【文章內(nèi)容簡介】 14 MnNbq，板厚12—50 mm，橋面與聯(lián)結(jié)系構(gòu)件采用Q345D，板厚12—28 mm，輔助結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼。加勁弦和拱肋下弦采用焊接箱形截面，截面高800—1 100 mm，外寬800 mm，板厚20—50 mm；平弦部分弦桿，中弦和拱肋上弦采用焊接H形截面，截面高760～l 200 mm，外寬800 mm，板厚16～50 mm。腹桿采用箱形及H形截面，箱形截面高800～l 100 mm，外寬800 mm，板厚24—50 mm；H形截面高700～940 mm，外寬800 mm，板厚20—36 mm。系桿采用焊接H形截面，截面高1 400 mm，外寬800 mm，板厚50 mm。所有桿件最大長度28．3 m，最大安裝吊重35 t。全橋共34對(duì)吊桿，吊桿長度765 m，均采用焊接H形截面，截面寬度800 mm，翼緣寬度700—920 mm，分節(jié)段拼接接長。：懸臂施工優(yōu)點(diǎn)：自重較輕，施工簡便，桿件直接受拉與受壓，能充分發(fā)揮材料性能。 缺點(diǎn)：后期對(duì)拱肋、吊桿的維修養(yǎng)護(hù)工作量較大，費(fèi)用也較高。 橋式方案推薦意見（1）從結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)：鋼桁架拱橋中各個(gè)桿件基本都是承受拉、壓受力，非常適合鋼材的特性，整體結(jié)構(gòu)受力最為合理，安全可靠度最高；其次是連續(xù)鋼桁架梁橋；由于預(yù)應(yīng)力混凝土受徐變等各種應(yīng)力損失，以及混凈土的不穩(wěn)定影響，連續(xù)剛構(gòu)梁橋在結(jié)構(gòu)受力方便在三種橋式方案中居后。（2）使用維護(hù)：由用鋼量的多少可以看出，鋼桁架拱橋后期維修量最大，維修困難也最大；連續(xù)剛構(gòu)梁橋雖然維修較少，省去了更換支座的麻煩，但是一旦發(fā)生梁開裂損壞，維修更壞將十分困難；連續(xù)鋼桁梁橋，由于其桿件的標(biāo)準(zhǔn)化工廠化程度高，后期桿件的更換維修也十分簡單。（3）工程造價(jià)：連續(xù)剛構(gòu)梁橋用鋼量最少，橋式最為簡潔，材料使用的都是預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁造價(jià)最低；鋼桁架拱橋用鋼量最大，且拱墩基礎(chǔ)大耗大量混凝土，造價(jià)最高；連續(xù)鋼桁梁橋材料造價(jià)居中。（4）美觀方面：連續(xù)剛構(gòu)橋造型簡潔，顯得流利爽快，不拖泥帶水；鋼桁架拱橋造型最為優(yōu)美，猶如彩虹橫跨兩岸；連續(xù)鋼桁架梁橋傳統(tǒng)古樸的方式橫通大江。（5）施工方面連續(xù)鋼桁架拱橋施工復(fù)雜，技術(shù)要求高；連續(xù)剛構(gòu)采用懸臂法施工不干擾通航但工期最長；連續(xù)鋼桁梁橋施工簡便工期最短短，采用伸臂法施工亦不干擾通航。從高速鐵路安全的實(shí)際需要和長久維修方便的需要，和滿足國家快速建設(shè)客運(yùn)專線運(yùn)營的需要，連續(xù)鋼桁架梁橋是最合適選擇。 中南大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第4章 主桁桿件設(shè)計(jì)第4章 主桁桿件設(shè)計(jì)根據(jù)選定的雙線連續(xù)鋼桁梁橋的方案，確定主要技術(shù)指標(biāo)：1）結(jié)構(gòu)的基本尺寸計(jì)算跨度 節(jié)間長度10m主桁中心距： 11m 主桁高：2）鋼材及基本容許應(yīng)力 桿件及構(gòu)件用Q345qD 普通低合金鋼；高強(qiáng)度螺栓用40B 鋼；精制螺栓用ML3；螺母及墊圈用45 號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼；鑄件用ZG25；輥軸用鍛鋼35。