下承式钢桁梁桥结构设计及优化(跨度64m)

1、菽在理工攵甘本科生毕业设计（论文）下承式钢桁梁桥结构设计及优化（跨度64m）学院（系）：交通学院专业班级：工程结构分析专业0902班学生姓名：指导教师：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：2013年03月01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

2、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、保密口，在年解密后适用本授权书2、不保密13 o（请在以上相应方框内打“Y”）作者签名：2013年03月01日导师签名：年 月 日本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名：周业超专业班级：工程结构分析0902指导教师：潘晋工作单位：武汉理工大学设计（论文）题目：下承式钢桁梁桥结构设计及优化（跨度64m）设计（论文）主要内容:本次毕业设计拟对某64m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

3、桁梁桥的 目的。基本设计参数：跨度64m,主桁中心距6. 4m,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

4、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。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3张，其中1号图纸1张、2号图纸2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：1铁路桥涵设计基本规范(TB10002. 1-2005)»,中国铁道出版社，200

5、5年。2铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002. 2-2005)»,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，2006o5钢桥，周远棣徐君兰编，人民交通出版社，1991年。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）钢桁梁桥因跨越性强、受力性能好、施工工期短、行车平顺、造型美观而被 广泛采用。钢桁梁桥的出现，既节省了资源和空间，也符合交通运输的需要。随 着重载交通的快速发展，考虑桥面板与钢桁梁作为钢-混凝土组合结构共同工作、 合理选择主桁截面及尺寸、提高连接的

6、强度和牢固性、进行有限元程序整体计算 校核将成为今后公铁两用钢桁梁桥的施工和设计中不容忽视的内容。1.1国内研究现状分析在我国铁路桥梁中，连续桁架梁桥得到了越来越广泛的运用，除著名的武 汉、南京长江大桥采用了大跨度连续桁架桥外，其他铁路线上也修建了许多这种 类型的桥梁。如京沪铁路淮河大铁桥乂称蚌埠淮河大铁桥，位于蚌埠市蚌山区蚌 埠港东约500米处，是津浦线上仅次于黄河铁路桥的第二大桥。鸭绿江桥，鸭绿 江桥于1943年4月竣工，全长946.21m,宽9.5m,共4联12孔,跨径94.2m。 宜宾金沙江铁路大桥，铁路桥，位于四川省宜宾市的宜琪铁路支线上。大桥全长 1053. 5m ,正桥为112m

7、 + 176m + 112m三跨单线连续刚桁梁桥，主桁采用平行 弦菱形钢桁架，钾钉连接，桁高20m ,桁宽8m。该桥采用两岸悬臂拼装，跨 中合拢法架设，是国内采用这种方法施工的第一座桥梁，1968年10月竣工。2. 2国外研究现状分析国外的公铁两用桥的建设发展速度也非常快，主要表现在：跨径不断增大， 桥型不断丰富，结构不断轻型化，有许多帝常丰富的经验值得我们去学习。如加 拿大魁北克公铁两用桥（悬臂桁梁），主跨549m,还有早在1932年修建的澳大利 亚悉尼港拱桥，跨度503m,至今仍为世界上跨度最大的公铁两用钢拱桥。因此，通过对以上国内外钢桁梁桥，至少是钢桥的发展状况的分析，我们可 以发现从现

8、代桥梁的发展趋势来看，各种桥型结构都在向大跨径发展。跨海工程 已被桥梁工程师提上日程。日本的跨海工程本州一四国联络线于20世纪末完 成;意大利计划修建跨径3300m的墨西拿海峡大桥；日本计划修建25003000m 纪淡海峡大桥。我国本世纪初拟定修建五个跨海工程：渤海海峡工程、长江口越 江工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程和琼海海峡工程。这就给桥梁 工程界提出了新的挑战：在结构上研究适合应用于更大跨度的结构类型;在结构 理论上研究更符合实际状态的力学分析方法与新的设计理论，充分发挥建筑材料 的强度，力求工程结构的安全度更为科学和可靠。大跨度桥梁设计中，越来越重 视空气动力学、振动、稳定、

9、疲劳、非线性等的研究和应用，这对我们研究钢桁 梁桥这种常见桥梁类型也有深刻的借鉴意义。2、基本内容和技术方案本次论文设计钢桁梁桥跨度64m,主桁中心距6. 4m,论文内容主要包括主桁、 平纵联、桥面系、桥门架四个部分的结构设计，绘制主要结构设计图，并用有限 元软件Ansys建立所设计结构的有限元模型，进行结构有限元强度校核及结构优 化。为顺利完成论文，主要按如下方案进行；首先查阅资料，了解钢桁桥的结构特点和工作原理，掌握钢桁结构桥梁 的计算设计方法；然后，根据64米钢桁桥结构手工估算内力结果，并参考现有 图纸资料，初步拟定结构构件尺寸；学习使用绘图软件AutoCAD,并绘制主体 部分结构设计图

