毕业设计64米钢桁梁桥 - 图文

武汉理工大学学士学位论文

武汉理工大学

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： 周业超 指导教师： 潘 晋

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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： 周业超

2013 年 03 月 01日

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作者签名： 2013 年 03月 01 日 导师签名： 年 月 日

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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。

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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，2005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，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)____________ _

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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又称蚌埠淮河大铁桥，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珙铁路支线上。大桥全长 1053.5m ，正桥为 112m + 176m + 112m 三跨单线连续刚桁梁桥，主桁采用平行弦菱形钢桁架，铆钉连接，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——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2500～3000m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

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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、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，了解铁路桥梁设计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。 武汉理工大学学士学位论文

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

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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。桥梁发展大致经历了一下三次飞跃：

（1）19世纪中叶钢材的出现，随后又出现高强度钢材，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、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，因此桥梁又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10～20%。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。

1.2世界现代桥梁的发展趋势

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随着世界经济和社会的发展，世界桥梁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+3×560+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 50～60 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

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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，又可分为木桥、圬工桥（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

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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，应使桥梁在荷载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，按腹杆方向之不同又区分为斜杆和竖杆。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，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

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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铆接、焊接、栓接三种。铆接在钢桥连接中使用的历史最长。铆接是将半成品铆钉加热到1050～1150摄氏度，塞入钉孔，利用铆钉枪将铆钉身墩粗填满钉孔，并将另一端打成钉头，或在工厂将铆钉加热到650～750摄氏度，用铆钉机铆合。常用的铆钉直径为22mm及24mm。这种连接方式传力可靠，但施工时既要钻孔又要铆合，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，比铆接结构省料，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世纪五十年代又引进了高强度螺栓连接，高强度螺栓代替铆钉，后来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]。

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3×128m连续钢桁桥。使钢梁制造做到工厂化，标准化。

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图1-1 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3×160m铆接连续钢桁梁。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，从此结束了全部铆接钢桥历史。

图1-2 南京长江大桥

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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。2000年芜湖长江公铁两用大桥是钢桥史上的第四个里程碑，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，大桥荷载也列世界第一。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83200m3、钢筋17850t，建成后的荷载达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。

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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——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2500～3000m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、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。

1.9设计主要内容概述

设计将要进行的工作如下： (1)计算铁路荷载。

(2)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。

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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，2005

[3] 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：中国铁道出版社，2005. 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，2001

[7] 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－钢桥. 北京 : 中国铁道出版社, 2003

[9] 铁道部第三勘测设计院主编. 铁路工程设计技术手册－桥涵水文. 北京：中国铁道出版社，1984

[10] 张士铎，王文州著 . 桥梁工程结构中的负剪力滞效应 . 北京：人民交通出版社 ，2004

[11] F．Leonhart.Aethentics and Design.The Architectural Press， London ，1985.

[12] Protective provision relating to electrical safety and earthing. Railway Application-Fixed installations Part1，EN50122-1：1998 [13] Baidar Bakht， Leslie G. Jaeger . Bridge Analysis Simplified. McGraw-Hill Book Co. 1985.

[14] Wojciech Radomski. . Bridge rehabilitation . Imperial College Press， 2002.

[15] D.L. Narasimha Rao. Bridges and flyovers . Tata McGraw-Hill Publishing company Limited .1991

[16] Wojciech Radomski. . Bridge rehabilitation . Imperial College Press， 2002

[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

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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。

外部荷载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。由纵梁、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=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，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。

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图2-1 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。

（一） 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，因而腹杆的用钢量又将有所增加。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。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。

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表2.1 简支桁架桥经济桁高 铁 路 桥 平行弦桁架 1/7L 多边形桁架 （1/5～1/6.5）L 公 路 桥 平行弦桁架 （1/7～1/10）L 多边形桁架 （1/5.5～1/8）L 桥 型 下承式 上承式 （二）节间长度

(1/7～1/8)L (1/8～1/10)L 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）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1.3。

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:

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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(p1)

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和桥面重量(p2) 。

故总共计算恒载

1p?(p1?p2) （ 3-1）

23.1.2 影响线面积计算

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。

1.上下弦杆内力影响线如图3-1（a）

图3-1（a） 弦杆影响线

影响线面积：

1l.l??.12 (3-2)

2H2.斜杆内力（包括端斜杆）影响线如图3-1（b）

图3-1（b） 斜杆影响线

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l'?mnd1 ， ??n?1n

1mndm??..

