长安大学钢结构课程设计.docx

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长安大学钢结构课程设计

钢结构课程设计

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指导老师：

1、设计资料

1、跨度和桥面宽度

（1）标准跨径：

30m；

（2）计算跨径：

29.2m；

（3）桥面宽度：

12.6+2×0.5m

采用混凝土防撞护栏，线荷载按7.5kN/m。

2、技术标准

设计荷载：

公路—I级

3、主要材料

（1）混凝土标号为C40

（2）钢材为Q345c

（3）螺栓与栓钉按规范要求设计。

2、设计要求

1、结构要求

（1）仅考虑自重与活载内力，施工按先架设钢梁，在现场浇筑混凝土桥面板；

（2）桥面铺装为60mm混凝土桥面铺装；

（3）横截面图与立面图，如下图：

2、设计参数

（1）C40混凝土材料特性：

密度为2600kg/m3,fck=26.8MPa,fcd=18.4MPa,ftk=2.40MPa,ftd=1.65MPa,弹性模量Ec=3.25×104MPa。

（2）Q345c钢材的材料特性：

弹性模量Es=2.1×105MPa，密度为7850kg/m3，轴向容许应力[σ]=200MPa,弯曲应力[σw]=210MPa,剪应力[τ]=120MPa,端部承压应力[σ]=300MPa。

（3）本设计中重力加速度g=10N/kg。

3、

截面拟定及顶板有效宽度的计算

按照要求钢箱梁截面采用下图所示形式。

根据《公路桥涵钢结构设计规范》（JTJ025-86）规定，

钢筋混凝土翼缘板有效分布宽度采用下列三种宽度中的最小值：

be=min[l0/3,S,b1+12hf]=min[10000,2500,3700]=2500mm.

4、截面几何性质

1、有效分布宽度混凝土顶板截面积：

Ac=0.25×25=0.625m2;

有效分布宽度范围内混凝土顶板对自身截面形心的惯性矩：

Ic=1/12×25×0.252=0.00326m4;

钢梁截面积：

As=（700-16）×45×2+1500×16=85560mm2;

钢梁对自身截面形心的惯性矩：

Ic=（1/12×700×452+700×45×7252）×2+1/12×16×14003=3.6784×1010mm4

2、截面换算：

混凝土翼缘板的换算面积：

，则换算截面如下图。

组合梁换算截面面积：

混凝土板和钢梁形心之间的距离：

组合梁截面形心至混凝土板形心的距离：

组合梁截面形心至钢梁形心的距离：

组合梁换算截面惯性矩：

换算截面中和轴距截面下缘距离：

a=1215mm

换算截面抗扭惯性矩：

IT4=1.168×109mm4

5、作用效应计算

1、永久作用效应计算

（1）一期恒载G1（钢梁自重和未硬化现浇混凝土重量）。

G1=23kN/m

（2）二期恒载G2

本设计采用混凝土防撞护栏，按单侧7.5kN/m线荷载计

全桥宽每延米桥面铺装重量为：

0.06×26×12.6=19.656kN/m,为了设计方便，近似按钢梁平均分配重量考虑，则G2=8.664kN/m。

由上述计算得每片组合梁每延米总重为：

G=G1+G2=23+8.664=31.664kN/m

由此计算出简支组合梁永久作用效应，如下表。

永久作用效应计算表

作用种类

作用集度

（kN/m）

计算跨径

（m）

弯矩（kN/m）

剪力（kN）

跨中

L/4跨

支点

L/4跨

G1

23

29.2

2451.34

1838.505

335.8

167.9

G2

8.664

923.4

692.56

126.5

63.25

G

31.664

3374.75

2531.06

462.3

231.15

2、可变作用效应计算

公路-I级车道荷载的均布荷载标准值qk和集中荷载标准值Pk为：

qk=10.5kN/m,

计算弯矩时：

Pk=[（560-180）/（50-5）*（29.2-5）+180]kN=384.36kN

计算剪力时：

Pk=384.36*1.2kN=461.232kN

（1）冲击系数计算：

结构的基频:

f=4.11Hz

由于1.5Hz≤f≤14Hz,则μ=0.1767lnf-0.0157=0.234

（2）汽车荷载横向分布系数

1）跨中及L/4处荷载横向分布系数计算（修正的刚性横梁法）

∑ai2=（12502+37502）*2=31250000

则β=0.94

1号梁影响线：

车辆荷载最不利布载方式如下图：

0.5P*4*0.5*（0.701+0.148）=P*mcq1解得：

mcq1=0.849

2号梁影响线

车辆荷载最不利布载方式如下图：

0.5P*4*0.5*（0.400+0.216）=P*mcq2解得：

mcq2=0.616

2）支点处荷载横向分布系数（杠杆法）

1号梁影响线

0.5P*1.10+0.5P*0.38=P*mop1得mop1=0.74

2号梁影响线

0.5P*1.00+0.5P*0.28+0.5P*0.48=P*mop2得：

mop2=0.88

0.5P*0.12+0.5P*0.64=P*mop2得：

mop2=0.76<0.88

则2号梁支点处荷载横向分布系数为：

mop2=0.88

3）组合梁横向分布系数计算结果

组合梁横向分布系数

梁号

跨中及L/4处

支点

1#和4#

0.849

0.74

2#和3#

0.616

0.88

由结果可得，跨中及L/4处1#和4#梁横向分布系数最不利mcq=0.849.支点处2#和3#梁横向分布系数最不利mop=0.88.

