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《钢桥》课程设计任务书 《钢桥》课程设计指导书

青岛理工大学土木工程学院

道桥教研室 指导老师：赵建锋

2010年12月

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《钢桥》课程设计任务书

一、设计题目

单线铁路下承式简支栓焊钢桁架桥上部结构设计

二、设计目的

1. 了解钢材性能及钢桥的疲劳、防腐等问题； 2. 熟悉钢桁架梁桥的构造特点及计算方法；

3. 通过单线铁路下承式简支栓焊钢桁架桥上部结构设计计算，掌握主桁杆件内力组合及计算方法；掌握主桁杆件截面设计及验算内容；

4. 熟悉主桁节点的构造特点，掌握主桁节点设计的基本要求及设计步骤； 5. 熟悉桥面系、联结系的构造特点，掌握其内力计算和强度验算方法； 6. 熟悉钢桥的制图规范，提高绘图能力；

7. 初步了解计算机有限元计算在桥梁设计中的应用。

三、设计资料

1. 设计依据：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.-2008） 钢桥构造与设计

2. 结构轮廓尺寸：

计算跨度L= m，节间长度d= 8 m，主桁高度H= 11m，主桁中心距B= 5.75m，纵梁中心距b= 2.0m。

3. 材料：主桁杆件材料Q345qD，板厚≤40mm，高强度螺栓采用M22。 4. 活载等级：中-活载。 5. 恒载： (1)主桁计算

kNm，桥面p1桥面系p2kNm； 联结系p4(2)纵梁、横梁计算 纵梁(每线) p5kNm，每片主桁架p3kNm，

kNm (未包括桥面)，横梁(每片) p6kNm。

26. 风力强度W01.25kNm,K1K2K31.0。

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7. 工厂采用焊接，工地采用高强度螺栓连接，栓径均为22mm、孔径均为23mm。高强度螺栓设计预拉力N=200kN，抗滑移系数0.45。 8. 其它不明事项参考教材。

四、设计内容

依据相关规范、文献，进行内力计算、截面设计及相关验算：

1. 主桁杆件内力计算：包括主力(恒载和活载)作用下主桁杆件的内力计算、横向附加力作用下主桁杆件的内力计算、纵向制动力作用下主桁杆件的内力计算及主桁内力组合并确定主桁计算内力； 2. 主桁架各杆件截面设计：包括主桁杆件的截面形式及其外轮廓尺寸、上下弦杆的设计、端斜杆的设计、腹杆的设计； 3. 按照节点设计的基本要求进行主桁节点设计及节点板的强度验算； 4. 根据桥面系的构造特点进行桥面系纵横梁的内力计算、截面设计和强度检算； 5. 进行主桁架之间的平纵联、横联及制动联结系的设计； 6. 进行挠度验算及上拱度设计；

7. 采用Midas软件建立模型计算全桥内力，并与手算结果进行对比。

五、设计要求

1 主桁架内力计算、设计应汇总成表格；

2 主桁架内力计算推荐使用Microsoft Excel电子表格；

3. 绘制钢桁架桥的整体平面图、立面图及剖面图，并绘制一个节点图，建议采用CAD制图； 3 步骤清楚，计算正确，文图工整、装订成册。

4 提交设计报告一份、图纸一份及相关电子文件资料一份(包括设计报告、图纸、Excel表格等，可以全班集中刻在一张盘上)。 5 分组进行。

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《钢桥》课程设计指导书

单线铁路下承式简支栓焊钢桁架桥上部结构设计的计算说明书包括并不限于以下内容： 1、主桁杆件内力计算

《桥规》中推荐使用简化的计算方法，即将桥跨结构划分为若干个平面系统分别计算，但应考虑各个平面系统间的共同作用和相互影响。作为空间结构的钢桁架桥，可以将它划分为以下几个平面系统:主桁架、平纵联、横联、桥门架(端横联)、纵梁、横梁等。

作用在桥梁上的荷载可分为主力和附加力：主力包括恒载和活载；附加力包括横向附加力(如横向风力，列车摇摆力，曲线桥上的离心力等)、纵向附加力(如列车制动力或牵引力)以及由桁架桥各个平面系统间的共同作用和节点的刚性连接所引起的附加力。 1.1 主力作用下主桁杆件的内力

主桁杆件内力的计算图式可简化为由主桁各杆件的轴线所形成的平面铰接桁架。主力作用在主桁架平面内，包括恒载和活载两部分。

1. 恒载计算

每片主桁所受恒载强度 p2. 活载计算

静活载取换算均布活载k由影响线最大纵坐标位置值和加载长度L求得。考虑到车辆活载对桥梁的动力作用，，应将静活载乘以动力系数1。

对于铁路钢桥计算强度时，动力系数取111f118，其中L为影响线加载长度。 40L28；计算疲劳时采用运营动力系数40L1p1p2p4p3 23. 活载发展均衡系数

