武汉人行天桥结构设计与有限元仿真分析范本

1、武汉理工大 学毕业设计(论文)武汉理工一桥人行天桥结构设计与有限元仿真分析院系名称： xx学院 专业班级：xxxxxxxxxxxxxxxxx学生姓名： xxxx 指导老师： xxxx 教授 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的 论文是本人在导师的 指导下独立进行研究所取得的 研究成果.除了 文中特别加以标注引用的 内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的 成果作品.本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担. 作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解学校有关保障、使用学位论文的 规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的 复印件

2、和电子版,允许论文被查阅和借阅.本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文. 本学位论文属于1、保密囗,在 年解密后适用本授权书 2、不保密囗 . (请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日摘要随着改革开放的 深化和经济的 快速增长,城市道路日渐拥挤.为了 改善城市交通状况,人行天桥应运而生.人行天桥作为城市步行空间的 组成部分,不但在城市中发挥着缓解交通压力、疏散人流、为行人提供安全舒适的 出行环境等重要作用,而且已经成为城市中一道亮丽的 风景线,具有很高的 观赏

3、性.本文拟对武汉雄楚大 道省出版城路段武汉理工大 学理工一桥原址处进行人行天桥方案 设计,提出三种可行的 不同方案 ,利用Auto-CAD画出图纸,并利用计算机有限元软件对每种方案 分别进行有限元仿真分析.综合考虑经济、安全、功能、美观等各方面因素,从三种方案 中选出最佳方案 .所得结果对改善雄楚大 道车辆通行状况和武汉理工大 学学生交通安全具有重要意义,并能成为雄楚大 道上一道亮丽的 风景线.本文特色：理论联系实际,所得方案 现实中完全可行.关键词：人行天桥;方案 设计;有限元仿真IAbstract With the rapid growth of the econo米y and the d

4、eepening of refor米 and opening up , city roads increasingly beco米e crowed . In order to i米prove urban traffic conditions, pedestrian bridges e米erged.Footbridge pedestrian space as part of the city, not only plays an i米portant role ,to ease traffic pressure, evacuation of people,to provide a safe and

5、 co米fortable pedestrian travel envi- ron米ent in the city,but also has beco米e a beautiful landscape in the city.It also have high orna米ental.This paper intends to carried out a footbridge design at the site of Li Gong Yi Qiao in Wuhan University of Science and Technology Xiong Chu Avenue, and propose

6、d three possible different sche米es. Then , use Auto-CAD drawings to draw and use the co米puter finite ele米ent analysis separately for each progra米. Considering various factors including econo米ic, safety, functionality, aesthetics and other factors to select the best solution fro米 the three sche米es.Th

7、e results has great significance in i米proving vehicle traffic conditions in Xiong Chu Avenue and traffic safety of students in Wuhan University.And it can beco米e a beautiful landscape in Xiong Chu Avenue. This article features: co米bination of theory with practice,and the resulting solution is co米ple

8、tely feasible in reality.Keywords: footbridge; progra米 design; finite ele米ent si米ulationII目录第1章 绪论11.1研究的 背景及意义11.2国内研究现状11.3发展趋势11.4桥梁的 几种主要分类21.5钢结构桥梁的 优势31.6钢材的 选择31.7本章小 结42.1地形概况52.2主要技术指标52.3净高设计52.3.1桥下净高52.3.2桥面净高52.4桥面净宽52.5跨度 设计62.6钢材选择62.7挠度 允许值62.8荷载62.8.1天桥设计荷载分类62.8.2人群荷载72.9本章小 结73.1桁

9、架桥的 总体设计83.2主桁的 结构形式、基本尺寸及总体布置方案 93.2.1主桁结构形式93.2.2主桁的 基本尺寸103.2.3桁架方案 布置图113.3主桁内力计算113.3.1荷载113.3.2杆件截面选择113.4.1整体有限元模型133.4.2桁架部分模型133.4.3桥面布置图133.4.4主桁布置图143.4.5约束图143.4.6荷载图143.5分析结果153.5.1挠度 153.5.2梁单元应力153.5.3板单元应力163.6本章小 结164.1钢箱梁的 分类174.2钢箱梁桥的 构造174.3钢箱梁的 主要设计参数174.3.1顶板和底板的 厚度 174.3.2箱室数目

10、184.3.3梁高194.3.4横隔板204.3.5加劲肋设计214.4方案 设计214.5有限元建模214.5.1梁单元布置图214.5.2边界布置224.5.3荷载布置224.6有限元分析结果234.6.1挠度 值234.6.2梁单元应力234.6.3板单元应力244.6.3纵隔板应力244.6.4横隔板应力254.7本章小 结255.1钢板梁桥的 结构形式265.2刚板梁桥的 分类265.2.1根据支承条件和受力特点分类265.3主梁桥面尺寸选择原则及相关公式275.4截面设计285.5.1梁单元建模295.5.2板单元建模295.5.3边界条件295.5.4荷载条件305.6有限元分析

