钢结构课程设计丁绪欧08

1、 钢结构课程设计题目：20m简支钢混组合梁设计 姓 名： 丁 绪 欧 学 号： 1442264108 专业班级： 14土木本（道桥）1班 院 系： 土木与环境工程学院 指导老师： 胡 鹏 设计时间： 2012016.12.18 教务处制目 录1 选择材料11.1 钢材11.2 混凝土11.3 剪力连接件12 初步拟定截面尺寸12.1 混凝土桥面板22.2 钢梁22.3 横隔钢22.4 剪力连接件23 主梁内力计算33.1 混凝土板的计算宽度33.2 主梁内力计算33.2.1 受力第一阶段33.2.2 受力第二阶段44 截面特性计算44.1 受力第一阶段44.1.1 截面的重心位置54.1.2

2、工字钢截面特性54.2 受力第二阶段64.2.1 混凝土面积折算成钢的面积64.2.2 组合梁截面重心轴x-x位置64.2.3 组合梁截面特性计算65 强度验算75.1 组合梁抗弯承载力验算75.2 抗剪强度计算85.3 组合梁的刚度验算86 整体稳定性验算97 剪力连接件的设计107.1 受力计算107.1.1 纵向水平剪力107.1.2 剪力连接件的计算117.2 连接件的抗剪验算及布置117.2.1 抗剪验算117.2.2 连接件的布设128 横隔板的设置129 确定截面形式13参考文献14 1 选择材料1.1 钢材选用16Mnq钢，选用Q420qE钢，弹性模量Eg=2.1x105 MP

3、a，容重2=78 KN/m3。有害元素含量应符合现行规范要求。 1.2 混凝土选用C55钢筋混凝土，弹性模量Ec=3.55x104 MPa，容重1=26.5KN/m3，轴心抗压强度设计值fcd=24.4 MPa，轴心抗拉强度设计值ftd=1.83 MPa，为降低混凝土收缩率，在混凝土中加入钢纤维。1.3 剪力连接件连接件选用25的圆柱头焊钉连接件，焊钉材料的抗拉强度最小值Fsu=375MPa。2 初步拟定截面尺寸拟定的截面设置如图1所示。 图1.初步拟定的组合梁截面尺寸（单位：mm）2.1 混凝土桥面板混凝土桥面板拟采用C55现浇钢筋混凝土翼板，翼板全宽取为桥宽1000 cm，厚度取25 cm

4、，钢梁上翼缘不设承托。2.2 钢梁钢梁采用焊接工字钢，钢梁高取1300 mm，主梁腹板厚取60 mm，腹板高取1200 mm，上翼缘宽取400 mm，上翼缘厚度取40 mm，下翼缘宽取600 mm，下翼缘厚度取60 mm。共设4个这样的工字钢和混凝土翼板相连，每个工字梁的轴心距为2.5 m，两端的钢梁轴心距混凝土桥面板外侧的距离为1.25 m。2.3 横隔钢为增强组合梁的整体稳定性，两片主梁间通过横隔钢板相连，横隔板宽度为80 cm，厚2 cm，横桥向长度为2.46 m，横隔板间距拟定为5 m。2.4 剪力连接件拟采用25圆柱头焊钉连接件，焊钉长取12cm，焊钉的布置在下文结合纵桥向水平剪力计

5、算值具体设置。工字梁截面尺寸如图2所示 图2 工字梁截面尺寸（单位：mm）3 主梁内力计算已知条件：按设计任务书给定的条件桥宽10 m，桥上单车道均布荷载q1=10.5 KN/m，集中荷载F=240 KN，假定全桥按2个车道布置，主梁计算跨径按19.4 m；桥上二期恒载按q2=10 KN/m，设恒、活荷载的分项系数分别为1.2、1.4；主梁容许挠度为L/600（L为计算跨径）；组合梁施工时以钢梁为脚手架，组合梁按二阶段计算。剪力连接件按力学计算具体设置。3.1 混凝土板的计算宽度板的计算宽度取以下三个中的最小值。 梁计算跨径的三分之一：l/3=19.4/3=6.46 m 相邻两梁轴线间的距离：

