42m钢箱梁计算书.doc

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1、ES匝道钢箱梁上部结构计算书2017.11目录一、概述11.1桥梁简介11.2 模型概况11 设计规范12 参考规范13 主要材料及性能指标14 荷载2二、模型概述32.1 第一体系建模32.2 第二体系建模4三、结果验算53.1顶底板强度验算51 计算结果52 强度验算63.2 腹板验算71 厚度验算72 腹板强度验算73 腹板纵向加劲肋构造验算84 腹板横向加劲肋构造验算83.3 构件设计验算91 加劲肋构造验算92 受压板加劲肋刚度验算103 闭口肋几何尺寸验算104 支承加劲肋验算113.4刚度验算121 车道荷载挠度值122 正交异形板桥面顶板挠跨比123 横隔板刚度验算133.5

2、整体稳定验算133.6 疲劳验算13四、结论14一、概述1.1桥梁简介ES匝道桥为一单跨42m简支钢箱梁桥。截面采用等截面形式，梁宽10.2m，梁高2m。主梁线型为圆曲线，中心线位于半径R=682m的圆弧上。顶板厚18mm，腹板和底板厚20mm，顶板U肋厚8mm，开口肋厚20mm。材料采用Q345C材质。图1.1典型钢箱梁横断面(mm)1.2 模型概况1 设计规范公路工程结构可靠度设计统一标准（GB/T 50283-1999）;公路工程技术标准（JTG B01-2014）公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）钢结构设计规范(GB500

3、17-2014)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)2 参考规范道路桥示方书同解说（日本道路协会，平成8年12月）3 主要材料及性能指标主梁采用Q345C钢材，其主要力学性能见下表。表1.1钢材力学性能表钢种力学性能Q345C弹性模量E（MPa）206000剪切模量G（MPa）79000泊松比0.31拉压弯容许应力（MPa）275（16mm）拉压弯容许应力（MPa）270（16mm，40mm）剪切容许应力（MPa）160屈服强度s（MPa）345线膨胀系数（1/）0.0000124 荷载恒荷载：包括自重和二期荷载。横隔板和加劲肋重力以点荷载形式加在实际位置。二期

4、荷载包括9cm沥青铺装和2道防撞墙，均布荷载分别按23.4kN/m和18.2kN/m考虑。温度作用：升温按25考虑，降温按-25考虑；由于中国规范未对钢箱梁桥温度梯度有明确规定，故参考BS5400，正温度梯度为2.08，负温度梯度为-1.04。支座沉降：支座沉降取-0.5cm并按照每个地基及基础的最大沉降量的最不利的荷载组合进行计算。汽车荷载：公路-I级。对于汽车荷载纵向整体冲击系数，按照公路桥涵通用设计规范第4.3.2条， 冲击系数可按下式计算： 根据程序计算的基频为0.12Hz，计算得汽车荷载冲击系数为0.05。图1.2车道布载离心力：根据公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）第

5、4.3.3条，离心力系数：由v=60km/h，R=682m算得C=0.042。将离心力也均布于全跨，方向为径向向外。算得q=0.78kN/m。二、模型概述2.1 第一体系建模第一体系整体模型采用Midas Civil 2017软件建立，主梁工划分为34个单元，38个节点，桥梁采用盆式支座，以弹性连接中输入各方向刚度模拟，支座径向布置，支座与主梁采用刚性连接。支座布置和计算模型如图所示。图2.1支座布置示意图图2.2整体计算模型示意图图2.3钢箱梁标准断面模型示意图考虑剪力滞影响计算，根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.1.8条，计算剪力滞有效分布宽度。表2.1顶板考虑剪力

6、滞后有效宽度计算表bilbi/lbeibe/b12010 42000 0.048 2010 21545 42000 0.037 1545 31545 42000 0.037 1545 41545 42000 0.037 1545 51545 42000 0.037 1545 62010 42000 0.048 2010 求和10200 10200 1.000 表2.2底板考虑剪力滞后有效宽度计算表bilbi/lbeibe/b11545 42000 0.037 1545 21545 42000 0.037 1545 31545 42000 0.037 1545 41545 42000 0.037

7、 1545 求和6180 6180 1.000 经过上述计算可知，有效宽度仍然为截面翼缘宽度，截面刚度未折减。2.2 第二体系建模取第一体系中顶板应力较大的区段，进行第二体系应力计算。桥面板体系通过考虑纵肋和横肋的有效分布宽度，建立梁格模型计算纵肋和横肋的应力；纵肋和横肋的有效分布宽度参考现代钢桥确定；1）纵肋盖板有效分布宽度横隔板间距:L=3000 (mm)等效跨径:l=0.6*L=1800(mm)纵肋间距:2b=300 (mm),故b=150 (mm)b/l=0.083可得Cs=124 (mm)2）横隔板盖板有效分布宽度腹板间距:L=3090 (mm)等效跨径:l=3090 (mm)隔板间