2n?1nsin?21md1 ?. （3-3?3-5） .2n?1sin?1(n?m?1)2d?'??.. (3-6)

2n?1sin? 式中 ?--斜杆与弦杆之间夹角；

d—节间长度； n—全跨节间总数； 3.挂杆内力影响线如图3-1（c）

图3-1（c） 吊杆影响线

??d (3-7)

4.支点反力影响线如图3-1（d）

图3-1（d） 支点影响线

??l （3-8） 2武汉理工大学学士学位论文

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，换算均布活载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值取两线活载总和的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，故疲劳强度将显著提高，因而双线加载一般不是控制因素。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。

28 （3-9） 40?l 式中的L值(按m计):对主桁的主要杆件，取跨长;对承受局部荷载的竖杆

1???1?及纵横梁，取影响线长度。

3.活载发展均衡系数?

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。

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3.1.4 主桁的主内力计算

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，l =64m，设计荷载为中活载，主桁尺寸如图3-2

图3-2 桁架影响线

1.恒载假定：参照已有设计，取

主桁： 14.2kNm

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联结系 2.8kNm 桥面系 7.1kNm 高强螺栓 0.5kNm 检查设备 1.0kNm 故每片析梁重=(14.2+2.8+7.1+0.5+1.0)/2=12.8kNm 桥面重(双侧设钢筋混凝土人行道板) 5.0kNm（每片主桁）

每片主桁所受恒载强度p?12.8?5.0?17.8kNm 近似采用p?18.0kNm 2.影响线面积计算 (1)弦杆

l1?l2 l?H1影响线面积 ???l?y

2影响线最大纵距 y?A1A3 :

l1?16

l2?48

??0.25

y??16?48??1.09

64?111???64?(?1.09)??34.9m

2A3A3? : l1?32 l2?32 ??0. 5

y??32?32??1.455

64?111???64?(?1.455)??46.56m

2 2 E0E2 : l1?8 l2?56 ??0.18?56?0.64

64?111???64?0.64?20.48m

2y?7 E2E4 : l1?24 l2?40 ??0.324?40?1.36

64?111???64?1.36?43.52m

2(2)斜杆 y?

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1l21l2?1113.6?y?? y? ? ??11sin?lsin?lsin?1113.6??11?(l1?l2)?y ????(l1??l2?)?y? 22式中

8yl1l1?8?l1 l1y??8y?l1y l1? ???y?yyy?y?13.656??1.08 1164E0A1 : l1?8 l2?56 ??0.125 y?1???(8?56)?1.08??34.6m

213.63213.624??0.618 y??????0.464 A3E4 :l2?32 l2??24 y?11641164

8?0.6184.57l1??4.57 ???0.125

0.464?0.61836.573.43?0.125 所以： l1??8?4.57?3.43 ???27.431???(4.57?32)?0.618?11.3m

21????(3.43?24)?(?0.646)??6.36m

2???11.3?(?6.36)?4.95m

13.64813.68??0.93 y??????0.15 A1E2 : l2?48 l2??8 y?116411648?0.936.89l1??6.89 ???0.126

0.93?0.1554.891.11?0.122 所以: l1??8?6.89?1.11 ???9.111m2d1162?813.6?????25.43 ???2n?1sin?27111(n?m?1)2d1(8?6?1)28???????0.71m ?????112n?1sin?28?113.6 ???25.43?(?0.71)?24.72m

E2A3 : l2?40 l2??16 y?13.64013.616??0.773 y??????0.309 11641164武汉理工大学学士学位论文

8?0.7735.72?5.72 ???0.125

0.773?0.30945.722.28?0.125 所以: l1??8?5.72?2.28 ???18.28 l1?1m2d1152?813.6???????17.66m ????2n?1sin?27111(n?m?1)2d1(8?5?1)28?????2.83m ????112n?1sin?28?113.6 ????17.66?2.83??14.83m （3）吊杆 ??d?8m

