【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)公鐵兩用鋼桁梁橋設(shè)計(jì)Design of Highway and Railway Double Use Steel Truss Bridge摘 要伴隨著重載交通迅速發(fā)展的需要，公鐵兩用鋼桁梁橋在近十年里取得了重大突破和發(fā)展，有著廣闊的前景。本文主要進(jìn)行448單線(xiàn)鐵路公鐵兩用鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算。首先，選取主桁幾何圖式，確定公路與鐵路荷載，計(jì)算主桁桿件內(nèi)力以及選取各桿件截面。其次，進(jìn)行橋面系、聯(lián)結(jié)系和公路橋面板的計(jì)算。最后，進(jìn)行桁架上拱度和支座設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)對(duì)公鐵兩用桁架梁橋進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，對(duì)公鐵兩用桁架梁橋施工過(guò)程有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：公鐵兩用 鋼桁梁橋 H型截面AbstractWith the needs of rapid development of Heavy traffics, the Double Use Steel Truss Bridge for Highway and Railway have made a major breakthrough and development in the past decade, there are broad prospects. This paper is mainly on the design of a 448m twoiron steel truss bridge. First, select the Geometric Schema of the main truss, determine the highway and railway loads, calculate internal forces of the main truss member and choose the crosssection of the member bar. Second, calculate the deck system, the link system and the highway deck plate. Finally, design the support abutment and the camber of the girder grillage. This paper carries out a detailed design and calculation for the dualuse iron truss bridge, which would provide a certain value for the construction process of the dualuse iron truss bridge. Key words: double use on highway and railway Steel truss bridge Hsection目　錄第1章 緒論 1 鋼桁梁橋的主要特點(diǎn) 1 公鐵兩用鋼桁架梁橋的連接 1 公鐵兩用鋼橋的發(fā)展情況 2 公鐵兩用鋼桁架梁橋的前景展望 3 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容概述 5第2章 主桁幾何圖式確定及主力作用下各桿件內(nèi)力計(jì)算 6 概述 6 恒載計(jì)算 7 影響線(xiàn)面積計(jì)算 7 內(nèi)力計(jì)算 8第3章 附加力作用下各主桁桿件內(nèi)力計(jì)算 10 概述 10 橫向風(fēng)力 10 橋門(mén)架效應(yīng) 11 制動(dòng)力 11第4章 確定主桁桿件計(jì)算內(nèi)力 13 概述 13 計(jì)算 13第5章 主桁桿件的截面設(shè)計(jì) 15 概述 15 上弦桿 15 剛度驗(yàn)算 16 板件局部穩(wěn)定驗(yàn)算 16 桿件總體穩(wěn)定驗(yàn)算 16 下弦桿 16 桿件強(qiáng)度驗(yàn)算 17 剛度驗(yàn)算 17 疲勞驗(yàn)算 17 斜桿 18 剛度驗(yàn)算 18 桿件強(qiáng)度驗(yàn)算 19 板件局部穩(wěn)定驗(yàn)算 19 桿件總體穩(wěn)定驗(yàn)算 19 疲勞驗(yàn)算 19 吊桿 20 剛度驗(yàn)算 21 強(qiáng)度驗(yàn)算 21 求橫梁內(nèi)力 21 截面驗(yàn)算 22第6章 桿件拼接計(jì)算 23 概述 23 腹桿桿端連接螺栓數(shù)計(jì)算 23 斜桿 23 吊桿 23 