1、山西大同大学煤炭工程学院第 1 页可伸缩桁架桥的设计系别：专业：姓名：学号：山西大同大学煤炭工程学院第 2 页摘 要论文内容主要包括：对桁架桥的历史和发展的介绍，在设计的初期通过手算，对 主桁的受力进行了分析，包括对主桁、平 纵联 、桥面系的结构设计计算。然后根据采用了桥梁规 范和 HA 两种加载方式对模型进行加载和进行计算，最后对计算结果做出分析并得出结论。从而达到对桁架桥的强度验算的目的。关键词：折叠 伸缩 桁架桥 结构设计、强度验算AbstractPaper content mainly includes：Introduces the history of steel truss bri
2、dge and the development of steel truss bridge，in the early design by hand to calculate，analyzes the main truss stress，including the main truss, flat longitudinal coupon, the structure design and calculation of bridge. In the final analysis, the result, and draw the conclusion. So as to achieve the p
3、urpose that calculating the intensity of steel truss bridge.Key words: folding，retractable，truss bridge，structural design, intensity checking山西大同大学煤炭工程学院第 3 页目录1、绪论 41.1 课题的背景 .41.2 课题的内容 .42、桁架桥的总体设计 42.1 主桁的结构形式、基本尺寸及总体布置方案 .52.1.1 主桁结构形式的选择 .52.1.2 主桁的基本尺寸 .62.2 桁桥的总体布置方案 .73、主桁结构计算与设计 73.1 主桁杆的内
4、力分析与计算 .73.1.1 恒载假定 .73.1.2 外部载荷 .73.1.3 主桁杆件的内力计算 73.2 主桁杆件的截面选择与设计 .103.2.1 主桁杆件的截面选择 .103.2.2 主桁杆件的设计 .124、桥面系计算与设计 134.1 纵梁及横梁的计算与设计 .134.1.1 纵梁的设计与计算 .134.1.2 横梁的设计与计算 .154.2 联结系的设计与计算 .164.2.1 风力强度 .174.2.2 上平纵联的设计 .184.2.3 下平纵联的设计 .185、桁架桥的使用前景 186、桁架桥的预期效益分析 18总结 19参考文献 20山西大同大学煤炭工程学院第 4 页1、
5、绪论1.1 课题的背景近年来，桁架结构不仅在海洋工程、桥梁工程中得到了广泛应用，而且在工业及民用建筑中的应用日益广泛，桁架 结构在我国建筑结构中的应用也越来越多。桁架结构因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性，在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到了广泛的应用，如上海体育场、上海科技城、首都机场新航站楼、广州新白云及长航站楼广州国际会展中心、上海新国际博览中心、南京国际会展中心、南京奥林匹克体育场、江苏省南通市体育会展中心等大型工程中均采用了钢管结构。工程实际表明，桁架结构、既可以很好地满足建筑要求，又能够使结构达到安全、适用、经
