2×80m下承式连续钢桁梁桥结构分析与荷载试验.doc

1、 西南交通大学本科毕业设计 第 I 页西南交通大学本科毕业设计280m 下承式连续钢桁梁桥结构分析与荷载试验设计西南交通大学本科毕业设计 第 II页院 系 土木工程 专 业 年 级 姓 名 题 目 280m 下承式连续钢桁梁桥结构分析与荷载试验设计 指导教师 评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章)年 月 日西南交通大学本科毕业设计 第 III 页毕 业 设 计 任 务 书班级 学生姓名 学 号 发题日期： 完成日期：题 目 280m 下承式连续钢桁梁桥结构分析与荷载试验设计 1、本设计的目的、意义 学生在进行毕业设计之前，已对公共基础课

2、程、专业基础课程及专业课程进行了有序的分阶段的学习，对工程结构已经建立起了从设计原理到设计方法及施工方法的基本知识结构，但还缺少综合地系统地运用这些知识来解决实际问题的锻炼机会。本设计是以我国铁路钢桥的标准设计结构为背景，让学生在老师的指导下系统地完成结构设计、结构计算与检算的全过程。通过本设计可巩固学生对材料力学、结构力学、钢结构设计原理、桥梁工程等知识的掌握，提高学生分析和解决问题的能力；同时可让学生对桥梁工程的认识更加清晰、全面；还可通过对有限元软件、绘图软件及办公自动化软件的大量使用培养学生的计算机运用能力。 2、学生应完成的任务: 一、设计说明书的编制： 1、本设计概况； 2、结构杆

3、件内力计算（建立有限元模型，得杆件内力、应力等结果） ； 3、对主桁结构主要杆件进行检算； 4、静载试验方案制定与动载试验方案制定； 5、设计总结。 二、工程图纸的绘制： 1、结构概图 2、主桁节点详图 3、联结系详图（桥门架、中间横联、上平纵联、下平纵联、制动联结系） 4、桥面系详图（横梁、纵梁、纵梁联结系） 5、测点布置图 6、加载方案图 西南交通大学本科毕业设计 第 IV 页在以上图纸中完成相当于 2 幅 0 号图纸的内容。 3、设计各部分内容及时间分配：（共 16 周）第一部分 相关资料的收集、毕业实习 （ 2 周）第二部分 运用 Midas/Civil 建立空间模型完成成桥阶段分析

4、（ 4 周）第三部分 对主桁结构的主要构件进行检算 （ 2 周）第四部分 静载与动载试验方案制定 （ 3 周）第五部分 图纸的绘制 （ 1.5 周）第六部分 设计说明书编制 （ 2.5 周）评阅及答辩 （ 1 周）备注： 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日西南交通大学本科毕业设计 第 V 页摘 要本次毕业设计的主要内容是：280m 下承式连续钢桁梁桥结构分析与荷载试验设计。该桥设计为 280m 连续钢桁梁桥，全长为 160m，主桁中心距为 5.75m，桁高11m，节间长 8m，主桁的几何图示采用三角形腹杆体系，桥面系由纵梁、横梁组成,杆件连接采用高强螺栓连接，设计荷载为恒载和中活载

5、。设计的主要内容包括三个方面。第一是理论计算及分析。运用有限元分析软件 MIDAS/CIVIL 对大桥结构进行建模计算，计算模型由空间梁单元构成。计算的目的是为了了解桥梁结构在各种荷载组合下的受力及变形情况，得出杆件的内力为下一步设计工作提供理论依据。第二方面是主桁杆件的检算。根据前面得到的内力对杆件疲劳、刚度、稳定进行检算，从而判断设计尺寸是否满足要求。第三方面是荷载试验。首先根据试验目的，充分考察和研究桥梁结构，分析与掌握各种有利与不利因素，结理论计算分析结果，然后对试验的方式，方法，数量等做出全面地规划，试验方案制定包括试验项目的选择，加载方案设计，观测内容确定，测点布置及测试仪器选择等

6、方面。其次试验数据整理分析，通过试验得到的原始数据、文字和图象描述材料虽然是可靠的，但是这些原始资料数量庞大、不直观，不能直接用于评定桥承载能力，故进行承载能力评定之前必须对它们进行处理分析，得出直接进行桥梁结构承载能力评定的指标，以满足承载能力评定的需要。关键词： 连续钢桁梁桥 结构分析 荷载试验西南交通大学本科毕业设计 第 VI 页AbstractThe main content of the graduation design: 2 80m through continuous steel truss structure analysis and load test design. Br

