碑。20世纪90年代以后至今，是钢桥发展历史上最快的时期，建造了许多具有代表性的公路、铁路钢桥，详见表11。14钢桥的发展现状141大跨度钢桥大跨度钢桥以索梁结构体系为最适合的桥式，如悬索桥和斜拉桥。悬索桥是跨越能力最强的桥型之一，其雏形三千年前已在我国出现。19世纪末，其跨径突破300米，但当时的问题是活载挠度过大，曾通过增大加劲梁刚度来解决这一问题。之后，随着挠度理论的诞生，材料、施工方法和计算理论的进展，悬索桥进人一个朝低高度主梁、高强度材料和大跨径方向发展的阶段。涌现出跨度在1000米以上的悬索桥，如主跨为1066米的GEORGEWASHINGTON桥1931年；主跨为1280米的金门大桥1937。这些桥加劲梁均以桁架为主。二战后，悬索桥进人了新的发展时期，欧洲各国采用了抗风性能好的薄壁箱形截面加劲梁，其代表为988米的SEVERN桥1966年。此后，这种桥型在美国、日本、挪威、丹麦等国家都得到广泛应用。现在悬索桥跨径仍在不断扩大，最近建成的超大悬索桥有中国的江阴长江大桥，丹麦的大贝尔特大桥和日本的明石海峡桥。斜拉桥诞生于17世纪，二战后，由于高强度材料的广泛应用、施工方法的改进和结构理论的发展，使这一古老的桥型焕发出了新的生命力。如今，在短短的50年里，钢斜拉桥有了飞速的发展，成了200米到800米跨径范围内最具有竞争力的桥梁结构形式之一，武汉理工大学毕业设计（论文）6表11我国1990年以后至今建设的主要钢桥类别建造年代桥名主跨长/米结构特点铁路桥1992九江长江大桥180216180双层公路两用桥，三跨连续栓焊系杆拱桥1995孙口黄河大桥4180双线铁路桥，四跨连续栓焊钢析梁2000芜湖长江大桥312180双层公铁两用桥，栓焊钢析梁斜拉桥公路斜拉桥1992上海杨浦大桥桥602三跨连续组合工字钢梁1997上海徐浦大桥590三跨连续组合边箱梁1998汕头宕石大桥518栓焊连接混合箱梁2000武汉长江三桥618栓焊连接混合箱梁2001南京长江二桥305628305三跨连续全焊钢箱梁公路悬索桥1996西陵长江大桥900单跨全焊钢箱梁1997虎门珠江大桥888单跨连续全焊钢箱梁1999厦门海沧大桥230648230三跨连续全焊钢箱梁1999江阴长江大桥1385单跨全焊钢箱梁2001鹅公岩长江大桥212628212三跨连续全焊钢箱梁2001宜昌长江大桥960单跨全焊钢箱梁公路钢管混凝土拱桥1992万县长江大桥420组合板拱式肋1996三山西大桥200组合板拱式肋1997黄柏河大桥160钢管混凝土拱桥1997下牢溪大桥160钢管混凝土拱桥2000广州丫髻沙桥364钢管混凝土拱桁桥并且其范围仍有扩大的趋势。已建成的日本的多多罗大桥，跨度长达890米。有理由武汉理工大学毕业设计（论文）7相信，在大江河的软土地基和不适合修建悬索桥的地区，可能修建超过1200米的斜拉桥。我国的斜拉桥设计建造技术已跨入世界先进行列，建成的杨浦大桥，跨度达602米，是世界瞩目的叠合梁斜拉桥。还有南京长江二桥、武汉长江三桥、上海徐浦大桥都跻身于世界钢斜拉桥前列。142复合桥梁（1）复合桥梁的概念及特点。20世纪80年代，以法国为代表的欧洲各国、日本和北美，通过对复合桥技术的再开发和持续的技术革新，建成了各式各样的复合结构铁路桥和公路桥，将成为21世纪桥梁发展的重要结构体系之一。复合结构大体可分为组合结构和混合结构。组合结构是指由异种材料组合断面的构件而组成的结构体系，混合结构是指把异种材料的构件通过接头而组成的结构体系。这里的异种材料是指钢和混凝土。复合结构桥梁有以下特点钢与混凝土RC或PC组成的复合结构桥梁可以得到比单一材料无法取得的更优越的结构力学特性和合理的结构形式。它充分利用了钢和混凝土的优点又弥补了各自的不足，钢在受拉区有良好的抗拉强度和变形性能，但在受压区易产生屈服。混凝土则相反，与其抗压强度相比抗拉强度非常小。钢构件比混凝土重量轻，但混凝土比钢便宜。现今开发的复合结构桥梁，结构简单，易于工厂制造，提高了制造和安装质量，可缩短施工工期，大大减少了维修工作量，降低了建设和维修管理的成本。因此，复合结构桥梁将成为21世纪桥梁的热点动向。