10、和主要节点详图；学习使用结构分析有限元软件Ansys,建立钢 桁桥结构的有限元模型，进行静力分析以校核设计结构的强度；根据计算结果对 结构设计方案及其设计图进行必要修改及优化；最后编制毕业设计论文。3、进度安排1、3月01日至3月15日，查阅资料，了解钢桁桥的常见结构形式和各自特点, 了解铁路桥梁设汁的步骤和需要满足的要求，编写开题报告。2、3月16日至3月25日，根据相关设计规范，确定钢桁桥结构形式和构件布 置，进行结构载荷和内力的初步计算。3、3月26日至3月31日，根据结构强度和稳定性要求初步拟定构件截面尺寸。 4、4月01日至4月14日，学习使用绘图软件AutoCAD,并完成设计图绘制

11、工作。5、4月15日至4月28日，学习用有限元软件Ansys进行工程结构强度计算。6、4月29日至5月12日，建立钢桁桥有限元模型，计算结构在最不利载荷作 用下的的应力和变形，校核结构强度。7、5月13日至5月26日，根据有限元强度计算结果，对设计的构件尺寸进行 必要修改和优化，绘制结构设计图，并编写毕业设计论文。8、5月27日至5月31日，完成英文翻译，准备答辩。4、指导教师意见学生的调研已充分，基本内容和技术方案已明确，已经具备开始设计的条件, 能达到预期的目标，同意进入设计阶段。指导教师签名：年 月 日第1章绪论1.1桥梁概述桥梁的历史是伴随人类的历史的发展而发展起来的。桥梁发展大致经历

12、了一 下三次飞跃：（1）19世纪中叶钢材的出现，随后乂出现高强度钢材，是桥梁工程的发展 获得了第一次飞跃，跨度不断加大。（2） 20世纪初，钢筋混凝土的应用以及30年代兴起的预应力混凝土技术, 使桥梁建设获得了廉价、耐久、且刚度和承载力很大的建筑材料，从而推动桥梁 的发展产生第二次飞跃。（3） 20世纪50年代以后，随着计算机技术的迅速发展，使得人们可以方 便的完成过去不可能完成的大规模结构计算，这是桥梁工程的发展获得了第三次 飞跃。桥梁与人类生活密切相关。没有桥梁，我们的生活空间将大受限制，更不 会有今天四通八达的公路与铁路把世界如此紧密地联系在一起。桥梁是人类所建 造的最古老、最壮观与美丽

13、的建筑工程，是一个时代文明与进步的标志。在人类远古时期，桥梁是人类为扩大自己的活动范围，克服自然障碍而最 早建造的工程建筑。一般认为，人类是从倒下的树干，学会建造梁桥；从天然的 石穹，学会建造拱桥；从攀爬的藤蔓，学会建造索桥。也正因为如此，古代桥梁 所用的材料多为木、石、竹等的天然材料。直至锻铁出现以后才开始有简单的铁 链桥，但它们的强度都很低、跨度很小、断面偏大、外形敦实。到了近代与当代，钢、水泥、钢筋混凝土及预应力混凝土等人工材料在桥 梁上的应用是近代桥梁的标志。现代桥梁的主要特征是：高强轻质材料的发展与 应用；跨度的不断增大；型式的多样化与结构的整体化设计与计算的电脑化；制 造的工业化、

14、自动化与程控化；以及把安装工作从笨拙的脚手架中彻底解放了出 来等。这些都大大推动了桥梁技术的飞速发展。在公路、铁路、城市和农村道路交通以及水利等建设中，为了跨越各种障 碍（如河流、沟谷或其它线路等）必须修建各种类型的桥梁，因此桥梁乂成了陆 路交通中的重要组成部分。在经济上，桥梁的造价一般平均占公路总造价直接经 济损失价的1020%。特别是在现代高级公路以及城市高架道路的修建中，桥梁 不仅在工程规模上十分巨大，而且也往往是保证全线早日通车的关键。在国防上, 桥梁是交通运输的咽喉，在需要高度快速、机动的现代战争中具有非常重要的地 位。（4） 世界现代桥梁的发展趋势随着世界经济和社会的发展，世界桥梁

15、建设在不断的发展中，尤其是在法国 人Freyssinet于1928年提出预应力混凝土的概念和设计理论 （EUGENE FREYSSINET1879-1962法国人、预应力结构创始人20世界上半页 最伟大的钢筋混凝土结构工程师，最早在拱顶预埋千斤顶施加预应力）、德国人 Dishinger在1938年提出的现代斜拉桥设计构思之后的至今的几十年里，世界 桥梁的建设更是日新月异。纵观现今世界桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建 设必将迎来更大规模的建设高潮。就中国来说，国道主干线同江至三亚就有5个跨海工程，渤海湾跨海工程、 长江口跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程，以及琼州海峡工程。 其中难

16、度最大的有渤海湾跨海工程，海峡宽57公里，建成后将成为世界上最长 的桥梁；琼州海峡跨海工程，海峡宽20公里，水深40米，海床以下130米 深未见基岩，常年受到台风、海浪频繁袭击。此外，还有舟山大陆连岛工程、青 岛至黄岛、以及长江、珠江、黄河等众多的桥梁工程。在世界上，正在建设的著名大桥有土耳其伊兹米特海湾大桥（悬索桥，主跨 1668米）；希腊里海安蒂雷翁桥（多跨斜拉桥，主跨286+3X560+286米），已 获批准修建的意大利与西西里岛之间墨西拿海峡大桥，主跨3300米悬索桥，其 使用寿命均按200年标准设计，主塔高376米，桥面宽60米，主缆直径1.24 米，估计造价45亿美元；在西班牙与摩

