单线铁路下承式栓焊支钢桁梁桥空间分析计算.doc

 单线铁路下承式栓焊支钢桁梁桥空间分析计算 目 录第一章 计算资料1第一节 基本资料1第二节 计算内容1第二章 桁架梁桥空间模型2第一节 调整后的构件截面尺寸2第二节 空间模型3第三章 恒载和活载作用下竖向变形3第一节 恒载作用下的竖向变形4第二节 活载作用下的竖向变形4第四章 主力和各项附力单独作用下的受力5第一节 主力单独作用下的受力5第二节 横风荷载单独作用下的受力8第三节 制动力单独作用下的受力12第五章 主力和各项附力组合作用下的受力13第一节 主力和横向附力组合作用下的受力13第二节 主力和纵向附力组合作用下的受力17第六章 自振特性计算19第一节 一阶振型计算19第二节 二阶振型计算20第三节 三阶振型计算20第四节 四阶振型计算21 第五节 五阶振型计算22第七章 总结22 第一章 计算资料第一节 基本资料1、设计规范：铁路桥涵设计基本规范（TB10002D1-2005），铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002D2-2005）。2、 结构轮廓尺寸： 计算跨度 L= 106.5m， 钢梁分10个节间， 节间长度 d=L/10=10.65 m， 主桁高度 H=11d/8= 14.64 m， 主桁中心距 B=5.75 m， 纵梁中心距 b= 2.0m，纵联计算宽度 B0= 5.30 m，采用明桥面，双侧人行道。3、材料：主桁杆件材料 Q345q，板厚40mm，高强度螺栓采用 40B，精致螺栓采用 BL3，支座铸件采用 ZG35,辊轴采用 35 号锻钢。4、活载等级：中活荷载。5、恒载：结构自重根据实际计算，明桥面恒载、横向力、纵向力均按照铁路桥涵设计基本规范（TB10002D1-2005）6、连接：工厂采用焊接，工地采用高强度螺栓连接，人行道托架采用精致螺栓，栓径均为 22mm，孔径均为 23mm高强度螺栓设计预拉力 P=200KN,抗滑移系数0=0.45。第二节 计算内容1、全桥建模，汇总各杆件调整后的截面。 2、计算恒载、活载作用下竖向变形（图示和数值说明）。 3、计算主力、各项附加力单独作用的构件轴力、弯矩、轴向应力、弯曲应力、组合应力、支座反力（图示和数值说明）。 4、根据规范要求计算主力和各项附加力组合作用下的构件轴力、弯矩、轴向应力、弯曲应力、组合应力、支座反力（图示和数值说明）。 5、计算结构前 5 阶自振模态。第二章 桁架梁桥空间模型第一节 调整后的构件截面尺寸采用如下构件截面建立桁架梁桥空间模型。表 2-1 桁架梁桥构件截面特征值表（单位 m）杆号名称 类型 截面形状 H B1（B）tw Tf1（tf）B2tf2c1下弦杆 E0E2 用户 H 型截面 0.460.460.010.0120.460.0122下弦杆 E2E4 用户 H 型截面 0.460.460.0180.0240.460.0243下弦杆 E4E5 用户 H 型截面 0.460.460.0240.0240.460.0244上弦杆 A1A3 用户 H 型截面 0.460.460.0180.0240.460.0245上弦杆 A3A5 用户 H 型截面 0.460.460.0240.0360.460.0366斜杆 E0A1 用户 H 型截面 0.460.60.0180.0240.60.0247斜杆 A1E2 用户 H 型截面 0.460.460.010.0160.460.0168斜杆 E2A3 用户 H 型截面 0.460.460.0120.020.460.029斜杆 A3E4 用户 H 型截面 