7、idge design for 2 x 80m, continuous steel truss, main truss for 160m center for 5.75 m, hoisting, internodes is 8m the high is 11m, main truss by triangular geometry of the web system, composed by longitudinal beam bridge, rod connected by high-strength bolt connection, design load is dead load and

8、chinese live load. The main contents of the design includes three aspects. The first is the theoretical calculation and analysis. Using finite element methods analysis software MIDAS / CIVIL for bridge structures modeling and calculating, the computing model is spatial beam element. The goal is to u

9、nderstand calculating load combination of bridge structure in the stress and deformation, the internal force design work for the next provides theory basis. The second aspect is checking calculation the main truss bar. According to the front of the internal pole pieces of fatigue, stiffness and stab

10、ility are checked to judge the size of design whether meet the requirements. And the third way is load test. Firstly, according to the objective investigation and research, analyzes and grasp the bridge structure of favorable and unfavorable factors, and theoretical calculation and analysis of the t

11、est results, and then, such as the number of methods, make overall planning scheme including test, test, project design, the content of loading, observation of measuring-point arrangement and test instrument selection, etc. Secondly, the tentative data reorganization analysis introduction. Primary d

12、ata, writing and image description material which obtains through the experiment although is reliable, but these firsthand information quantity huge, is not direct-viewing, cannot use in evaluating the bridge bearing capacity directly, therefore carries on before the bearing capacity evaluation must

13、 carry on the processing analysis to them, obtains the target which can evaluate the bridge structural-load-carrying capacity directly, in order to meet the needs of bearing capacity assessment.Key words: continuous steel truss bridge structural analysis load experiment西南交通大学本科毕业设计 目 录第 1 章 绪论.11.1

14、钢桥的发展概述.11.1.1 我国钢桥的发展概况.11.1.2 国外钢桥的发展概况.31.2 钢桥的主要特点及发展展望.51.2.1 钢桥的主要特点.51.2.2 钢桥的发展展望.51.3 钢桥的主要类型.61.4 钢桥所用的材料.61.5 设计概况.71.5.1 桥梁概况.71.5.2 设计任务.8第 2 章 结构杆件内力计算.92.1 计算方法简介.92.1.1 有限元计算方法.92.1.2 MIDAS 的介绍92.2. MIDAS 的建模说明102.2.1 使用节点和单元建立模型.102.2.2 材料的定义.102.2.3 截面数据的输入.122.2.4 边界条件的建立.132.2.5

15、输入静力荷载.152.2.6 移动荷载的输入.182.2.7 支座沉降的输入.192.2.8 其它主要设置.202.3 结果分析.202.3.1 桥梁挠度.202.3.2 数据整理.21第 3 章 主桁杆件检算.23西南交通大学本科毕业设计 3.1 杆件的计算方法.233.2 弦杆的设计.283.3 斜杆的设计.353.4 竖杆的设计.43第 4 章 桥梁荷载试验.474.1 桥梁检测概述474.1.1 桥梁检测的目的和意义.474.1.2 试验依据.484.1.3 荷载试验的加载原则.484.1.4 测点布置原则.484.1.5 现场准备及测试工作安排.494.2 静载试验504.2.1 荷

16、载的选择504.2.2 试验效率.514.2.3 荷载的加载位置.534.2.4 加载分级及控制.544.3 观测方案564.4 支座沉降观测564.5 动载试验564.5.1 跑车试验.584.5.2 试验工作.58结 论.59致 谢.60参考文献.61附 录.62西南交通大学本科毕业设计 第 1 页第 1 章 绪论1.1 钢桥的发展概述1.1.1 我国钢桥的发展概况我国使用金属材料建桥具有悠久的历史，最早的金属桥是用铁制成的。如秦末（公元前 206 年左右）时期，陕西褒城马道驿寒溪上修建的铁链桥；东汉（公园 60年左右）时期在云南景东地区澜沧江上的锻铁悬索桥；公元 1676 年修建的四川泸