为了保证在较长时期内钢桥能适应机车车辆重量增长及特种超重列车通过的需要，设计时必须为现今使用的列车活载预留一个发展系数，我国钢桥设计中一般采用降低材料容许应力的方法。

预留活载发展倍数n0.2a1.2，其中a1amaxa 6Np1Nk

活载发展均衡系数14. 主力作用下主桁杆件的内力

主力作用下主析杆件的内力计算采用结构力学中利用影响线求量值的方法，由于恒载和活载均为分布荷载，内力计算时要利用某量值的影响线面积，因此，这种计算内力的方法称为影响线面积法。

NINp1Nk

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1.2 横向附加力作用下主桁杆件的内力计算

A.横向附加力对平纵联杆件产生的内力

桥上无车时，作用在上平纵联上的横向风力分布集度：

w上W0.50.4H0.2h104

作用在下平纵联上的横向风力分布集度：

w下W0.50.4H1.0h104

桥上有车时，作用在上平纵联上的横向风力分布集度：

其中：w1上0.8W0.50.4H0.2h104

w2上0.8W0.23.（010.4）作用在下平纵联上的横向风力分布集度：

w上w1上w2上其中：w1下0.8W0.50.4H1.0h104 w2下0.8W1.03.（010.4）作用在上平纵联上的列车摇摆力分布集度为：k上＝0.25.5

1.05.5 作用在下平纵联上的列车摇摆力分布集度为：k下＝w下w1下w2下由于风力和摇摆力同时达到最大值的可能性很小，一般只取较大者进行计算。 B.桥门架效应产生的杆件内力

上平纵联将它所受的横向附加力传递给桥门架，从而使主桁端斜杆和下弦杆产生附加内

力，这种现象就是桥门架效应。计算时将桥门架看成平面刚架，其腿杆(主析端斜杆)下端可假定嵌固在下弦端节点上。作用在桥门架上的水平力就是由上平纵联传来的横向附加力，也就是上平纵联作为简支桁架的支座反力。 1.3 纵向制动力作用下主桁杆件的内力计算

制动力T的大小按布满全跨静活载的10%计算，并假设作用在纵梁与制动联接系的节点处。如下图所示，节点E0为活动支座，节点E6为固定支座，制动力或牵引力通过固定支座传递给墩台。

1.4 横向框架效应引起的主桁杆件内力计算

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横向联结系、主析竖杆及横梁组成一个横向框架，横梁在竖向荷载作用下梁端发生转动时，在竖杆的下端B和上部A处均产生附加力矩。如下图所示。

1.5 主桁内力组合及主桁架杆件计算内力

A. 主力单独作用：内力为N1，设计容许应力为； B. 主力+横向附加力：NⅡNⅠNW，设计容许应力为1.2 C. 主力+横向附加力：NⅢNⅠNT，设计容许应力为1.25 2、主桁杆件的截面设计

选择H形截面作为主桁杆件的截面形式。 2.1 下弦杆的设计

简支下承式桁架桥的下弦杆都是受拉杆件，当内力较大时一般是由静强度或疲劳强度控制设计；当内力较小时，则由刚度设计控制。安强度控制的设计步骤如下：

⑴计算所需的净截面积。由静强度条件：或疲劳强度条件：

N[] AjNmaxNminN[n] [] 或AjAj可得所需的净截面积为：

AjN[] 或 AjNmaxNminN 或 Aj

[n][j]其中，[n]为疲劳容许应力（详见公路桥规）。

⑵根据设计经验，可得到杆件的毛面积：AmAj0.85。

A⑶选定截面形式并根据m选配杆件的歌部件尺寸。选择各部件尺寸时要注意前面所述的几个问题和《桥规》中对最大、最小板厚的要求，同时应注意将水平板厚取小一些，而将材料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和拼接板直接相连的，这样可使内力传递比较均匀。

⑷计算杆件端部所需要的连接螺栓数，并螺栓的初步布置。螺栓的布置要考虑工厂现有的

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机器样板，并遵循结构设计原理中关于螺栓布置的原则。

⑸计算杆件的毛截面积Am、净截面积Aj、惯性矩Ix、Iy及回转半径rx、ry。 ⑹进行强度（静强度或疲劳强度）和刚度检算。强度检算按或

N[n]进行，刚度检算公式为：[] AjNNNmin[]或max[] AjAJ若不满足，则应调整杆件截面尺寸，直到满足强度、刚度条件为止。 2.2 上弦杆的设计

简支下承式桁架桥的上弦杆都是受压杆件，一般是由整体稳定控制设计。主要设计步骤如下：

⑴选定截面形式并假定杆件的长细比。一般受压弦杆的最大长细比在60~80之间。 ⑵根据假定的长细比查表求得真题稳定容许应力折减系数1，则所需的毛截面积为：

NAm=

1[]A⑶根据m选配杆件的各板件尺寸。注意对焊接H形压杆的水平板厚度不宜小于0.5（当24 mm时）或0.6（当24 mm时），为竖板的厚度。此外还要注意板件的宽度与厚度