0.460.460.010.0160.460.01610斜杆 E4A5 用户 H 型截面 0.460.460.010.0160.460.01611竖杆 用户 H 型截面 0.460.260.010.0120.260.01212横梁 用户 H 型截面 1.290.240.0120.0240.240.02413纵梁 用户 H 型截面 1.290.240.010.0160.240.01614下平纵联斜杆 用户 H 型截面* 0.2130.180.010.0120.180.01215制动撑架 用户 H 型截面* 0.2130.180.010.0120.180.01216桥门架楣杆 用户 槽钢 0.250.10.010.010.10.0117横联上横撑（端)用户 槽钢 0.250.10.010.010.10.0118横联上横撑（中)用户 H 型截面 0.250.180.010.010.180.0119横联楣杆 用户 双角钢截面 0.080.1250.010.01 0.0120上平纵联斜杆 用户 H 型截面 0.250.180.010.010.180.0121纵联间水平斜杆用户 角钢* 0.10.10.010.01 22纵联间横向连接用户 角钢* 0.090.090.010.01 第二节 空间模型 建立后的空间模型如下图所示： 提取研究的主桁杆件编号如下图所示：主桁杆件各构件特征值如下图所示：主桁杆件各构件特征值如下图所示：第三章 恒载和活载作用下竖向变形第一节 恒载作用下的竖向变形 恒载作用下的变形形状如下图所示，最大竖向位移在跨中处，为37.5mm。支座处竖向位移最小，为零。 第二节 活载作用下的竖向变形 活载作用下，桁梁的竖向变形如下图所示。最大值也发生在跨中，为92mm，据铁路桥涵设计基本规范TB10002D1-2005规定可知，简支钢桁梁在列车静活载作用下的竖向容许挠度值为L/900=109.9mm，故本钢桁梁桥满足容许挠度要求。第四章 主力和各项附力单独作用下的受力第一节 主力单独作用下的受力 由铁路桥涵基本规范TB10002D1-2005可知，主力包括桥梁恒载、列车静活载和横向摇摆力，横向附力主要是横向风力，纵向附力主要是制动力（牵引力）。4.1.1主力作用下的轴力 活载加载系数未考虑活载均衡发展系数，主力作用作用下主桁杆件的最大和最小轴力如下图由此可知，主桁杆件最大轴力为E4E5杆4170KN，最小轴力为A3A5杆5121KN。 4.1.2 主力作用下的轴向应力 主力作用下主桁杆件的最大和最小轴向应力如下图：由图可知，主力作用下主桁的最大轴向应力为E2E4杆 214MPa，最小轴向应力为A3A5杆 -120MPa。 4.1.3 主力作用下的弯矩 主力作用下的最大和最小弯矩如图所示：由此可知，主桁杆件最大弯矩为 A1A3杆 45KN·m，最小轴力为A1A3杆45 KN·m。 4.1.4 主力作用下的弯曲应力 主力作用下主桁杆件的最大和最小弯曲应力如下图：由图可知，主力作用下主桁的最大轴向应力 E0E2杆 69MPa，最小轴向应力为 E0E2 杆-69MPa。 4.1.5 主力作用下的组合应力 主力作用下主桁杆件的最大和最小组合应力如下图：由图可知，主力作用下主桁的最大组合应力 E2E4 杆260MPa，最小轴向应力为 A1A3杆-155MPa。 4.1.6 主力作用下的支座反力 主力作用下支座的最大和最小反力如下图(单位：KN)：由图可知，在主力作用下，支座竖向反力最大为 3189KN，最小为 672KN。 由铁路桥梁钢结构设计规范 TB10002D2-2005，钢材 Q345q 的轴向应力容许值为 200MPa，弯曲应力容许值为 210MPa，以上应力均满足规范要求。