3. 主荷载作用下的杆件内力计算

(1)求换算均布活载k 弦杆部分：

93.4?46.7 (每片主桁) 291.1A3A3?： ??0.5 l?64m 查表得k??45.55

296.8?48.4 E0E2： ??0.125 l?64m 查表得k?292?46 E2E4： ??0.375 l?64m 查表得k?2A1A3: ??0.25 l?64m 查表得k?斜杆部分：

96.8?48.4 299.59 查表得k??49.73（用内插法求得） A1E2： ??0.125 l?54.8m21501 查表得k??75 ???0.122 l?9.1m21218 查表得k??60.5 E2A3： ??0.125 l?18.2m21022 查表得k??51 ???0.125 l?45.7m21057 查表得k??52.5 A3E4： ??0.125 l?36.5m2112.5m3 查表得k??56.25 ???0.125 l?27.42E0A1： ??0.125 l?64m 查表得k?吊杆部分：

A1E1： ??0.500 l?16m k?119.4?59.7 2武汉理工大学学士学位论文

说明：A2E2 A3E3 A4E4 与A1E1相同 (2)冲击系数μ

2828?1??1.27 40?L40?642828?1??1.5 吊杆： 1???1?40?L40?16（3）求杆件的恒载内力及活载内力

弦、斜杆： 1???1?①恒载内力 Np?p?? 具体见表3-1

②活载内力 Nk?k?

包括冲击力的活载内力=(1+μ)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，主析架的弦杆同时又是平纵联的弦杆。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铰接桁架来计算。如图3-2

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图3-2

所示，下平纵联的计算跨度等于主桁跨度l ，上平纵联的计算跨度等于主桁上弦两端节点间的距离l1。 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，但它们和主桁架的填充面积有重复，计算时应减去被主析填充面积挡住的部分。

按照《桥规》，横向风力在上下平纵联的分配系数如下: 主桁部分风力，

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上下平纵联各承受一半，即分配系数为0.5; 作用在桥面系及列车侧面的风力，桥面系所在平纵联的分配系数为1.0，另一平纵联为0.2(从偏于安全方面考虑)。

横向风力各等于风荷载强度和受风面积的乘积。桥上无车时，其风荷载强度W按Pa计，W的值按了桥规》规定计算。当桥上有车时，风荷载强度W’按。0.8W计，并不得大于1250Pa。由于弦杆在列车荷载下所受内力相当大，对弦杆内力最不利的组合一般都是桥上有车时的情况，所以在计算弦杆内力时所用的风荷载强度可按桥上有车时计。

（2）列车横向摇摆力:其沿桥每米的强度为5.5kN/m。列车摇摆力对上下平纵联的分配系数与作用在列车及桥面系的横向风力相同。横向摇摆力不与横向风力同时计算，因二者不会同时达到其最大值。因此，应先将此力与风力强度分别求出，用其较大者来计算。 3.横向力所生的平纵联弦杆内力

以下平纵联的弦杆E2E4,为例。设作用在下平纵联的横向力强度为ω下对

于采用交叉式腹杆体系的平纵联，可取各交叉点为力矩中心求出均布的横向荷载ω下对o点的力矩Mo (用影响线面积法)，此力矩由两侧弦杆内力N'ω所形成的内力矩所平衡，即

??B 由此得 M0?N?M0 B随着风向的改变，同一杆件的内力可为拉力(正值)亦可为压力(负值)。

???N?式中，B为主桁宽度。 (二)桥门架效应

对于桥门架斜置的下承式桁架桥，上平纵联所受的横向力经由两端的桥门架传至下弦端节点，使端斜杆和下弦杆产生附加内力。下面说明此附加内力值如何计算。计算时，把上平纵联当作简支格架，跨长等于上弦两端节点

1间的距离l1，在均布的横向荷载ω上作用下，其支点反力HW?l1??上 ，它就

2是作用在桥门架上的水平力。

桥门架的计算图式是刚架，其腿杆(即主桁端斜杆)下端可假定为嵌固在下弦端节点。在水平力作用下，刚架作水平位移，如图3 -3所示刚架腿杆的反弯点位置可按下式求得。

cc?2l l0??

