《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：***2010年12月《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)主桁计算桥面m kN p =1，桥面系m kN p =2，每片主桁架m kN p =3，联结系m kN p =4； (2)纵梁、横梁计算 纵梁(每线) m kN p =5 (未包括桥面)，横梁(每片) m kN p =6。

6. 风力强度0.1,25.132120==K K K m kN W 。

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45.0=0μ。

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。

《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 ()342121p p p p 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α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()μ+1。

对于铁路钢桥计算强度时，动力系数取L++=+402811μ；计算疲劳时采用运营动力系数Lf ++=+401811μ，其中L 为影响线加载长度。

3. 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2.12.0+=a n，其中()kpN N a μ+=1活载发展均衡系数()a a -+=max 611η 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。

()k p I N N N μη++=11.2 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：()[]0412.04.05.0-+⨯⨯=h H W w 上作用在下平纵联上的横向风力分布集度：()[]0410.14.05.0-+⨯⨯=h H W w 下桥上有车时，作用在上平纵联上的横向风力分布集度：()[]）（其中：上上上上上4.010.32.08.00412.04.05.08.02121-⨯⨯=-+⨯⨯=+=W w h H W w w w w作用在下平纵联上的横向风力分布集度：()[]）（其中：下下下下下4.010.30.18.00410.14.05.08.02121-⨯⨯=-+⨯⨯=+=W w h H W w w w w 作用在上平纵联上的列车摇摆力分布集度为：5.52.0⨯＝上k作用在下平纵联上的列车摇摆力分布集度为：5.50.1⨯＝下k 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E 0为活动支座，节点E 6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1N ，设计容许应力为[]σ；B. 主力+横向附加力：W N N N +=ⅠⅡ，设计容许应力为1.2[]σC. 主力+横向附加力：T N N N +=ⅠⅢ，设计容许应力为1.25[]σ 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：][σ≤jA N或疲劳强度条件：][min max σγ∆≤-jA N N 或][n j A Nσ≤ 可得所需的净截面积为：][σN A j ≥或 ][min max j j N N A σγ∆-≥或 ][n j NA σ≥其中，[n σ]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：85.0j m A A =。

⑶选定截面形式并根据m A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m A 、净截面积j A 、惯性矩x I 、y I 及回转半径x r 、y r 。

⑹进行强度（静强度或疲劳强度）和刚度检算。

强度检算按][σ≤j A N 或][minmax σγ∆≤-JA N N 或][n jA Nσ≤进行，刚度检算公式为：][λλ≤ 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1ϕ，则所需的毛截面积为：m A =][1σϕN⑶根据m A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δ0.5（当δmm 24≥时）或δ0.6（当δmm 24≤时），δ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：][1σϕ≤mA N刚度的检算公式为：][λλ≤。

局部稳定的检算公式为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡≤t b t b 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：][1211σϕϕμϕ≤⋅+mM W MA N ⑵强度检算 受压翼缘的应力][2.1σ≤+mM W M A N 2.4 腹杆的设计⑴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：][min max min max σσσ∆≤-=-nd t j r r rA N N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 σσρ∆'≤nd t r r r r⑵竖杆的疲劳验算疲劳强度的检算公式如下：][min max σσσ∆≤-nd tr r r 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。