第二节 横风荷载单独作用下的受力4.2.1 横风荷载作用下的轴力 考虑横风荷载时，要区分桥上有车情况和无车情况。当桥上有车通过时，横向风力作用面积大，对结构受力的影响也就更大。因此，根据规范，分别计算无车横风荷载和有车横风荷载作用下的结构受力。无车横风荷载作用下的轴力如下图所示，最大轴力为 E0E2 杆371KN，最小轴力为E4E5杆-300KN。有车横风荷载作用下的轴力如下图所示，最大轴力为 E0E2 杆430KN，最小轴力为 E4E5杆394KN。4.2.2 横风荷载作用下的弯矩 无车横风荷载作用下的轴力如下图所示，最大弯矩为 E0A1杆 124KN·m，最小弯矩为 E0A1杆-89KN·m。有车横风荷载作用下的轴力如下图所示，最大弯矩为 E0A1 杆 103KN·m，最小弯矩为 E0A1杆-105KN·m。4.2.3 横风荷载作用下的轴向应力 无车横风荷载作用下的轴向应力如下图所示，最大轴向应力为 E0E2 杆24MPa，最小轴向应力为 E2E4杆-18MPa。有车横风荷载作用下的轴向应力如下图所示，最大轴向应力为 E0E2 杆28MPa，最小轴向应力为 E2E42 杆-25MPa。4.2.4 横风荷载作用下的弯曲应力 无车横风荷载作用下的弯曲应力如下图所示，最大弯曲应力为 E0A1 杆19MPa，最小弯曲应力为 E0A1杆-20MPa。有车横风荷载作用下的弯曲应力如下图所示，最大弯曲应力为 E0A1 杆16MPa，最小弯曲应力为 E0A1杆-16MPa。4.2.5 横风荷载作用下的组合应力 无车横风荷载作用下的组合应力如下图所示，最大组合应力为 E0E2 杆43MPa，最小组合应力为E1A0 杆-42MPa。有车横风荷载作用下的组合应力如下图所示，最大组合应力为 E0E2 杆44MPa，最小组合应力为 E1A1 杆-34MPa。4.2.6 横风荷载作用下的支座反力 无车横风荷载作用下的支座反力如下图所示(单位：KN)有车横风荷载作用下的支座反力如下图所示(单位：KN)4.2.7 横风荷载作用下的桥门架效应 上平纵联所受的横向力是经由两端的桥门架传至下弦节点 ，使端斜杆和下弦杆产生附加内力，端斜杆受弯变形如图所示。（此图为无车横风荷载作用）第三节 制动力单独作用下的受力 4.3.1 制动力作用下的轴力 制动力作用下的轴力如下图所示，最大轴力为 E0E2杆 188KN，最小轴力为E0A1杆-4KN。4.3.2 制动力作用下的弯矩 制动力作用下的弯矩如下图所示，最大弯矩为 E0E2杆8KN·m，最小弯矩为E0E2 杆-5KN·m。4.3.3 制动力作用下的轴向应力制动力作用下的轴向应力如下图所示，最大轴向应力为 E0E2 杆12MPa.4.3.4 制动力作用下的弯曲应力 制动力作用下的弯曲应力如下图所示，最大弯曲应力为 E2E4 杆 4MPa.4.3.5 制动力作用下的组合应力 制动力作用下的组合应力如下图所示，最大组合应力为 E0E2 杆12MPa.4.3.6 制动力作用下的支座反力 制动力作用下的支座反力如下图所示(单位：KN):第五章 主力和各项附力组合作用下的受力第一节 主力和横向附力组合作用下的受力据铁路桥涵设计基本规范 TB10002D1-2005，桥梁设计时，应仅考虑主力与一个方向（横桥向或顺桥向）的附加力相结合。因此，在检验荷载组合效应时，分别将主力+横向附加力组合和主力+纵向附加力组合。 横向附力主要为横向风荷载，因此主力+横向附力组合作用是恒载、活载、横向摇摆力和横向风力的组合作用。 5.1.1 主力+横向附力组合作用下的轴力 主力+横向附力组合作用下的最大和最小轴力如图所示，最大轴力为 E4E5杆3827KN，最小轴力为 A3A5杆-5403KN。