（3）车道荷载效应计算

计算车道荷载引起的组合梁跨中及L/4处截面的效应时，均布荷载标准值qk应布满于使组合梁产生最不利效应同号影响线上，集中荷载标准值Pk只作用于影响线中一个最大影响线峰值处。

1）跨中截面

弯矩：

不计冲击：

M=3332.26kNm

计冲击：

M=4112.01kNm

剪力：

不计冲击：

V=228.33kN

计冲击:

V=281.76kN.

2）L/4处截面

弯矩：

不计冲击：

M=2499.19kNm

计冲击：

M=3084kNm

剪力：

不计冲击：

V=391.3kN

计冲击：

V=482.87kN

3）支点处截面剪力

支点截面由于车道荷载产生的效应，考虑横向分布系数沿组合梁跨长的变化，同样均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上，集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线的峰值处，本设计中沿跨径方向设五道横梁。

不计冲击：

V=536.80kN

计冲击：

V=662.41kN

4）

可变作用效应

弯矩（kNm）

剪力（kN）

跨中

L/4处

跨中

L/4处

支点

不计冲击

3332.26

228.33

2499.19

391.3

336.8

计冲击

4112.01

211.76

3084

482.87

662.41

3、作用效应组合

作用效应组合

荷载类型

跨中截面

L/4截面

支点

M（kNm）

V（kN）

M（kNm）

V（kN）

V（kN）

第一期永久

2451.34

0

1838.505

167.9

335.8

第二期永久

923.4

0

692.56

63.25

126.5

总永久

3374.75

0

2531.06

231.15

462.3

可变作用（不计冲击）

3332.26

2499.19

228.33

391.3

536.8

可变作用（计冲击）

4112.01

3084

281.76

482.87

662.41

标准组合（3+5）

7486.76

3084

2812.82

714.02

1124.71

6、钢—混凝土组合梁截面应力计算

1、钢梁和混凝土顶板正应力计算

对于沿跨径截面尺寸不变的组合简支梁，只需进行跨中截面正应力验算。

（1）第一受力阶段（施工阶段）

对于钢梁不设支承的组合梁，施工阶段全部荷载由钢梁承担，钢材的容许应力可以提高30%~40%，则有

钢梁的上缘正应力：

σsu=71.70MPa≤1.3[σw]=273MPa

式中：

Mqc—施工荷载产生的弯矩，模板重量假定1kN/m2

Mqc=1*10*29.22/8=1065.2kNm

钢梁下缘正应力：

σs1=71.70MPa≤1.3[σw]=273MPa

（2）第二受力阶段（使用阶段）

在使用荷载作用阶段，翼缘板现浇混凝土已经硬化，并与钢梁共同受力，后加的二期恒载包括桥面铺装、防撞护栏等重量及活载由组合截面承担，应按换算截面几何特性值计算截面应力。

钢梁上缘正应力：

钢梁下缘正应力：

混凝土翼板上缘正应力：

σsu=5.47MPa≤fck=26.8MPa

混凝土翼板下缘正应力：

σs1=2.99MPa≤fck=26.8MPa

2、温差引起应力计算

根据桥规，钢梁和混凝土间的计算温度差一般采用10~15oC。

（1）钢梁比混凝土顶板高15oC

PT=3.66×103kN

MT=PT*ac=1562.82kNm

式中：

ac—组合梁换算截面形心至混凝土板形心的距离

混凝土翼板上缘应力：

σcu=1.161MPa

混凝土翼板下缘应力：

σcl=1.93MPa

钢梁上缘应力：

σsu=-25.36MPa

钢梁下缘应力：

σs1=4.42MPa

（2）钢梁比混凝土顶板低15oC

按上式，同理可得：

σcu=-1.161MPa

σcl=-1.93MPa

σsu=25.36MPa

σs1=-4.42MPa

3、剪应力计算

在组合梁设计中，一般对支点附近剪力作用最不利截面进行剪应力验算。

钢梁的剪应力：

混凝土翼板剪应力：

4、钢梁翼板和腹板连接处的折算应力验算

7、抗剪连接件的设计计算

采用4.6级160φ18栓钉连接件，又160、18>4,则f=215kN/mm2,γ=1.67

单个栓钉抗剪承载力：

本设计栓钉沿桥轴线方向间距200mm，横桥方向间距175mm，栓钉到钢梁翼缘板边缘的净距离为175mm。

满足规范要求，栓钉沿跨度方向均匀布置，每片梁单位长度内栓钉布置如下图。

8、组合梁挠度验算

1、第一受力阶段（施工阶段）

钢梁的挠度计算按荷载组合短期效应，因此仅考虑施工阶段的恒载g1，简支梁在均布荷载下的挠度计算按下公式：

满足要求。

2、第二受力阶段（使用阶段）

考虑一期、二期恒载和车辆活载的作用，使用阶段挠度按下式计算：

满足要求。

9、组合梁整体稳定性验算

主梁换算截面绕纵轴惯性矩：

i=1/12*45*7003*2+1/12*1400*163=3.78*109mm4

主梁换算截面绕中和轴惯性矩：

i0=7.887*1010mm4

主梁受压翼缘两相临节点的距离取l0=2.0m,而h=1500mm

换算长细比为：

查表得

，则

故组合梁整体稳定性满足要求。