17、定大渡河上的铁索桥等。但真正采用钢材修建时在 1888 年，到现在已经有 100 多年的历史了。解放前我国钢桥建设的发展极为缓慢，所建的钢桥，跨度都很小，建桥的钢材是进口的，结构是铆接的，采用工艺很简陋。跨度稍大一点的桥梁大都是由外国商人设计和监造的.如 1896 年建成的哈尔滨松花江桥，钢梁为俄国和比利时制造；1905 年修建的京汉线上郑州黄河桥(老桥)为比利时公司承建；1911 年修建的陇海线黑石关伊洛河桥(老桥)为法国公司设计和承建。我国技术人员自行建造的具有代表性的钢桥是 1937 年建成的渐赣铁路钱塘江大桥，为我国著名桥梁专家茅以升负责设计和监督施工，该桥全长 1 072m，为公、铁

18、两用桥，正桥为 16 孔 6586m 简支铆接钢桁梁，为我国历史上由自己工程师设计和监造的第一座双层公、铁两用大桥。解放初期，我国的钢桥技术得到了发展，主跨大于 100m 的铁路钢桥就有十余座，如 1956 年我国借用苏联的钢材和技术，建成武汉长江大桥，全长 1 6704m，正桥由三联 3128m 连续铆接钢桁梁组成，材料 A3 钢，公、铁两用；1968 年我国用国产 16Mnq 钢完全依靠自己的力量建成南京长江大桥，包括引桥在内铁路桥梁全长6772m，公路桥梁全长 4589m，主桥由一孔 128m 的简支钢桁梁和三联 3X160m 的连续铆接钢桁梁组成。1969 年修建的成昆线三堆子金沙江桥

19、(主跨 192m)、大渡河桥(主跨 144m)及渡口支线雅砻江大桥(主跨 176m)均为下承式简支铆接钢桁梁。1966 年我国铁路钢桥开始部分采用栓焊新技术，广西柳州的浪江桥是我国用 16Mnq 钢制造的第一孔铁路栓焊钢桁粱桥，跨度为 6144m。在成昆铁路桥梁修建中，进一步研究并发展了栓焊钢桥新技术，普遍采用国产 16Mnq 钢，建成了各种不同结构形式的栓西南交通大学本科毕业设计 第 2 页焊钢桥 44 座，这在我国钢桥发展史上是一个很大的进步+为我国钢桥技术发展开创了新纪元。具有代表性的桥有沪沽安宁河大桥、桐模甸 2 号大桥、拉旧大桥和迎水河大桥等，其主桥均为 112m 系杆拱栓焊钢桥。在

20、成昆铁路修建成功的基础上，1977 年用国产高强度新型钢材 15MnVN 建成密云水库白河桥，为 3128m 连续栓焊钢桁梁；1982 年建的安康汉江桥为 176m 斜腿刚构箱形粱桥；1993 年用国产高强度新钢材 15MnVN 厚板建成九江长江公、铁路大桥；2000 年又以 14MaNbq 钢建成芜湖长江公路、铁路钢斜拉桥，主粱为钢桁梁，主跨 312m。公路钢桥在解放后也获得了较大的发展。如 1955 年建成的武汉汉水桥，为55m+gSm+54m 刚性梁柔性拱组合体系；1966 年修建的广西东兰红水河桥，为上承式钢桁粱与钢筋混凝土板相结合的结合梁桥，跨度 66m；1966 年修建的四川渡口二

21、号桥，为跨度 lgom96 公路纲拱桥；1969 年修建的四川渡口三号桥为跨度 181m 的公路钢拱桥；1972 年修建的山东北镇黄河桥，主跨 1127m 的连续钢桁粱桥；1984 年修建的拉萨河达孜悬索桥，主索跨度 500m。改革开放后，公路钢桥的发展更快，桥梁结构形式愈来愈多样化，设计方法更加先进合理，钢材采用高强度钢，如 1987 年建成东营黄河公路钢斜拉桥，主跨288m；1991 年建成南浦公路斜拉桥，主梁采用工字钢组合粱，主跨 423 叫 1993 年建成杨浦公路斜拉桥，主梁采用钢混凝土结合梁，主跨 602m；1996 年建成长江西陵峡公路悬索桥，主梁为全焊钢箱梁，主跨 900m；1