5.1.2 主力+横向附力组合作用下的弯矩 主力+横向附力组合作用下的最大和最小弯矩如图所示，最大弯矩为 E0E2杆 40KN·m，最小弯矩为 E0E2杆-40 KN·m。5.1.3 主力+横向附力组合作用下的轴向应力 主力+横向附力组合作用下的最大和最小轴向应力如图所示，最大轴向应力为 A1E2 杆168MPa，最小轴向应力为 E0E2杆-153MPa。5.1.4 主力+横向附力组合作用下的弯曲应力 主力+横向附力组合作用下的最大和最小弯曲应力如图所示，最大弯曲应力为 E0E2 杆 16MPa，最小弯曲应力为 E0E2杆-16Mpa5.1.5 主力+横向附力组合作用下的组合应力 主力+横向附力组合作用下的最大和最小组合应力如图所示，最大组合应力为 E0E2 杆 136MPa，最小组合应力为 E0A1 杆-102MPa。5.1.6 恒载+活载+横向摇摆力组合作用下的支座反力 恒载+活载+横向摇摆力组合作用下的最大和最小支座反力如图所示（单位：KN）由规范可知，根据各种结构的不同荷载组合，应该将材料的基本容许应力乘以不同的提高系数，主力+风力时，相应的容许应力为 1.2，钢材 Q345q的轴向应力基本容许值为 200MPa，弯曲应力基本容许值为 210MPa，提高后分别为 240 MPa 和 252 MPa，以上应力都小于容许应力，满足规范要求。 第二节 主力和纵向附力组合作用下的受力纵向附力主要为制动力，因此主力+纵向附力组合作用是恒载、活载、横向摇摆力和制动力的组合作用。 5.2.1 主力和纵向附力组合作用下的轴力 主力和纵向附力组合作用下的最大和最小轴力如图所示，最大轴力为 A1E2杆3083KN，最小轴力为 A3A5杆-5805KN。5.2.2 主力和纵向附力组合作用下的弯矩 主力和纵向附力组合作用下的最大和最小弯矩如图所示， 最大弯矩为 A1A3杆 41KN·m，最小弯矩为 A1A3杆-41 KN·m。5.2.3 主力和纵向附力组合作用下的轴向应力 主力和纵向附力组合作用下的最大和最小轴向应力如图所示，最大轴向应力为 A1E2杆 162MPa，最小轴向应力为 A3A5 杆-137MPa。5.2.4 主力和纵向附力组合作用下的弯曲应力 主力和纵向附力组合作用下的最大和最小弯曲应力如图所示，最大弯曲应力为 E0E2 杆 35MPa，最小弯曲应力为竖杆-41MPa。5.2.5 主力和纵向附力组合作用下的组合应力 主力和纵向附力组合作用下的最大和最小组合应力如图所示，最大组合应力为 A1E2杆 54MPa，最小组合应力为 E0A1杆-43MPa。5.2.6 主力和纵向附力组合作用下的支座反力 主力和纵向附力组合作用下的最大和最小支座反力如图所示由规范可知，根据各种结构的不同荷载组合，应该将材料的基本容许应力乘以不同的提高系数， 主力+制动力时， 相应的容许应力为 1.25， 钢材 Q345q的轴向应力基本容许值为 200MPa，弯曲应力基本容许值为 210MPa，提高后分别为 250 MPa 和 262.5 MPa，以上应力都小于容许应力，满足规范要求。 第六章 自振特性计算第一节 一阶振型计算计算结构一阶自振频率为 0.60HZ，振型模态如下图：第二节 二阶振型计算 计算结构二阶自振频率为 2.62 HZ，振型模态如下图：第三节 三阶振型计算 计算结构二阶自振频率为 3.88 HZ，振型模态如下图：第四节 四阶振型计算 计算结构二阶自振频率为 4.34HZ，振型模态如下图：第五节 五阶振型计算 计算结构二阶自振频率为 5.58HZ，振型模态如下图：第七章 总 结