17、洛哥之间，跨直布罗陀海峡桥也提出了 一个修建大跨度悬索桥，其中包含2个5000米的连续中跨及2个2000米的 边跨，基础深度约300米。另一个方案是修建三跨3100米+8400米+4700米 的巨型斜拉桥，基础深约300米，较高的一个塔高达1250米，较低的一个塔 高达850米。这个方案需要高级复合材料才能修建，而不是当今桥梁用的钢和 混凝土。具体来说，现代桥梁设计与技术的发展方向有以下几个：1、跨径不断增大目前，钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m,钢斜拉桥为890m,而钢悬索桥 达1990m。随着跨江跨海的需要，钢斜拉桥的跨径将突破1000m,钢悬索桥将超 过3000m。至于混凝土桥，梁桥的

18、最大跨径为270m,拱桥已达420m,斜拉桥为 530m。2、桥型不断丰富上世纪5060年代，桥梁技术经历了一次飞跃：混凝土梁桥悬臂平衡施工 法、顶推法和拱桥无支架方法的出现，极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力；斜 拉桥的涌现和崛起，展示了丰富多彩的内容和极大的生命力；悬索桥采用钢箱加 劲梁，技术上出现新的突破。所有这一切，使桥梁技术得到空前的发展。3、结构不断轻型化悬索桥采用钢箱加劲梁，斜拉桥在密索体系的基础上采用开口截面甚至是 板，使梁的高跨比大大减少，非常轻颖；拱桥采用少箱甚至拱肋或桁架体系；梁 桥采用长悬臂、板件减薄等，这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。4 .新材料的开发和应用新材料应具

19、有高强、高弹模、轻质的特点，研究超高强硅烟和聚合物混凝土、 高强双相钢丝钢纤维增强混凝土、纤维塑料等一系列材料取代目前桥梁用的钢和 混凝土。5 .重视桥梁美学及环境保护桥梁是人类最杰出的建筑之一，闻名遐尔的美国旧金山金门大桥、澳大利亚 悉尼港桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥、中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、 香港青马大桥，这些著名大桥都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、 海洋和天空的景观，成为城市标志性建筑。宏伟壮观的澳大利亚悉尼港桥与现代 化别具一格的悉尼歌剧院融为一体，成为今日悉尼的象征。因此，21世纪的桥 梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护， 达

20、到人文景观同环境景观的完美结合。1.3 桥梁的类别现代桥梁形式多种多样。其分类方法也有很多，其中最常见的是按跨桥结 构分类，有梁式桥（含简支梁、连续梁、伸臂梁式）、桁架桥、拱桥、刚架桥、 悬索桥、斜拉桥等。此外，按照其结构材料分，乂可分为木桥、坛工桥（含砖、 石和混凝土砌块桥）钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥等。1.4 桥梁设计的基本要求与设计其它工程结构物一样，在桥梁设计中必须考虑以下各项要求：1、使用上的要求桥上的行车道和人行道宽度应保证车辆和人群的安全畅通，并应满足将来 交通量增长的需要。桥型、跨度大小和桥下净空应满足泄洪、安全通航或通车等 要求。建成的桥梁要保证使用年限，并便于检查和

21、维修。2、经济上的要求桥梁设计应体现经济上的合理性。在设计中必须进行详细周密的技术经济 比较，使桥梁的总造价和材料等的消耗为最少。应注意的是，要全面而精确地计 及所有的经济因素往往是困难的，在技术经济比较中，应充分考虑桥梁在使用期 间的运营条件以及养护和维修等方面的问题。桥梁设计应根据因地制宜、就地取材、方便施工的原则，合理选用适 当的桥型。此外，能满足快速施工要求以达到缩短工期的桥梁设计，不仅能降低 造价，而且提早通车在运输上将带来很大的经济效益。3、结构尺寸和构造上的要求整个桥梁结构及其各部分构件，在制造、运输、安装和使用过程中应 具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。桥梁结构的强度应使全

22、部构件及其连 接构造的材料抗力或承载能力具有足够的安全储备。对于刚度的要求，应使桥梁 在荷教作用下的变形不超过规定的容许值，过度的变形会使结构的连接松弛，而 且挠度过大会导致高速行车困难，引起桥梁剧烈的振动，使行人不适，严重者会 危及桥梁结构的安全。结构的稳定性，是要使桥梁结构在各种外力作用下，具有 能保持原来的形状和位置的能力。在地震区修建桥梁时，在计算和构造上还要满 足抵御地震破坏力的要求。4、施工上的要求桥梁结构应便于制造和架设。应尽量采用先进的工艺技术和施工机械, 以利于加快施工速度，保证工程质量和施工安全。5、美观上的要求一座桥梁应具有优美的外形，应与周围的景致相协调。城市桥梁和游览