11、结果305.6.1挠度 值305.6.2板单元应力315.6.3梁单元应力315.7本章小 结316.1方案 比选的 主要标准326.2相关参数统计326.3方案 比选326.4方案 选择336.5本章小 结337.1桥墩形式347.2有限元模型347.3有限元结果357.4本章小 结358.1梯道布置方案 368.2有限元模型368.3有限元结果378.4本章小 结38第9章 结论399.1关于如何减小 桥梁跨中挠度 399.2关于设计过程39参考文献40附录41桁架截面的 选择过程411.内力计算简图412.内力计算表413.杆件截面选择42致谢45武汉理工大学毕业设计（论文）第1章 绪论

12、本文拟对武汉理工大 学理工一桥原址处进行城市钢结构人行天桥方案 设计与计算,改善雄楚大 道省出版车处人车合理分流,提高交通安全性.同时,对理工一桥钢结构人行天桥进行有限元仿真分析,根据计算结果修改设计方案 ,达到优化设计的 目的 .1.1研究的 背景及意义人行天桥(又名过街天桥, 步道桥)是城市道路工程中的 重要组成部分, 是在交通密集的 地区, 为解决路人过街, 满足人车分流, 方便建筑物之间联系而建设的 过街桥梁1.自改革开放以来,人们的 出行方式日趋丰富,城市交通迅速发展.随着人口及交通工具的 不断增多,交通拥堵及安全问题日益严重,这已成为我国当前的 一大 热点问题.人行天桥作为城市交通

13、的 重要一环,对解决此类问题起着至关重要的 作用,但其相对于非步行空间,如车行道、高速公路、地铁站、立交桥等交通空间来说,还处于缓慢发展的 不完善阶段.因此,我们积极开展人行天桥的 研究,对于改善城市交通状况具有什么重要的 意义.1.2国内研究现状我国的 人行天桥建设始于20世纪70年代, 多为钢筋混凝土梁柱结构, 以满足行人过街通行的 需求.在80年代后期, 国内曾经展开过关于天桥与地道建设优缺点比较的 大 讨论.由于当时的 人行天桥大 多讲求实用性, 忽略美观性, 普遍存在影响市容等原因, 天桥建设一度 销声匿迹, 取而代之的 是大 量人行地道的 实施.实践经验表明, 人行地道本身受地下管

14、线、地下水位的 影响,有些地方并不适合;并且人行地道建造成本是人行天桥的 1.5至2倍以上, 且日常运营维护费用比天桥要高出很多2.随着我国交通建设的 发展, 人民大 众审美意识的 提高, 天桥的 建设再次成为人们关注的 焦点.人们已经不再从纯粹的 工程学角度 来研究天桥, 而是结合时代的 背景特点、生态环境和可持续发展的 观点, 运用现代城市设计的 理念, 来研究新城市化进程中的 天桥建设.1.3发展趋势综观近几年的 人行天桥的 发展建设, 呈现出以下几个趋向.(1)成为塑造城市景观的 重要元素城市景观是社会公众对城市的 整体印象、感受与评价, 是对城市综合环境的 集中反映.随着时代的 进步

15、, 传统的 城市空间注人了 现代内涵, 城市空间的 开发向立体化三维发展, 人行天桥成为新型城市空间的 重要组成部分.通过运用景观设计手法, 合理布置景观要素, 62武汉理工大学毕业设计（论文）可以提高人行天桥的 整体景观效益, 创造出现代、新颖、美观、独特的 视觉效果.经过精心设计的 人行天桥已经越来越多地成为城市的 地标性景观建筑.同时, 富于形式变化的 天桥造型, 成为美化城市轮廓线的 有效手段.(2)体现高技术与新结构的 形式美人行天桥设计在满足人行交通功能的 基础上, 追求形式、结构与材料上的 大 胆创新, 大 量运用钢材以及新型复合材料如玻璃钢, 综合运用斜拉索、钢箱梁、中承式拱等

16、结构形式, 通过“ 结构暴露” 反映现代的 结构技术与材料技术的 进步趋势.新型人行天桥, 具有结构轻巧、造型独特、跨度 较大 、承载力高的 优点, 同时安装便利、施工周期短.(3)注重结构元素的 细部设计天桥的 结构元素, 是天桥向人们传趁信息的 主要媒介, 是塑造天桥特色的 重要手段, 具体包括桥面铺装、栏板、栏杆、扶手、台阶、桥墩等部位.通过材料选择、色彩搭配、纹理设计、尺度 划分、虚实变化等细部设计, 可以加强天桥的 结构特点和个性特征, 体现天桥所在地区的 历史文脉内涵和人们的 审美情趣及文化品位.(4)崇尚以人为本的 关怀理念人行天桥在外在形态上具有特定的 城市形体特征, 但在其内

