单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计.doc
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西南交通大学峨眉校区钢桥课程设计
单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥
课程设计
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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 31
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）
钢桥构造与设计苏彦江主编
2结构轮廓尺寸：
计算跨度L＝75.8m，钢梁分10个节间，节间长度d＝L/10=7.58m，主桁高度H＝11d/8=10.42m，主桁中心距B＝5.75m，纵梁中心距b＝2.0m，纵联计算宽度B＝5.30m，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－荷载
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）=0.47kN/m，
焊缝p7＝0.015（p2＋p3＋p4）=0.35kN/m；
（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＝1.25kN/m2，K1K2K3＝1.0。
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P＝200kN，抗滑移系数μ0＝0.45。
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、α、Ω、ΣΩ、p、Np、k、Nk、1＋μ、1＋μf、（1＋μ）Nk、a、η、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MicrosoftExcel电子表格；
步骤清楚，计算正确，文图工整、装订成册。
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、恒载假定
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＝0.47kN/m，焊缝p7＝0.35kN/m
每片主桁所受恒载强度
2、活载计算
静活载换算均布活载k，由所求杆件内力的影响线最大纵坐标位置和加载长度L查表求的。
例如：
弦杆E2E4
斜杆
吊杆
其余斜杆按上述方法计算并将其结果列于表中2-1
恒载内力和活载内力：
采用影响线面积法求恒载内力和活载内力。
例如：
①弦杆E2E4
影响线最大纵距：
影响线面积
恒载内力
静活载内力
动力系数
其余斜杆ａ计算结果列于表中2-1，其中最大的为
活载发展均衡系数：
弦杆的总内力为（静强度时的最大内力）：
计算疲劳时，应该采用运营系数，且不考虑活载发展均衡系数，计算疲劳时的最大内力为：
②斜杆：
由于该杆件的影响线有正负面积，分别进行计算。
正影响线最大纵距：
，
正影响线面积：
负影响线最大纵距：
负影响线面积：
正、负影响线面积代数和：
恒载内力
活载内力正负影响线单独计算。
！
正面积部分：
静活载内力
动力系数
活载发展均衡系数：
正面积部分的总内力：
计算疲劳时，应该采用运营系数，且不考虑活载发展均衡系数，计算疲劳时的最大内力为：
！
负面积部分：
静活载内力
动力系数
负面积部分的总内力：
动力运营系数
计算疲劳时的最大内力为：
③吊杆
影响线最大纵距：
影响线面积：
恒载内力
静活载内力
动力系数
活载发展均衡系数：
总内力：
动力运营系数
计算疲劳时的最大内力为：
其余斜杆按上述方法计算并将其结果列于表中2-1
第二节横向附加力作用下的主桁杆件内力计算
横向力作用下的平纵联弦杆的内力计算
平纵联上横向风力分布集度计算，只考虑桥上有车的情况。
按照桥规，风压W＝K1K2K3W0＝1.0×1.25kPa=1250Pa（无车）
风压（有车）。
桥上有车时，作用在上平纵联上的横向风力分布集度为
作用在上平纵联上的横向风力分布集度为：
作用在上平纵联上的横向风力分布集度为：
作用在下平纵联上的横向风力分布集度为：
由于风力和列车摇摆力同时达到最大值的可能性较小，故两者不叠加，取交大值验算。
对上平纵联取进行计算，对下平纵联取进行计算。
平纵联弦杆内力计算。
采用影响线面积法，算例如下：
①上平纵联弦杆
如图所示，对O点的力矩影响线纵距为：
影响线面积为：
弦杆内力为：
②下平纵联弦杆
如图所示，对O点的力矩影响线纵距为：
影响线面积为：
弦杆内力为：
其余节间弦杆内力可由同法求得，结果归入表2-1
桥门架效应产生的杆件内力计算。
作用在桥门架上的水平力为：
腿杆的反弯点位置：
腿杆的的水平反力H和竖直反力V分别为：
水平反力使端斜杆产生的附加弯矩：
竖向反力使弦杆产生的附加力
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
制动力作用下弦杆的内力为
正负号表示列车行驶方向的不同，牵引力或制动力产生的内力为拉力或压力。
其余节间弦杆内力可由同法求得，结果归入表2-1
