钢桁架桥梁设计总结.docx

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钢桁架桥梁设计总结

钢桁架桥梁设计总结

区别于混凝土梁部一般设计流程，特编写钢桥设计流程，为初次设计钢梁提供一点参考与设计思路。

一．钢桥设计最终目的：

1.确定用最少的钢材但受力最优的杆件截面

2.确定传力简洁顺畅的连接方式

二．在确定钢桥方案后，一般钢桥包括的计算：

钢桥的设计是一个迭代循环的过程，但是截面的选取顺序还是以主桁优先。

1.主桁截面的粗选（初估联结系与桥面后）

2.主桁截面的检算

3.联结系的检算

4.桥面的检算

5.主桁、联结系、桥面稳定后的主桁、联结系以及桥面的最终检算

6.连接计算（各部分杆件之间的连接方式以及节点板、拼接板、焊缝与螺栓计算）

7.预拱度计算及实现方式

8.伸缩缝的计算设计

三．主桁的粗选

3.1选取的原则：

按照钢材的容许应力为屈服应力的1/1.7确定主桁需要的截面面积，从而粗选主桁截面。

以Q370为例：

对于拉杆：

拉杆受强度、疲劳控制，应力为370/1.7=217.6Mpa，拉杆应力计算采用扣除螺栓消弱后的净面积，并考虑杆件由于刚接的次应力，所以拉杆杆件需要面积采用：

杆件内力/150

对于压杆：

压杆受强度、稳定控制，检算稳定时考虑容许应力折减，所以压杆一般由稳定控制。

检算压杆，采用毛面积，粗选截面时压杆杆件需要面积采用：

杆件内力/160。

杆件越长截面越小，压杆容许应力折减越多，所以对于长细杆，可以采用压杆杆件需要面积：

杆件内力/140。

粗选主桁后，控制大的指标，读取主桁的支反力、刚度条件是否符合规范。

3.2内力控制组合

主力：

恒载+活载+支座沉降

3.3计算模型

平面一次成桥模型

建模方式：

a、cad中导入主桁杆件

b、施加荷载，注意二恒的取值，平面一次成桥模型的二恒：

（整体二恒+初估联结系+初估桥面）/主桁片数

3.4截面迭代

用编写好的excel读取midas模型中的主力最大最小轴力迭代截面，迭代次数一般大于3次。

（参考286截面选取excel）

按照粗选后的截面，先总体分析主桁的整体受力特性，为下一步主桁截面检算及截面优化修改打下基础。

四．主桁截面的检算

进一步细化主桁截面：

1.综合考虑主力下主桁杆件的轴力、弯矩组合应力

2.压杆的整体稳定与局部稳定

3.拉压杆的疲劳

4.1内力控制组合

主力：

恒载+活载+支座沉降，读取主力下最大最小内力时相应的其他内力，每个单元共6组内力值。

4.2平面一次成桥模型

4.3截面优化

分析杆件受力形式，对于检算没通过的杆件，分析没通过的原因，按照检算的结果对应修改优化截面。

（参考286主桁截面检算excel）

对于修改后的截面，自己整体分析截面是否与钢桥主桁内力相吻合。

五．联结系的检算

联结系包括纵横向联结系：

平联与横联。

作用:

与主桁一起是桥跨形成稳定的空间结构，承受纵横向荷载，联结系受横向风力影响较大。

4.1平联

4.1.1内力控制组合

恒载+活载+风力（弯梁需要考虑摇摆力与离心力）

4.1.2计算模型

空间模型，空间模型二恒的加载不同于平面一次成桥，空间中的二恒是钢桥真正的二恒。

4.1.3平联检算

读取midas平联控制组合下的内力，用编写好的excel检算平联。

（参考286联结系截面检算excel）

4.2横联

4.1.1内力控制组合

主力+温度+风力（弯梁需要考虑摇摆力与离心力）

4.1.2计算模型

空间模型

4.1.3横联检算

读取midas横联联控制组合下的内力，用编写好的excel检算横联。

（参考286联结系截面检算excel）

检算前先了解联结系在恒载以及风力作用下的受力特性，为联结系截面的优化提供修改依据。

六．桥面的检算

对于桥面计算，不同的桥面有不同的计算方式，但是桥面计算的原理相当，应该从理解桥面计算的目的-----计算途径着手。

以286钢桁拱桥面计算为例阐述桥面计算的一般流程。

6.1桥面布置与杆件组成

桥面杆件组成：

1.纵向杆件：

纵梁、u肋

2.横向杆件：

横梁、横肋、横梁端头

3.斜向杆件：

k撑

4.桥面板

与传统的桥面相比较，桥面板与主桁下弦不直接连接，桥面板焊接在两横向中心距为9m纵梁的上，一个节间长度11m范围内，在两道横梁支点上伸出4个横梁端头，将桥面与主桁相连接，每个横梁端头左右两边各设置一个斜撑，连接主桁节点与横肋与纵梁的交点。