22、997 年建成香港青马公路悬索桥，主跨 1 377m；1999 年建成江阴长江公路悬索桥，主跨 1 385m；2000 年建成南京长江公路斜拉桥，主梁为全焊钢箱梁，主跨 628m；2002 建成的上海卢浦大桥是跨度为550m 的中承式钢箱拱桥。我国现代钢桥技术和国外相比，起步虽然晚了 150 多年，但建国后吸收、总结了许多建桥经验，发展进步很快。当前，钢桥的设计理论、国产钢材的架用、制造及安装工艺、科研手段已基本达到了国际先进水平。在钢桥的结构形式方面，更多地采用了大跨度悬索桥、斜拉桥及梁拱组合等结构。具有整体性好、抗扭刚度大的箱形梁结构形式得到了进一步的发展；连接方面逐渐由栓焊向全焊过渡，全

23、焊钢桥的特点是节约钢材、提高疲劳强度、加快工程进度、改善劳动条件。部分钢桥采用正交异性钢桥面板以充分发挥薄板良好的力学性能。计算理论方面逐步由空间计算代替平面计算，特别是由于联合结构的采用，各部件相互约束程度增大；平面计西南交通大学本科毕业设计 第 3 页算方法已不再适用。大跨度钢桥使用的设计理论，有容许应力理论和极限强度理论；目前，铁路大跨度钢桥的设计主要采用容许应力理论，而公路大跨度钢桥的设计已经采用极限强度理论。自 20 世纪 80 年代开始研究用可靠度理论，预计近年内各设计规范将以可靠度理论为基础。在使用的初期将会采用基于可靠度理论的多系数极限状态设计表达式，分别对承载能力极限状态和正

24、常使用极限状态进行设计。在疲劳司靠度理论设计方面，铁路部门根据我国的实际情况，制定了铁路疲劳荷载谱和疲劳抗力方程，但设计方法目前仍采用容许应力法。我国公路、铁路要跨越的大江、大河、深谷很多，要建的桥当然也很多，现在的进步只是一个开始。根据客观需要和已具备的人力、物力，今后我国钢桥在设计、建设水平将会有更大幅度提高。1.1.2 国外钢桥的发展概况从 19 世纪 20 年代，随着铁路蒸汽机车出现，人们开始修建铁路，铁路桥梁也随之发展起来。在历史上，当铁路开始修建时，造桥的材料只限于木材、砖、石、铸铁，其后才有锻铁型材（板、角铁） ，早期的钢桥实质上是用铸铁和锻铁修建的铁桥。19 世纪 70 年代出

25、现钢材，而钢材在桥梁的广泛运用是在 19 世纪 90 年代以后。由于以内燃机为动力装置的汽车是在 19 世纪后叶(1985 年)方才出现，公路钢桥出现在铁路桥梁之后。但是，随着公路的蓬勃发展和多样化的需要，20 世纪 30 年代，铁路钢桥原先占有的各种大跨度钢桥的记录逐步被公路钢桥取代，特别是二次世界大战以后，德国、日本等国家由于战后重建的需要，修建了大量的公路钢桥，钢桥的设计理论与制造技术得到了不断的完善，也建立起了较为系统和完善的设计规范与制造施工工艺。从钢桥的建设、材料的应用和设计理论发展来看，钢桥的发展大致可以分为以下四个阶段：铁桥和钢桥在 1890 前的发展。在 1980 以前是以铁

26、桥为主，使用的材料主要是铸铁和锻铁，钢桥和很少。设计桥梁说需要的力学知识，处在逐步形成、逐步完善之中。起初桥梁设计规范并没有提上日程，钢桥设计主要依赖与建造桥梁的实干家的经验，稍有不慎，就会遭逢失败。铁桥的事故发生也特别多，平均每年发生铁桥的试过将近四件。钢桥在 18901920 间的发展。早在 1918 年之前，北美洲在钢桥建设方面就取西南交通大学本科毕业设计 第 4 页得了巨大成就，简支和连续桁梁桥、钢拱桥等都有了很大的发展，创造了许多世纪记录。这期间钢材在桥梁上得到了广泛的应用。钢桥在 19201945 年间的发展。在 20 世纪二三十年代，钢桥的设计理论有了很大的发展。1973 年，英