第三章主桁杆件截面设计
第一节下弦杆的设计
由表2-1的资料可知
设计最大内力：
4281.06KN；设计疲劳内力：
，杆件几何长度：
7.58m，材料Q345qD,由疲劳强度控制设计。
计算所需的净截面面积。
查表得到的疲劳应力幅，取。
根据疲劳强度条件可知所需的净截面面积为：
根据设计经验，估计杆件的毛截面面积：
选取截面形式为H形，截面组成为：
竖板：
2-□460mm30mm
水平板：
1-□400mm12mm
每侧布置四孔螺栓，孔径
提供毛截面面积：
栓孔削弱的面积：
净截面面积：
截面惯性矩计算结果：
截面回转半径计算结果：
强度和刚度计算。
强度验算：
（可以）
由于实际净截面面积大于所需净截面面积，疲劳强度自动满足要求，故不必再进行检算。
刚度验算：
第二节下弦杆的设计
由表2-1的资料可知
设计最大内力：
1899.60KN；设计疲劳内力：
，杆件几何长度：
7.58m，材料Q345qD。
由于杆件为端下弦杆，除受设计内力外，还有制动力产生的附加弯矩作用，先按疲劳强度设计，在按拉-弯构件进行强度检算
（1）计算所需的净截面面积。
查表得到的疲劳应力幅，取。
根据疲劳强度条件可知所需的净截面面积为：
根据设计经验，估计杆件的毛截面面积：
（2）选取截面形式为H形，截面组成为：
竖板：
2-□460mm12mm
水平板：
1-□436mm10mm
每侧布置四孔螺栓，孔径
提供毛截面面积：
栓孔削弱的面积：
净截面面积：
截面惯性矩计算结果：
截面回转半径计算结果：
计算弯矩时还需要净截面惯性矩，栓孔所占面积对y-y轴的惯性矩为：
则截面对y-y轴的净惯性矩为：
强度和刚度计算。
已经求的制动力对下弦杆产生的制动力,
由于制动力对固定铰支座中心的偏心距，故产生的附加弯矩，该附加弯矩对下弦杆的分配弯矩为
（可以）
刚度验算：
第三节上弦杆的设计
设计最大内力：
-3316.76KN；杆件几何长度：
7.58m，材料Q345qD。
此杆为受压杆件，由整体稳定控制设计。
选定H型截面，并假定杆件的长细比，查表得到的整体稳定允许应力折减系数，则所需要的毛截面面积为：
（2）选取截面尺寸，截面组成为：
竖板：
2-□460mm30mm
水平板：
1-□400mm12mm
每侧布置四孔螺栓，孔径
提供毛截面面积：
惯性矩：
；回转半径
整体稳定性验算。
杆件计算长度，长细比：
，
可以
局部稳定检算。
竖板：
可
水平板：
可以
刚度检算。
长细比可以
第四节端斜杆的设计
设计最大内力（主力）：
N=-3252.80KN；附加力（风力）：
；
此杆件为压弯杆件，先按主力作用下的轴心受压杆设计截面，然后按压弯构件进行各项检算。
（1）选定H型截面，并假定杆件的长细比，查表得到的整体稳定允许应力折减系数，则所需要的毛截面面积为：
（2）选取截面尺寸，截面组成为：
竖板：
2-□600mm20mm
水平板：
1-□420mm12mm
每侧布置四孔螺栓，孔径
提供毛截面面积：
惯性矩：
；回转半径
杆件计算长度：
长细比：
整体稳定性验算。
由查得
换算长细比：
因为
所以
（4）强度检算。
①主力+风力：
②主力+制动力：
制动力引起的弯矩对该杆的分配弯矩为
（5）局部稳定检算。
竖板：
可
水平板：
可以
刚度检算。
长细比可以
第五节斜杆设计
设计最大内力：
1278.60KN，-201.95kN；设计疲劳内力：
，杆件几何长度：
12.887m，材料Q345qD,由疲劳强度控制设计。
计算所需的净截面面积。
查表得到的疲劳应力幅，取。
根据疲劳强度条件可知所需的净截面面积为：
根据设计经验，估计杆件的毛截面面积：
选取截面形式为H形，截面组成为：
竖板：
2-□460mm20mm
水平板：
1-□420mm12mm
每侧布置四孔螺栓，孔径
提供毛截面面积：
栓孔削弱的面积：
净截面面积：
截面惯性矩计算结果：
截面回转半径计算结果：
强度和刚度计算。
强度验算：
（可以）
杆件计算长度：
长细比：
整体稳定性检算。
根据查表得
第六节竖杆设计
设计最大内力：
1021.43KN；设计疲劳内力：
，杆件几何长度：
10.42m，材料Q345qD,此杆件为压弯杆件，先按主力作用下的轴心拉杆设计截面，然后按拉弯构件进行各项检算。
（1）计算所需的净截面面积。
查表得到的疲劳应力幅，取。
根据疲劳强度条件可知所需的净截面面积为：
根据设计经验，估计杆件的毛截面面积：
（2）选取截面形式为H形，截面组成为：
竖板：
2-□260mm14mm
水平板：
1-□436mm12mm
每侧布置四孔螺栓，孔径
提供毛截面面积：
栓孔削弱的面积：
净截面面积：
截面惯性矩计算结果：
截面回转半径计算结果：
刚度检算。
杆件几何长度
强度检算
横梁截面的惯性矩：
竖杆的截面惯性矩：
②求竖杆对x-x轴的净截面惯性矩：
栓孔所占面积对x-x轴的惯性矩为：
则截面对y-y轴的净惯性矩为：
③疲劳强度检算：
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。
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2-200×36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24个，排成4行6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。