22c?l 式中，l可近似地取端斜杆的理论长度。在决定腿杆反弯点位置后，可取桥门

架在反弯点以上的部分为分离体。在水平力H力作用下，两腿杆的反弯点处

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将产生水平反力和数值相等而方向相反的竖直反力V。对任一反弯点取矩，

H(l?l0)即可将V值求出，即V?W

B 当端斜杆产生这一附加轴向力时，相应地在下弦端节点将产生两个力和它相平衡，一是由支座承受的竖直力，一是由下弦杆承受的纵向水平力N\，

其值为N?w??V?cos? 式中? —主析端斜杆和下弦杆的夹角。

图3-3 下面按上述原理对本设计要求进行计算 ：

1. 求平纵联弦杆的内力(平纵联图式见图3-4)

(1)风力强度

按照《桥规》，W?K1?K2?K3?W0

V2 式中W0?1.6 现采用W0?1250Pa

设K1?K2?K3?1

则W?1250Pa （无车时）

桥上有车时W??0.8W?0.8?1250?1000Pa

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① 下平纵联所受风力强度按桥上有车时计算：

?下???0.5?0.4?H??h?3.0??1.04??W? 式中 H?11m 。

h=纵梁高+钢轨枕木高=129+40-169cm=1 .69m 故 w下=?0.?50.?4（?111.?6）9?3.?0?0.6 5.01 kN/m1000=②上平纵联风力强度(桥上有车时)

?上?[0.5?0.?H4?0.h2?(?03.?0)(1W

?[0.5?0.4?11?0.2(1.69?3.0)?0.6]?1000?2.76kN/m

(2) 列车横向摇摆力=5.5kN/m

按《桥规》，风力和列车摇摆力不同时计算，从上列计算结果可见: 对下平纵联，列车摇摆力5.5kN/m>5.01kN/m(风力)，故应按列车摇摆力计算其内力；

对上平纵联，列车摇摆力0.2x 5.5=1.1kN/m<2.76kN/m(风力)，故应按风力计算其

内力，0.2为列车摇摆力对此上平纵联的分配系数(参见《桥规》)。 (3) 横向力作用下的平纵联弦杆内力

① 上弦杆A1A3对o点的力矩影响线纵距y?12?36?9 48武汉理工大学学士学位论文

?M?11?y?l1??9?48?216m 22M2.76?216NW???0????93.2kN

B6.4? ② 上弦杆A3A332?16?10.7 4811?M?y?l1??10.7?48?256m

222.76?256???NW??110.4kN

6.4y?3 下弦杆EE ○0212?52?9.75 6411 ?M?y?l1??9.75?64?312m

225.5?312???NW??268.1kN

6.4 y?4 下弦杆EE ○2428?46?15.7 6411 ?M?y?l1??15.7?64?504m

225.5?504?????482kN NW6.4 y?说明：上弦杆由风力控制，下弦杆由列车摇摆力控制。

2. 桥门架效应

11?l1?w上=?48?2.76?66kN 22c8.04?2?13.6?4.77m 腿杆反弯点位置l0??22?8.04?13.6H(l?l0)66?(13.6?4.77)??91.1kN 腿杆竖向反力 V?WB6.48.0???V?cos??91.1??53.6kN 下弦杆承受的纵向水平力 NW13.6H66?3.27?108kN?m 端斜杆所受附加弯矩MF?W(c?l0)?22桥门架所受总风力HW?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

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Mk?hHW661.29?(l0?横）=?（4.77?）=136kN?m 2222h横 — 横梁高度=1.29m

3.1.6 制动力作用下的主析杆件内力计算

列车在桥上行驶时因制动或启动而产生制动力或牵引力，它们是纵向水平力。为使

该作用力传给梁端的固定支座，通常在跨度中央设置制动联结系如图3-3所示。

图3-3

制动力T经由纵梁传给四根附加的短斜杆(为传递制动力而加设的杆件，称制动撑杆)，经o及o’点由平纵联斜杆传至主桁节点，最后由下弦杆传给固定支座。因此，每片主桁的下弦杆将承受附加制动力

T 随制动力方向的不同其值可为拉力或压力)。此外，在端节点处，2当制动力传给固定支座时，因作用力对支座铰中心尚有一偏心距离h，因而产生一偏心弯矩值为M?