之比满足板件局部稳定的要求。

⑷计算所选截面的实际截面面积、惯性矩、回转半径、长细比及容许应力折减系数。 ⑸进行整体稳定、局部稳定及刚度检算。 整体稳定的检算公式为：

N1[] Am刚度的检算公式为：[]。 局部稳定的检算公式为：

bb tt若不满足，则应调整杆件的截面尺寸，直到各项条件满足为止。 2.3 端斜杆的设计

⑴整体稳定检算

压弯构件的整体稳定按下式检算：⑵强度检算 受压翼缘的应力2.4 腹杆的设计

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NM11[] AM12WmNM1.2[] AMWm⑴斜杆的疲劳验算

当疲劳应力为拉-拉循环或拉-压循环以拉为主时，疲劳强度的检算公式为：

maxminNmaxNminrt[]Ajrdrn

当疲劳应力为拉-压循环以压为主时，疲劳强度的检算公式为：

maxrtrrdrn[]

rt[] rdrn⑵竖杆的疲劳验算

疲劳强度的检算公式如下：maxmin3、主桁节点设计 3.1主桁节点的设计步骤

(1)计算杆件在节点板上所需的连接螺栓数。

(2)进行弦杆的拼接计算，确定拼接板尺寸和连接螺栓数。

(3)按照结构计算图式画出交汇于节点的各杆件的截面重心轴线，这些轴线应交汇于一点，但为了设置上拱度，有些杆件并不交汇于一点，如在简支钢析梁主析上弦大节点处，让两斜杆与上弦杆不在同一点处相交，偏离值根据上拱度计算确定。

(4)根据杆件的截面高度依次画出弦杆、竖杆及斜杆的外轮廓。相邻杆件边缘间要留有一定的空隙以保证裁切时出现正公差时二者不致相碰。预设上拱度对栓孔起线的要求也应一并考虑。

(5)按照节点的标准栓线网络布置各杆件在节点板上的连接螺栓。

(6)从节点板上最外排螺栓线向外推出40～50 mm，所得全部连接螺栓的外包线即为节点板的最小轮廓线。调整节点板至规则形状，必要时可增加某些杆端的栓钉排数。节点板的厚度通常根据桥梁跨度的大小按照经验进行选择，从12 mm到20 mm不等。

(7)检算节点板的强度。 3.2节点板的强度验算

(1) 主力作用下节点中心处节点板竖向截面上的法向应力 节点板下缘：

1NeNy1[]AJIj

节点板上缘：

2NeNy2[]AJIj

(2)主力作用下腹杆与弦杆之间的节点板水平截面上的剪应力

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TAj0.75[]

(3) 斜杆与节点板连接处节点板的撕裂应力

由于节点板的应力状态复杂，要求节点板的抗撕裂应力强度应较杆件强度（或斜杆内力）至少大10%。撕裂时的容许应力规定为：当撕裂面垂直于斜杆内力时，按[]计算；当撕裂面与斜杆内力斜交或平行时，按0.75[]计算。 4、桥面系设计

(1)纵梁的内力计算 跨中弯矩：

MMpη(1μ)Mk梁端剪力：

QQp(1)Qk

(2)横梁的内力计算 跨中弯矩：

MMpη(1μ)Mk梁端剪力：

QQp(1)Qk

(3)纵、横梁的应力检算

0.85Mmax

Wj(4)纵梁梁端的连接计算

Sn1.10

Nvb(5)横梁的梁端连接计算

为安全计，在计算横梁梁端连接的螺栓数时，连接横梁腹板的螺栓数n1应按梁端反力D算得的数目增加10%，对于横梁与主桁连接螺栓的计算，按梁端反力D求得的螺栓数增加20%。因此，横梁梁端连接角钢上的螺栓数按下式计算：

Nn11.1Nvb Nn21.2Nvb

(6)主桁弦杆与桥面系共同作用所引起的纵横梁内力计算

为了简化计算，作如下假定：（1）不考虑纵向联结系参与共同作用的影响；（2）认为纵梁铰接于横梁，即纵梁只承受轴向力，横梁固支于主桁；（3）各节间弦杆变形相等，计算弦杆变形时，不考虑共同作用对弦杆的减裁。