6.2桥面分析思路

a．确定一组较优桥面组成杆件截面尺寸的依据：

1.连接方便

2.各桥面组成杆件受力均衡，传力清晰。

b．桥面分析目的：

1.活载、二恒等竖向力均作用在桥面上，u肋、桥面板、纵梁、横肋、横梁、k撑、横联端头将竖向力传至主桁节点，再通过吊杆、腹杆传至拱肋。

桥面分析明确竖向力在桥面上的传力途径，分析桥面各个杆件的受力特性，认识各个杆件的作用，并指导桥面截面尺寸调整。

2.平面模型没有建立桥面，只能分析主桁受力，故桥面计算在空间模型中完成。

c．桥面分析途径

1.桥面计算内力控制组合：

恒载+冲击系数X活载。

2.活载采用静活载模拟，首先按照受力特性，计算桥面各杆件的冲击系数。

3.明确桥面各杆件的控制单元，即明确桥面各杆件静活载加载的纵向位置，通过寻找各杆件在恒载下受力最大的单元完成。

4．明确各杆件受控制的活载类型，车道加载在空间模型的虚梁单元上，建立两种车辆，标载活载与特中活载，分别查看两种车辆荷载下桥面杆件控制单元的内力，明确控制的活载类型。

5.静活载加载长度的确定：

通过建立虚梁单元，车道加载在虚梁单元上，查看midas中影响线追踪器，确定桥面杆件控制单元的静活载加载长度。

6.3桥面各个组成部分的受力特性

由于桥面采用焊接与栓接形式，整体表现为纵横梁整体受力形式，空间分析中采用梁格模拟。

本桥采用全桥空间梁格模型进行计算，即通过有效顶板宽度的计算方法，将钢桥面系离散成横梁、横肋、纵梁、纵肋等几种梁单元，将离散后的钢桥面系带入全桥，参与全桥的整体计算，得出离散后的各自受力。

该方法体现出了各位置主桁变形及支承刚度的影响，比较接近实际情况。

6.3.1纵向杆件：

纵梁、u肋的受力特性

纵梁、u肋通过桥面板、横梁、横肋、横梁端头、k撑与主桁节点相连，纵梁、u肋轴向表现为整体受拉压，即参与主桁下弦整体受力。

u肋整体表现为平面梁受力特性，纵梁由于k撑影响表现为空间梁受力特性。

轴力：

纵梁与u肋参与主桁轴向受力，即第一体系内力，其轴力方向与主桁下弦杆基本一致，边上几个节间受压力，其余节间均受拉力，且越靠近跨中拉力越大，在跨中处横肋间纵梁轴力较横肋与横梁间纵梁轴力大。

面内弯矩：

u肋体现为跨度为2.75m的连续梁弯矩特性，纵梁体现为跨度为11m的两端支点负弯矩跨中正弯矩的连续梁弯矩特性，最大正弯矩位于跨中附近，最大负弯矩位于中支点附近，面内弯矩即第二体系内力。