23、地 区的桥梁较多的考虑建筑艺术上的要求。合理的结构布局和轮廓是美观的主要因 素，决不应把美观片面的理解为豪华的细部装饰。1.5 钢桁梁桥的主要特点以钢桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁称为钢桁桥。在各种建筑材料 中，钢材是一种抗拉、抗压和抗剪强度均较高的均质材料，因此钢桥具有很大的 跨越能力。桁架桥一般由主桥架、上下水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以 及桥面系组成。在桁架中，弦杆是组成桁架外围的杆件，包括上弦杆和下弦杆， 连接上、下弦杆的杆件叫腹杆，按腹杆方向之不同乂区分为斜杆和竖杆。弦杆与 腹杆所在的平面就叫主桁平面。大跨度桥架的桥高沿跨径方向变化，形成曲弦桁 架；中、小跨度采用不变的桁高

24、，即所谓平弦桁架或直弦桁架。钢桁桥综合了钢材和桁架结构的特点：跨越能力强；钢桁架构件适合于工业 化制造，便于运输和工地安装，易于修复和更换；钢桁架结构抗压能力强，整体 性好。但同时钢桁架结构复杂，桁架的杆件内力可能因荷载及地基的变化而发生 变化；钢桁桥造价较高，因钢材易于修饰，其养护费用也较高；钢桥采用明桥面 时噪声较大。1.6 铁路钢桁架梁桥的连接桁架梁桥是由各种杆件或部件组合而成的，这些构件和部件是由钢板和各种 型钢组成的，因此钢桥连接既包括将型钢、钢板组合成杆件与部件，也包括将部 件及杆件连接成钢桥主体。铁路桁架梁桥的连接有钾接、焊接、栓接三种。钾接在钢桥连接中使用的历 史最长。钾接是将

25、半成品钾钉加热到10501150摄氏度，塞入钉孔，利用钾钉 枪将钏钉身墩粗填满钉孔，并将另一端打成钉头，或在工厂将钏钉加热到650 750摄氏度，用钾钉机钾合。常用的钾钉直径为22mm及24mm。这种连接方 式传力可靠，但施工时既要钻孔乂要卸合，费时间，费材料，对操作工人的技术 要求高，操作中消耗体力大工作环境不好，噪声大。在第二次世界大战中，欧洲许多钢桥遭到破坏，为了战后恢复被破坏的钢桥, 桥梁制造引进了焊接技术。焊接结构因截面无钉孔损失，比钾接结构省料，加工 快，且可以改善工人的工作环境；但在野外高空作业时会受到一定的限制。20 世纪五十年代乂引进了高强度螺栓连接，高强度螺栓代替钾钉，后来

26、各国在新建 桥梁中都采用了这种技术。焊接是用一定的设备通过电能将被焊钢材和焊接材料熔化，形成了一条焊缝 把两个构件连接在一起。焊缝的力学性能要求不低于母材。焊接材料有焊丝、焊 条、溶剂。不同的钢材要选用不同的焊接材料。焊接时所采用的电流、电压的大 小，焊接的速度的快慢，也随钢材的不同而不一样。钢桥上应用的焊缝主要有两 种，即熔透的对接焊缝和不熔透的角焊缝。焊接方法有自动焊，半自动焊，手工 焊。我国钢桥螺栓连接是抗滑移型高强度螺栓连接，高强度螺栓拧紧后，对钢板 束施加了强大的加进力，而在钢板表面产生摩擦力。杆件或构件内力就是通过钢 板表面的摩擦力传递的。规范规定钢板表面除锈后，采用热喷铝涂层，其

27、抗滑移 系数采用0.45刚强度螺栓的安装的方法很多，常用的是扭矩法拧紧工艺，即利 用安装时施加在螺母上的扭矩控制螺栓的预应力。高强度螺栓的一项工艺指标是 扭矩系数。根据扭矩系数、螺栓直径和设计预拉力可以计算出施拧时所需要施加 的扭矩大小。目前广泛使用的所谓栓焊钢桥是指工厂里板件的连接采用焊接，工地上杆件 的连接采用高强度螺栓。1.7 铁路钢桥的发展情况中国桥梁在新中国成立以后出现了钢桥的五个里程碑，1957年武汉长江公 铁两用大桥（图1-1）建成，首次在长江上实现了 “一桥飞架南北，天堑变通道 这是我国钢桥史上的第一个里程碑。武汉长江大桥正桥全长1156m,桥跨结构为 三联3x128m连续钢桁

28、桥。使钢梁制造做到工厂化，标准化。图17武汉长江大桥1696年南京长江大桥公铁两用桥（图1-2）的建成是第二个里程碑，正桥钢 梁全长1576m,桥跨结构为128m简支钢桁梁加三联3x160m钾接连续钢桁梁。 这座桥完全是依靠自己的技术力量和国产材料建成的长江大桥，标志着我国建桥 技术进入到了一个独立自主的新水平。在60年代后期我国研究发展了栓焊钢桥 新技术，在成昆铁路等线上的建成了 13种不同结构型式的栓焊钢桥44座，从此 结束了全部硼接钢桥历史。图1-2南京长江大桥1993年九江长江公铁两用大桥（图1-3）是钢桥史上的第三个里程碑，正桥 钢梁全1806m,桥跨结构为栓焊，连续刚性桁梁柔性拱。