27、国成立一个桥梁应力委员会，对节点刚性引起的二次应力、主梁和桥面系共同作用、荷载在桥面铺装层之中的扩散和冲击作用等问题进行了较为深入的讨论。以此为依据，英国在 1929 年将钢桥容许应力提高了 12.5%。1926，德国铁路颁布新的铁结构规范 。19231933 年，美国也成立了一个钢压杆研究专门委员会，进行了几十根大型钢压杆试验，并为钢压推荐了正割公式。1935 年，美国在新版铁路桥梁规范中就采用了该公式。钢桥自 20 世纪 50 年代以来的发展。自 20 世 50 年代以来，在公路桥梁蓬勃发展的背景下，出现了现代桥梁。现代钢桥的特点是（1）高强度低合金钢、预应力钢筋、高标号混泥土、聚合物等新

28、材料的应用；（2）桥梁上部结构采用正交异性钢桥面板和钢与混泥土的组合结构，箱型梁、高次超静定的结构（多为连续梁或直腿刚架、斜退刚架、斜拉桥、各种组合结构等） （3）结构设计方面可以针对不同的情况按需要进行非线性（材料非线性、几何非线性）分析、空间分析、可靠度分析；（4 施工工艺方面用钻孔桩机械(土层及岩层)、大直径桩、双壁钢围堰、自生式平台等修建深水基础，用焊接、高强度螺栓、预应力等方式进行连接；用悬臂施工（混泥土灌注及各种预应力制件的拼装）及整体架设等方法降低造价并压缩工期。在 20 世纪 50 年代以前，许多桥梁，特别是那些创记录的长跨桥梁，往往是在不计工本的情况下建造的。工程结构就必须经

29、济、耐用，要求对各中技术指标(省工、省料、省总造价、对环境的影响等)进行综合评估。钢桥形式逐渐多样化西南交通大学本科毕业设计 第 5 页1.2 钢桥的主要特点及发展展望1.2.1 钢桥的主要特点由于钢材具有强度高、材质均匀、塑性及韧性良好和可焊性好等诸多优点；因此，用钢材建造的桥梁钢桥具有如下特点：（1）跨越能力大。由于钢材的强度高，在相同的承载能力条件下；与钢筋混凝土桥梁相比，钢桥构件的截面较小，所以钢桥的自重较轻，最适合于建造大跨度的桥梁。（2）最适合于工业化制造。钢桥构件一般都是在专业化的工厂由专用设备加工制作，不受季节的限制，加工制造速度快、精度高，质量容易得到控制，因而工业化制造程度

30、高。（3）便于运输。由于钢桥构件的自重较轻，特别是在交通不便的山区便于汽车运输。（4）安装速度快。钢桥构件便于用悬臂施工法拼装，有成套的设备可用，拼装工艺成熟。（5）钢桥构件易于修复和更换。（6）钢材易锈蚀，故钢桥的养护费用高。另外，钢桥须防火，在列车通过时噪音大，故不宜在闹市区建造铁路钢桥。1.2.2 钢桥的发展展望我国地域辽阔，所建铁路、公路需要跨越大江大河、高山峡谷等不同地域和高原、严寒等不同环境条件。随着我国经济的飞速发展和钢产量的进一步提高，可以预计本世纪我国钢桥在如下几个方面将会有一个更加瞩目的发展：桥梁跨度将进一步加大，铁路钢桥的跨度将达 500m 左右，公路跨度将达 1800m

31、 左右；对钢桥的使用功能要求将更加明显，如高速铁路对大跨径钢桥刚度的要求要保证舒适性、桥梁形式与周围景观的协调性、特殊环境（如青藏铁路）对钢材及结构的特殊要求等；桥梁建造费用和寿命周期内维护费用的通盘考虑将会使桥梁设计更加合理；焊接在钢桥制造和施工中所占比例将进一步加大，将由栓焊向全焊过渡；新的结构西南交通大学本科毕业设计 第 6 页和构造形式将使桥梁结构形式更丰富；桥梁设计手段、制造技术、施工水平等的更新和提高将会更加保证梁的总体质量和使用要求；设计理论的更新与研究成果的应用将带动钢桥技术的整体发展。1.3 钢桥的主要类型钢桥可以根据不同的条件要求建成多种形式，其种类比其他材料制造的桥梁更多

