下承式栓焊简支钢桁梁桥设计计算书

课程设计

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设计时间：

目 录

第一章 设计资料………………………………………………………………

第一节 基本资料…………………………………………………………

第二节 设计内容…………………………………………………………

第三节 设计要求…………………………………………………………

第二章 杆件内力计算…………………………………………………………

第一节 主力作用下主桁杆件内力计算…………………………………

第二节 横向风力作用下的主桁杆件附加内力计算……………………

第三节 制动力作用下的主桁杆件附加内力计算………………………

第四节 疲劳内力计算……………………………………………………

第五节 主桁杆件内力组合………………………………………………

第三章 主桁杆件截面设计……………………………………………………

第一节 下弦杆截面设计…………………………………………………

第二节 上弦杆截面设计…………………………………………………

第三节 端斜杆截面设计…………………………………………………

第四节 中间斜杆截面设计………………………………………………

 第五节 吊杆截面设计……………………………………………………

第六节 腹杆高强度螺栓计算……………………………………………

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……………………………………………

第二节 E0节点弦杆拼接计算……………………………………………

第三节 下弦端节点设计…………………………………………………..

下弦端节点设计图………………………………………………………………

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 桁架尺寸：计算跨度分别为L＝48 m、 m、80 m (按班级人数等分三组，按组序分别对应计算跨度)，节间长度 8 m，桁高 11 m，主桁中心距 5.75 m，纵梁中心距 2.0 m，纵联计算宽度 5.30 m，采用明桥面。

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ZG35 II、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＝7 kN/m，主桁架p3＝15 kN/m， 联结系 p4＝3 kN/m，检查设备p5＝1 kN/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＝5 kN/m(未包括桥面)，横梁(每片) p9＝2 kN/m。 

6 风力强度 W0＝1.5 kPa，K1K2K3＝1.0。 

7 工厂采用焊接，工地采用高强度螺栓连接，栓径均为 22 mm、孔径均为 23 mm。高强度螺栓设计预拉力 P＝200kN，抗滑移系数 μ0＝0.45。

8 计算参考书目

苏彦江,《钢桥构造与设计》，西南交通大学出版社，成都，2006年12月。

陈绍蕃,《钢结构》．科学出版社，2002

王国周，瞿履谦,《钢结构原理与设计》,清华大学出版社，1993

郑凯锋,吴臻旺,杨国静, 《钢桥课程设计参考文本》, 西南交通大学, 2003

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；

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如计算书中表2.1和表3.1格式进行汇总成表格。

2 主桁内力计算表格和截面设计计算项目包括表2.1和表3.1的表头各项：

3 主桁内力计算和截面设计计算结果采用Microsoft Excel 电子表格排版和节点设计图可用计算机打印，其他各项设计需手工计算完成计算书。 

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)。

(2) 计算书文件按封面、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) 各章节文字大小层次分明。 

(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。 

6 设计文件在规定时间内提交。

第二章 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＝7 kN/m，主桁架p3＝15 kN/m， 联结系 p4＝3 kN/m，检查设备p5＝1 kN/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

2 影响线面积计算 （要求计算加粗线各杆件内力）

(1)弦杆

   影响线最大纵距, 影响线面积

:

, ,       

   , ,

   : 

, ,

, ,

   其余弦杆计算方法同上，计算结果列于表2.1中。

(2)斜杆：，，，

，,

   :