经过对每一个节间的变形分析，可得纵梁轴力为：

m-1Kσ0LNmtm(1-)n1ξ

横梁弯矩为：

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2m-2Kσ0La2Mmt(1-)n1ξB

5、联结系设计

5.1 平纵联

1.由于主桁弦杆与平纵联共同作用所引起的平纵联杆件内力计算

当主桁在竖向荷载作用下受力而变形时，平纵联与弦杆一起变形，共同受力，使平纵联得斜杆和横撑产生内力，我们将这种内力称之为由于共同作用而产生的内力或简称为“共同作用力”这种共同作用力在其他原因所引起的内力中所占的比重较大，故《桥规》规定必须计算。

对具有交叉腹杆体系的平纵联，《桥规》给出的斜杆内力计算公式为：

NNdsAs

当桥面系横梁兼作平纵联横撑时，平纵联斜杆的内力按下式计算：

NsA（cos20.6bsin2)dAsNdAA14dsin3dcos3AbAs

平纵联横撑的内力：

Adcos2AA12dsin2dcos3ApAsNp(NdNd)sin

2. 平纵联杆件的内力组合

前已述及，平纵联杆件的内力包括由于横向附加力产生的内力和共同作用力两部分，内力组合时还应考虑桥上无车和桥上有车的情况。

归纳起来, 平纵联杆件的内力组合为：

组合1：桥上有车时恒载+活载作用下的共同作用力，按主力计算，容许应力为；

组合2：恒载作用下的共同作用力+桥上无车时风力产生的内力，按主力+附加力计算，容许应力为1.2；

组合3：恒载+活载作用下的共同作用力+桥上有车时风力（或摇摆力）产生的内力，按主力+附加力计算，容许应力为1.2；

另外，对于制动联结系所在节间的平纵联杆件，除按上式3种内力组合外，还应检算有车风力、共同作用力、自重力等与制动力的组合，制动力按布满全跨静活载的7%计算，容许应力为1.25。

3.关于平纵联杆件计算的其他问题的描述

平纵联杆件除了按计算内力进行强度检算外，还应考虑其整体稳定性、刚度以及计算截面的确定等问题。

为保证平纵联杆件的整体稳定性，对受压弦杆平面内的平纵联斜杆，以两弦杆内力之和的3%作为节间剪力来计算平纵联杆件的内力，再以检算其整体稳定性。

对于平纵联杆件的刚度问题，由于平纵联杆件的截面往往由最大容许长细比来控制，因此，

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左右应设法减小杆件的几何长度并加大杆件截面的回转半径。如交叉斜杆在平纵联平面内的几何长度为对角线全长的一半，对下平纵联，还可将斜杆交点和纵梁跨中的横向联接系用杆件连接起来以减小杆件在平纵联平面外的几何长度，根据《桥规》，平纵联杆件的容许长细比为130。 平纵联杆件常用的截面形式为T形、槽形和工形，其计算截面按下述规定采用：当用T形截面仅用翼缘连接时，或用槽形截面仅用腹板连接时，计算截面均减小10%以考虑偏心连接的影响。

5.2 横向联结系

为保证桥跨结构的整体作用，中间横向联结系至少应每隔两个节间设置一个。 5.3 制动联结系

由列车制动（或牵引）引起的纵向水平制动力作用在纵梁上，纵梁将该制动力传给横梁。因为横梁在水平方向的抗弯刚度很小，所以，水平制动力易使横梁产生过大的水平弯曲变形。为了减小这种变形，需要设置制动联结系（或称制动撑架）。制动联结系通常由四根短杆组成，设置在桥面系相邻的平纵联的中部，如图5.2所示。如有纵梁断开，则设置在纵梁断开点与桥梁支点间的中部。因为在该处横梁在弦杆变形时不发生弯曲，其相邻节间的纵梁与纵向联结系斜杆的纵向相对位移也较小，在该处设置制动联结系可以减少制动联结系参与桥面系和弦杆的共同作用。设置制动联结系后，作用与纵梁上的纵向水平制动力通过制动联结系传至主桁架，从而减小横梁的水平弯曲变形。对跨度不超过48m的桥，允许不设制动撑架。

制动力作用下制动联结系的杆件内力已在5.3节中求得。另外，由于主桁弦杆与平纵联共同作用，在制动联结系所在的节间，弦杆变形也会在制动联结系中产生很大的内力。此项内力在《桥规》中未予以说明，但实际计算表明，此项内力不宜忽略。制动联结系所在节间内有关各杆的内力按如下公式计算：

m2AtNtNdNdKANdNNdd，K，d

G1NpNpNpNpNp'''Np2KK，, 对于制动联结系杆件，应考虑一下几种内力组合：

（1）制动力单独作用，按主力计算，制动力按布满全跨静活载的10%计算，容许应力为； （2）单独检算共同作用力，按主力计算，容许应力为；

（3）共同作用力加制动力，按主力+附加力计算，制动力按布满全跨静活载的7%计算，容许应力为1.25。

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