下弦桿節(jié)點(diǎn)連接螺栓數(shù)計(jì)算 23 上弦桿節(jié)點(diǎn)連接螺栓數(shù)計(jì)算 24第7章 節(jié)點(diǎn)板計(jì)算 26 概述 26 下弦大節(jié)點(diǎn)計(jì)算 26 節(jié)點(diǎn)中心處節(jié)點(diǎn)板豎向截面上法向應(yīng)力驗(yàn)算 26 求截面中性軸的位置 26 驗(yàn)算法向應(yīng)力 27 驗(yàn)算剪應(yīng)力 28 驗(yàn)算撕裂應(yīng)力 28 下弦小節(jié)點(diǎn)的計(jì)算 29 下弦端節(jié)點(diǎn)的計(jì)算 30 下弦節(jié)點(diǎn)處與下平縱聯(lián)相連增設(shè)的節(jié)點(diǎn)板計(jì)算 31 計(jì)算其與下平縱聯(lián)連接螺栓數(shù) 31 驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)板的法向應(yīng)力及撕裂應(yīng)力 32 上弦大節(jié)點(diǎn)計(jì)算 33 節(jié)點(diǎn)中心處節(jié)點(diǎn)板豎向截面上法向應(yīng)力驗(yàn)算 33 求截面中性軸的位置值 33 驗(yàn)算法向應(yīng)力 34 驗(yàn)算剪應(yīng)力 35 驗(yàn)算撕裂應(yīng)力 35 上弦小節(jié)點(diǎn)計(jì)算 35第8章 橋面系設(shè)計(jì) 37 概述 37 縱梁設(shè)計(jì)和計(jì)算 37 求縱梁內(nèi)力 37 繪制縱梁影響線(xiàn)，求影響線(xiàn)面積 37 求恒載產(chǎn)生的內(nèi)力 38 求靜活載產(chǎn)生的內(nèi)力 38 求縱梁的計(jì)算內(nèi)力 38 縱梁截面的彎曲應(yīng)力與剪應(yīng)力驗(yàn)算 39 驗(yàn)算跨中截面彎曲應(yīng)力 39 疲勞驗(yàn)算 39 驗(yàn)算梁端截面的剪應(yīng)力 40 縱梁梁端連接計(jì)算 40 連接角鋼上的螺栓數(shù)計(jì)算 40 魚(yú)形板的計(jì)算 41 縱梁的腹板穩(wěn)定驗(yàn)算 41 加勁肋的截面尺寸擬定 42 端部加勁肋的計(jì)算 42 中間橫梁設(shè)計(jì)和計(jì)算 42 求橫梁內(nèi)力 42 彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、及換算應(yīng)力的驗(yàn)算 43 彎曲應(yīng)力驗(yàn)算 44 疲勞驗(yàn)算 44 剪應(yīng)力驗(yàn)算 45 換算應(yīng)力驗(yàn)算 45 橫梁梁端連接計(jì)算 46 橫梁腹板穩(wěn)定性驗(yàn)算 47 端橫梁設(shè)計(jì)和計(jì)算 47 擬定截面尺寸并計(jì)算千斤頂反力 47 驗(yàn)算彎曲應(yīng)力和換算應(yīng)力 48第9章 聯(lián)結(jié)系設(shè)計(jì) 49 概述 49 平縱聯(lián) 49 平縱聯(lián)的腹桿體系 49 求各節(jié)間斜桿內(nèi)力 50 求斜桿的內(nèi)力 50 求斜桿的內(nèi)力 52 求斜桿的內(nèi)力 54 求各節(jié)間撐桿內(nèi)力 56 截面驗(yàn)算 56 下平縱聯(lián)斜桿截面驗(yàn)算 56 下平縱聯(lián)橫撐截面驗(yàn)算 57 橫向聯(lián)結(jié)系及橋門(mén)架 58 制動(dòng)聯(lián)結(jié)系 59 制動(dòng)聯(lián)結(jié)系的作用及圖式 60 制動(dòng)聯(lián)結(jié)系的計(jì)算 60 鐵路縱梁間的縱向聯(lián)結(jié)系 61 內(nèi)力計(jì)算 61 豎向荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力 61 橫向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力 63 自重應(yīng)力 63 內(nèi)力組合 64 連接螺栓 64 截面驗(yàn)算 64 斜撐 65 橫撐 65 公路縱梁間的縱向聯(lián)結(jié)系 65 內(nèi)力計(jì)算 65 豎向荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力 66 橫向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力 67 自重應(yīng)力 68 內(nèi)力組合 68 連接螺栓 68 截面驗(yàn)算 69 斜撐 69 橫撐 69第10章 桁架上拱度及橫向剛度設(shè)置 71 概述 71 桁架撓度 71 上拱度 72 上拱度的設(shè)置方法 72 上拱度計(jì)算 72 橫向剛度 74第11章 公路橋面設(shè)計(jì) 75 概述 75 內(nèi)力計(jì)算 75 配筋并驗(yàn)算 76第12章 支座設(shè)計(jì) 78 概述 78 支座的計(jì)算荷載 78 支座驗(yàn)算 79第13章 小結(jié) 81第14章 結(jié)論與不足 82 結(jié)論 82 不足與優(yōu)化 82參考文獻(xiàn) 84致謝 85附錄A 外文翻譯 86附錄B 表格 99第1章 緒論 鋼桁梁橋的主要特點(diǎn)以鋼桁架作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁稱(chēng)為鋼桁橋。