主桁下弦节点
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2□1440×28×2200
主力作用下节点中心处节点板竖向截面的法向应力检算
由表可知，由表2-1可知，，，,
所以作用力N=3816.24kN
由于下弦杆在E2节点中断，竖直最弱截面只包括节点板与拼接板面积，该截面面积计算如
表4-1。
节点板竖直截面面积计算表
截面组合
毛截面面积
扣孔面积
净面积
2□1440×28
806.4
193.2
613.2
4□200×38
304
69.92
234.08
合计
1110.4
263.12
847.28
（1）求截面中性轴的位置y0值
（2）求
毛截面绕弦杆中性轴的惯性矩：
栓孔
所以
弦杆中心线至截面中性轴的距离
（3）节点板上下边缘到中性轴的距离y
上缘到中性轴的距离
下缘到中性轴的距离
（4）求法向应力
节点板上缘：
节点板下缘:
主力作用下腹杆与弦杆之间的节点板水平截面的剪应力检算
作用于节点板截面上的水平剪力为：
净截面面积
剪应力
斜杆与节点板连接处节点板的撕裂应力
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，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：
。
第五章挠度计算和预拱度设计
挠度计算
全桥满布单位均布荷载时简支桁架跨中挠度为：
式中——单位集中荷载作用在跨中时各杆件内力；
——全桥满布单位均布荷载时各杆内力，即杆件影响线总面积；
、——桁架各杆长度和毛截面积；
——钢材的弹性模量。
跨中单位集中荷载作用下各杆内力分别为
弦杆
斜杆
吊杆：
其余竖杆
式中、——分别为影响线顶点位置及桁高；
——斜杆与弦杆夹角
表5-1
杆件
加载点位置ɑ
毛截面面积
杆件长度
N1
A1A3
0.2000
324.00
1516
-44.10
-0.73
0.015
A3A5
0.4000
444.00
1516
-66.15
-1.45
0.033
E0E2
0.1000
154.00
1516
24.81
0.36
0.009
E2E4
0.3000
324.00
1516
57.88
1.09
0.029
E4E4'
0.5000
540.96
1516
68.91
1.82
0.035
E0A1
0.1000
290.40
1289
-42.55
-0.62
0.001
A1E2
0.1000
341.92
1289
32.33
0.62
0.001
E2A3
0.1000
321.60
1289
-25.51
-0.62
0.001
A3E4
0.1000
234.40
1289
18.75
0.62
0.001
E4A5
0.1000
377.76
1289
-13.01
-0.62
0.000
A5E5
0.5000
116.00
1042
7.58
1
0.001
0.126
恒载产生的挠度：
，取2.27cm
活载产生的挠度：
式中为影响线长、顶点时每片主桁的换算均布静活载
第二节预拱度设计
《钢桥规范》要求当恒载和静活载挠度超过跨度的1/1600=4.74cm时，应设上拱度。
，故应设上拱度。
按《钢桥规范》规定，下弦各节点应设拱度等于恒载加一半静活载所产生的挠度，跨中E5节点应设拱度：
钢桁架起拱方法，采用将弦上每个节间伸长δd（利用调节上弦节点栓孔位置使上杆件伸长），杆长不变，形成拱度。
由几何关系，
为节点到跨中的距离，单位为m，单位为cm
表5-2下弦各节点预拱度设置
节点
E0
E1
E2
E3
E4
E5
X（m）
-37.9
-30.32
-22.74
-15.16
-7.58
0.00
0.000
2.664
4.736
6.217
7.105
7.401
设计总结
通过本次课程设计，较好掌握如下问题：
用影响线法求桁架杆件内力
各杆件节点构造细节
通过计算内力对各杆件截面进行计算
用MIDAS软件对结构进行建模和静力和模态分析
本次课程设计还存在以下不足：
在截面设计中并没有考虑到各杆件装配等的细节合理问题
存在浪费截面设计偏于保守
在midas的应用方面还有待提高
通过本次课程设计和钢桥课程学习，我有如下体会和看法
通过学习我了解了全球各地钢桥设计的不同理念
希望能提供实际桥梁的清晰图纸对构造细节的学校
通过学校案例教学能我们对实际桥梁工程问题的理解，对钢桥设计的一些影响使用和耐久的设计细节有一个直观的了解。
方便我们对实际工程钢桥设计的一种直观感觉。
其他方面
本课程在学习的过程中感觉上课效率还不错，老师结合案例教学我们兴趣较浓。
但在课后复习中还有一些问题。
设计总结
通过本次课程设计，较好掌握如下问题：
用影响线法求桁架杆件内力
各杆件节点构造细节
通过计算内力对各杆件截面进行计算
用MIDAS软件对结构进行建模和静力和模态分析
本次课程设计还存在以下不足：
在截面设计中并没有考虑到各杆件装配等的细节合理问题
存在浪费截面设计偏于保守
在midas的应用方面还有待提高
通过本次课程设计和钢桥课程学习，我有如下体会和看法
通过学习我了解了全球各地钢桥设计的不同理念
希望能提供实际桥梁的清晰图纸对构造细节的学校
通过学校案例教学能我们对实际桥梁工程问题的理解，对钢桥设计的一
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