鋼材的基本容許應(yīng)力參照《橋規(guī)》。3）結(jié)構(gòu)連接方式及尺寸連接方式：桁梁桿件及構(gòu)件采用工廠焊接，工地高強(qiáng)度螺栓連接；人行道托架采用精制螺栓連接。連接尺寸：焊縫的最小焊腳尺寸參照《橋規(guī)》；高強(qiáng)度螺栓的桿徑為：?22，孔徑為d = 23mm 。4）設(shè)計(jì)恒載主桁 :。 聯(lián)結(jié)系；橋面系； 高強(qiáng)度螺栓；檢查設(shè)備； 橋面；焊縫。5）活載高速鐵路ZK 活載，活載標(biāo)準(zhǔn)圖式參照《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》。6）設(shè)計(jì)規(guī)范中華人民共和國鐵道部2005 年《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中華人民共和國鐵道部2005 年《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中華人民共和國鐵道部2003 年《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》 主桁桿件設(shè)計(jì)方法及過程由于連續(xù)鋼桁梁橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，其各桿件的內(nèi)力不僅與荷載相關(guān)，還與橋面橋面系、主桁恒載、聯(lián)結(jié)系、高強(qiáng)度螺栓檢查設(shè)備、焊縫、每線總恒載、各桿件相對(duì)剛度有關(guān)，因此對(duì)于連續(xù)鋼桁梁橋，首先需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先擬定各桿件的截面形式和尺寸，根據(jù)這些尺寸計(jì)算各桿件在內(nèi)力組合下的控制內(nèi)力和各節(jié)點(diǎn)的位移，然后對(duì)各桿件進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、疲勞、穩(wěn)定等檢算。根據(jù)檢算的結(jié)果調(diào)整桿件的截面形式和尺寸，然后再重復(fù)上面的過程，直到桿件的截面不僅滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定的要求，同時(shí)也是最優(yōu)的，體現(xiàn)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。由上面的敘述可知，主桁桿件的設(shè)計(jì)過程其本質(zhì)是一個(gè)不斷試算，不斷迭代的過程，其計(jì)算工作量相當(dāng)繁重，因此在本設(shè)計(jì)中，為保證設(shè)計(jì)進(jìn)度以及計(jì)算的準(zhǔn)確性，我們采用計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)整個(gè)的設(shè)計(jì)過程，編程語言采用FORTRAN，計(jì)算理論基礎(chǔ)為矩陣位移法。圖41 主桁桿件設(shè)計(jì)流程圖從圖41主桁桿件設(shè)計(jì)流程圖中可以得出，在整個(gè)設(shè)計(jì)中有以下幾個(gè)關(guān)鍵的步驟：①計(jì)算各桿件在荷載組合作用下的控制內(nèi)力②檢算各桿件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定和疲勞 桿件控制內(nèi)力的計(jì)算本設(shè)計(jì)為連續(xù)鋼桁梁橋平面鉸接桁架結(jié)構(gòu)，如圖42主桁桿件的計(jì)算圖式由主桁架各桿件的軸線形成圖42 主桁桿件的計(jì)算圖式連續(xù)鋼桁梁為直線橋，作用在主桁桿件上內(nèi)力有恒載和ZK 活載，計(jì)算桿件的內(nèi)力，首先計(jì)算桿件的內(nèi)力影響線，然后利用影響線進(jìn)行恒載和活載的加載，各桿件在恒載作用下的內(nèi)力是一個(gè)確定的數(shù)值，而對(duì)于活載作用的桿件內(nèi)力卻與活載的作用位置有關(guān)，進(jìn)行桿件設(shè)計(jì)需要得到各個(gè)桿件在活載作用小的最大最小內(nèi)力，然后考慮活載作用下的沖擊系數(shù)以及活載發(fā)展均衡系數(shù)的影響進(jìn)行荷載組合得到各個(gè)桿件的控制內(nèi)力。