29、2000年芜湖长江公铁 两用大桥是钢桥史上的笫四个里程碑，该桥为主跨312m的斜拉桥，主梁为钢桁 梁，其主要特点是具有较好的综合性能和焊接性能，尤其是低温冲击韧性有大幅 度提高。从此，我国用国产优质高强度、高韧性钢建造特大跨栓焊桥梁，在材料、 工艺、理论方面都达到国际先进水平。图1-3九江长江大桥第四个里程碑就是正在兴建的武汉天行洲长江大桥，武汉天兴洲长江大桥是 我国首座四线公铁两用斜拉桥，其504m主跨位居世界同类桥梁之首，大桥荷教 也列世界笫一。托起大桥主桥重量的两座主塔均为国内斜拉桥主塔中体积最大、 结构最复杂、荷载最大的主塔。其中3号主塔高190m,连同桩基础共用混凝土 83200/、

30、钢筋178503建成后的荷教达20000 t,均居世界同类斜拉桥主塔之最。承担武汉天兴洲大桥施工的是50年前修建万里长江第一桥武汉长江大桥的 中铁大桥局。据介绍，3号主塔封顶后，大桥施工将全面转入钢梁架设及斜拉索 安装阶段。武汉天兴洲大桥钢梁是世界上首次采用三主桁、三索面的新型结构形式。预 计大桥将于2008年8月31日建成。国外的公铁两用桥的建设发展速度也非常快，主要表现在：跨径不断增大， 桥型不断丰富，结构不断轻型化，有许多非常丰富的经验值得我们去学习。如加 拿大魁北克公铁两用桥(悬臂桁梁)，主跨549m,还有早在1932年修建的澳大利 亚悉尼港拱桥，跨度503m,至今仍为世界上跨度最大的

31、公铁两用钢拱桥。1.8 铁路钢桁架梁桥的前景展望桥梁的跨径代表着一个国家的经济、工业和科学技术的整体水平。从现代桥 梁的发展趋势来看，各种桥型结构都在向大跨径发展。跨海工程已被桥梁工程师 提上日程。日本的跨海工程本州一一四国联络线于20世纪末完成;意大利计划修 建跨径3300m的墨西拿海峡大桥：日本计划修建25003000m纪淡海峡大桥。 我国本世纪初拟定修建五个跨海工程：渤海海峡工程、长江口越江工程、杭州湾 跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程和琼海海峡工程。这就给桥梁工程界提出了新 的挑战：在结构上研究适合应用于更大跨度的结构类型;在结构理论上研究更符 合实际状态的力学分析方法与新的设计理论，充

32、分发挥建筑材料的强度，力求工 程结构的安全度更为科学和可靠。大跨度桥梁设计中，越来越重视空气动力学、 振动、稳定、疲劳、非线性等的研究和应用。我国CAD技术应有进一步的提高，在吸收、引进外国软件的基础上，开发 适应本国的规范的桥梁系统软件，开发专门或综合性的从原始数据输入、结构分 析、设计、能进行人机交换、自动绘图、甚至自动化的成套设计、计算、绘图软 件。截面应该有好、窗口化、菜单式，适应当前先进软件操作平台。要研究特大、 大跨度桥梁施工、运营监控成套系统测试设备与软件。可以预见，在我们所处的这个世纪，公铁两用桥会迅速发展，我国的桥梁事 业也会达到一个新的水平，达到有创新、有国际竞争力的水平。

33、1.9 设计主要内容概述设计将要进行的工作如下：计算铁路荷载。确定主桁各杆件的计算内力。(3)根据主桁杆件的计算内力，初步拟定主桁杆件的截面形式及尺寸。(4)主桁杆件的连接设计及典型节点的设计计算。(5)联结系的设计。(6)利用有限元程序，建立模型校核。参考文献1中华人民共和国铁道行业标准.铁路桥涵设计基本规范(TB10002. 1-2005). 北京：中国铁道出版社，2005.2中华人民共和国铁道行业标准.铁路桥涵地基和基础设计规范 (TB10002. 5-2005).北京：中国铁道出版社，20053中华人民共和国铁道行业标准.铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002. 2-2005). 北京

34、：中国铁道出版社，2005.4中华人民共和国铁道行业标准.混凝土铁路桥简支T梁技术条件 北京：中国铁道出版社，2005.5中华人民共和国铁道行业标准.铁路桥涵施工规范(TB10203-2002).北京： 中国铁道出版社，2002.6范立础主编.桥梁工程.北京：人民交通出版社，20017桥梁工程概论(21世纪交通版高等学校教材)专著/罗娜主编.北京：人 民交通出版社，2006.8铁道专业设计院编.铁路工程设计技术手册一钢桥.北京：中国铁道出 版社，20039铁道部第三勘测设计院主编.铁路L程设计技术手册一桥涵水文.北京：中 国铁道出版社，198410张士铎，王文州著.桥梁工程结构中的负剪力滞效应

35、.北京：人民交通 出版社，200411 F. Leonhart. Aethentics and Design. The Architectural Press, London , 1985.12 Protective provision relating to electrical safety and earthing. Railway App1ication-Fixed installations Parti, EN50122-1： 199813 Baidar Bakht, Leslie G. Jaeger . Bridge Analysis Simplified. McGraw-Hi 1