6、济等性能指标，符合钢结构的最新设计观念。1.2 课题的内容本次设计所涉及的可折叠伸缩式桁架桥。设计内容按照进行的过程依次包括主桁杆件构造、桥面系梁格构造与连结、联结系构造、并进行强度、刚度、稳定性校核。其中，主桁杆件设计重点是主桁杆件的截面选择与设计。强度计算所涉及的内容是在各杆件设计的基础上，针对设计要求进行相关的校核。2、桁架桥的总体设计 下承式简支桁架桥由五个部分组成：桥面、桥面系、主桁、联结系和支座。主桁是桁梁桥的主要承重结构，它由上、下弦杆和腹杆组成，各桁件交汇处用节点板连接，形成节点。由于节点的刚性，主桁架在受弯时，杆件将引起端部弯曲，产生二次应力。要使主桁架形成空间稳定的受力结构
7、，必须设置水平桁架把两片或多片桁架连接成空间受力结构，这个上、下水平桁架统称为纵向联结系。外部荷载首先通过桥面传到纵梁，然后由纵梁把力传给横梁，再由横梁传给主桁。由纵梁、横梁及两纵梁之间的联结系组成桥面系。主桁由上、下弦杆山西大同大学煤炭工程学院第 5 页及腹杆组成。倾斜的腹杆称为斜杆；竖直的腹杆称为竖杆。由横梁传来的力，通过主桁传给支座，再由支座传给墩台。钢桁梁除承受竖向荷载外，还承受横向水平荷载。在两主桁弦杆之间，加设若干水平布置的撑杆，并与主桁弦杆共同组成一个水平桁架，以承受横向水平力。这个桁架就叫水平纵向联结系，简称平纵联。在上弦平面的平纵联称为上平纵联；在下弦平面的平纵联称为下平纵联
8、。下平纵联与下弦杆组成的水平桁架的两端与支座相连，横向水平力可直接通过支座传给墩台；而上平纵联与上弦杆组成的水平桁架的两端则支承在桥门架两端（桥门架由两根端斜杆及其间的撑杆组成） ，横向水平力先传给桥门架，再由桥门架传给支座和墩台上去。2.1 主桁的结构形式、基本尺寸及总体布置方案2.1.1 主桁结构形式的选择主桁是桁架桥的主要组成部分，它的结构选择是否合理，对桁架的设计质量起着重要的作用。在拟制主桁结构形式时，应根据桥位当地的具体情况（如地形、地质、水文、气象、运输条件等） ，选择一个较为经济合理的方案。它不仅能满足桥上运输及桥下净空的要求，而且还能节约钢材，便于制造、运输、安装和养护等。本
9、次设计采用下承式简支栓焊桁架桥，桥跨 64 米，宽 9 米，属于一中等跨度（L=48 米80 米）的桁架桥。此类桁架桥主桁的几何结构采用图 2.1 中之（a）式，而不用（b）式。这两者不同之处是斜杆的方向。也正由于这点，在竖向荷载作用下，图式（a）较图式（b）的竖杆受力较小，受压斜杆的数量也较少，而且图式（b）的弦杆内力每个节间都得变化一次，而图式（a）的弦杆内力相对稳定，因而图式（a）的弦杆截面易于选择，且较为经济合理。正因为如此，本次设计中采用图式（a）的结构形式（三角形腹杆体系） 。另外，此种结构形式的桁架桥，其结构简单，部件类型较少，适应设计定型化要求，也有利于加工制造与安装。山西大同
10、大学煤炭工程学院第 6 页(a)b图 2.1 主桁的几种结构形式图2.1.2 主桁的基本尺寸主桁的基本尺寸是指：主桁高度（简支桁高） 、节间长度、斜杆倾斜及两主桁的中心距离。这些尺寸的拟定，对桁架桥的技术经济指标起着重要的作用。（一）桁高 桁高越大时弦杆受力越小，弦杆的用钢量减少。但同时桁高加大带来腹杆增长，因而腹杆的用钢量又将有所增加。对于一定跨度的桁架桥，将有一定的桁高对用钢量而言是较经济的，这个桁高我们称为经济桁高。根据过去统计资料，并考虑到经济桁高，简支桁架桥的桁高可参考表 2.1。表 2.1 简支桁架桥经济桁高铁 路 桥 公 路 桥桥 型平行弦桁架 多边形桁架 平行弦桁架 多边形桁架
11、下承式 1/7L（1/51/6.5）L（1/71/10）L（1/5.51/8）L上承式 (1/71/8)L (1/81/10)L本次设计考虑多种因素取为 11 米。（二）节间长度考虑到我国钢板等型材的标准化生产等因素，其节间长度宜取为 8 米。（三）斜杆倾斜斜杆倾斜角度会影响到节点的构造。斜度设置不当，不仅会影响节点板的形状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置于靠近节点中心处，以致削弱节点刚度。根据以往设计经验，斜杆轴线与竖杆轴线的交角以在 3050内为宜。本次设计由桁高及节间距离确定其交角为 54.10。山西大同大学煤炭工程学院第 7 页（四）主桁的中心距主桁的中心距，与桁架的横向刚度有关。本次设