多种形式的复合结构桥梁突破了传统的中小跨度梁式桥的模式，可以适应各种施工条件，能与周边环境相协调，具有优良的景观性。另外，复合桥梁设计与施工方法密切相关，显示了较大的灵活性。所以，复合桥的技术开发增强了焊接钢桥在中小跨度的竞争力。（2）复合梁的发展。复合结构在桥梁上应用范围相当广泛上部结构组合梁类包括组合工字钢梁、组合箱梁、组合钢桁梁、波形钢腹板代箱梁桥、钢管混凝土拱桥、SRC梁桥等。混合梁类混合连续箱梁桥钢箱梁PC箱梁、混合连续钢构桥、混合加劲梁斜拉桥、混合加劲梁矮塔斜拉桥等。下部结构为组合桥墩和混合基础结构。近几年，随着组合梁技术的不断发展，组合梁得到了广泛应用，尤其在高速铁路上。法国TGV高速铁路上大量采用二主梁组合梁桥约占45以上，英国和德国也有大体相同的趋向日本的中小跨度桥，包括一些高速铁路桥梁多采用SRC混合梁桥。混合梁桥往往在中跨采用自重较轻的钢箱梁，侧跨采用自重较大的PC箱梁，这样可以平衡中跨弯矩，并避免端支座产生负反力。143我国铁路钢桥的新型结构2000年我国建成公铁两用桥的标志性工程芜湖长江公铁路大桥，由于航运与空武汉理工大学毕业设计（论文）8运的净空限制，采用的是矮塔斜拉桥，主桁为无竖杆三角形桁架，桁高12M，节间长度14M，最大跨度312M，正桥全长21924M，这座桥与以前栓焊结构比较有几个特点一是我国钢铁及钢结构焊接制造业的进步，采用了新开发的14锰铌正火桥梁钢，这种钢的韧性及可焊性好；二是在结构上将散装节点改为整体焊接节点，栓焊结构向全焊结构发展进了一步，反映了改革开放后我国的钢铁工业与钢桥制造业的大发展，可以加快施工速度，降低成本，提高工程质量；三是将公路混凝土桥面通过主桁节点的焊接栓钉与主桁结合成整体。最初采用栓焊钢桥时，由于焊接技术落后，对焊接结构的认识也不足，所以在结构中采用的栓较多，芜湖桥由于采用了整体节点，受力焊缝增多，高强度螺栓用的较少了，这在栓焊结构中是一进步。为开发汉江资源，1976年建成汉江斜腿刚构桥，主跨176M，采用薄壁箱型结构，腹板厚10MM，高4400MM，为保证腹板的稳定，采用纵横肋加强。这座桥技术先进，在世界同类钢桥结构中居首位。2002年在红军长征经过的北盘江上建成北盘江上承提篮式铁路拱桥，主跨236M。在世界同类钢桥结构中也位居首位。2009年建成的武汉天兴洲长江公铁路大桥为钢斜拉桥，桥上有4线铁路6线公路，主跨504M；南京大胜关长江公铁路大桥为桁架拱桥，桥上4线铁路2线城铁，主跨336M。这些桥都将是结构新颖，技术先进的特大铁路钢桥，将来高速铁路都将通过这些桥梁。15国外钢桥概况随着冶金工业的发展，钢材用于建筑桥梁，从而也推动了桥梁建筑事业的发展。桥式上，从古代中国的铁链桥发展到梁式桥、拱桥、吊桥以及桁架桥，直到今天各种各样结构形式的桥。钢材上，由生铁、熟铁、铸钢发展到镇静钢，又由普通低炭钢发展到高强度低合金钢。目前，国外已开始较多地采用耐腐蚀钢。近年来，桥梁结点的连接曾由铆接而改用焊接，由于结点焊接所造成的残余应力及耐劳性等方面存在难以解决的问短，而发展了高强度螺栓，使得焊接梁有了大幅度的发展。同时，对胶剂粘接进行了有成果研究，已经在铁路钢桥中开始试用。从目前的情况来看，国外铁路钢桥建筑总的发展趋势是继续完成由铆接结构到栓焊结构的转变。这一转变的主要特点是钢梁在工厂制造时采用焊接代替工厂铆接；工地架设时采用高强度螺栓代替工地铆接。焊接工艺在铁路桥梁上普遍采用是从二次世界大战前后开始的，特别是战后，欧洲一些国家为了尽快地修复大量被战争破坏的桥梁而广泛地采用了焊接工艺。高强度螺栓在铁路桥梁上的使用是从五十年代开始的，由于栓焊结构比铆接结构具有省钢料、提高工厂和架设的劳动生产率、改善工人的劳动条件、并便于维修等显著优点，从而使许多工业较发达的国家，目前在桥梁建筑中基木上完成了由铆接结构到栓焊结构的转变。西德是采用栓焊梁比较早的国家，据1967年资料，西德铁路大约有900多孔焊接桥梁包括全焊桥、铆焊桥和栓焊桥，总用钢量达13万吨。武汉理工大学毕业设计（论文）9日本随着东海道新干线等几条铁路的修建，栓焊钢梁得到了很大的发展。据1967年资料，日本铁路上已有700多孔焊接钢梁，总用钢量达9万3千吨。