36、1 Book Co. 1985.14 Wojciech Radomski. . Bridge rehabilitation . Imperial College Press, 2002.15 D. L. Narasimha Rao. Bridges and flyovers . Tata McGraw-Hi 11 Publishing company Limited . 199116 Wojciech Radomski. . Bridge rehabilitation . Imperial College Press, 2002第2章钢桁架桥的总体设计下承式简支桁架桥由五个部分组成：桥面、桥面

37、系、主桁、联结系和支座。主桁是桁梁桥的主要承重结构，它由上、下弦杆和腹杆组成，各桁件交汇处 用节点板连接，形成节点。由于节点的刚性，主桁架在受弯时，杆件将引起端部 弯曲，产生二次应力。要使主桁架形成空间稳定的受力结构，必须设置水平桁架 把两片或多片桁架连接成空间受力结构,这个上、下水平桁架统称为纵向联结系。外部荷教首先通过桥面传到纵梁，然后由纵梁把力传给横梁，再由横梁传给 主桁。山纵梁、横梁及两纵梁之间的联结系组成桥面系。主桁由上、下弦杆及腹 杆组成。倾斜的腹杆称为斜杆；竖直的腹杆称为竖杆。由横梁传来的力，通过主 桁传给支座，再由支座传给墩台。钢桁梁除承受竖向荷载外，还承受横向水平荷载。在两主

38、桁弦杆之间，加 设若干水平布置的撑杆，并与主桁弦杆共同组成一个水平桁架，以承受横向水平 力。这个桁架就叫水平纵向联结系，简称平纵联。在上弦平面的平纵联称为上平 纵联；在下弦平面的平纵联称为下平纵联。下平纵联与下弦杆组成的水平桁架的 两端与支座相连，横向水平力可直接通过支座传给墩台；而上平纵联与上弦杆组 成的水平桁架的两端则支承在桥门架两端（桥门架由两根端斜杆及其间的撑杆组 成），横向水平力先传给桥门架，再由桥门架传给支座和墩台上去。2.1 主桁的结构形式、基本尺寸及总体布置方案2.1.1 主桁结构形式的选择主桁是桁架桥的主要组成部分，它的结构选择是否合理，对桁架的设计质量 起着重要的作用。在拟

39、制主桁结构形式时;应根据桥位当地的具体情况（如地形、 地质、水文、气象、运输条件等），选择一个较为经济合理的方案。它不仅能满 足桥上运输及桥下净空的要求，而且还能节约钢材，便于制造、运输、安装和养 护等。本次设计采用下承式简支栓焊桁架桥，桥跨64米，属于一中等跨度（L二48 米80米）的桁架桥。此类桁架桥主桁的几何结构采用图2.1中之（a）式，而 不用（b）式。这两者不同之处是斜杆的方向。也正由于这点，在竖向荷载作用 下，图式（a）较图式（b）的竖杆受力较小，受压斜杆的数量也较少，而且图式 （b）的弦杆内力每个节间都得变化一次，而图式（a）的弦杆内力相对稳定，因 而图式（a）的弦杆截面易于选择

40、，且较为经济合理。正因为如此，本次设计中 采用图式（a）的结构形式（三角形腹杆体系）。另外，此种结构形式的桁架桥， 其结构简单，部件类型较少，适应设计定型化要求，也有利于加工制造与安装。/立杆. nPN/N/NAF 至就小图2T主桁主要形式2.1.2 主桁的基本尺寸主桁的基本尺寸是指：主桁高度（简支桁高）、节间长度、斜杆倾斜及两主 桁的中心距离。这些尺寸的拟定，对桁架桥的技术经济指标起着重要的作用。（-）桁高桁高越大时弦杆受力越小，弦杆的用钢量减少。但同时桁高加大带来腹杆增 长，因而腹杆的用钢量乂将有所增加。对于一定跨度的桁架桥，将有一定的桁高 对用钢量而言是较经济的，这个桁高我们称为经济桁高

41、。根据过去统计资料，并 考虑到经济桁高，简支桁架桥的桁高可参考表2. 1。表2.1简支桁架桥经济桁高桥型铁路桥公路桥平行弦桁架多边形桁架平行弦桁架多边形桁架下承式1/7L(1/51/6. 5)L(1/7 1/10) L(1/5. 51/8) L上承式(1/7-1/8) L(1/8l/10)L（二）节间长度考虑到我国钢板等型材的标准化生产等因素，其节间长度宜取为8米。（三）斜杆倾斜斜杆倾斜角度会影响到节点的构造。斜度设置不当，不仅会影响节点板的形 状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置于靠近节点中心处，以致削弱节点刚度。根 据以往设计经验，斜杆轴线与竖杆轴线的交角以在30°50。内为宜。（四

