西南交通大学-钢桥课程设计-单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥 土

西南交通大学钢桥课程设计

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥

课程设计

姓 名：王超然 学 号：20084441 班 级：08土木四班 电 话：13678041559 电子邮件：790092190@qq.com 指导老师：文曙东 设计时间：2010年12月

目 录

第一章 设计资料 ................................................................ 3

第一节 基本资料 ..................................................................... 3 第二节 设计内容 ..................................................................... 4 第三节 设计要求 ..................................................................... 4

第二章 主桁杆件内力计算 ........................................................ 5

第一节 主力作用下主桁杆件内力计算 ................................................... 5 第二节 横向风力作用下的主桁杆件附加力计算 .......................................... 9 第三节 制动力作用下的主桁杆件附加力计算 ........................................... 10 第四节 疲劳内力计算 ............................................................... 12 第五节 主桁杆件内力组合 ........................................................... 13

第三章 主桁杆件截面设计 ..................................... 错误！未定义书签。

第一节 下弦杆截面设计 ............................................. 错误！未定义书签。 第二节 上弦杆截面设计 ............................................. 错误！未定义书签。 第三节 端斜杆截面设计 ............................................. 错误！未定义书签。 第四节 中间斜杆截面设计 ........................................... 错误！未定义书签。 第五节 吊杆截面设计 ............................................... 错误！未定义书签。 第六节 腹杆高强度螺栓计算 ......................................... 错误！未定义书签。

第四章 弦杆拼接计算和下弦端节点设计 ......................... 错误！未定义书签。

第一节 E2节点弦杆拼接计算 ........................................ 错误！未定义书签。 第二节 E0节点弦杆拼接计算 ........................................ 错误！未定义书签。 第三节 下弦端节点设计 ............................................. 错误！未定义书签。

第五章 挠度计算和预拱度设计 ................................. 错误！未定义书签。

第一节 挠度计算 ................................................... 错误！未定义书签。 第二节 预拱度设计 ................................................. 错误！未定义书签。

第六章 桁架桥梁空间模型计算 ................................. 错误！未定义书签。

第一节 建立空间详细模型 ............................................ 错误！未定义书签。 第二节 恒载竖向变形计算 ............................................ 错误！未定义书签。 第三节 活载内力和应力计算 .......................................... 错误！未定义书签。 第四节 自振特性计算 ................................................ 错误！未定义书签。

第七章 设计总结 ............................................. 错误！未定义书签。

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 3

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）。 2结构轮廓尺寸：计算跨度L=79m，钢梁分10个节间，节间长度d=L/10=7.9m，主桁高度H=11d/8=11×7.9/8=10.9m，主桁中心距B=5.75m，纵梁中心距b=2.0m，纵梁计算宽度B0=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—活载。 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），焊缝p7=0.015（p2+ p3+ p4）; （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=1.25kPa，K1K2K3=1.0。

7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。

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 4 第二节 设计内容

1主桁杆件内力计算； 2主桁杆件截面设计

3弦杆拼接计算和下弦端节点设计； 4挠度验算和上拱度设计； 5空间分析模型的全桥计算。

第三节 设计要求

1 主桁内力计算结果和截面设计计算结果汇总成表格。

2主桁内力计算表格项目包括：加载长度l、顶点位α、面积Ω、总面积ΣΩ、Np、k、Nk=kΩ、1+μ、(1+μ)Nk、a、amax-a、η、η(1+μ)Nk、NS、平纵联风力Nw、桥门架风力Nw’、制动力NT、主力NI=Np+(1+μ)Nk+NS、主+风NII=NI+NW(NW')、主+风弯矩MII、主+制NIII=NI+NT、主+制弯矩MIII、NC=max{NI,NII/1.2,NIII/1.25}、1+μf、Nn=Np+(1+μf)Nk、吊杆下端弯矩MB。