式中h—自下弦杆中心线至支座铰中心(算至下摆顶面)的距离，见图3-4

T?h 2武汉理工大学学士学位论文

图3-4

M值由交汇于该节点的各杆件共同承受并按各杆件的单位刚度比来分配，例如，交汇于端节点E。的有两根杆件-----E0A1 及E0E1 则

E0A1所受的附加弯矩 M1?M?I1l1 ?IlI2l2 ?IlE0E1所受的附加弯矩 M2?M?《桥规》规定:制动力或牵引力T的大小，按竖向静活载重量(相应于主力作用下求各该杆件内力时的活载)的10%计算。但当与离心力或冲击力同时计算时，其值按竖向静活载的7%计算。

主桁弦杆应按主力加制动力(附加力)的组合进行检算，其容许应力用1.25。计算制动力时就不计风力(或列车摇摆力)，因二者同时出现最大值的机会很少。

下面按上述原理对本设计要求进行计算： 求下弦杆E0E2 所受的制动力

按相应于下弦杆E0E2在主力作用下求其内力时的静活载计算。E0E2的内力影响线顶点位置离左端支点8m, 先求出产生最大内力时的活载位置。将活载作如图所示的布置，根据结构力学所述方法，当三角形影响线顶点左边((a段内)的活载之和Ra 。与顶点右边(b段内)的活载之和Rb ，满足下式时，即为产生最大杆力的活载位置。

?4?220220?92?30?24.5?80? 856

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3?220220?2?92?30?23?80? 856 ? 荷载布置图如图3-5

8m 56m 80kN/m 90kN/m 3?1.5 30m

图3-5

故桥上活载总重?220?5?90?30?80?23?5640kN

7?395kN (计算杆E0E2在主力作用下的内力时已计入制动力T?5640?100冲击系数，故T值按静活载的7%计算)。

T杆E0E2 因制动力所生内力NT????198kN 。

2下弦杆E2E4

将活载作如图所示的布置（图3-6），根据结构力学所述方法

图3-6

RaRb? ； ab5?220?92x92(30?x)?80(10?x)?于是得：

2440武汉理工大学学士学位论文

解之得：x?10.4m ；

故桥上活载总重?220?5?90?30?80?(10?10.4)?5490kN； 制动力T?5490?7?383kN； 100T??192kN ； 2杆E2E4 因制动力所生内力NT??3.1.7 主桁杆件计算内力的确定

在算出主荷载产生的杆件主力及附加荷载产生的附加力后，要将它们按主力及(主力+附加力)进行组合。由于按(主十附)计算时钢材的容许应力值比单算主力时要高，因此，为了判断哪一种组合在设计中起控制作用，要将组合后的内力连同各自的容许应力一齐作比较。

如主力为N? , 其相应的容许应力为??? ，主力加风力(或摇摆力)?N? ；其相应的容许应力为1.2???，主力十制动力=NⅢ其相应的容许应力为1.25??? 将N ,N? 换算成相应于容许应力?大者作为计算内力。即

?N?N?N?N?? 及??? ?[?]1.25[?][?]1.2[?]???的内力N?和N?Ⅱ，以便进行比较，取其

? 及 N???1.25N??? 故: N??1.2N?钢梁各杆件根据架设钢梁时所用安装方法的不同而使杆件具有不同的安装内力，设计时也应计及。钢梁安装时杆件的容许应力亦可以提高:当主力作用时为1.2[?] , 主力+风力时为1.3?1.4[?] ,如前所述，亦可将安装时的杆件内力NⅣ换算成N?Ⅳ, 以便和其他组合时的内力比较，取其中较大者作为内力，进行杆件截面的设计。

下面按上述原理对本设计要求进行计算 ： 求上弦杆的计算内力：

A1A3 主力：N???2700kN, 附加力(风力)N?=?94kN ; 主+附 N????2700?94??2794kN;

?? N??N????2329kN??2700kN 故按主力控制设计。 1.2? 主力：N???3532kN, 附加力(风力)N?=?110kN A3A3武汉理工大学学士学位论文