苏联在战后采用了大量铆焊梁，用以修复被战争破坏的铁路桥梁。从六十年代起，开始广泛采用栓焊梁，并在伏龙芝桥梁工厂没有制造高强度螺栓的车间，以降低高强度螺栓的造价。现已根据“CH20062”规范设计出了44M110M的栓焊梁标准图。美国在铁路上采用栓焊梁较少，主要是由于新建铁路少。但是，据最近美国杂志报导，在抽换铁路上旧钢梁时，较普遍地采用了栓焊结构。16国内外桥梁情况比较目前，我国公路、铁路桥梁的工程技术水平已达到了一定的高度。若要与国外钢桥比较或处于什么地位，不能简单地下断语。建造最早的是简支梁式桥，简支梁式桥是桥梁结构中最基本的结构形式，根据跨度的不同有板梁、桁梁和箱梁。为扩大跨度，由简支梁发展到伸臂梁桥、连续梁桥。再继续发展就出现结合梁桥与组合梁桥。伸臂梁桥有锚孔、伸臂梁、和悬孔，主孔可以比简支梁桥大，是静定结构，设计计算简单，基础下沉不影响上部结构的受力，国外在早期悬臂梁桥使用的较多，缺点是伸臂梁与悬孔交接处结构的变形不协调，产生有折角，桥面不平顺，逐渐被连续梁桥代替。连续梁桥是在人们认识了钢的弹性模量和弹性力学之后才出现的。我国桥梁发展建设中，已认识到悬臂梁桥的缺点，所以没有采用过。结合梁是充分利用不同材料的性能，将其结合在一起，各自发挥不同材料的优点，以加强桥梁的承载能力。如混凝土桥面板与钢梁结合，在运营中，混凝土桥面板承受压力，钢梁承受拉力，各自发挥混凝土受压与钢材受拉的优点，加大桥梁的承载能力。组合梁是用两种不同的结构组合为一个承载能力较大的结构。如将拉索与梁或连续梁组合为一个结构就成斜拉桥；将悬索、吊杆与梁组合为一个结构就是吊桥；将拱与梁组合就成为各种不同的系杆拱桥与拱桥。拱桥是一种弧形的承重结构，在荷载的作用下，支点处产生水平推力，使拱内产生轴向压力，并大大的减少跨中弯矩，跨越能力加大。西方钢桥技术开始于英国。1779年英国建筑师与炼铁专家达比建成世界第一座铸铁拱桥。1840年美国惠普尔用铸铁和锻铁建成全铁桁梁，1861年西门子和马丁推广用平炉炼钢，18741883年美国首先用结构钢建成了依芝、布鲁克林和格拉斯哥3座大桥。在国际上现代钢桥结构形式在上世纪70年代以前，主要用的是简支梁、连续梁、悬臂梁桥、拱桥。50年代以后由于生产高强度钢丝的技术，制钢丝索技术，钢丝索张拉技术有了很大的进步，工程中原本就有而一度被淡忘的斜拉桥和悬索桥迅速发展起来了。淡忘的原因是早期建造斜拉桥与吊桥的钢索强度不够高，质量不好，张拉技术也不好，使用不久，发生松弛变形出现病害。世界第一座现代公路斜拉桥是1955年在瑞士建成的斯特罗姆海峡钢斜拉桥，主跨为1826M，后来修建的愈来愈多，跨度越来越大。我国现代钢桥技术和国外相比，起步晚了150多年，现代大跨度斜拉桥与悬索桥，我国比国外也晚了约30多年，但武汉理工大学毕业设计（论文）10发展很快。简支梁桥、连续梁桥、箱梁桥在跨度上尚略小于国外；系杆拱桥、斜拉桥及悬索桥暂时也稍低于国外。但几年后情况将会改变。重庆朝天门公铁城铁路大桥、武汉天兴洲公铁路大桥、南京大胜关公铁路大桥建成后，除悬索桥外，其他结构形式的桥均可列入世界前列。桥梁的跨度与承载能力有关系，武汉天兴洲长江公铁路大桥及南京大胜关长江公铁路大桥都是多线的重载桥梁，它的跨度应比照一般的公路大桥加大几倍以上。根据上述分析，我国的钢桥开始发展虽比国外晚，但由于我国技术人员在近56年的建桥工作中，先是本着自力更生，奋发图强的精神，改革开放后又以引进、吸收、创新的赶超意识，不断克服重重的困难，推动桥梁工程技术的前进，使我国桥梁的结构形式、设计理论、用料、工艺均已达到了国际先进水平。更可贵的是通过这50多年研究实践已培养出了一支强大的桥梁科研、建设技术队伍和建成了一批具有强大研究、制造、施工能力设备机构。我国的地域辽阔，铁路、公路要跨越的海湾、大江、大河、高山、深谷非常多，要修建的大桥还很多，预计在不久的将来桥梁技术还会有更大的突飞猛进发展，尤其是在钢材和钢桥产品质量方面会有跳跃式的提高。17钢桥发展的要求从国外经验看，建立正常的桥梁建设市场经济机制有助于桥梁技术水平的发展。