      , , ,

      ， 

  ：，，，

      ，，

      ，，

      ， 

，；

   其余斜杆计算方法同上，计算结果列于表2.1中。

(3)吊杆：；   

3 恒载内力

   ，

   下弦杆： 

           …

   上弦杆： =

           …

   斜杆：  

           …

   吊杆：    

           …

4 活载内力

(1)换算均布活载k，按及加载长度l查表求得,中间值按内插法求得

       …  

   其余杆件计算方法同上，计算结果列于表2.1中。   

(2)冲击系数

   弦杆，斜杆：  

   吊杆：        

(3)静活载内力  

   其余杆件计算方法同上，计算结果列于表2.1中。

(4)活载发展均衡系数值：，，在表中查找确定，计算各杆件值

  其余杆件计算方法同上，计算结果列于表2.1中。

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

下平纵联所受的荷载

摇摆力作用下的弦杆内力为弦杆在简支平纵联桁架的影响线纵距。

上弦杆：,

 …

下弦杆：

,

 …

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

  风压，车风压

（1）下平纵联的有车均布荷载

    桁高H=，h=纵梁高+钢轨轨木高    

（2）上平纵联的有车均布荷载     

（3）弦杆内力

上弦杆：在均布风荷载作用下的内力为：

： 

 …

下弦杆：

： 

      …

2 桥门架效应的端斜杆和端下弦杆的附加力

桥门架所受总风力：，

端斜杆反弯点位置：，

端斜杆轴力： 

端斜杆轴力V在下弦杆产生的分力： 

端斜杆中部附加弯矩：

端斜杆端部（横梁高度1的一半处）附加弯矩为：

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

的制动力作用附加内力

其下弦杆件内力见表2.1。

2 端斜杆制动力计算

  杆力影响线顶点位置离左端点支点7.m，设将列车荷载的第4轴重置于影响线顶点处。因为影响线为三角形，则活载位置是产生最大杆力时的荷载：

    ； 

  和比较

  和

  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。

  求制动力： 

  制动力所产生的杆件内力和：

  轴向力，（下弦杆中线至支座下摆顶点的距离h=0.37m）

  下弦杆弯矩  ;

  端斜杆弯矩  

第四节 疲劳内力计算

1 疲劳轴力计算

  疲劳荷载组合包括设计荷载中的恒载和活载（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（）。同时，规定焊接及非焊接（栓接）构件及连接均需进行疲劳强度验算，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：

  弦杆，斜杆：  

  吊杆：        

：

其余计算内力见表2.1。    

2 吊杆疲劳弯矩计算

作用在纵梁上的恒载

由恒载产生纵梁对横梁的作用力(即纵梁梁端

剪力) 

当时，换算均布荷载（k需要除以2）

由活载产生纵梁对横梁的作用力

由恒载产生的简支梁弯矩

由静活载产生的简支梁弯矩

冲击系数

横梁

横梁

横梁、竖杆在框架面内的刚度系数

式中——钢的弹性模量；

——横梁、竖杆在框架平面内的惯性矩；

——横联门楣最下端节点到衡量重心轴的距离；

——上弦节点中心到横梁重心的距离；

第五节 主桁杆件内力组合

1 主力组合

其余杆件用Excel计算，内力见表2.1。

2 主力和附加力组合

：主力，附加风力

主力+横向附加力

(绝对值取大)。

：主力，附加风力

主力+横向附加力

主力+纵向附加力(制动力) 

其余杆件用Excel计算，内力见表2.1。

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—□388×24

翼缘      2—□440×36

每侧有4 排栓孔，孔径d=23cm;

毛截面Am =

栓孔削弱面积ΔA＝

净截面面积 Aj = Am－ΔA＝

2 刚度验算

杆件自由长度ly=

（可)

(λx<λy，可不需验算)

3 拉力强度验算

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“续说明表3.2.1”，对于Q345q，354 疲劳强度验算

由表2.1 可知 Nmin＝ 得

Nmax＝得

拉－拉杆件验算式： 

式中线路系数， 损伤修正系数，板厚修正系数查规范表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

确定。

二、端下弦杆

1 初选截面

选用腹板 1—□428×12

翼缘     2—□440×16

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

2 刚度验算

λx λy

3 拉力强度验算

(1) 主力作用 NⅠ＝2111.11kN

和比较

(2) 主力＋制动力作用，制动力弯矩 

和比较

4 疲劳强度验算

由表2.1 可知 Nmin＝ 得

Nmax＝ 得

拉－拉杆件验算式： 

故

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=66.48<[λ]=100(可)

3 总体稳定验算

由λy=，查表内插求得

（可）

4 局部稳定验算

(1) 翼缘板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比

翼缘板

(2) 腹板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比

腹板

同理，设计计算其它上弦杆。

第三节 端斜杆截面设计

1 初选截面                                                 

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 刚度验算

λy＝，λx＝，查表内插求得

3 总体稳定验算

(1) 主力作用

(可)