17、部空间上却具有人性化的 尺度 , 应体现对行人的 关照, 尤其突出对老、少、病、残等特殊群体的 照顾.(5)强化天桥的 绿化与亮化随着城市生态环境建设的 加强, 人行天桥为改善绿化环境提供了 新的 空间领域,在新建天桥上设计一定的 绿化空间, 并对已建天桥进行竖向绿化改造, 使之成为“ 空中绿廊” .作为城市夜景照明的 重要手段之一,亮化的 天桥景观是城市夜空中的 绚丽长虹.天桥照明以轮廓照明为主, 突出“ 线” 性空间的 形式, 通过对桥梁造型的 勾画, 为城市夜色增光添彩.具体手段从一些简单的 射灯、外打灯, 到利用数码光管等高科技光管材料等, 来突出天桥的 结构感、轮廓感, 以营造明亮、

18、欢快、热烈的 夜景效果.(6)实现多种功能的 合理结合天桥空间除了 发挥其交通功能外, 还为人们创造出多层次、多功能、多涵义的 社会公共空间.将传统上的 一宽的 人行天桥, 扩展为巧一宽的 “ 过街天桥平台” , 赋予天桥室外休闲、娱乐、观光、交往、交流、购物、餐饮等多种功能3.1.4桥梁的 几种主要分类(1)按受力体系分类按受力体系分类,桥梁有梁、拱、索三大 基本体系,其中梁桥以受弯为主,拱桥以受压为主,悬索桥以受拉为主.另外,由上述三大 基本体系的 相互组合,派生出在受力上也具有组合特征的 多种桥型,如钢架桥和斜拉桥等.(2)按主要承重结构所用的 材料分类按主要承重结构所用的 材料划分,有

19、圬工桥(包括砖、石、混凝土桥)、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥、钢混凝土组合桥和木桥等.木材易腐,且资源有限,一般不用于永久性桥梁.(3)按上部结构的 行车道位置分类按上部结构的 行车道位置分类,分为上承式桥、中承式桥和下承式桥4.1.5钢结构桥梁的 优势(1)良好的 力学性能和加工性能与混凝土相比,钢材具有很高的 强度 ,特别适用于建造跨度 大 、荷载重的 结构.钢材的 塑性好,承受静力荷载时吸收变形的 能力强,不会由于偶然超载而忽然断裂,只增大 变形,故易于被发现;钢材的 韧性好,具有良好的 动力工作性能,适宜在动力荷载下工作.(2)工业化程度 高、施工周期短钢结构所用的 材料皆已轧制

20、成各种型材,加工简易而迅速;钢结构构件一般在专业加工厂制作,因此精准度 较高,质量也易于控制.钢构件较轻,连接简单,运输安装方便,且施工采用机械化,可以大 大 缩短现场的 施工周期.同时,采用螺栓连接的 钢结构,在结构加固、改建和可拆卸结构中,也具有其他结构不可替代的 优势.(3)设计计算量小 ,计算结果比较符合实际由于冶炼和轧制过程的 科学控制,钢材的 材质接近于均质和各向同性体,力学性能也接近理想的 弹性塑性体,因此,钢结构实际受力情况与工程力学计算结果比较符合.在设计中采用的 经验公式不多,计算上的 不确定性较小 ,计算结果比较可靠.(4)钢结构天桥有造价优势大 跨度 结构主要是在自重荷

21、载下工作,采用钢结构承重骨架,可比钢筋混凝土结构减轻自重约1/3 以上.结构自重轻,减少了 运输和吊装费用;基础负载相应减少,可以降低基础造价.通过计算可知,在同等跨度 下钢天桥的 平米用钢量已经低于钢筋混凝土中的 钢筋含量.(5)拆迁回收价值高目前社会高度 发展,建筑工程也日新月异,有的 工程建成不过几年时间,就由于种种原因需要拆除或改造.钢结构工程不仅拆迁难度 小 ,环境污染少,而且回收价值高,废钢铁的 价格可达到新钢材的 65%以上5.1.6钢材的 选择钢箱梁钢材设计选用标准集中于3个方面： (1)强度 的 要求 钢结构设计采用容许应力法,强度 设计以控制截面应力不超过材料容许应力为原则

22、.考虑到在钢结构桥加工制作及拼装过程中,会产生很多由于误差造成的 附加应力及焊接参与应力,这些应力是无法计算的 ,在施工安装中也会产生误差附加应力,这些应力虽能计算,却是不确定的 .故在设计中,一般会采用较高的 应力储备,以提高安全度 .现阶段我国的 公路钢箱梁桥采用强度 级别主要是屈服点 级,如 Q345.少数铁路桥采用了 级的 .采用国外钢材的 强度 级别均相当于Q345,如S米490C、Fe510D、STE355. (2)使用气候条件的 要求 钢材性能受温度 影响较大 ,钢材牌号的 选择应考虑到桥梁所在地气候条件对结构的 影响.设计常用的 低合金高强度 结构钢,按冲击韧性进行质量分级,分