12、计为一公路桥梁。按本次设计的钢桁桥规格（桥面宽 9 米） ，主桁中心距为 8 米，不设人行道。主桁结构形式及其基本尺寸如图 2.2 所示：图 2.2 桁架结构形式及其基本尺寸图2.2 桁桥的总体布置方案钢桁桥的总体布置主要包括：主桁、上平纵联、下平纵联、桥门架及中间横梁（此次设计由于跨度小，没有必要设置中间横联） 。本次设计的钢桁桥的总体布置如图:图 2.3 钢桁桥总体布置图3、主桁结构计算与设计3.1 主桁杆的内力分析与计算3.1.1 恒载假定参考以往钢桁桥经验，取每片主桁架所受恒载：15kN/m。山西大同大学煤炭工程学院第 8 页3.1.2 外部载荷按公路桥涵设计通用规范第 4.3.1 条
13、，车道荷载的均布荷载标准值为 qk=10.5kN/m，集中荷载为 pk=360kN。由于是双车道，结构计算简图如下：图 3.1 结构计算简图3.1.3 主桁杆件的内力计算图 3.13 结构简图F1 反 =F16 反 =996kN对于 1 节点则 F12错误！未找到引用源。=F 1 反 -102=(996-102)kN =894kN 则 F12=894 错误！未找到引用源。=1103.7 kN（压杆）(其中 sin=0.81 cos=0.59)F12错误！未找到引用源。=F 13=1103.7 kN 错误！未找到引用源。=651.18 kN（拉杆）对于 3 节点山西大同大学煤炭工程学院第 9 页
14、则 F35=F13=651.18 kN（拉杆） F23=204 kN对于 2 节点则 F12错误！未找到引用源。=F 23+F25错误！未找到引用源。 则 F25= (F12错误！未找到引用源。-F 23)错误！未找到引用源。=552.07 kN（拉杆）F24= F25错误！未找到引用源。+F 12错误！未找到引用源。=976.90 kN（拉杆）对于 4 节点则 F46=F24=976.90 kN（压杆） F45=0 kN对于 5 节点则 F25错误！未找到引用源。+F 56错误！未找到引用源。=204 kN 则 F56=204错误！未找到引用源。-F 25=-300.22kN（压杆）F25错
15、误！未找到引用源。+F 35=F56错误！未找到引用源。+F 57 F57= F25错误！未找到引用源。- F56错误！未找到引用源。+ F35=1154.03 kN（拉杆）对于 7 节点则 F79=F57=1154.03kN（拉杆） 山西大同大学煤炭工程学院第 10 页F67=204 kN对于 6 节点则 F69错误！未找到引用源。+F 56错误！未找到引用源。+F 67=0 则 F69= (F56错误！未找到引用源。+F 67)错误！未找到引用源。=-48.37kN（压杆）F46+F69错误！未找到引用源。=F 86+F56错误！未找到引用源。 则F86= F69错误！未找到引用源。- F
16、56错误！未找到引用源。+ F46=1125.49 kN（拉杆）对于 8 节点则 F108=F86=1125.49 kN（拉杆） F89=0 kN由于是对称的结构，对称的荷载，所以左半部分与右半部分是完全一样的，因此只需要计算左半部分结构的杆件力即可！表 3.3 主桁最大内力值杆件最大内力值(kN)上弦杆 1125.49下弦杆 1154.03端斜杆 1103.7-300.22中斜杆552.07竖杆 204山西大同大学煤炭工程学院第 11 页表 3.4 主桁各杆件容许应力值杆件 容许长细比 有效高度系数 疲劳容许应力（MPa） 根数 总长(m)上弦杆 100 0.405 200 12 96下弦杆