為了實(shí)現(xiàn)上述的計(jì)算，我們需要解決以下幾個(gè)問題：各個(gè)桿件影響線的計(jì)算以及利用影響線進(jìn)行恒載和活載的加載。所謂桿件軸力的影響線就是當(dāng)一個(gè)指向不變的單位集中荷載沿結(jié)構(gòu)移動(dòng)時(shí)表示該桿件軸力變化規(guī)律的圖形，因此在得到各個(gè)桿件影響線前首先應(yīng)該計(jì)算出桿件在單位荷載作用下的內(nèi)力，該內(nèi)力可采用矩陣位移法計(jì)算。綜上所述，該算法主要包括以下三方面：⑴基于矩陣位移法計(jì)算單位荷載作用下桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移；⑵繪制平面桁架的各個(gè)桿件的內(nèi)力影響線和節(jié)點(diǎn)位移影響線；⑶基于影響線進(jìn)行恒載和活載加載計(jì)算桿件內(nèi)力，通過內(nèi)力組合得到各桿件的控制內(nèi)力。 矩陣位移法概述用矩陣位移法計(jì)算平面桁架時(shí)，每個(gè)桿件當(dāng)做一個(gè)單元，以結(jié)點(diǎn)（單元之間的交點(diǎn)）位移為基本未知數(shù)，建立外荷載雨結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)剛度方程，求解結(jié)構(gòu)剛度方程得到結(jié)點(diǎn)位移，從而計(jì)算每根桿件的內(nèi)力。矩陣位移法的求解步驟：（1）結(jié)構(gòu)離散化：劃分單元，建立整體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，對(duì)結(jié)點(diǎn)和單元進(jìn)行編號(hào)，目的是讓計(jì)算機(jī)識(shí)別各個(gè)單元和結(jié)點(diǎn)。局部坐標(biāo)系沿單元方向，軸則從軸出發(fā)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)901度。 （2）單元分析：即建立每個(gè)單元的桿端力與桿端位移之間的關(guān)系單元?jiǎng)偠确匠獭＃?）整體分析： 根據(jù)結(jié)點(diǎn)的平衡，建立結(jié)構(gòu)的外荷載與結(jié)點(diǎn)位移的的關(guān)系結(jié)構(gòu)剛度方程。（4）求解結(jié)構(gòu)剛度方程，得到結(jié)點(diǎn)位移。（5）計(jì)算每根桿件的軸力。 矩陣位移法具體過程：所謂離散化就是指將主桁結(jié)構(gòu)分解為有限個(gè)較小的單元，對(duì)于桿件結(jié)構(gòu)一般以一根桿件作為單元；對(duì)各單元和結(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，確定結(jié)構(gòu)的整體坐標(biāo)和局部坐標(biāo)系，對(duì)于各桿件的局部坐標(biāo)系，在本設(shè)計(jì)中均由各桿件單元的結(jié)點(diǎn)編號(hào)較小的一端指向結(jié)點(diǎn)編號(hào)較大的一端。如圖43主桁桿件單元離散圖共55個(gè)結(jié)點(diǎn)，106個(gè)單元。