主+附 N????3532?110??3642kN;

N????3035kN??3532kN 故按主力控制设计。 1.2求下弦杆计算内力 ?? N??E0E2：主力： N??1630kN 附加力（列车摇摆力）NH=270kN 主+附 N???1630?270?1900kN;

?? N??N???1584kN?1630kN 故按主力控制。 1.2 主力十制动力 N????1630?200?1830kN ;

?? N???N????1465kN?1630kN 故按主力控制。 1.25E2E4：主力： N??3326kN 附加力（列车摇摆力）NH=482kN 主+附 N???3326?482?3810kN；

?? N??N???3175kN?3326kN 故按主力控制。 1.2 主力十制动力 N????3326?192?3518kN；

?? N???N????2815kN?3326kN 故按主力控制。 1.25斜杆E0A1 : 主力：N???2751kN 附加力（桥门架效应）N?=?91.1kN 主+附 N????2751?91.1??2842kN

N????2369??2751kN 1.2 故按主力控制。 ?? N??说明：其它杆件（斜杆，吊杆）均按主内力计算。

至此所有主要杆件内力均已算完。所有主要杆件内力取值情况见表3-2

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第4章 主桁杆件截面的选择

4.1 主桁杆件的截面型式：

主桁杆件的截面型式主要分成两类：H型截面(图4-1a)和箱形截面(图

4-1b，c,d)，

图4-1 主桁主要截面形式

焊接H形截面是由两块竖板(或称翼板)和一块水平板(或称腹板)焊接而成。这种截面的优点是：构造简单，易于用自动电焊机施焊，焊接变形较易控制和修整，工地安装时也比较方便。H形截面的主要缺点是: 截面对x?x轴的回转半径

rx比对y?y轴ry小很多，当压杆用H形截面时，基本容许应力的折减相当大。扩充截面考虑问题多。腹板为间接拼接不宜过厚，若加大翼板高度又受到局部稳定的限制，而加厚翼板尺寸[?]和[?n] 都将降低。因此，对内力不很大的杆件和长度不太大的压杆，采用H形截面是比较适宜的。我国现今设计和修建的栓焊钢析架桥中，H形截面用得最多。箱形截面由两块竖板和两块水平板焊接而成。图(b)所示截面可用于主析各主要杆件;若将它用于压杆及拉一压杆，为了保证竖板及水平板的局部稳定性，杆件内必须设置横隔板，其间距不应大于3m;靠近端部的隔板，其周边均与竖板和水平板焊连，以防外界潮气侵入杆件内部而引起钢材锈蚀，为便于工地安装螺栓，也可不设端脆板。图(C)所示截面适用于上弦杆，

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图式(d)适用于下弦杆。由于箱形截面对两个主轴的回转半径相近，因此，它在承受纵向压力方面较H形为佳。且具有较大的抗扭刚度，扩充截面也容易，但是采用这种截面形式的杆件在工厂制造时比较费工，焊接变形也较难控制和修整。它通常只用于内力较大和长度较大的压杆和拉一压杆。现今我国设计的铁路栓焊析架桥，常用的是图(b)的截面形式。

4.2 主桁杆件的外轮廓尺寸

杆件截面的外轮廓尺寸是指其高度h(在主桁平面内与杆轴垂直的尺寸)和宽度b(两竖肢外至外的距离)。这两个尺寸对桁架桥的构造和制造以及杆件的受力状况均有密切关系。因此，决定外轮廓尺寸是杆件设计中的一项重要工作。决定时需注意下列问题:

1. 对受压力较大的压杆，若其在主桁平面内和主桁平面外的自由长度相等，则截面对两根主轴的回转半径最好相接近，这样可使钢材的强度得到充分利用，从而节省钢料。

2. 为使节点构造简单和合理，同一柑架中所有杆件的宽度应相等，使节点处的两块节点板能平贴地盖在各交汇杆件的外侧;同时，为使桥面系的横梁长度全跨一律，横梁与两片主桁架连接处的各节点板内侧的净距必须相等，这也要求各弦杆截面的宽度应当一致。