6、见图1 S=2.5 m 翼缘板的宽度b1=0.4 m，板厚d=0.25 m，b1+12d=0.4+120.25=3.4 m故板的计算宽度b=3.4m。3.2 主梁内力计算3.2.1 受力第一阶段恒载为 混凝土板，容重1 = 26.5 KN/m3，线分布力q11 = b·d·1= 3.4×0.25×26.5 = 22.525 KN/m 钢梁，容重2 = 78 KN/m3，钢梁的截面积Ag=400×401200×60600×60124000 mm2线分布力q12=Ag·278×0.1249.672 KN/m一

7、期恒载q01=q11q12=22.5259.67232.197 KN/m该阶段上的力全部由钢梁承受。M1max=1/8·q01·L2·1.21/8×32.197×19.42×1.2=1817.649 KN·mV1max=1/2·q01·L·1.21/2×32.197×19.41.2=374.773 KN3.2.2 受力第二阶段恒载为：q2=10 KN/m活载为：q1=10.5 KN/m，F=240 KN该阶段的力由组合梁截面承受。(1) 恒载下：Mo max=1/8·

8、;q2·L2·1.21/810×19.421.2564.540 KN·mVo max=1/2·q2·L·1.21/21019.41.2116.400 KN(2) 活载下每个行车道受力为：集中力作用于梁中间位置时有最大弯矩：Mu max1.4（1/8·q1·L21/4·F·L） 1.4(1/810.519.42+1/424019.4)2321.162 KN·m集中力作用于梁端时有最大剪力：Vu max=1.4·( 1/2·q1·L+F )1.4(1

9、/210.519.4+240)=478.590 KN该桥设置2个行车道，按本设计有4个钢梁来承担这些力，因而，在活载作用下每个钢梁将承受的力为：弯矩：M1u max=0.52321.162=1160.591 KN·m剪力：V1u max=0.5478.590=239.295 KN（3）第二阶段受力为M2 max=564.540+1160.591=1725.131 KN·mV2 max=116.400+239.295=355.695 KN4 截面特性计算4.1 受力第一阶段该阶段的力只由工字钢承担，需计算工字钢的截面特性，计算图如图3所示。4.1.1 截面的重心位置将该工字钢

10、截面视为3个矩形（尺寸为：400×40，60×1200，60×600），分别对1-1轴（1-1轴设在下翼缘板底部）求面积矩，该值等于整个工字钢的面积Ag对1-1轴的静矩。设O-O轴（O-O轴为整个工字钢的重心位置）到1-1轴的距离为y，则有：400×40×12601200×60×660600×60×30(400×401200×60600×60)·y 解 y=555 mm4.1.2 工字钢截面特性(1) 截面惯性矩Io=400×403/12400×

11、40×745260×12003/1260×1200×1052600×603/12600×60×5052 27508033330 mm4(2) 钢梁最外点抗弯截面模量重心轴至上翼缘板yo=745mmWo1=Io/745=27508033330/745=36923534.68 mm3重心轴至下翼缘板yu=525mmWu1=Io/525=27508033330/555=49564024.02 mm3 图3工字钢截面特性计算用图（单位：mm）4.2 受力第二阶段该阶段的恒载与活载由组合梁承受，在计算组合梁截面特性时，由于混凝土和钢梁

12、不是同一种材料，故需将混凝土面板的面积折合成钢材的面积。计算图如图4所示。4.2.1 混凝土面积折算成钢的面积设混凝土板折算成钢的面积为A1g则： EgA1g=EcAc Ac为原混凝土板的面积2.1×105×A1g=3.55x104 ×3400×250A1g=143691 mm24.2.2 组合梁截面重心轴x-x位置设钢梁的重心轴o-o轴至组合梁截面重心轴x-x的距离为z，混凝土板至钢梁的重心轴o-o轴的距离a= 1070 mm，整个组合梁的面积为A。依据面积矩原理有 z=(A1g1070)/A =(143691×1070)/(124000+1

13、43691) =575 mm即组合梁截面重心位置距钢梁下翼缘板底部的距离为555+575=1130 mm4.2.3 组合梁截面特性计算(1) 组合截面惯性矩Ix=Ig+Agz2+Ic/n+Ac(a-z)2/nIg钢梁的惯性矩即之前所述的Io=27508033330 mm4n钢梁的弹性模量Eg与混凝土的弹性模量之比n=Eg/Ec=2.1105/3.55104=5.915Ic混凝土的惯性矩，Ic=3400×2503/12=4427083333 mm4组合截面的惯性矩：Ix=27508033330+1240005752+4427083333/5.915+1436915552=mm4(2)