32、，主要可分为梁式体系、拱式体系及组合体系。1.梁式体系按力学图式分梁式体系又可分为简支梁、连续梁、悬臂梁；按主梁的构造形式分有板梁桥、桁梁桥、箱梁桥、结合梁桥。2.拱式体系按力学图式分拱式体系可分为有推力拱和无推力拱；按拱肋的构造形式分有版式、桁式、箱式。3.组合体系这类桥型包括吊桥和斜拉桥，都是利用高强钢索来承重，吊桥（又称悬索桥）的承重构件是高强度钢索，恒载轻，跨越能力大。斜拉桥的承重构件是斜拉索和梁，其钢梁可以是板式、桁式或箱式，恒载较轻，风动力性能较吊桥好，故发展很快。1.4 钢桥所用的材料钢桥主体结构所用的钢材主要是碳素钢和低合金钢。20 世纪 50 年代我国钢桥主要采用普通碳素钢A

33、3 钢，该钢材由于含碳量较高（0.140.22%） ，可焊性差，只能进行铆接连接，如武汉长江大桥的主桥采用 A3 钢，该桥为连续铆接钢桁梁。用A3 钢建造大跨度桥梁时，构件截面尺寸大，从而增加用钢量并使钢桥的自重加大，因此，20 世纪 50 年代后期，我国开始研究在钢桥上采用能够焊接的国产高强度低合金钢16q 钢和 16Mnq 钢，如南京长江大桥采用 16Mnq，屈服点为 340MPa，它比用 A3 钢节约钢材约 15%。20 世纪 70 年代，我国又成功研制出强度更高的 15MnVNq钢，屈服点是 420MPa，又比用 16Mnq 钢节约钢材 10%以上。21 世纪，我国研制出另一种新型的桥

34、梁用钢14MnNbq 钢，屈服强度为 340MPa，该钢材的主要特点是可焊西南交通大学本科毕业设计 第 7 页接的最大板厚可达 50mm，已成功用于芜湖长江大桥(公、铁两用钢斜拉桥)上。现代钢桥用材最多的是钢板。用钢材制造成钢桥，要经过许多机械加工工艺和焊接工艺。制成的钢桥要承受很大的静、动力荷载与冲击荷载，因此被选作造桥的钢材，既要能适应制造工艺要求，又要满足使用要求。为了满足这些要求，对钢的化学成分、力学性能（包括强度、塑性、韧性及疲劳性能等）和工艺性能（包括冷弯性能和可焊性）都有严格的规定。钢桥在使用时，不仅要求钢材具有较高的强度，而且还要求具有良好的塑性；对低温下工作的钢桥，要求钢材具

35、有良好的低温冲击韧性；对于焊接钢桥，要求钢材具有可焊性。塑性是钢结构的安全性指标，因为在桥梁结构的局部应力集中处存在焊接残余应力的地方，应力值可能超过屈服点，塑性好的钢材还可以通过塑性变形使应力重新分布，避免结构的局部破坏而导致整个结构的实效。韧性不好的钢材，在低温或快速加载等不利的条件下，容易使钢材发生脆性断裂。因此，常用低温冲击韧性来判断钢材的脆性断裂倾向。钢材随着使用年限的延长，会发生老化、韧性下降，为此，还有有时效冲击韧性要求。现代钢桥所用的钢材，还必须具有良好的可焊性，通过一定得焊接工艺能形成优质的焊接接头。钢桥是主要承受动荷载的结构，钢材的抗疲劳性能对于桥梁十分重要。钢桥承受的动荷

36、载大小虽低于结构的名义承载能力，但由于结构中有微小的缺陷或集中应力，易产生塑性变形，从而萌生裂纹，随着外力循环次数的增加，微小的裂纹会逐渐扩展，最后导致钢桥的疲劳断裂。在结构上出现可以看见的裂纹时的荷载循环次数称为疲劳寿命。影响结构疲劳寿命的因素除材料的韧性外，还与材料的化学成分、强度、结构的构造细节、荷载类型、板厚及工作环境等有关。冷弯性能是刚才承受弯曲变形的能力，并显示钢板中是否有缺陷、有无夹渣或分层。它既是一项工艺指标，也是一项质量指标，冷弯性能好的材料有利于制造。1.5 设计概况1.5.1 桥梁概况全桥长 160m，主桁桁式为三角形，桁高 11m，节间长 8m，主桁中心距为5.75m。