在我国，桥梁等建筑领域虽然较早地采用了招投标制、契约合同制等，但是仍然遗留了计划经济时期的色彩，以及某些献礼工程、政绩工程、地方保护、部门保护、不合理的管理和质量控制机制等，这些都将影响招投标、企业竞争和优胜劣汰的规范化。作为从事桥梁建设的企业理应提高管理和技术人员的素质，通过技术革新提高桥梁设计、制造、施工等方面的技术水平，降低成本等来增强企业的竞争力。为满足对桥梁增长的需要，以及对钢桥钢度的要求，保证走行性、舒适性的要求，必然要考虑新的技术和新的结构形式以提高工效。同时，焊接在钢桥制造和施工的比例进一步加大，将由栓焊向全焊过渡。而且，更加注重组合梁桥的开发。钢桥结构开发的根本因素是钢材，而钢材往往造价较高，在保证桥梁机能的前提下，尽可能地缩短施工周期，减少维修工作量，降低成本，乃当务之急。在钢桥技术日趋成熟之时，人们也越来越重视对噪声的控制。因此，在确保高质量和美观的同时，也追求防噪处理。中国确定的铁路桥梁发展的技术政策是“桥梁应向高强、轻型、整体、大跨度、新结构发展；提高桥梁耐久性，高速铁路和快速铁路的桥梁设计应进行列车线路桥梁整体动力特性分析。”18钢桥发展的趋势1进一步朝大跨度发展武汉理工大学毕业设计（论文）11随着经济的发展，交通显得尤为重要，而桥梁是交通中重要的纽带。跨越大江、大河乃至海峡都需要大跨度桥。比如像日本这样的岛国，大岛之间的连接主要靠桥梁和海底隧道，为满足日益增长的经济需要，日本投巨资建造了许多跨海大桥。而我国地域辽阔要发展经济，所建铁路、公路都要跨越大江、大河、高山、峡谷、高原以及地域条件比较差的地区，桥的跨度必将有所突破。2质量和寿命不断提高随着高强度、轻型、耐腐蚀、耐久性的新材料的开发，及新的设计理念、施工技术的广泛应用，钢桥的质量也逐渐提高。同时，设计理论的改进，尤其在极限状态设计理论基础上，建立LCC设计概念，即开展最小维修量的长寿命的桥梁设计方法。在结构和构造设计方面要逐步形成我国自己的各种桥梁体系，这有利于降低制造、架设和维修的成本，提高桥梁寿命。武汉理工大学毕业设计（论文）122设计资料21设计目的跨度L48米单线铁路下承载式简支钢桁梁桥部分设计22设计依据221设计规范铁路桥涵设计基本规范TB1000212005铁路桥梁钢结构设计规范TB1000222005钢结构设计规范GB500172003222结构基本尺寸计算跨度48LM；桥跨全长4810LM；节间长度800DM；主桁节间数6N；主桁中心距64BM；平纵联宽064BM；主桁高度11HM；纵梁高度169HM；纵梁中心距200BM；总布置如图2122钢材及其基本容许应力杆件及构件Q345QD；高强螺栓40B；224结构的连接方式桁梁杆件及构件，工地高强螺栓连接；高强螺栓的杆径为22，孔径23DMM；轴向应力200MPA；弯曲应力210WMPA；剪应力120MPA；端部承压（磨光顶紧）应力300CMPA。武汉理工大学毕业设计（论文）13225设计活载等级标准中活载226设计恒载主桁316PKN/M；联结系4276PKN/M；桥面系2681PKN/M；高强螺栓62343PPPP检查设备5100PKN/M；桥面11000PKN/M；计算主桁恒载时，按每线恒载123456373281PPPPPPPKN/M。如图21钢桁架桥总布置图武汉理工大学毕业设计（论文）1423主桁架杆件内力计算231内力的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12121122LLYLLY，PNP静活载内力KNK竖向活载产生的内力1KN横向风力（或列车摇摆力）所产生的内力WN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WN；纵向制动力所产生的内力TN。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1IPKNNN主力加风力（或摇摆力）112IWWNNNN主力制动力1125ITNNN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。主桁各杆的内力表1。