17、 130 0.407 200 16 128端斜杆 100 0.399 200 4 54.4中斜杆 100 -0.639 119.27 12 163.2竖杆 180 0.147 180.96 14 1543.2 主桁杆件的截面选择与设计3.2.1 主桁杆件的截面选择桁架桥的杆件截面分为单壁式和双壁式两种。单壁式截面一般只用于内力较小或次要杆件上。主桁架杆件一般采用双壁式截面形式。双壁式截面主要分为 H 型截面和箱型截面。H 型截面是由两块竖板（或称翼板）和一块水平板（或称腹板）组合而成。这种截面的优点是：构造简单，易于自动电焊机施焊，焊接变形较易控制和修整，工地安装时也较箱型截面方便。但是，H
18、型截面对x-x 轴的回转半径 比对 y-y 轴的 小得多，当压杆采用 H 型截面时，基本容xryr许应力的折减相当大。本次设计初步确定将弦杆截面选为 H 型截面。箱型截面由两块竖板和两个水平板焊接或加角钢铆接而成。由于箱型截面对两个主轴的回转半径相近，因此，它在承受纵向压力方面较 H 型为佳。它通常用于内力较大和长度较大的压杆及拉-压杆，箱型截面在力学性能上较 H 型好，但是，箱型截面在工厂制造时比较费工，一般桁架桥中在 H 型截面不能满足时使用。所以本次设计，我将主桁杆件尽量取为 H 型截面。 山西大同大学煤炭工程学院第 12 页表 3.5 杆件容许最大长细比杆 件 杆件类型 长细比受压杆件
19、受压或受压拉腹杆主桁杆件 100100仅受拉力的弦杆仅受拉力的腹杆主桁杆件 130180纵向联结系、支点处横向联结系和制动联结系的受压或受压拉杆件联结系杆件 130中间横向联结系的受压或受压拉杆件 中间横向联结系 150各种联结系的受拉杆件 各种联结系 2003.2.2 主桁杆件的设计选材：16Mnq 钢。由于此桥为二级公路桥，基本容许应力：取 。2/76mN1.上弦杆的设计所需截面净面积： 错误！未找到引用源。取：长细比 80.稳 定 性 系 数60错误！未找到引用源。2.下弦杆的设计所需截面净面积：错误！未找到引用源。 考虑螺栓孔对截面的削弱： 错误！未找到引用源。于是，上下弦杆取工字形截
20、面的截面尺寸见下表（单位为 mm）：上下弦杆取工字形截面的截面尺寸H B tA（错误！未找到引用源。）412 460 16 24 28672山西大同大学煤炭工程学院第 13 页所以，实际的亦满足强度及刚度的要求。3端斜杆的设计所需截面净面积：错误！未找到引用源。预取长细比 807.稳 定 性 系 数60即考虑压杆稳定性，需：错误！未找到引用源。4斜杆的设计按压杆设计：所需截面净面积：错误！未找到引用源。预取 68.0稳 定 性 系 数80长 细 比 即考虑压杆稳定性，需：错误！未找到引用源。5竖杆设计所需净截面积：所需截面净面积：错误！未找到引用源。预取长细比 68.0稳 定 性 系 数80即
21、考虑压杆稳定性，需：错误！未找到引用源。于是，端斜杆、斜杆、竖杆取工字形截面的截面尺寸见下表（单位为 mm）：端斜杆、斜杆、竖杆取工字形截面的截面尺寸H B tA（错误！未找到引用源。）416 460 14 22 26064所以，实际的亦满足强度及刚度的要求。4、桥面系计算与设计4.1 纵梁及横梁的计算与设计4.1.1 纵梁的设计与计算山西大同大学煤炭工程学院第 14 页按公路桥涵钢结构及木结构设计规范 JTJ025-86规定：纵梁的跨中弯矩、剪力和反力，按跨径等于横梁中距的简支梁计算。用螺栓或铆接连接的支点弯矩，当有鱼形板等能承受支点弯矩的结构或连续通过的翼缘时，可采用简支梁的最大弯矩的 0