在各種建筑材料中，鋼材是一種抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度均較高的均質(zhì)材料，因此鋼橋具有很大的跨越能力。桁架橋一般由主橋架、上下水平縱向聯(lián)結(jié)系、橋門(mén)架和中間橫撐架以及橋面系組成。在桁架中，弦桿是組成桁架外圍的桿件，包括上弦桿和下弦桿，連接上、下弦桿的桿件叫腹桿，按腹桿方向之不同又區(qū)分為斜桿和豎桿。弦桿與腹桿所在的平面就叫主桁平面。大跨度橋架的橋高沿跨徑方向變化，形成曲弦桁架；中、小跨度采用不變的桁高，即所謂平弦桁架或直弦桁架。鋼桁橋綜合了鋼材和桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：跨越能力強(qiáng)；鋼桁架構(gòu)件適合于工業(yè)化制造，便于運(yùn)輸和工地安裝，易于修復(fù)和更換；鋼桁架結(jié)構(gòu)抗壓能力強(qiáng)，整體性好。但同時(shí)鋼桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，桁架的桿件內(nèi)力可能因荷載及地基的變化而發(fā)生變化；鋼桁橋造價(jià)較高，因鋼材易于修飾，其養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也較高；鋼橋采用明橋面時(shí)噪聲較大。 公鐵兩用鋼桁架梁橋的連接桁架梁橋是由各種桿件或部件組合而成的，這些構(gòu)件和部件是由鋼板和各種型鋼組成的，因此鋼橋連接既包括將型鋼、鋼板組合成桿件與部件，也包括將部件及桿件連接成鋼橋主體。公鐵兩用桁架梁橋的連接有鉚接、焊接、栓接三種。鉚接在鋼橋連接中使用的歷史最長(zhǎng)。鉚接是將半成品鉚釘加熱到1050～1150攝氏度，塞入釘孔，利用鉚釘槍將鉚釘身墩粗填滿(mǎn)釘孔，并將另一端打成釘頭，或在工廠(chǎng)將鉚釘加熱到650～750攝氏度，用鉚釘機(jī)鉚合。常用的鉚釘直徑為22mm及24mm。這種連接方式傳力可靠，但施工時(shí)既要鉆孔又要鉚合，費(fèi)時(shí)間，費(fèi)材料，對(duì)操作工人的技術(shù)要求高，操作中消耗體力大工作環(huán)境不好，噪聲大。在第二次世界大戰(zhàn)中，歐洲許多鋼橋遭到破壞，為了戰(zhàn)后恢復(fù)被破壞的鋼橋，橋梁制造引進(jìn)了焊接技術(shù)。焊接結(jié)構(gòu)因截面無(wú)釘孔損失，比鉚接結(jié)構(gòu)省料，加工快，且可以改善工人的工作環(huán)境；但在野外高空作業(yè)時(shí)會(huì)受到一定的限制。20世紀(jì)五十年代又引進(jìn)了高強(qiáng)度螺栓連接，高強(qiáng)度螺栓代替鉚釘，后來(lái)各國(guó)在新建橋梁中都采用了這種技術(shù)。焊接是用一定的設(shè)備通過(guò)電能將被焊鋼材和焊接材料熔化，形成了一條焊縫把兩個(gè)構(gòu)件連接在一起。焊縫的力學(xué)性能要求不低于母材。焊接材料有焊絲、焊條、溶劑。不同的鋼材要選用不同的焊接材料。焊接時(shí)所采用的電流、電壓的大小，焊接的速度的快慢，也隨鋼材的不同而不一樣。鋼橋上應(yīng)用的焊縫主要有兩種，即熔透的對(duì)接焊縫和不熔透的角焊縫。焊接方法有自動(dòng)焊，半自動(dòng)焊，手工焊。我國(guó)鋼橋螺栓連接是抗滑移型高強(qiáng)度螺栓連接，高強(qiáng)度螺栓擰緊后，對(duì)鋼板束施加了強(qiáng)大的加進(jìn)力，而在鋼板表面產(chǎn)生摩擦力。桿件或構(gòu)件內(nèi)力就是通過(guò)鋼板表面的摩擦力傳遞的。規(guī)范規(guī)定鋼板表面除銹后，采用熱噴鋁涂層，常用的是扭矩法擰緊工藝，即利用安裝時(shí)施加在螺母上的扭矩控制螺栓的預(yù)應(yīng)力。高強(qiáng)度螺栓的一項(xiàng)工藝指標(biāo)是扭矩系數(shù)。根據(jù)扭矩系數(shù)、螺栓直徑和設(shè)計(jì)預(yù)拉力可以計(jì)算出施擰時(shí)所需要施加的扭矩大小。目前廣泛使用的所謂栓焊鋼橋是指工廠(chǎng)里板件的連接采用焊接，工地上桿件的連接采用高強(qiáng)度螺栓[1]。 公鐵兩用鋼橋的發(fā)展情況中國(guó)橋梁在新中國(guó)成立以后出現(xiàn)了鋼橋的五個(gè)里程碑，1957年武漢長(zhǎng)江公鐵兩用大橋建成，首次在長(zhǎng)江上實(shí)現(xiàn)了“一橋飛架南北，天塹變通道”。