37、西南交通大学本科毕业设计 第 8 页下承式简支钢桁梁桥由主桁架、联结系、桥面系、制动联结系、桥面、支座及墩台等几个部分组成。主桁架是钢桁架桥的主要承重结构，主要承受竖向荷载。联结系将两片主桁架联结在一起使桥跨结构成为稳定的空间结构。纵向联结系的主要作用是承受作用于桥跨结构上的横向水平荷载，也可减小弦杆在主桁平面外的计算长度。中间横梁的作用是增加钢桁架桥的抗扭刚度，而端横联主要是承受由上平纵联传来的横向荷载，因而所受的力要比中间横联大得多。桥面系由纵梁、横梁及纵梁之间的的联结系组成。主要承受并传递竖向荷载和纵向荷载。制动联结系的作用是使作用于纵梁上的纵向水平制动力通过制动联结系穿至主桁架，从而减

38、小纵向荷载对桥面系杆件特别是横梁的不利影响。1.5.2 设计任务本设计是以我国铁路钢桥的标准设计结构为背景，完成结构设计、结构计算与检算的全过程，同时对设计桥梁进行试验方案的制定，另外还要完成工程图纸的绘制。通过本设计加强对材料力学、结构力学、钢结构设计原理、桥梁工程等知识的掌握，提高自己的分析和解决问题的能力；同时还可以对桥梁工程的认识更加清晰、全面；还能够提高有限元软件、绘图软件及办公自动化软件的使用能力。西南交通大学本科毕业设计 第 9 页第 2 章 结构杆件内力计算2.1 计算方法简介2.1.1 有限元计算方法有限元可以被看做结构分析的一种通用方法，有限单元法是将连续体理想化为有限个单

39、元的集合体，这些单元仅在有限个结点上相连接，也就是以一个有限单元的体系代替一个无限个自由度的连续体，作了物理上的近似，首先进行单元分析，用结点位移表示单元内力，然后将单元再合并成结构，作整体分析，建立整体平衡条件。在求解力学问题时，有的以位移为基本未知量，也有的以应力为基本未知量，在有限单元法中也是如此，但是在这些方法中，最普遍的是以单元上结点位移作为基本未知量求解，这种方法称为位移有限元法作为分析的条件，应给出结点荷载、结构的几何条件如结点位置和结构单元的刚度性质，求出结构单元中的结点位移和内应力。在有限单元法中，原来连续体的材料特性，如正交异性、非线性、弹塑性等可在单元中保留，对于复杂的结

40、构形式、边界条件及荷载情况，在有限单元法中均可以处理，因此有限单元法有很大的优越性。2.1.2 MIDAS 的介绍在当今的结构计算中采用的通用软件比较多，如 ANSYS，SAP2000 等，桥梁专用软件有 MIDAS、BSAS 以及桥博等，它们在结构计算中各有其特点。在本设计中，将采用 MIDAS 建立结构模型，并且对结构的各种工况情况进行模拟计算，与传统方法比较，避免了传统方法中由于计算能力方面的缺陷而进行的一些模型简化采用有限元分析软件能够更加准确的反映结构的各种情况。在如下一些方面，有限元软件的使用显得更加有优势。 桥跨结构本来是一个空间结构，各杆件之间的相互连接是刚性连接。而在传统的方

41、法计算时将桥跨结构分成若干个平面结构：纵梁、横梁、主桁、平纵联、横向联结系、桥门架等，然后按承受各自平面上的荷载来计算杆件内力。传统计算中将平面内各杆件轴线所形成的几何图形作为该桁架的计算图式，并假定桁架各节点均西南交通大学本科毕业设计 第 10 页为铰接，这样就简化了计算，而且当同一杆件是两个平面结构所共同时，例如弦杆，它既是主桁平面内的弦杆，又是平纵联桁架片面内的弦杆。计算时应先将它在各个平面桁架内的内力求出，然后相加，以其代数和作为它的计算内力。并且次应力不能准确考虑，实际上的桥跨结构是具有刚性连接的空间结构，按上述假定所算出来的内力必然产生一定的误差，当误差较大时，应进行必要的教正。在