3. 决定杆件截面的高度时，需考虑节点处用几排栓孔线以布置高强度螺栓。若高度太小，则在其高度范围内能布置的栓孔线将较少，要布置下足够的螺栓就必然要使节点板的尺寸加大;若截面高度太大，则因节点刚性而产生的次应力将增加。且局部稳定的要求也较难满足。按照《桥规》，当杆件高度大于杆长的115时，应计算由于节点刚性所引起的次应力。

为使桁架各节点的构造合理，弦杆高度最好全跨相同，或者变化不多。由于弦杆在不同节间的内力变化很大，在决定弦杆高度时应对其内力最大和内力最小的杆件统筹兼顾，合理安排。

4. 在拟定受压杆件截面的外轮廓尺寸时，必须注意板宽与板厚的比例关系，以保证薄板的局部稳定性。若杆件内力不大而外轮廓尺寸被选得过大，则为满足《桥规》对板的宽厚比的要求而加大板的厚度，这就使截面积比按受力要求者大出过多。若杆件内力较大而外轮廓尺寸被选得过小，按受力要求板厚就会相当大。太厚的钢板，目前钢材的机械性能较难得到保证。因此，设计时采用的钢板不宜太厚(最好不超过32mm)。

综上所述，可见杆件截面外轮廓尺寸的选定，不仅要考虑到各个杆件本身，而且还要从桁架的招休上.从各杆件的互相连结上来研究它。事物都是彼此联系而又相互制约的，孤立地去研究它，就不可能得到合乎客观规律性的结论。

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根据工厂的设备条件，在我国钢桥设计中目前常用的主析杆件宽度b有460, 600,720mm等几种;主桁杆件高度h有260. 440, 460, 600. 760, 920, 1100mm等几种;较大的b和h只用于铆接杆件。在下承式栓焊柑梁标准设计中(现有48m, 64m和80m三种跨度)，主桁杆件宽度b一律用460mm。杆件高度h则根据其内力大小、杆件长短和栓孔线布置而采用不同的尺寸:弦杆h?450?500mm，斜杆

h?440?620mm。竖杆h?260mm 。

4.3 下弦杆计算

简支下承式裕架桥的下弦杆都是拉杆，其设计的主要步骤如下。 1.

先从强度入手，求出所需的净截面积Aj，

N[?]或N[?n] Aj?2.

（4-1）

根据以往的设计经验，杆件的净截面积A，大致为毛截面积A。的0.85

倍左右，即

0.85Am?Aj （4-2） 3.

根据Am二及决定杆件截面外廓尺寸的原则选定组成截面的各部件尺寸

(同时要注意《桥规》对钢板容许的最小厚度所作的规定)。一般说来，水平腹板的厚度应选得小些，使杆件截面积主要集中在两块竖板上，因为在节点连接处，杆件的竖板是与节点板及拼接板直接相连的，这样就可使内力传递比较匀顺。 4.

进行节点连接的计算，确定所需的螺栓数(见本章第四节)。然后按照螺

栓排列的原则并参照工厂现用机器样板中螺栓孔的布置，定出截面栓孔的位置。为了减少栓孔对截面的削弱，设计时可让杆件连接于节点板(或拼接板)所用的第一排螺栓数较其余各排为少。 5.

根据螺栓孔在杆件截面上的布置，算出实际的A,，并据以验算拉杆的强

度。若第一排螺栓数较其余各排为少，则除验算第一排螺栓所在截面的强度外(内力大，净截面积也大)，还应对第二排栓孔所在截面的强度也进行验算(内力小，净截面积也小)。在该处，杆件净面积等于杆件总面积减去第二排栓孔所削弱的

n面积，而杆件内力则从N降低为N(1?1)，如图4-1所示的连接，n代表总螺栓

n数(图中是14个)，n1代表第一排螺栓数(图中是2个)。每个螺栓所传递的杆力NN为，故经由第一排螺栓已传给连接板的杆力为n1?。因此作用在第二排栓nnnN孔所在截面只剩下杆力为N?n1??N(1?1)。

nn 6.计算两个平面的长细比兄二及几，，其值均应小于容许的最大长细比。

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下面按上述原理对本设计要求进行计算 ：

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