3主桁内力计算和截面设计计算推荐采用Microsoft Excel电子表格辅助完成。 4步骤清楚，计算正确，文图工整。 5设计文件排版格式严格要求如下：

（1）版面按照A4纸张设置，竖排（个别表格可以横排），页边距推荐为上2cm、下2cm、左2.5cm、右1.5cm、页眉1.5cm、页脚1.75cm。

（2）设计文件要求采用单一的PDF文件格式，按封面、目录、正文（包括表格、插图）、节点图顺序，正文起始页码为第1页。 （3）特别要求正文采用四号宋体和Times New Roman字体，段落采用单倍行距、段前0行、段后0.5行，不设置文档网络的自动右缩进、不设置文档网络的对齐网格；章名采用二号黑体居中（新章起页，章名前空两行）；节名采用三号黑体居中（节名前、后空一行）； （4）特别要求正文内的表格完整、表格排版符合页宽要求。 （5）特别要求正文内的图形和节点图完整、清晰。

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 5

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

桥面 p1＝10kN/m，桥面系 p2＝6.29kN/m, 主桁架 p3＝14.51，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)，焊缝 p7＝0.015(p2+p3+p4)

每片主桁所受恒载强度

p＝[10+6.29+14.51+2.74+1.02+0.02(6.29+14.51+2.74)+0.015(6.29+14.51+2.74)]/2 ＝17.69 kN/m，

近似采用 p ＝18 kN/m。

2 影响线面积计算 （1）弦杆

影响线最大纵距y?12l1?l2 l?H 影响线面积 ??l?y

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 6 A1A3：l＝15.6，l＝63.4，α＝0.2

1

2

，

E2E4：l＝23.6， l＝55.4，α＝0.3，

1

2

（2）斜杆

其余弦杆计算方法同上,计算结果列于下表2.1中。

1l2y??sin?l11l2?， ， y?sin?l1111??(l1?l2)?y，?1?(l1?l2)?y1

221

1l1l18.9?l18.9y，l?式中 ?1? 1yyy1y?y1E0A1：l1＝7.5，l2＝71.5，α＝0.1

A3E4：

其余斜杆按上述方法计算 (3)吊杆

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 7

3 恒载内力

4 活载内力

(1) 换算均布活载 k

按α及加载长度 l 查表求得 例如

（2）冲击系数 弦杆，斜杆：

吊杆：

（3）静活载内力Nk

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 8

（4）活载发展均衡系数

活载发展均衡系数：??1?（?max??)

16

5，列车横向摇摆力产生的弦杆内力

横向摇摆力取 S＝100kN 作为一个集中荷载取最不利位置加载，水平作用在钢

轨顶面。摇摆力在上下平纵联的分配系数如下：桥面系所在平面分配系数为1.0，

另一平面为 0.2。

上平纵联所受的荷载 S 上＝0.2×100＝20kN,

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 9 下平纵联所受的荷载 S 下＝1.0×100＝100kN。

摇摆力作用下的弦杆内力 Ns＝yS, y 为弦杆在简支平纵联桁架的影响线纵距,例如：

上弦杆 A1A3长度为两个节间，受力较大的为第二个节间，其影响线顶点对应于该节间交叉斜杆的交点 O，影响线纵距：

L1L211.2?52??1.6LB63.2?5.75Ns?yS?1.6?20?32KN28?35.2同理对A3A5:Ns??20?54.24KN63.2?5.75 下弦杆E0E2：y?11.5?67.5?1.7089,Ns?170.89KN79?5.7527.3?51.7E2E4:Ns??100?310.71KN79?5.7544?351E4E4:Ns??100?339.02KN79?5.75y?第二节 横向风力作用下的主桁杆件附加力计算

1.平纵联效应的弦杆附加力

依设计任务书要求，风压 W＝K1K2K3W0＝1.0×1.25kPa,故有车风压 W’＝0.8W＝1.0kPa。

(1)下平纵联的有车均布风荷载

桁高 H＝10.9m，h＝纵梁高+钢轨轨木高＝1.29+0.4＝1.69m

w 下＝[0.5×0.4×H+ (1-0.4)×(h+3)]W’＝[0.5×0.4×10.9+ (1-0.4)×(1.69+3)]× 1.0＝4.994kN/m

(2)上平纵联的有车均布风荷载

w 上＝[0.5×0.4×H+ 0.2×(1-0.4)×(h+3)]W’ =[0.5×0.4×10.9+0.2×(1-0.4)×(1.69+3)]×1.0＝2.74kN/m (3)弦杆内力