這是我國(guó)鋼橋史上的第一個(gè)里程碑。武漢長(zhǎng)江大橋正橋全長(zhǎng)1156m，橋跨結(jié)構(gòu)為三聯(lián)3128m連續(xù)鋼桁橋。這一時(shí)期建鋼橋用的材料都是進(jìn)口碳鋼，結(jié)構(gòu)是鉚接的，工藝大都采用手工操作，只是在建造武漢長(zhǎng)江大橋時(shí)，引進(jìn)前蘇聯(lián)機(jī)器樣板鉆孔，使鋼梁制造做到工廠(chǎng)化，標(biāo)準(zhǔn)化。1696年南京長(zhǎng)江大橋公鐵兩用橋的建成是第二個(gè)里程碑，正橋鋼梁全長(zhǎng)1576m，橋跨結(jié)構(gòu)為128m簡(jiǎn)支鋼桁梁加三聯(lián)3160m鉚接連續(xù)鋼桁梁。這座橋完全是依靠自己的技術(shù)力量和國(guó)產(chǎn)材料建成的長(zhǎng)江大橋，標(biāo)志著我國(guó)建橋技術(shù)進(jìn)入到了一個(gè)獨(dú)立自主的新水平。在60年代后期我國(guó)研究發(fā)展了栓焊鋼橋新技術(shù)，在成昆鐵路等線(xiàn)上的建成了13種不同結(jié)構(gòu)型式的栓焊鋼橋44座，從此結(jié)束了全部鉚接鋼橋歷史。1993年九江長(zhǎng)江公鐵兩用大橋是鋼橋史上的第三個(gè)里程碑，正橋鋼梁全1806m，橋跨結(jié)構(gòu)為栓焊，連續(xù)剛性桁梁柔性拱。2000年蕪湖長(zhǎng)江公鐵兩用大橋是鋼橋史上的第四個(gè)里程碑，該橋?yàn)橹骺?12m的斜拉橋，主梁為鋼桁梁，其主要特點(diǎn)是具有較好的綜合性能和焊接性能，尤其是低溫沖擊韌性有大幅度提高。從此，我國(guó)用國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度、高韌性鋼建造特大跨栓焊橋梁，在材料、工藝、理論方面都達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 圖11 武漢長(zhǎng)江大橋第四個(gè)里程碑就是正在興建的武漢天行洲長(zhǎng)江大橋，武漢天興洲長(zhǎng)江大橋是我國(guó)首座四線(xiàn)公鐵兩用斜拉橋，其504m主跨位居世界同類(lèi)橋梁之首，大橋荷載也列世界第一。托起大橋主橋重量的兩座主塔均為國(guó)內(nèi)斜拉橋主塔中體積最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、荷載最大的主塔。其中3號(hào)主塔高190m，連同樁基礎(chǔ)共用混凝土83200、鋼筋17850t，建成后的荷載達(dá)20000 t，均居世界同類(lèi)斜拉橋主塔之最。承擔(dān)武漢天興洲大橋施工的是50年前修建萬(wàn)里長(zhǎng)江第一橋武漢長(zhǎng)江大橋的中鐵大橋局。據(jù)介紹，3號(hào)主塔封頂后，大橋施工將全面轉(zhuǎn)入鋼梁架設(shè)及斜拉索安裝階段。武漢天興洲大橋鋼梁是世界上首次采用三主桁、三索面的新型結(jié)構(gòu)形式。預(yù)計(jì)大橋?qū)⒂?008年8月31日建成。國(guó)外的公鐵兩用橋的建設(shè)發(fā)展速度也非?？?，主要表現(xiàn)在：跨徑不斷增大，橋型不斷豐富，結(jié)構(gòu)不斷輕型化，有許多非常豐富的經(jīng)驗(yàn)值得我們?nèi)W(xué)習(xí)。如加拿大魁北克公鐵兩用橋(懸臂桁梁)，主跨549m，還有早在1932年修建的澳大利亞悉尼港拱橋，跨度503m，至今仍為世界上跨度最大的公鐵兩用鋼拱橋。 公鐵兩用鋼桁架梁橋的前景展望橋梁的跨徑代表著一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的整體水平。從現(xiàn)代橋梁的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，各種橋型結(jié)構(gòu)都在向大跨徑發(fā)展?？绾９こ桃驯粯蛄汗こ處熖嵘先粘獭Ｈ毡镜目绾９こ瘫局荨膰?guó)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)于20世紀(jì)末完成。意大利計(jì)劃修建跨徑3300m的墨西拿海峽大橋；日本計(jì)劃修建2500～3000m紀(jì)淡海峽大橋。我國(guó)本世紀(jì)初擬定修建五個(gè)跨海工程：渤海海峽工程、長(zhǎng)江口越江工程、杭州灣跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程和瓊海海峽工程。這就給橋梁工程界提出了新的挑戰(zhàn)：在結(jié)構(gòu)上研究適合應(yīng)用于更大跨度的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。在結(jié)構(gòu)理論上研究更符合實(shí)際狀態(tài)的力學(xué)