22、.6 倍，而剪力按简支梁的最大剪力的 1.1 倍。1.纵梁的内力计算公路1 级荷载中的集中力 ,均布荷载为 10.5kN/m。=360设桥面铺装层厚度为 0.1m，密度为 24kN/ 。3自重拟取为 2kN/m。设桥面板的厚度为 12mm，则由桥面板对纵梁产生的恒载为： mkNP/8.102149.0铺 装 层 综合： 3251反 =2反 =360+23.382 =273.2图 4.1.1 纵梁结构计算简图于是，跨中： =238.8423.342=768.8Vmax=273.22.纵梁截面设计由上面的计算数值可知，需WxMn=768.8106275= 2.796106mm3纵梁的截面取工字形截
23、面的截面尺寸见下表（单位为 mm）：山西大同大学煤炭工程学院第 15 页纵梁的截面取工字形截面的截面尺寸H B tw t A（ ）mm2668 240 10 16 14040纵梁产生的恒载集度 自重产生的均布力 g=140407.859.810-6=1.08/x 方向惯性矩Ix=112（ 2406683-2306363） =1.0307109mm4抗弯截面系数Wx= IXymax=1.0307109mm4334mm=3.086107mm3纵梁截面正应力276N/=MWx= 768.83.086107mm3=249.125/mm2 mm2满足强度要求。验算梁端剪应力：纵梁截面剪应力=273.21
24、0316240(3348)+103181591.030710910 =46.58N/mm2而 取22 /10）（ 参 考 钢 结 构 附 表/180 mNmNfv 。2/=46.58 N/mm2120N/mm2故满足剪应力强度要求。4.1.2 横梁的设计与计算设荷载以集中荷载的形式由纵梁传递于横梁，按跨径等于两桁架间距的简支梁计算。1横梁的内力计算公路1 级荷载中的集中力 ,均布荷载为 10.5kN/m。=360设桥面铺装层厚度为 0.1m，密度为 24kN/ 。3自重拟取为 2kN/m。设桥面板的厚度为 12mm，则由桥面板对纵梁产生的恒载为：山西大同大学煤炭工程学院第 16 页mkNP/8
25、.102149.0铺 装 层 综合： 3251反 =2反 =360+23.382 =273.2图 4.1.2 横梁结构计算简图于是，跨中： =273.23=819.6Vmax=273.22横梁截面设计由前面的计算可知，需WxMn=819.6106276= 2.970106mm3横梁的截面取工字形截面的截面尺寸见下表（单位为 mm）：横梁的截面取工字形截面的截面尺寸H B tw t A（ ）mm2948 300 14 26 28144横梁产生的恒载集度自重产生的均布力 g=281447.859.810-6=2.17/x 方向惯性矩Ix=112（ 3009483-2868963） =4.15541
26、09mm4抗弯截面系数Wx= IXymax=4.1554109mm4474mm =8.7667106mm3山西大同大学煤炭工程学院第 17 页纵梁截面正应力=MWx= 819.68.7667106mm3=93.49/mm2276N/mm2满足要求。验算梁端剪应力：=273.210326300(47413)+144482244.155410914 =23.48N/mm2而 取22 /10）（ 参 考 钢 结 构 附 表/180 mNmNfv 。2/=23.48N/mm2120N/mm2故满足剪力要求。4.2 联结系的设计与计算主桁架的平纵联是由主桁弦杆及其间的腹杆体系所组成。在拟定其结构图示时应
27、尽可能是结构简单并符合使用要求。综合各种平纵联腹杆体系（如：菱形系、三角形腹杆体系、交叉式腹杆体系等） ，最后选定交叉式腹杆体系。其主要优点是：当弦杆伸长或缩短时，弦杆变形比较均匀，不会受到弯曲。图 4.3 交叉式腹杆体系4.2.1 风力强度按桥规 ， 04321WK式中：基本风压值，取为 6000WPa：设计风速频率换算系数，取为 1.01K：风载体型系数，取为 1.32：风压高度变化系数，取为 1.03：地形、地理条件系数取为 1.44山西大同大学煤炭工程学院第 18 页于是得： PaW109264.013.0 迎风面积折减系数：钢桁架：0.4 栏杆：0.2 实体：1.0栏杆高度预取为：1