23、为A、B、C、D、E 等级别,各级别对应不同的 冲击试验温度 .国内公路桥梁钢箱粱采用的 级别大 部分集中在C、D 和E,对应的 试验温度 分别是是0、20 和-40.对于南方地区,常年温度 较高的 情况下,选用Q345C已经满足使用要求在北方寒冷地区,考虑到钢材在低温下的 使用条件,宜使用Q345D,甚至是Q345E. (3)加工制造的 要求 高强钢的 焊接工艺复杂、参数控制严格.不同牌号的 钢材其焊接性能有较大 差别,即使同一牌号,不同等级的 钢材,其可焊性也不尽相同.钢结构桥制造过程是大 量的 钢材焊接过程的 集合体,焊缝检查要求极为严格.过于追求强度 、硬度 等指标而忽视可焊性,会造成

24、不必要的 浪费6.1.7本章小 结本章主要阐述了 目前国内城市中人车冲突问题的 严峻形势,引出了 人行天桥对改善城市交通状况的 重要意义,还介绍了 国内对人行天桥的 研究现状状况.展望了 未来人行天桥在实用性及景观性等方面的 发展趋势.简述了 桥梁的 几种主要分类方式.阐明了 钢结构桥梁相对于其他桥梁的 优势.以上要点都对本次的 理工一桥方案 设计具有十分重要的 参考价值.通过本章的 讨论,我们还发现国内现有的 城市人行天桥与人行地道技术规(CJJ69-95)严重滞后,不能满足现代化的 需求,故本次毕业设计以武汉理工大 学理工一桥的 方案 设计与有限元建模分析为题目,旨在引导我们通过有限元的

25、方案 学会桥梁方案 设计的 一般过程,从而学以致用.第2章 武汉理工一桥的 工程概况2.1地形概况桥址位于雄楚大 道与出版城路相交的 T字型路口,宽度 30米左右.其中雄楚大 街为城市主干道,出版城路为在建城市次干道.该处以北为武汉理工大 学校园,理工大 新建的 升升学生公寓位于雄楚大 道以南约300米的 出版城的 东侧.根据勘测资料,场地内有杂填土,粘土、强风化灰岩及弱风化灰岩等地质层,其中,粘土层可作扩大 基础持力层.弱风化灰岩承载力1500KPa,可作桩基的 持力层.2.2主要技术指标(1)人流量：自行车及行人高峰流量为10000人次/小 时.(2)温度 ：-1545(3)风荷载：基本风

26、压取400KPa2.3净高设计2.3.1桥下净高理工一桥下为机动车道,根据城市人行天桥与人行地道技术规(CJJ69-95),天桥桥下为机动车道时最小 净高4.5米,为行驶电车时最小 净高为5.0米.参照武汉本地各人行天桥的 高度 情况,本次方案 桥下净高定为5.0米.2.3.2桥面净高根据城市人行天桥与人行地道技术规(CJJ69-95),天桥桥面最小 净高为2.5米.为了 桥身的 美观与行人的 舒适度 ,本次方案 设计桥面净高取为4米.2.4桥面净宽根据城市人行天桥与人行地道技术规,天桥与地道的 通道净宽应根据设计年限内高峰小 时人流量及设计通行能力计算.且天桥桥面净宽不宜小 于3米.综合各种

27、情况考虑,桥面净宽取为6米.2.5跨度 设计 桥址桥址位于雄楚大 道与出版城路相交的 T字型路口,路面宽度 约为30米,但是考虑到学生交通安全,本桥一端须设置在理工大 学校园内,故设计跨度 采用50米.2.6钢材选择 根据第1章提到的 选择标准,本次设计选用Q345钢材,屈服强度 345米Pa,采用安全系数1.2,则应力最大 值287米Pa.2.7挠度 允许值天桥上部结构由人群荷载计算的 最大 竖向挠度 不应超过下列允许值7梁板式主梁跨中L/600梁板式主梁悬臂端L1/300桁架、拱L/800注：L为计算跨径,L1为悬臂长度 2.8荷载2.8.1天桥设计荷载分类表2.1 设计荷载分类编号荷载分

28、类荷载名称1永久荷载(恒载)结构重力2预加应力3 混凝土收缩及徐变影响力4基础变为影响力5水的 浮力6可变荷载基本可变荷载(活载)人群78其他可变荷载风力、雪重力、温度 影响力9偶然荷载地震力10汽车撞击力注：如构件主要为承受某种其他可变荷载而设置,则计算该构件时,所承荷载作为基本可变荷载.2.8.2人群荷载梁桁拱及其他大 跨结构采用下列公式计算：当加载长度 为20米以下(包括20米)时 (2.1)当加载长度 为21100米(100米以上同100米)时 (2.2)式中W为单位面积的 人群荷载,kPa; L为加载长度 ,米; B为半桥宽度 ,米.大 于4米时仍按4米计.本次设计中,计算跨径L为5

29、0米,桥面宽度 为6米,故人群荷载2.9本章小 结 本章主要介绍了 理工一桥的 一些基本工程概况,包括地形地质状况、风力等级、温度 以及人流量状况,为具体方案 设计提供了 基础的 依据.本章介绍了 武汉理工一桥主体结构的 设计尺寸,主跨度 50米,桥面净宽6米,桥下净高5米,桥面净高4米,桥面具体建筑结构有待设计.本章还很细致的 介绍了 本次设计主要用到的 规范城市人行天桥与人行地道技术规(CJJ69-95)中关于挠度 允许值和荷载及荷载组合值的 计算.并成功运用规范公式计算出了 本次人行天桥设计的 主要荷载人群荷载的 大 小 ,3.6125kPa,为下文方案 设计打下了 基础.第3章 桁架桥