42、）主桁的中心距钢析梁桥上柑架的中心距离由横向刚度和稳定性决定。铁路钢桥中若主析间 距太小，会使钢桁梁的横向刚度不足，导致列车过桥时引起桥跨结构剧烈的横向 振动，辘则影响旅客舒适性，重则导致列车脱轨。由于桥梁横向振动的机理和计 算方法尚不成熟，目前我国铁路单线钢析桥主析间距主要由横向刚度控制，在确 定主析中心距时必须特别注意，对特殊类型桥梁必须进行桥梁结构动力分析。下 承式钢析梁桥的主桁中心距还应满足桥梁建筑限界的要求。上承式桁梁桥的主桁 中心距还要考虑横向倾覆稳定性的要求，抗倾覆稳定安全系数不得小于1.3o我国铁路从1958年开始制定自己的标准设计，如下承式桁梁跨度有48米， 64米，80米等

43、三种，全部采用三角形桁架，桁高11米，节间长8米，主桁中心 距5. 75米。提速后这些桥梁在货物列车过桥时横向振动激烈，桥梁的横向刚度 明显不足，2000年后主桁中心距改为6. 4米。2. 2钢桁桥的总体布置方案钢桁桥的总体布置主要包括：主桁、上平纵联、下平纵联、桥门架及中间横 梁。根据以上分析本次设计的钢桁桥的总体布置如图：，8先图2-2钢桁桥总体布置图第3章主桁结构计算与设计3.1 主桁杆件的内力分析与计算3.1.1 恒载假定开始计算内力前需先估计作用在桥跨结构上的恒载。恒载包括桥跨自重（/%和桥面重量(2)o故总共计算恒载(3-1)1 , 、 = 5(p】 + 2)3.1.2 影响线面积

44、计算在单位荷载作用下杆件内力影响线的原理已在结构力学中讲过。现将平行弦 三角形桁架的杆件内力影响线面积的计算公式列举于后。L上下弦杆内力影响线如图3-1 (a)影响线面积:(3-2)2 H2.斜杆内力(包括端斜杆)影响线如图3-1 (b)图37 (b)斜杆影响线八 1 mnd m£ 2 =.2 77-1 n sin 012 一1 sin。(3-3-3-5)(3-6)a(ic 2n- sin 6式中e-斜杆与弦杆之间夹角;d一节间长度；n一全跨节间总数；3,挂杆内力影响线如图3-1 (c)(3-7)图3-1 (c)吊杆膨响线4.支点反力影响线如图3-1 (d)图3-1 (d)支点影响线

45、(3-8)3.1.3列车竖向活载1 .换算均布活载k换算均布活载k按影响线最大纵坐标位置a值及加载长度d求得。对双线桥 梁主桁的弦杆和斜杆，考虑到两条线路上同时出现最大活载的可能性很少，换算 均布活教采用两线活载总和的90%;对受局部活载的杆件如竖杆、纵横梁等，因 其受载长度较短，两线上同时出现最大活载的可能性较大，设计时k值取两线活 教总和的100%。当计算杆件的疲劳荷载时，对双线铁路析架桥的主桁杆件(受局 部荷载的杆件除外)，按单线偏心加载，并用杠杆原理分配于两片主桁。这是因 为:在双线铁路桥上，两列列车在桥上对开的情况较少，双线加载的循环次数远 远小于制定疲劳强度时所依据的200万次循环

46、，故疲劳强度将显著提高，因而双 线加教一般不是控制因素。因此.在主桁杆件的疲劳荷载计算中，桥规建议按 经常出现的单线偏载考虑。2 .冲击系数(1 +u)列车通过桥梁时产生各种动力作用，使结构的内力和变形比静活载时增大。 列车的主要动力因素有：(1)蒸汽机车动轮上的平衡重产生的周期性锤击；(2)机车和车辆的轮对通过钢轨接缝时的冲击；(3)位于转向架上的车体的振动；(4)桥上线路不平顺及轮缘磨损引起的冲击及因竖挠度引起的离心力；(5)轮对蛇形运动引起的冲击。上述因素中，可分周期的和随机的两类，现在很难在理论上作综合的量的 分析。桥规中的冲击系数主要依据试验资料得出。1 + / = 1 +2840

47、+ /(3-9)式中的L值(按m it):对主桁的主要杆件，取跨长;对承受局部荷教的竖杆 及纵横梁，取影响线长度。3 .活载发展均衡系数7自有铁路以来，随着社会生产力的发展，铁路运输量不断增加，机车车辆的 重量不断提高。因此，为了保证铁路钢桥在较长的时期内能适应机车车辆重量增 长的需要，设计时必须为现今使用的列车活载预留一个发展系数。预留的方法有 两种:一是让计算中采用的活载等级大于现在运转的活载等级，一是让设计容许 应力低于实际能容许的应力。在我国的钢桥设计中一般采用后一种方法。主力作用下的主析杆件内力计算：单线铁路简支栓焊析架桥，1 =64m,设计荷载为中活载，主桁尺寸如图3-2A Az

48、A3 4年 AzL恒载假定：参照已有设计，取主桁：14 2 kN卜联结系2.8kN/?桥面系高强螺栓检查设备7AkN/m0.5 kN/mi.OkN/m故每片析梁重二(14. 2+2. 8+7. 1+0. 5+1. 0)/2= 12.8 W/wz2.影响线面积计算弦杆影响线最大纵距），=让/ H影响线面积Q = -/y2:6=16/2 =48q = 1x64x（-1.09） = 一 34.9？a = 0.2516x4864x11= -1.094=32/2=32a = 0.5桥面重（双侧设钢筋混凝土人行道板）5.O&N/,（每片主桁） 每片主桁所受恒载强度 = 12.8 + 5.O = 1