(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： 

①换算长细比  查表得

式中 α ——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，该算例h。

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，此可以用作。

②和比较

    所以应考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值μ

式中 λ——构件在弯矩作用平面内的长细比；

E ——钢材的弹性模量(MPa)；

——压杆容许应力安全系数。主力组合时取用n1=1.7，[σ]应按主力组合采用；主力加附加力组合时取用=1.4，[σ]应按主力加附加力组合采用。

③

(3) 主力＋制动力作用

依照《钢桥规范》4.2.2 条规定，当验算的失稳平面和弯矩作用平面一致时， =1.0

  和比较

所以应考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值μ

4 局部稳定验算同上，见表3.1。

第四节 中间斜杆截面设计

以斜杆E4A5 为例                                             

1 初选截面

选用腹板 1—□428×10

翼缘 2—□460×16

截面面积，惯性矩计算方法同上。

2 刚度验算

3 总体稳定验算

由，查表内插得

和比较

4 局部稳定验算

(1) 翼缘板

按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比

翼缘板

(2) 腹板

    按照《钢桥规范》，查表5.3.3，当λ≥50 时，板件的宽厚比

腹板

5 疲劳强度验算

由表2.1 可知 Nmin＝ 得

Nmax＝  得

可知E4A5 为以压为主的拉压杆件，验算公式为

=

6 拉力强度验算

杆件同时承受拉力，故还应验算其净截面的拉力强度

第五节 吊杆截面设计

1 初选截面                                            

选用腹板 1—□436×10

翼缘 2—□260×12

截面面积，惯性矩计算方法同上。

2 刚度验算

《钢桥规范》规定仅受拉力且长度≤16m 的腹杆容许最大长细比为180，

由表3.1 可知λx =，λy = 。 

3 疲劳强度验算

吊杆无附加力，在阻力作用下，吊杆除受到轴力外，还受到横向钢架作用产生的弯矩，故应检算轴力与弯矩共同作用下的疲劳。

由表2.1 可知 Nmax=，Nmin=，Mmax=，Mmin=

吊杆A1E1 净截面积 Aj = 

毛惯性矩 Imx = 

其扣孔惯性矩

净惯性矩 Ijx = Imx-ΔIx；

第六节 腹杆高强度螺栓计算

按照《钢桥规范》第6.1.1 条给出的高强螺栓容许抗滑承载力计算公式得：

式中 P ——高强螺栓的容许抗滑承载力；

m ——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；

N ——高强螺栓的设计预拉力，M22 螺栓为200kN。

K ——安全系数，采用1.7。

主桁杆件杆端高强度螺栓个数n 应满足。

此处的[N]为杆件的承载力，对于主桁杆件：

受拉杆件 [N] =  []

受压杆件 [N] = 

受拉压杆件 [N] = max([]，)

以下举两杆件说明。

1 拉杆

杆件承载力 [N] =  [] = 

螺栓数=个

实际用n = 个

2 压杆

杆件承载力[N]= =

螺栓数=

实际用n = 个

3 拉压杆

杆件承载力[] =

=

[N] = max([]，)

螺栓数=

实际用n = 个

以上螺栓实用数是根据节点板上排列需要定出的。

第一节E2节点弦杆拼接计算

1 拼接板截面计算

《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％。

根据前表表3-1 计算结果E0E2杆（2-xxx×xx，1-xxx×xx）一半净面积为

E2E4杆（2-xx×xx，1-xx×xx）

节点板选用厚度t =xx mm

一块节点板作为外接拼板提供的面积（取杆件高度       

44cm部分）

初选内拼接板为4-xx×xx（一侧两块），两块内拼接板的净面积为

内外拼接板的净面积为

通过验算。

2拼接螺栓和拼接板长度

单抗滑面高强度螺栓的容许承载力为        

一侧节点板（外接拼接板）所需高强度螺栓数

（至少取 xx 排，每排 x 个共 xx 个）

一侧两块内接拼板所需高强螺栓数

（至少取 xx 排，共 xx 个）

3 内拼接板长度

内拼接板一侧xx个高强度螺栓，排成xx 排，端距去xx mm，长度为

L=

第二节    E0节点弦杆拼接计算

1拼接板截面设计

根据前面表3-1 计算结果，

E0E2杆（2-xx×xx，1-xx×xx）一半净面积为

节点板选用厚度t= 

一块节点板作为外接拼板提供的面积（取杆件高度xx cm部分）

初选内拼接板为4-xx×xx（一侧两块），两块内拼接板的净面积为

内外拼接板的净面积为

通过验算。

2拼接螺栓和拼接板长度

单抗滑面高强度螺栓的容许承载力为

一侧节点板（外接拼接板）所需高强度螺栓数

（取x排，每排x个共xx个）

一侧两块内接拼板所需高强螺栓数

（取 x 排，共x个）

3内拼接板长度

内拼接板一侧x个高强度螺栓，排成x排，端距去xx mm，长度为

L=

根据节点布置的实际需要，最后两块上端内侧内拼接板取××，两块下端内侧内拼接板取××，满足验算要求。

第三节下弦端节点设计

根据端横梁高度、端斜杆一侧计算高强螺栓数 xx个（至少取x排，共x个）、节点板（弦杆一侧外拼接板）计算高强螺栓数xx个（至少取x排，每排x个共x个，实际取x排、共x个）、一侧内拼接板计算高强螺栓数为x个（至少取5排，每排x个共xx个）、长度为xx mm等要求，画图、布置、设计下弦端节点如附图。

下弦端节点E0设计图