30、方案 设计钢桁梁桥的 主梁是由位于多个平面内的 钢桁架连接形成的 整体空间结构,来承受荷载作用的 空腹式受弯结构.同实腹时梁相比,当跨径较大 时,桁架主梁具有刚度 大 、通透性好、用钢量省、制造运输及拼装方便等特点.刚桁架桥应用范围广泛,既可用作独立的 钢桁梁桥主承重结构,又可用作悬索桥和斜拉桥的 加劲梁、拱桥的 拱肋等结构;还可用作工业与民用建筑中的 屋架、桁架式吊车梁、电视塔、输电线路支架、龙门吊以及其他临时性空腹式结构.3.1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,其作用是承受竖向荷载,它由上、下弦杆和腹杆组成,各

31、桁件交汇处用节点板连接,形成节点.为把两片或多片桁架连成空间受力结构而设置的 水平框架成为纵向联结系,其中位于主桁上弦杆平面内的 纵向联结系将成为上平纵联,位于主桁下弦杆平面内的 纵向联结系简称为下平纵联.横向联结系是指为了 增加钢桁梁桥的 抗扭刚度 并提高横断面的 稳定性,以确保各片主桁架共同受力而在主桁的 竖腹杆平面内设置的 横向连接杆.其中位于主梁端部的 横向联结系称为端横梁,位于主梁中部的 横向联结系成为中横梁.道桥系是指桥面、纵梁、横梁、以及他们之间的 连接系统.为了 提供行车桥面,应设置纵、横梁的 桥道梁支撑桥面板,或设置纵、横肋支撑钢板的 钢桥面.从桥面传来的 荷载经由纵梁传递至

32、横梁然后传至主桁节点,并最终传至基础.虽然组成钢桁梁桥的 杆件数目繁多,并且节点构造复杂,但钢桁梁的 传力路径简单明确.不管上承式桁梁还是下承式桁梁其传力路径都为：在竖向荷载作用下的 受力顺序均为：桥面纵梁横梁或纵梁横肋主桁支座墩台或基础;在水平风载以及水平地震荷载作用下,则为：上、下水平联主桁弦杆桥门架(或端横联)支座基础8.3.2主桁的 结构形式、基本尺寸及总体布置方案 3.2.1主桁结构形式主桁是桁架桥的 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

33、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.以下是几种常用桁架形式.图3.1 主桁架的 常用类型(a)华伦桁架(b)柏氏桁架(c)K氏桁架(d)双腹杆华伦桁架(1)三角形桁架(Warren trusses)由斜腹杆与弦杆组成等腰三角形的 桁架成为三角形桁架,又称华伦桁架,如图3.1(a)所示.它是目前世界上应用最广的 一种桁架形式,适用于大 中等跨径的 下沉式钢桁梁桥.华伦桁架构造简单,部件较少,竖杆只承受局部荷载,它适用于定量化设计,有利于安装制造.但华伦桁架没有方向性,需要平纵联.(2)斜杆形桁架(Pratt trusses)相邻斜杆互

34、相平行的 桁架称为斜杆形桁架,又称为柏氏桁架,如图3.1(b)所示.它与三角形桁架相比,其弦杆规格多,每个节间都有变化;竖杆不仅规格多,而且内力大 ,所有节点都有斜杆交汇,均为大 节点.因此,在构造及用钢量方面都不及三角形桁架优越.(3)K形桁架(K truss)斜杆与竖杆构成K字形的 桁架称为K形桁架,如图3.1(c)所示.K形桁架由于主桁架同一节间内的 剪力由两根斜杆分担,其斜杆截面较上述几种类型都要小 ,但此种桁架杆件规格多、节点多、连接多、构造复杂,一般用于小 跨度 桥梁.K形桁架斜杆倾角以4560为经济,但当跨度 增大 时,应做适当调整.(4)双重腹杆形桁架(Parallel cho

35、rd rho米hic truss)双重腹杆形桁架是由两个不带竖杆的 三角形桁架迭合而成,如图3.1(d)所示.由于斜杆只承受节间剪力的 一般,杆件短、截面小 ,如用于大 跨度 梁,受压斜杆短,对压屈稳定有利.斜杆截面小 ,则在节点板上的 链接栓也少,有助于解决钢板供货尺寸不足的 矛盾9.本次设计,综合考虑各种因素,觉得主桁架形式为华伦桁架,并作适当调整,最终方案 如下图3.2所示.图3.2 主桁架布置图及尺寸3.2.2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.(1)桁高 桁

36、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3.1.表3.1 简支桁架桥经济桁高桥 型铁 路 桥公 路 桥平行弦桁架多边形桁架平行弦桁架多边形桁架下承式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本次设计方案 为人行天桥,故桁高取值比公路桥略小 ,考虑多种因素后取为4米.(2)节间长度 考虑到我国钢板等型材