28、.2m桥面系高出弦杆部分的高度，取为： 0.80m主桁架高度：取为 11.0m于是得各部分受风力：钢桁架 ： 1=0.4111092=4804.8/栏杆： 2=0.21.21092=262.08/桥面系： 3=1.00.81092=873.60/上 =121=2.4024/下 =121+2+3=3.53808/4.2.2 上平纵联的设计对交叉式斜杆的平纵联，要计算斜杆的内力时，通常假设节间剪力由交叉斜杆各承受一半，一根受拉，一根受压。因此，随着风向的改变，同一节间每根斜杆可能受拉，也可能受压。上平纵联端节间斜杆的计算与设计：上平纵联结构形式根据风力大小值以及经验，上平联的截面尺寸为（单位为 m
29、m）：上下弦杆取工字形截面的截面尺寸H B tw t A（ ）mm2460 416 14 22 26064但是根据实际工程经验，其实际所受荷载远不及其承载能力，主要是其截面的设计主要是考虑到公路桥涵结构及木结构设计规范中所规定的容许长山西大同大学煤炭工程学院第 19 页细比的要求，所以虽然比较浪费材料，但为安全起见还是合理的。4.2.3 下平纵联的设计下平纵联与上平纵联一样，主要应满足公路桥涵结构及木结构设计规范中所规定的容许长细比的要求，所以下平纵联与上平纵联采用相同的截面尺寸。5、桁架桥的使用前景可折叠伸缩式桁架桥，特殊之处在于不单单只是一座普通的钢结构人行桥，在需要时会伸展开形成人字形。
30、适用于抗洪救灾，物料运输。6、桁架桥的预期效益分析经济效益：桥梁建成后，将为抗洪抢险做出了巨大贡献，提高速度，减少成本，节约劳动力，为当地经济发展，支柱产业兴旺发达奠定基础。总结设计就是系统的复习大学里所学的各门专业课，并在实际工程背景下用学到的知识去解决现实的问题。有句话说理论和现实是有很大差别的，通过此次设计使我们有了很深刻的感触。在上课和做作业的时候我们是单一的从理论计算的角度去思考问题，所涉及的题目大多都是理想情况下的。而在本次设计过程中，许多问题都要放到实际的背景下去考虑。比如在计算主桁架各杆件的受力情况时，要综合的考虑各个部分的强度、刚度以及稳定性的方面；不但要考虑满足强度的要求，
31、也需要从实际施工安装的角度去思考通过此次设计使我们感觉学到了很多东西，不仅系统的复习了各门专业知识，也使自己有了一定的处理工程实际问题的概念。虽然我们的设计达不到施工的要求，但我们至少知道了哪些方面是欠缺的、以后应该怎么样去学习弥补。山西大同大学煤炭工程学院第 20 页参考文献1. 桥梁工程，邵旭东主编，人民交通出版社，2008 年 2 月2钢结构，戴国欣主编，武汉理工大学出版社，2008 年 1 月3钢桥，铁道专业设计院著，中国铁道出版社，2003 年4钢桥，周远棣 徐君兰编，人民交通出版社，1991 年5结构设计原理计算示例，第七分册，铁道出版社，1980 年，1981 年 6. 悟透 AutoCAD2009 完全自学手册，程光远，樊静，张海波，徐峰编著电子工业出版社7. 结构设计原理，叶见曙主编，人民交通出版社，2005 年 12 月8.美国钢结构设计手册，布罗肯布罗夫（美）麦里特（美）主编，同济大学与轻型结构研究，钢桥与组合结构桥梁研究室译9.公路工程手册，布罗肯伯勒（美）主编，张彦林，曹花娥，许有俊译，中国电力出版社，2009 年 3 月山西大同大学煤炭工程学院第 21 页10 机械制造技术基础课程设计指南 主编： 崇凯 .11 金属加工工艺及工装设计 主编： 黄如林 汪群12.工程图学 主编： 鲁屏宇13 机械制造装备设计 主编： 冯辛安