232影响线影响线如图22武汉理工大学毕业设计（论文）15图22影响线233恒载所产生的内力2331恒载根据第一章所提供的资料，每片主桁所承受的恒载内力1234567118662PPPPPPPPKN/M2332影响线面积计算（1）弦杆影响线最大纵距HLLLY21影响线面积YL2113AA1216320333LL，9697011483216Y武汉理工大学毕业设计（论文）16272723969704821M22EE12242405LL，24241094811Y16260914821M其余弦杆计算方法同上，计算结果列于下表21中（2）斜杆LLY2SIN1，21SINLYL，236180901SIN112121122LLYLLY，式中1111111188YYYLYLYLYL，01EA18L，240L，024011236103481032472482Y，M32AE221624162412360412123606184848LLYY，18041232320167041206183216L，1488324801674824L，132160412395522M148240618889922M39552889924944M其余斜杆按上述方法计算并将其结果列于表中。（3）竖杆11011682Y，M武汉理工大学毕业设计（论文）172333恒载内力恒载布满全跨，故恒载为上弦杆13AA186623343478PNPKN下弦杆22EE186626248889PNPKN下弦杆02EE186614627244PNPKN端斜杆01ENPKN斜杆21EA186615809927636PNPKN斜杆23EA1866396899218PNPKN234活载所产生的内力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，它们之间的函数关系反映在桥规附录所列的公式以及表中，根据L与从该表中查得每线换算的均布活载K，除以2得每片主桁承受的换算的均布活载。上弦杆13AA48L033305962KKN/M0505481KKKN/M下弦杆件22EE为例48L0505945KKN/M05054725KKKN/M斜杆21EA为例武汉理工大学毕业设计（论文）181384L0167016710418KKN/M0167055209KKKN/M296L0167016714726KKN/M0167057363KKKN/M其余各杆件类似，不再赘述。（1）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13AA4810233112073KNKKN下弦杆22EE4725262123606KNKKN下弦杆02EE501914673277KNKKN再以斜杆21EA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1L，长度产生最大的压力，活载布满左段2L长度产生最大的拉力，故分别加载后得斜杆21EA1520915882302KNKKN273630997289KNKKN斜杆23EA1601939623835KNKKN255068949003KNKKN端斜杆01EA5395262123795KNKKN（2）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281140L武汉理工大学毕业设计（论文）19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281113240L挂杆的冲击系数28111540L（3）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MAX1PKNN下弦杆22EE488890313212361上弦杆13AA43478029132112073002129030下弦杆02EE2724402813273277003128030端斜杆01EA4609026132133257007126030斜杆21EA武汉理工大学毕业设计（论文）20276350251328230292182871327289110