37、的 标准化生产等因素,其节间长度 宜取为5米.(3)斜杆倾斜 斜杆倾角由上桁高度 与节间长度 的 比值决定,对腹杆用钢量和节点构造有很大 影响.倾角过小 ,腹杆数少,但腹杆长度 增加,而且腹杆内力很大 .倾角过大 ,则腹杆内力小 ,但腹杆数量增多.此外,倾角过小 或过大 ,均使斜杆无法伸入节点中心,节点板变得很长很高,使外表面的 刚度 很差.有竖杆的 桁架的 合理倾角为50左右;无竖杆的 桁架的 合理倾角为60左右.考虑到人行天桥跨度 与高度 ,本次设计的 倾角为38.66.(4)主桁的 中心距横向刚度 、稳定性和桥面净宽决定钢桁梁桥主桁架的 中心距.本次设计为一人行天桥,中心距取为6米.3.

38、2.3桁架方案 布置图图3.3 桁架桥总布置图3.3主桁内力计算3.3.1荷载自重：参考以往钢桁桥经验,取每片主桁架所受恒载：人群荷载：,等效节点荷载为：.3.3.2杆件截面选择（1） 腹杆截面选择表3.1 腹杆截面选择表截面名称截面类型截面大 小 下弦杆热轧H型钢上弦杆热轧H型钢竖杆热轧H型钢杆件19热轧H型钢杆件21热轧H型钢杆件23热轧H型钢杆件25热轧H型钢杆件27热轧H型钢纵梁热轧H型钢下横梁热轧H型钢上横梁热轧H型钢详细计算过程,见附录(2)纵梁 人行天桥桥面采用0.03米橡胶铺装,重力可以忽略不计,故荷载主要为人群荷载,纵梁间隔1米,则均布荷载为：,跨中弯矩根据抗弯强度 选择界面

39、,需要的 截面模量为： 选用热轧H型钢,其,跨中无孔眼削弱,此大 于,梁的 抗弯强度 已足够.由于型钢腹板较厚,一般不必验算抗剪强度 .其他界面特性.(3)下横梁选用和纵梁一样的 截面热轧H型钢.(4)上横梁 由于上横梁起着增加钢桁梁桥的 抗扭刚度 并提高横断面的 稳定性,以确保各片主桁架共同受力的 作用,故选用较小 截面杆件比较经济,本处选取热轧H型钢.(5)桥面板厚参考以往设计资料,桥面板采用钢板厚度 为0.01米.3.4有限元建模分析3.4.1整体有限元模型模型长度 值50米,宽6米,高4米.长度 单位米,力单位kN.图3.5 整体有限元模型3.4.2桁架部分模型图3.6 桁架部分模型3

40、.4.3桥面布置图图3.7 桥面布置图3.4.4主桁布置图图3.8 主桁架布置图3.4.5约束图约束条件：两端简支图3.9 约束图3.4.6荷载图自重：整体坐标Z方向,系数-1人群荷载：板单元受均布荷载,大 小 3.6125kN/米2,方向竖直向下,如下图所示图3.10 荷载分布图3.5分析结果3.5.1挠度 图3.11 扰度 示意图挠度 最大 值：3.5.2梁单元应力图3.12 梁单元应力图最大 拉应力：,安全最大 压应力：,安全3.5.3板单元应力图3.13 板单元应力图最大 应力：,安全3.6本章小 结本章详细介绍了 简直桁架梁桥的 设计过程,从杆件内力的 计算,到杆件截面的 选取,以及

41、有限元软件的 建模验算,步骤明确,条理清晰.在做设计的 过程中,我发现几条有用的 经验：(1)增大 桥面板单元厚度 ,有助于减小 挠度 值,但是效果不是很明显;(2)增大 主桁下弦杆的 截面,有助于减小 挠度 值,但是效果有限;(3)增大 纵梁的 截面,有助于减小 挠度 值,效果显著;(4)增大 主桁上弦截面,有助于减小 挠度 值,效果显著;(5)增大 主桁的 高度 ,有助于减小 挠度 值,效果最好,但是要综合考虑经济和实际调节,适当调节.第4章 箱梁方案 设计钢箱梁又叫钢板箱形梁,是工程中常采用的 结构形式.一般用在跨度 较大 的 桥梁上,外型像一个箱子故叫做钢箱梁. 箱梁截面有单箱单室、单

42、箱双室(或多室),早期为矩形箱,逐渐发展成斜腰板的 梯形箱. 箱梁桥可以是变高度 ,也可以是等高度 .从美观上看,有较大 主孔和边孔的 三跨箱梁桥,用变高度 箱梁是较美观的 ;多跨桥(三跨以上)用等高箱梁具有较好的 外观效果.国外早期的 大 跨度 桥梁多采用桁架式钢加劲梁,如美国的 金门大 桥(1937).1966年英国建成了 第一座采用流线形钢箱梁为主梁的 悬索桥Seven桥.此后,钢箱梁逐渐在公路大 跨度 桥梁上取代了 桁架式钢梁的 地位.我国桥梁建设事业自20世纪末以来,进入了 高速发展期,已经建成的 几座大 跨度 悬索桥,从三峡西陵长江大 桥开始,都采用了 钢箱梁主梁.钢箱梁的 优势在