面外弯矩：

u肋面内弯矩不大，可以忽略；纵梁由于受到k撑和横梁端头轴力作用，有一部分面外弯矩，应考虑。

6.3.2.斜向杆件：

k撑受力特性

为减小横向杆件的横向变形，分担横联端头的竖向传力，设立斜向k撑。

K撑整体表现为空间梁受力特性，主要受力有轴力、面内弯矩与面外弯矩。

轴力：

在跨中附近处，左右k撑均轴向受拉，大小相等；在中支点附近处，左k撑轴向受压，右k撑轴向受拉；

面内弯矩：

与主桁相连的k撑端部负弯矩，与纵梁相连的受正弯矩；且在跨中附近，正弯矩出现最大值，在中支点附近，负弯矩出现最大值；

面外弯矩：

在跨中附近，与主桁相连的k撑端部负弯矩，与纵梁相连的受正弯矩；而在中支点附近，左k撑所受面外弯矩较小，与主桁相连的k撑端部受面外正弯矩，与纵梁相连的受负弯矩。

6.3.3.横向杆件：

横梁、横肋

横梁、横肋加大桥面的扭转刚度，加强桥面结构的恒载下横向联系，保证结构整体受力。

横梁与横肋整体表现为空间梁受力特性，主要受力有面内剪力、面外剪力、面内弯矩与面外弯矩。

轴力：

横梁、横肋的轴力较小，可忽略不计；

面内剪力：

横梁与横肋的面内剪力沿杆轴向呈斜直线，杆端剪力最大，杆中剪力几乎为0；在中支点附近杆端的剪力出现最大值；

面外剪力：

横梁与横肋的面外剪力沿杆轴向呈斜直线，杆端剪力最大，杆中剪力几乎为0，在中支点附近杆端剪力出现最大值；

面内弯矩：

横梁的面内弯矩由于横梁端头的固接作用产生的弯矩与横梁本身具有简支梁特性的弯矩叠加而成，杆端与杆中均为正弯矩，且杆中弯矩最大；与K撑相连的横肋面内弯矩与横梁的相似，未与K撑相连的横肋的面内弯矩呈抛物线型，杆端几乎为0，杆中为最大；

面外弯矩：

横梁的面外弯矩基本呈杆端为负，中间为正的抛物线型，越靠近中支点其值越大，越靠近跨中值越小；中跨部分横肋面外弯矩较小，中支点处横肋面外弯矩最大。

横梁及横肋的面外弯矩远小于面内弯矩。

6.3.4横向杆件：

横梁端头

横梁端头将桥面上大部分竖向荷载传递到主桁节点，横梁端头整体表现为空间梁受力特性，主要受力有面内剪力、面外剪力、面内弯矩与面外弯矩。

轴力：

横梁端头的轴力较小，可忽略不计；

面内剪力：

横梁端头的面内剪力呈直线型，整根杆件几乎相等；

面外剪力：

横梁端头的面外剪力与面内剪力相似，且越靠近中支点剪力越大；

面内弯矩：

横梁端头的面内弯矩呈斜直线，一端为正，一端为负，中间几乎为0；跨中附近正弯矩最大，中支点附近负弯矩最大；

面外弯矩：

与面内弯矩相似，且中支点附近正弯矩与负弯矩均为最大，横梁端头的面外弯矩同样小于面内弯矩。

6.4桥面杆件检算

读取桥面杆件控制单元midas内力，用编写好的excel检算。

（参考286桥面杆件检算excel）

七．主桁、联结系、桥面稳定后的主桁、联结系以及桥面的最终检算

桥面、联结系及主桁最终稳定后从新按照之前编写好的excel检算表格最终检算。

八．预拱度计算

提取平面一次成桥结果，计算理论预拱度，预拱度最终的实现方式与理论预拱度会有差额，预拱度的实现通过cad杆件的旋转及伸缩中模拟。

伸缩与旋转的原则：

保持桥面不变。

九．伸缩缝的计算

读取模型中的梁段纵向位移，设计伸缩缝。

十．连接计算

1.焊缝的计算

2.螺栓的计算

2.1主桁螺栓连接计算

2.2联结系螺栓连接计算

2.3桥面螺栓连接计算

3.节点板、拼接板的计算

十一．钢桥设计中的几个一致性

1.平面模型与空间模型的一致性，通过比较两个模型的恒载下的支反力。

2.用钢量计算的一致性，（空间模型中各个杆件重量的提取之和与平面模型中提取自重下支反力加上联结系与桥面用钢量之和一致）。

十二．钢桥设计中的平面、空间以及一次成桥与分施工阶段模型的关系

1.桥梁最终受力是与施工方式有关，最终受力状态应该以按施工状态模拟的模型为准，为此有必要分析一次成桥与分施工阶段模型的比较。

包括支反力与主桁内力比较。

2.平面模型没有考虑联结系、桥面参与主桁的受力，有必要考察平面模型与空间模型支反力及内力的比较。

3.综合考虑风力或者制动力时，容许应力有所提高，但是有必要检算空间模型中受风力及制动力影响较大的杆件。