弦杆横向风力影响线顶点对应位置和纵距同上述的摇摆力计算。

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 10

上弦杆 A1A3在均布风荷载 w 上作用下的内力 为：

1111.2?52yLw上???63.2?2.74?138.763KN2263.2?5.751128?35.2A3A5:Nw上??w上?yLw上???63.2?2.74?234.83KN2263.2?5.751112?67下弦杆E0E2：Nw下??w下?yLw下???79?4.994?349.146KN 2279?5.751127.3?51.7E2E4:Nw下??w下?yLw下???79?4.994?612.92KN2279?5.751144?351E2E4:Nw下??w下?yLw下???79?4.994?668.762KN2279?5.75Nw上??w上?2桥门架效应的端斜杆和端下弦杆附加力 桥门架所受总风力

11Lw上??63.2?2.74?86.58KN22l?13.6m,c?8.04,Hw?端斜杆反弯点位置c(c?2l)8.04(8.04?2?13.6)??4.77m2(2c?l)2(2?8.04?13.6)Hw(l?l0)86.58(13.6?4.77) 端斜杆轴力V???132.957KNB5.75端斜杆轴力V在下弦杆产生的分力Nw1?Vcos??132.957?7.9/13.6?77.23KNHw86.58端斜杆中部附加弯矩Mf?(c?l0)?(8.04?4.77)?141.558KN.m22端斜杆端部（横梁高度1.29的一半处）附加弯矩Mk为l0?Mk?Hwh横86.581.29(l0?)?（4.77?）?178.57KN.m2222计算结果列在表2.1中。

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

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 11 位置。

RaRb? ab5?220?92x92?(30?x)?80?(25.3?x)?

23.755.3解得x=9.78m

故桥上活载总重=5?220?30?92?(25.5?9.78)?80?6682.4kN

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

T?6682.4?0.07?467.768KNE2E4制动力作用附加内力Nt?T?2?233.884KN 其下弦杆内力见表2.12 端斜杆制动力计算

E0E1杆力影响线顶点位置离左端点支点7.9m，设将列车荷载的第 4 轴重 Pl

置于影响线顶点处。因为影响线为三角形，故根据结构力学所述的法则，若满足下列条件，则该活载位置是产生最大杆力时的荷载

p1?Ra3?220?220R??111?b?84.7a7.9b

Rap1?Rb?0.375?220?87.96??89ab将第 3 轴重或第 5 放到顶点位置上均不满足上述条件，故将上述活载即为产生最大杆力时的活载。

T?7(5?220?92?30?80?39)?488.6KN 100制动力所产生的杆件内力Nt和M2：

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 12 轴向力Nt?

T488.6??244.3KN 22下弦杆弯矩

M1?0.4T/2*h?244.3?0.37?0.4?36.16KN.m端斜杆弯矩M2?0.7M?63.27KN.m

第四节 疲劳内力计算

1.疲劳轴力

疲劳荷载组合包括设计载荷中的恒载和活载(包括冲击力、离心力，但不考虑活载发展系数)。列车竖向活载包括竖向动力作用时，应将列车竖向静活载乘以运营动力系数(1+μf)。同时，第 4.3.5 条又规定，焊接及非焊接(栓接)构件及连接均需进行疲劳强度检算，当疲劳应力均为压应力时，可不检算疲劳。 疲劳计算采用动力运营系数 弦，斜杆：1??f?1?吊杆：1??f?1?18?1.15 40?7918?1.32 40?16E2E4:Nnmax?Np?(1??f)Nk?1099.64?1.15?2751.53?4263.90kNNnmin?Np?1099.64KN