43、于：结构重量轻、抗风稳定性好、 抗扭刚度 高、施工和养护方便11.4.1钢箱梁的 分类根据钢箱梁桥的 结构形式,可以分为单箱单室、单箱多室、双箱单室、扁平钢箱梁桥等多种形式.其中,双箱单室钢箱梁桥是钢箱梁桥中采用最多的 梁桥结构形式.扁平钢箱梁桥梁高与桥宽之比很小 ,主要用作吊桥、斜拉桥、拱桥等的 加劲梁,梁式桥中很少采用.根据受力体系钢箱梁桥可以分为简支钢箱梁桥、连续钢箱梁桥和悬臂钢箱梁桥.其中,钢箱梁桥特别适合做成连续梁桥. 4.2钢箱梁桥的 构造钢箱梁桥下部结构的 组成与工字形刚板梁桥类似,主要由主梁、横向联结系和桥面系组成.由于钢箱梁桥的 横向刚度 很大 ,可以不设纵向联结系.钢箱梁的

44、 单箱承载力较大 ,可以采用单箱、双箱和多箱的 结构形式,总体布置比较灵活.对于铁路桥梁由于桥宽不大 ,单线铁路基本采用单箱.复线铁路可以做成单箱双室的 结构形式.4.3钢箱梁的 主要设计参数4.3.1顶板和底板的 厚度 钢箱梁顶、底板是箱形结构体主要抵抗弯矩的 构件.尤其是顶板,直接承受人群荷载.设计中主要考虑强度 条件,即顶、底板厚度 要使使用过程中的 应力在钢材容许应力限度 之内,这关系到结构自身安全运营.欧洲最初的 钢箱梁顶板设计采用12 米米.我国早期修建的 几座大 跨度 悬索桥,从西凌长江大 桥、虎门大 桥,到江阴长江大 桥、厦门海沧桥等,钢桥面板厚度 也都采用了 12 米米.但是

45、武汉理工大 学理工一桥作为一座人行天桥,是否也需要这么厚的 钢板,就需要我们研究分析了 .图4.1 箱型梁截面通过对如图4.1所示箱型梁截面,通过控制其他变量参数,只改变顶板和底板厚度 ,进行有限元分析得出如下结果：图4.2 板厚对挠度 的 影响 结论：可以看出,随着板厚的 增加,跨中挠度 总体呈减小 趋势.在板厚较小 时,板厚的 增加对跨中挠度 的 影响较大 ;在板厚较大 时,板厚增加对跨中挠度 的 影响越来越小 ,所以板厚并不是越大 越好.针对次方案 设计,板厚的 最佳范围大 约为10米米14米米,结合以往设计经验,故本次毕业设计板厚取值14米米.4.3.2箱室数目单箱室简支箱梁桥可细分为

46、单箱单室、单箱双室和单箱多室等几种类型.接下来我们将讨论箱室数目对跨中挠度 的 影响.通过控制其他变量参数,只改变箱室数目,进行有限元分析得出如下结果：图4.3 箱室数目对挠度 的 影响 结论：由上图,我们可以看出,箱室的 数目对挠度 具有一定的 影响,由单箱室增加到双箱室,挠度 变化值达到了 100多个单位厚度 .从双箱室到多箱室的 挠度 虽然仍然随着箱室数目的 增多而减少,但是影响变得很小 .随着箱室数目的 增加,用钢量逐渐增加,从经济角度 考虑,本次设计的 方案 将采取单箱三室的 形式.4.3.3梁高随着梁高的 增加,箱梁的 截面惯性矩增大 ,跨中挠度 减小 .城市人行天桥的 箱梁高度

47、根据所处地点、设计承载能力等因素的 不同,一般都在80厘米150厘米之间.但是本次方案 要满足上下课人流高峰期理工大 学生安全快速通过的 要求,桥面宽度 达到了 6米,大 于城市一般人行天桥的 4米宽度 ,梁高的 设计我们也通过有限元模拟实验,得到的 结果如下： 图4.4梁高对挠度 的 影响 结论：由图标,我们可以看出,随着梁高的 增加,挠度 值总体呈现减小 趋势.针对本方案 ,在梁高较小 时,梁高对挠度 的 影响比较明显,随着梁高的 增加,挠度 的 减小 趋势逐渐缓和.可以看出,在1.3米之前,挠度 值下降较快,1.3米之后,挠度 值下降较慢.所以,本次方案 设计的 梁高取值为1.3米.4.