42、传统方法计算内力的过程中，作了如下的假设：1.各结点都是无摩擦的理想铰；2.各杆轴都是直线，并在同一平面内且通过铰的中心；3.荷载只作用在结点上并在桁架的平面内；用 MIDAS 进行结构内力计算时，充分考虑了结构的空间性，并且能准确的模拟杆件间的刚性连接、温度效应对结构的影响以及支座沉降对结构影响等，采用有限元分析软件更加准确、更加快捷的计算结构的内力。 （MIDAS 作为一个功能非常强大的有限元分析软件，除了能够结构内力进行分析以外，还能对结构其他很多方面的情况进行分析，如振型、应力梯度等） 。2.2. MIDAS 的建模说明2.2.1 使用节点和单元建立模型在 MIDAS 中选者模型节点建

43、立，根据设计的桥梁概况对应的距离建立节点，通过节点建立单元，在建立单元的时候要注意节点连接的正确避免错连，建立出的全桥概图如图 2-1。2.2.2 材料的定义在 MIDAS 中定义材料的方法主要有调用数据库资料和用户直接输入材料有关特性值两种。这里定义的第一种材料钢材调用数据库的方法，首先选者钢材，然后选择规范 GB（S） ，最后在数据库中选择 16Mn，这样第一种材料定义就完成了。材料定义对话框设置如图 22。西南交通大学本科毕业设计 第 11 页图 2-1 全桥概图图 2-2 钢材材料定义设置另外还会用到一种虚拟材料，这里就要用用户直接输入了。所谓的虚拟材料是用来加载车道荷载的，由于在设计

44、中没有添加真正的轨道，所以用一根虚拟梁来代替，但是又不能增加梁的自重，故在定义时容重和线膨胀系数均设置为 0 其余和钢材一样如图 2-3。西南交通大学本科毕业设计 第 12 页图 2-3 虚拟材料定义设置2.2.3 截面数据的输入前面只建立了单元没有给单元定义截面，这里我们添加截面以主桁的一根杆件截面为例。截面为工字形截面，尺寸组成为竖板：2500mm24mm；水平板：1412mm20mm；在截面数据中选择用户，然后输入截面对应的数值如图 2-4。截面输入好后有的单元还需要修改偏心，以及旋转单元，这样才使得钢材的连接更加的协调有利于钢材发挥其承载力量（见图 2-6） 。西南交通大学本科毕业设计

45、 第 13 页图 2-4 截面尺寸的输入2.2.4 边界条件的建立包括 6 个支座，为一般支承用于约束端部（见图 2-5） ；弹性连接 189 个，在弹性连接中选择刚性用于连接 2 个节点，其作用是使纵梁成为一个整体，受力情况与实际相同（见图 2-7） ；刚性连接 81 个，作用是为了联结虚拟梁和两片纵梁，使加载在虚拟梁上的列车荷载传到两片纵梁上（图 2-8） 。图 2-5 支座的输入西南交通大学本科毕业设计 第 14 页图 2-6 旋转后的单元图 2-7 弹性连接示意图西南交通大学本科毕业设计 第 15 页图 2-8 刚性连接示意图2.2.5 输入静力荷载本设计考虑的荷载有自重、二期荷载、无

46、车横风、有车横风、横向摇摆力、制动力。首先是自重的输入，在荷载中选择自重荷载工况命名为自重，考虑焊缝重量为自重的 1.5%，螺栓的重量为自重的 2.5%3%，因此自重转化系数取-1.04。自重系数 x=0，y=0，z=-1.04 在点添加如图（2-9） 。西南交通大学本科毕业设计 第 16 页图 2-9 静力荷载工况自重二期恒载，大小为 10kN/m，平均分配到两片纵梁上，大小为 5kN/m，以梁单元荷载加载到纵梁上，方向竖直向下（见图 2-10） 。图 2-10 静力工况荷载二期荷载无车横风梁单元荷载(见图 2-11)，按照桥规取 W(风荷强度)为 1250Pa 作用在上平纵联上横向风力分布集度：0.540.2(1.4)250.410.29(10.4)2.9/wWHh KNm上作用在下平纵联上横向风力分布集度：西南交通大学本科毕业设计 第 17 页0.541.0(.4)1250.41.029(1.4)3.96/wWHh KNm下图 2-11 静力荷载工况无车横风有车横风梁单元荷载（2-12） ，按照桥规取 W(风荷强度)为 1250Pa 作用在上平纵联上横向风力分布集度： 0.85.4