其余计算内力见表2-1。 2 吊杆疲劳弯矩

作用在纵梁上的恒载p=9.73KN|m

由恒载产生纵梁对横梁的作用力Np=76.867KN 当L=16m和a=0.5时，k=59.7KN\\m

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 13 由活载产生纵梁对横梁的作用力Nk?k???59.7?7.9?471.63KN

B?c5.75?2)?76.867?()?144.126KN.m 22B?c5.75?2)?471.63?()?884.31KN.m 由静活载产生的简支梁弯矩Mk?Nk(22由恒载产生的简支梁弯矩Mp?Np(冲击系数1???1.5

横梁??Np76.8671??0.1087,??1?(0.33?0.1087)?1.0369Nk(1??)471.63?1.56

横梁Mpk?Mp??（1??）Mk?144.126?1.0369?1.5?884.31?1519.54KN/mMBp?3ui(2?0.5?)b?3is3uMpMBpk?i(2?0.5?)b?3isMpka?c187.5?200??0.6739B575L577.5??1??0.5577L1035.5ib?1136.06Ecm,is?66.19Ecmu?MBp??0.6739?144.126?8.954KN.m1136.06E(2?0.5?0.5577)??366.19E3??0.6739?1519.54?94.41KN.m1136.06E(2?0.5?0.5577)??366.19E3

MBp 第五节 主桁杆件内力组合 1主力组合

NI?Np??(1??)Nk?Ns,例如A1A3：NI??837.82?1.0021?1.23?(?2133.64)?(?32)??3499.7kNE4A5:NI??88.92?918.16??007.08KN,N?544.7kN1I

2主力和附加力组合

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 14 以A1A3,E2E4为例A1A3：主力N1??3508.731KN，附加风力Nw??149.76kN主力?横向附加力Nii??3508.731?149.76??3658.49kNN11?3658.49???3048.74??3508.73kN（绝对值取大，故主力控制设计）。1.21.2E2E4：主力N1?4813.62KN，附加风力Nw?634.31kN N111?主力?横向附加力Nii?4813.62?634.31?5447.93kNN115447.93??4539.94?4813.62kN（主力控制）1.21.2主力?纵向附加力（制动力）Niii?4813.62?224.4?5038.02kNN115038.02N1???4030.42?4813.62kN（主力控制）111.251.25N111?

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 3 表 2.1 主桁杆件内力计算

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 4 第三章 主桁杆件截面设计

第一节 下弦杆截面设计

一、中间下弦杆 E4E4' 1 初选杆件截面

选用腹板 1-412×24

翼缘 2-460×36

每侧有 4 排栓孔，孔径 d＝23mm;

毛截面 Am＝2×46×3.6＋41.2×2.4＝430.08cm2

栓孔削弱面积 ΔA＝2×4×3.6×2.3＝66.24 cm2

净截面面积 Aj＝Am-ΔA＝430.08-66.24=363.84 cm2 2 刚度验算

Iy?2?11?3.6?463??41.2?2.43?58449.06cm4 1212杆件自由长度

ry?IyAmlyry??58449.06?11.66cm430.08

?y?790?67.75?[?]?100,满足验算。11.66通过验算。

?x??y,无需验算。

3 拉力强度验算

?j?N15608?10?????154.13MPa???????200?182.65MPa Aj363.84???式中 γ 为板厚的修正系数，依《钢桥规范》3.2.1 条及其条文说明，查“续说

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 5 明表 3.2.1”，对于 Q345q，35≤tmax≤50mm 板厚 γ＝315/345＝0.913。 4

疲劳强度验算

Nmin1309.09?10??35.98MPa Aj363.84由表 2.1 可知 Nmin＝1309.09kN、Nmax＝4997.45kN 得

?min??max?Nmax4997.45?10??137.35MPa Aj363.84拉——拉杆件验算式：rdrn(?max??min)?rt[?0] 式中线路系数rd=1.0， 损伤修正系数rn=1.0，