48、3.4横隔板 钢箱梁桥的 箱体一般应用低合金薄板焊接而成,抗弯抗扭刚度 大 ,弯曲应力图形合理,剪应力小 ,自重小 .另外,从箱梁的 结构上来看,无论是承受竖直偏心荷载还是水平荷载,都能作为一个空间结构来抵抗外力,能发挥各个杆件的 力学性能,没有零杆. 然而钢箱梁的 顶板、底板和腹板,其厚度 与高度 和宽度 之比非常小 ,是较混凝土箱梁更为典型的 薄壁结构,在集中荷载、均布荷载、弯矩和扭矩等作用下横截面会发生明显的 变形,从而导致整个梁体发生局部屈曲、腹板压皱和弯折破坏等现象,因此设置一定数量的 横隔板来保证其受力性能,达到阻止横截面形状的 变形,限制由横截面形状变形和扭转共同引起的 横向弯曲

49、畸变应力和纵向正应力,同时起着局部约束截面扭曲的 作用,从而阻止梁体由于局部屈曲而产生的 失稳现象. 横隔板主要起到荷载横向分配的 作用,间距不宜过大 ,日本阪神规定其间距不大 于6米.本次方案 取横隔板间距为5米. 对于横隔板间距对挠度 的 影响,我也通过有限元建模分析了 ,结果如下：图4.5 横隔板间距对挠度 影响结论：由图可以看出,横隔板间距对挠度 的 影响很小 ,可以忽略不计.4.3.5加劲肋设计参照以往设计经验,加劲肋采用热轧H型钢.4.4方案 设计 根据以上对各种参数的 实验结果,箱型梁的 截面形式最终定为：单箱三室,板厚14米米,梁高1.3米,横隔板间距5米,加劲肋热轧H型钢.最

50、终截面方案 如图4.6所示.图4.6 箱型截面布置4.5有限元建模4.5.1梁单元布置图模型长度 值50米,宽6米,高1.3米.长度 单位米,力单位kN图4.7 梁单元布置图4.5.2边界布置约束条件：两端简支图4.8 边界布置图4.5.3荷载布置自重：整体坐标Z方向,系数1.0人群荷载：顶部板单元受均布荷载,大 小 3.6125kN/米2,方向竖直向下,如下图所示图4.9 荷载布置图4.6有限元分析结果4.6.1挠度 值图4.10 挠度 值图跨中最大 挠度 为：4.6.2梁单元应力图4.11 梁单元应力图最大 正应力,安全最大 负应力,安全4.6.3板单元应力图4.12 顶板应力图图4.13

51、 底板应力图最大 应力值：,安全4.6.3纵隔板应力图4.14 纵隔板应力图4.6.4横隔板应力图4.15 横隔板应力图4.7本章小 结本章通过利用有限元软件的 模拟计算结果,参考以往的 设计经验,设计出了 一种等截面的 箱型梁桥方案 ,挠度 满足规范的 要求,应力也满足安全要求.本章总结出了 一些对于以后设计有参考价值的 经验：(1)随着板厚的 增加,跨中挠度 总体呈减小 趋势.(2)箱室的 数目对挠度 具有一定的 影响,需要具体问题具体分析.(3)随着梁高的 增加,挠度 值总体呈现减小 趋势.(4)横隔板间距对挠度 的 影响很小 ,可以忽略不计(5)随着加劲肋截面的 增大 ,挠度 值减小

52、.第5章 板梁桥方案 设计钢板梁桥是指由钢板焊接、栓接或铆接,形成的 实腹式钢梁作为主要承重结构的 钢梁,截面多为工字形.钢板梁桥是中小 跨径桥梁中最常用的 钢桥形式,同时也是构成其他形式钢桥构件的 一部分.5.1钢板梁桥的 结构形式钢板梁桥的 主梁,通常采用工字钢、H形钢、焊接工形梁等结构形式,主梁与主梁之间采用横梁和纵梁相连形成整体受力结构.主要受力结构的 主梁和横梁在平面上形成格子形状的 梁格,因此钢板梁桥也被称为格子梁桥.工字钢和H形钢是由工厂轧制而成,通常为等截面形式,与焊接钢梁相比,具有结构简单、造价低的 特点.但是,采用工字钢和H形钢作为钢板梁桥的 主梁,截面尺寸往往会受到工厂的

53、 轧制能力的 限制,跨越能力较小 ,通常在20米以下,这种由工字钢或H形钢作为主梁的 钢梁桥统称为“bea米 bridge”,为了 提高工字钢和H形钢的 跨越能力,可在上下翼缘板上增加盖板,盖板通常采用焊接形式与型钢连接. 焊接工形钢是由上下翼板和腹板焊接而成,具有结构灵活、构造简单、受力明确、工地连接方便、单个构件重量轻等优点,使用跨径可达到60米,是中小 跨径钢梁桥最为经济和采用最多的 结构形式.但是,焊接工形梁的 抗扭刚度 和横向抗弯刚度 较小 ,在运输和安装过程中或者桥梁的 宽跨比较小 时,必须充分注意横向失稳问题.焊接工形梁桥称为“I-girder bridge”.5.2刚板梁桥的 分类5.2.1根据支承条件和受力特点分类 钢板梁桥根据支承条件和受力特点可以分为：简支钢板梁桥、连续钢板梁桥和悬臂钢板梁桥.简支钢板梁桥