49、7.8ZN/7近似采用 = 18.0%N/?32x32 1yy = -= -1.45564x11Q = g x 64 x (-1.455) = -46.56?e°e24=8/)=56a = 0.1258x56y = 0.6464x11Q = x64x 0.64 = 20.48/?2EE6=24A =40a = 0.37524x40 t 港y = 1.3664x11Q = x64xl.36 = 43.52/z?2斜杆1/.,11113.6y = y =“sin 0 Isin 8 /sin 夕 1111T?6乙乙 式中 :占口 ，= 8)，-4，y y )'y + y13.6 5

50、6E0A : /. =8 K =56 <z = 0.125 y =x = 1.08_L-11 64q = -1(8 + 56)-1.08 = -34.6mA.E, :=32=24 y = x = 0.618/ =-11x =-0.464L2211 6411 644.5736.57= 0.1258x()618=4570.464 + 0.6183 43所以：/： = 8 - 4.57 = 3.43 。 = 0.125127.43Q = 1x (4.57 + 32)x0.618 = 11.3wQ' = g x (3.43 + 24) x (-0.646) = -6.36?X。= 11.

51、3+(-636) = 495 6/2=48/；=813.6 48 y =x =0.93Il 646.89 八一a = 0.12654.89y，= 一 段二= _0151164所以:=8-6.89 = 1.11ar = =0.1229.11c 1 nrd 11 62x8 13.6Q x2 一 1 sin<9 2711= 25.43c, 1d 1 (8 6 1)2Q =x-x2/?-! sin 628-1= -0.71/z/K6瓜人 J汇。= 25.43 + (-0.71) = 24.72/zz/. =40/； = 16 y = x= 0.773-II 641一鬻、品309所以:S3 &qu

52、ot;720.773 + 0.3095.72a =45.72= 0.12518.28= 0.125/； =8-5.72 = 2.281=x252x8 13.6x711=一1766?1 （I）? d1 （8-5-1）2X= X2/-IsinC 28-18y-j = 2.83/n13.6Z。= -17.66+2.83 = -14.83/7?3.主荷载作用下的杆件内力计算2求换算均布活载k93 4查表得k= = 46.7 （每片主桁） 2查表得k = 21=45.552查表得攵="= 48.4292查表得k = = 462弦杆部分：a = 0.25 / = 64/7?A?A； ： a =

53、0.5/ = 64/?E°E? ：= 0.125 I = 64/rzE2E4： a = 0.375 / = 64?斜杆部分：&）4:<z = 0.1251 = 64/77查表得 =96.8 4c 1=48.42A怎：« = 0.125/= 54.89加查表得 =99 S=49.73 （用内插法求得）24=0.1227=9.11/27查表得k = = 75 2E2A3 'a = 0.125/ = 18.28;»查表得 =60.5 24= 0.125/= 45.72;查表得k =102 一2A岗：6y = 0.125/ = 36.57/2/查表得

54、& =吧= 52.5 2= 0.125/ = 27.43"?查表得A二：些=56.25 2吊杆部分：2 = 0.500/ = 167,119.4K = 59.7说明：ae2 42a4e4与a片相同冲击系数u弦、斜杆:1 + / = 1 +吊杆:1 + / = 1 +上=1 + 3“2740 +L 40 + 642828=1 += 1.540 +L 40 + 16（3）求杆件的恒载内力及活载内力载内力= "X。具体见表3-1活载内力N*=g包括冲击力的活载内力=（1+ u ）Nk（计算结果见表3-1）。3.1.5横向附加力作用下的主桁杆件内力计算钢桥是一个空间结构，主

55、析架的弦杆同时乂是平纵联的弦杆。在计算主桁弦杆内 力时，除考虑竖向荷载的作用外，必须同时计及横向力的作用。横向力包括风力、 列车摇摆力（在弯道桥还有离心力）。对下承式析架桥，由端斜杆和其间的撑杆组 成的桥门架，在横向力作用下，端斜杆和下弦杆均产生附加内力。计算这些杆件 的内力时.，均应计及。（一）横向力作用下的平纵联弦杆的内力计算1 .计算图式在计算平纵联弦杆的内力时，可将简支析架桥的平纵联当作水平放置的简 支较接桁架来计算。如图3-2口ni l 11r l i丁1 T"T"m r L izru r11 w，n/力NCt<4j图3-2 所示，下平纵联的计算跨度等于主桁跨度/，上平纵联的计算跨度等于主桁 上弦两端节点间的距离人。2 .横向附加力的数值(1)横向风力：下承桁架桥的下平纵联承受作用在下半个主桁架、列车 和桥面系(桥面也计算在内)的横向风力。在计算中，两片主桁架的受风面积 按一精架在纵向竖直面内的理论轮廓面积乘以填充系数计。对现今采用的一 般桁架型式，填充系数为0.4。列车及桥面系的受风面积按其侧向面积计， 但它们