??50

板厚修正系数

rt?425425??0.912 t36查规范表 3.27-2 的杆件验算截面为第Ⅲ类疲劳等级，查表 3.27-1 知其疲劳容 许应力[σ0]＝130.7MPa

故 1.0×1.0×(137.35-35.98)＝101.37MPa

≤0.912×130.7＝119.20MPa，通过验算。

二、端下弦杆 E0E2 1 初选截面

选用腹板 1-428×12 翼缘 2-460×16

毛、净截面面积、毛截面惯性矩计算方法同上

净截面惯性矩 Iyj＝Iy-ΔIy＝25962-1.6×2.3×4×(92+172)＝20515.6cm4 2 刚度验算

λy＝69.06≤[λ]＝100，通过验算。

3 拉力强度验算

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 6 (1) 主力作用 NI＝2177.22kN

?lj?NI2177.22?10??128.74MPa??[?]?200MPa Aj169.12(2) 主力＋制动力作用

NII＝2418.78kN，制动力弯矩 MII＝36.16kN·m

??j?NIIMII?2302418.18?1036.16?230?100????183.52MPa?????????MPa AjIj169.1220515.61.25 为主力＋制动附加力作用验算的放大系数。 4 疲劳强度验算

由表 2.1 可知 Nmin＝471.27kN、Nmax＝1891.82kN 得

?min??max?Nmin471.27?10??27.87MPaAj169.12 Nmax1891.82?10??111.86MPaAj169.12拉——拉杆件验算式：rdrn(?max??min)?rt[?0]

故1.00?1.00?(111.86?27.87)?83.99MPa?1.00?130.7MPa通过验算。

第二节 上弦杆截面设计

以上弦杆A1A3为例。 1 初选截面

选用腹板 1-412×18、翼缘 2-460×24 2 刚度检算

λy＝69.61≤[λ]＝100，通过验算。

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 7 3 总体稳定验算

由 λy＝69.61，查表内插求得 φ1＝0.6116

??Nc3508.02?10??118.9MPa???[?]?122.32MPaAm294.96通过验算

4 局部稳定验算 （1） 翼缘板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当??50时，板件的宽厚比 ?0.14??5

?b翼缘板

b?46?1.8?9.21?0.14?69.61?5?14.752.4?2? (2)腹板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当??50时，板件的宽厚比

bb??41.2?22.88?0.4?69.61?10?37.841.8??0.4??10腹板通过验算

同理，设计计算其他上弦杆。

第三节 端斜杆截面设计

1 初选截面

单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥课程设计 8 选用腹板 1-412×18、翼缘 2-600×24 截面面积，惯性矩计算方法同上。

2 3 (1)

刚度验算

λy＝91.28，λx＝79.24≤[λ]＝100，通过验算。 总体稳定验算 主力作用

由 λy＝79.24，查表得 φ1＝0.549

N13398.71?10????93.85MPa???[?]?0.549?200?109.8MPaAm362.16(2) 主力＋横向风力作用

端斜杆E0A1在主力作用下为受压杆件，在主力与横向力作用下为压弯杆。附

加力为横向力时，弯矩作用于主平面外。参照《钢桥规范》第 4.2.2 条规定，对受压并在一个主平面内受弯曲的杆件，总稳定性计算公式为

???MN?1??1[?] Am?1?2WmLrx1141.5?20.18?1.8??58.34，查表得?'1?0.689 hry46?15.45换算长细比?e??式中?——系数，焊接杆件取1.8；

h——杆件两翼缘板外缘距离，即截面宽度，h?460mm。

因端斜杆采用H形截面，且失稳平面为主桁平面，和弯矩作用平面不一致。

按《钢桥规范》第4.2.2条，此?'1可用作?2。

??

N13531.67?10??97.52MPa?0.15??[?]?20.67MPaAm362.16所以应考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值?1

n1N?21.4?3531.67?67.42?10?1?1?2?1??0.7 2?EAm??210000?362.16式中?——构件在弯矩作用平面内的长细比； E——钢材的弹性模量（MPa）;

n1——压杆容许应力安全系数。主力组合时取用n1?1.7，[?]应按主力

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