圖43（a） 主桁桿件單元離散圖圖43（b） 主桁桿件單元離散圖圖43(c) 主桁桿件單元離散圖圖44 局部坐標(biāo)系單元圖 任取一個(gè)單元，單元長，抗拉剛度為，兩端結(jié)點(diǎn)號(hào)為，建立局部坐標(biāo)系（符號(hào)上加一橫，表示是局部坐標(biāo)系下的量），單元兩端的力為，兩端的位移為（如圖44局部坐標(biāo)系單元圖）。單元伸長量。因此，寫成矩陣形式，即：.其中： 其中：分別為局部坐標(biāo)系下單元的桿端力（單元結(jié)點(diǎn)力）、桿端位移（單元結(jié)點(diǎn)位移）和單元?jiǎng)偠染仃嚒Ｊ剑?1）反映了單元的桿端力和桿端位移之間的關(guān)系，稱為局部坐標(biāo)系下的單元?jiǎng)偠确匠?。、桿端位移的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化單元的桿端力除可以用局部坐標(biāo)系下的分量表示外，還可以用整體坐標(biāo)系下的分量表示（如圖45坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）。舍單元局部坐標(biāo)下的軸與整體坐標(biāo)系的軸的街角為，則圖45 坐標(biāo)轉(zhuǎn)化圖寫成矩陣形式，即其中[T]矩陣是正交矩陣，滿足如下的關(guān)系式 這樣有可得。 單元的桿端位移處可以用局部坐標(biāo)系下的分量表示外，還可以用整體坐標(biāo)系下的分量表示（如圖46）。兩者之間的關(guān)系為：圖46 整體坐標(biāo)系下的單元寫成矩陣形式，即：其中稱為整體坐標(biāo)系下的桿端位移（單元結(jié)點(diǎn)位移）。由式（47）可得：.將及代入,得引入則將式(42/44)代入式（48），得式(49)反映了整體坐標(biāo)系下的桿端力與桿端位移之間的關(guān)系，稱為整體坐標(biāo)下的單元?jiǎng)偠确匠?。稱為整體坐標(biāo)系下的單元?jiǎng)偠染仃?。具有如下性質(zhì)：對(duì)稱性（即），奇異性（即）。就是把與結(jié)點(diǎn)位移同方向的結(jié)點(diǎn)和在排列起來組成結(jié)構(gòu)的荷載列陣，即其中是結(jié)點(diǎn)i沿x,y方向的荷載。結(jié)構(gòu)整體分析的目的就是分析的關(guān)系。上式即為結(jié)構(gòu)剛度方程，表述了結(jié)構(gòu)的荷載列陣與位移列陣的關(guān)系。結(jié)構(gòu)剛度DE 計(jì)算按下規(guī)則：（1）總剛中的主子塊是由結(jié)點(diǎn)i的各相關(guān)單元的主子塊疊加求得，即。（2）總剛中的副子塊，當(dāng)為相關(guān)結(jié)點(diǎn)時(shí)即為鏈接他們的單元的相應(yīng)得副子塊，即；當(dāng)為非相關(guān)結(jié)點(diǎn)時(shí)即為零子塊。采用對(duì)角元素?cái)U(kuò)大法：將對(duì)角元素乘以一個(gè)大叔（比如），同時(shí)將換成。上式第個(gè)方程為由于較大，故上式可以得到，即。這種方法對(duì)結(jié)構(gòu)剛度方程改動(dòng)較少，應(yīng)用方便，但修改后的元素?cái)?shù)量極差憋較大，程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意控制計(jì)算過程中的舍入誤差。 求解結(jié)構(gòu)剛度方程采用高斯一般的線性代數(shù)方程組消元法即消元從1到循環(huán)（第1到次消元）循環(huán)結(jié)束回代按照以上據(jù)算步驟編制程序可求解出結(jié)點(diǎn)位移桿件內(nèi)力計(jì)算按公式： ZK 活載加載的計(jì)算根據(jù)《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，采用的ZK 活載的標(biāo)注圖式如圖47 所示。對(duì)于單線或雙線的橋梁結(jié)構(gòu)，各線均應(yīng)計(jì)入ZK 活載作用。設(shè)計(jì)加載時(shí)，活載圖示可以任意截取。