14、组合截面最外点抗弯截面模量Wo=Ix/(yo-z)=/(745-575)=667731788 mm3Wu=Ix/(yu+z)=/(555+575)=100455225 mm3 图4 组合梁截面特性计算用图（单位：mm）5 强度验算5.1 组合梁抗弯承载力验算(1) 上翼缘板处的正应力，按公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）查有关资料Q420qE钢当厚度为4063mm时，fwcd=305MPa重要性系数， 有51.811×1<305满足规范的要求。(2) 下翼缘板处的正应力，按公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）153.846<305满足规范的要

15、求。该梁的抗弯强度符合要求。5.2 抗剪强度计算组合梁截面的剪力应全部由钢梁腹板承担，不考虑混凝土板的抗剪作用。查相关资料Q420钢，当厚度为4063mm时，其抗剪强度设计值为fwvd=175MPa根据规范该组合梁截面的抗剪承载力Vu=fwvdAw，Aw为钢梁腹板的面积。则 Vu=175×1200×60=12600000N=12600 KN组合梁截面剪力设计值Vd=V1max+V2max=374.773355.695730.468 KN按规范的验算公式 有1×730.468<12600经计算表明该梁的抗剪强度符合要求。5.3 组合梁的刚度验算均布线荷载标准值

16、qk=q01+q02+qu=32.197+10+10.5=52.697 KN/m刚度：组合梁刚度能满足要求。6 整体稳定性验算（1）稳定系数的计算 钢梁对轴（弱轴）的惯性矩 钢梁面积Ag=124000mm2对y轴的回转半径 梁在侧向支承点间对截面弱轴的长细比 梁整体稳定的等效临界弯矩系数先确定参数：按均布荷载算： 截面不对称影响系数，该梁的设计属加强受拉翼缘，下翼缘板宽度则 Q420钢，屈服强度 按受压纤维确定的梁截面模量由以上参数计算(2) 整体稳定性经计算表明，钢梁的整体稳定性能满足要求。7 剪力连接件的设计7.1 受力计算 纵向水平剪力由钢筋混凝土板和钢梁通过剪力连接件组成的组合梁，在荷

17、载作用下，钢筋混凝土板和钢梁接缝处要产生错动的纵向水平剪力。活荷载作用下，在每条钢梁和混凝土板接缝间的纵向水平剪力为：恒载作用下引起的剪力为:组合梁截面的剪力设计值钢筋混凝土板对组合截面重心轴的面积矩组合梁惯性矩剪力连接件每米要承担的剪力为 剪力连接件的计算剪力连接件采用的圆柱头焊钉连接件，每一个剪力连接件的抗剪承载力为：焊钉杆径的截面面积则：故单个圆柱头焊钉连接件的抗剪承载力7.2 连接件的抗剪验算及布置 抗剪验算为了能抵抗钢筋混凝土板和钢梁接缝处产生错动的纵向水平剪力，则至少需要的剪力连接件的个数为n=808556.9/128854.425=6.3个结合圆柱头焊钉连接件在钢梁上布置的构造要

18、求，顺桥向焊钉的布置为8个/m，（每隔12.5cm设置一个焊钉），则单个连接件（圆柱头焊钉）承担的剪力设计值依据规范的要求进行抗剪验算经验算符合规范的要求。 连接件的布设连接件的布置见图5图6根据以上计算结果并结合圆柱头焊钉连接件在钢梁上布置的构造要求，顺桥向焊钉的布置为8个/m，（每隔12.5cm设置一个焊钉）；横桥向每隔10cm设一个焊钉，到钢梁翼缘板边缘的距离为5cm。 图5 横桥向连接件布置（单位：cm）顺桥向以一米长为例，焊钉布置如下 图6 顺桥向焊钉布置（单位：cm）8 横隔板的设置为增强结构的整体性，两片主梁间通过横隔板相连。横隔板的设置尺寸为横隔板宽度为80 cm，厚2 cm，横桥向长度为2.46 m，横隔板间距为5 m，共设置4块横隔板，其中首尾两块板距梁端的距离为2.5 m。9 确定截面形式通过以上计算，最初拟定的截面形式能满足强度要求（抗弯、抗剪、刚度）及整体稳定性，剪力连接件能满足抗剪要求。故将最初拟定的方案作为最终的设计结果。如下图图7 桥型最终布置方案