對(duì)于多符號(hào)影響線，活載圖示可隔開，即在同符號(hào)影響線各區(qū)段進(jìn)行加載，中間的異符號(hào)影響線區(qū)段不加載。圖47 ZK 活載的標(biāo)注圖1）ZK 活載的處理 中我們已經(jīng)求得各桿件的內(nèi)力影響線和各結(jié)點(diǎn)的位移影響線，要想求得桿件在活載作用下的最大最小內(nèi)力，顯然就是當(dāng)荷載滿布在影響線的負(fù)號(hào)區(qū)域時(shí)，桿件的內(nèi)力最大，滿布在影響線的正號(hào)區(qū)域時(shí)，桿件的內(nèi)力最小。為此設(shè)置一列活載列陣從橋頭移到橋尾， 的小集中荷載，其等效值為“均布荷載值步長值”。處理后的ZK 活如圖48 所示。圖48 處理后的ZK加載活載2)ZK活載的加載方法在活載加載前確定每個(gè)單元活載的大小和位置之間的關(guān)系，子程序xq可確定，單元子活載的大小和位置關(guān)系，每移動(dòng)一步只需要知道活載列陣的第一個(gè)元素在橋上的位置就可知道整個(gè)活載列中每個(gè)單元活載在橋的位置，通過判斷語句確定加載到橋上的單元子活載，根據(jù)活載列中的各個(gè)單元的位置與每個(gè)桿件影響線的關(guān)系進(jìn)行正負(fù)加載任意取用，子程序HUOZAI可求出活載列陣移動(dòng)中的每一步每一個(gè)桿件的活載加載內(nèi)力，和比較求出每個(gè)桿件加載活載的最大最小內(nèi)力值，并且調(diào)用子程序juhengxishu求解和恒載的組合內(nèi)力。過程如圖49程序框架圖。圖49（a） 主桁桿件影響線程序框架圖 圖49（b） 程序框架圖 程序說明（1）SUBROUTINE IOMJS(HY,aa,NM,NJ,NS,IST,IEN,X,Y,IS,VS,h,b1,t1,t2,aa0)功能：讀入并且輸出桿件、節(jié)點(diǎn)及支撐條件的數(shù)據(jù) 輸入?yún)?shù)：HY,aa, NM, NJ,NS輸出參數(shù)： IST,IEN,X,Y,IS,VS,h,b1,t1,t2,aa0（2）Subroutine ganjian(HY,XL,nm,aa,h,t1,t2,b1,AA0,AR,AJ,IMX,IMY,RX,RY,bt,ht,LX,LY,LRX,LRY)功能：計(jì)算各個(gè)桿件的截面幾何性質(zhì)，并且輸出 輸入?yún)?shù)：HY,XL,nm,aa,h,t1,t2,b1輸出參數(shù)：AA0,AR,AJ,IMX,IMY,RX,RY,bt,ht,LX,LY,LRX,LRY（3）SUBROUTINE LCVCT(NM,NJ,IST,IEN,LV,IU)功能：確定獨(dú)立未知量號(hào)和單元定位向量輸入?yún)?shù)：NM,NJ,IST,IEN輸出參數(shù)：LV,IU（4）SUBROUTINE LCS (M,NM,NJ,IST,IEN,X,Y,RL,C,S)功能：計(jì)算桿件的桿長、余弦和正弦輸入?yún)?shù)：M,NM,NJ,IST,IEN,X,Y輸出參數(shù)：RL,C,S（5）SUBROUTINE KEBAR (M,E,NM,NJ,IST,IEN,AR,X,Y,C,S,RL,K1,E1)功能：計(jì)算局部坐標(biāo)單剛,調(diào)用子程序KEBAR輸入?yún)?shù)：M,E,NM,NJ,IST,IEN,AR,X,Y,C,S,RL輸出參數(shù): K1,E1(6)SUBROUTINE KE(M,E,NM,NJ,IST,IEN,AR,X,Y,AE,C,S,RL,K1)功能：，計(jì)算整體坐標(biāo)單剛， 輸入?yún)?shù)：M,E,NM,NJ,IST,IEN,AR,X,Y,AE,C,S,RL輸出參數(shù):無（7）SUBROUTINE FORMA(E,NM,NJ,N,IST,IEN,AR,X,Y,LV,AE,A,NS,IS,IU)功能：調(diào)用子程序KE，計(jì)算總剛，總剛A引入支撐條件輸入?yún)?shù)：E,NM,