8、距:2b=3000 (mm),故b=1500(mm)b/l=0.485可得 Cs=463.5 (mm)取最重轮轴140kN,考虑冲击系数0.4。轴重P=140*1.4=196kN。顺桥向长度取跨中附近6m长，横桥向取腹板间距3.1m宽范围内盖板建立有限元模型；车辆荷载按照车轮作用在实际位置按照影响线加载；纵肋和横隔板断面根据前面计算有效宽度取用。模型见图2.4-2.5。图2.4桥面体系模型示意图图2.5桥面体系模型边界示意图三、结果验算3.1顶底板强度验算1 计算结果由于桥面为正交异性钢板，在进行顶板强度验算时，尚应计入第二体系（桥面体系）在车辆单独作用的应力影响。整体模型计算结果罗列如下：图

9、3.1.1 基本组合包络（all）作用梁体顶板最大压应力（MPa）图3.1.2基本组合包络（all）作用梁体底板最大拉应力（MPa）可见第一体系计算中顶板最大压应力-91.7MPa，底板最大拉应力129.88MPa。第二体系模型计算结果罗列如下：图3.1.3第二体系计算桥面顶板应力包络图（MPa）图3.1.4第二体系计算U肋应力包络图（MPa） 可见第二体系计算中，顶板最大拉应力31.2MPa，最大压应力-26.9MPa；U肋最大拉应力96.09MPa，最大压应力-51.1MPa。2 强度验算1）顶板应力第一体系作用下，顶板最大拉应力：t=0 (Mpa)；顶板压应力为：c=-91.7 (Mpa

10、)；第二体系作用下，顶板最大拉应力：t=31.2(Mpa)；顶板压应力为：c=-26.9(Mpa)；第三体系应力较小，不予考虑则三体系叠加作用下，顶板拉应力: t =31.2(Mpa)；顶板压应力为: c=-155.9 (Mpa)；根据公路钢结构桥梁设计规范(JTG D64-2015)规定，当16t40时，t=270 (Mpa)，可知顶板强度满足设计要求。2）底板应力底板应力验算仅考虑第一体系作用下的应力。第一体系作用下，底板压应力：t=-129.88(Mpa)；底板拉应力为：t=0(Mpa)；根据公路钢结构桥梁设计规范(JTG D64-2015)规定，当16t40时，t=270 (Mpa)，

11、可知底板强度满足设计要求。3.2 腹板验算1 厚度验算腹板设置一道纵向加劲肋和一道横向加劲肋，根据第一体系计算，在基本组合作用下支点附近腹板最大剪应力如下图所示。图3.2.1基本组合作用下梁体腹板最大剪应力（MPa）=46.38MPa，根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.3.3条，取=0.85，tw=20mm0.851962/240=6.95mm，腹板厚度满足规范要求。2 腹板强度验算1）根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.3.1条，0fvd，即：1.146.38=51.02MPa160MPa，满足规范强度要求。2）腹板局部应力验算考虑铺装厚度90m

12、m对局部车轮压力扩散的影响。不考虑U肋分担车压。z=F/（tlx）=140000/（20（50+290）=30.43MPa0z=1.130.43=33.48MPafd=275MPa；局部应力满足规范要求。3）腹板组合应力验算前面知道，在墩顶附近腹板剪应力最大，但墩顶几乎没有正应力，经过验算满足规范要求。现对跨中进行组合应力验算。根据上述计算结果，跨中最大正应力为底板129.88MPa。剪应力分布见图3.6：图3.2.2基本组合包络（max）作用下钢箱梁腹板剪应力图（MPa）可见跨中剪应力12.65MPa。根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.3.1条：1即：，腹板顶部组合应

13、力满足规范要求。3 腹板纵向加劲肋构造验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.3.3条：IzI1=lhwtw3，即：l=（1500/1962）22.5-0.45（1500/1962）I1=1.51962203=mm4；腹板纵向加劲肋惯性矩满足规范要求；根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.1.5条：h/t18，即：200/20=1018腹板纵向加劲肋宽厚比满足规范要求。4 腹板横向加劲肋构造验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.3.3第2条：腹板横向加劲肋的间距a不得大于腹板高度hw的1.5倍。本桥腹板横向加劲肋间距1.5m，腹

14、板高度1.962m，满足规范要求。本桥设一道纵向加劲肋，横向加劲肋的间距a还应满足式(5.3.3-2a)和(5.3.5-2b)。图3.3.1基本组合包络（min）作用下钢箱梁受压翼缘腹板底部最大正应力图（MPa）图3.3.2基本组合包络（min）作用下钢箱梁受压翼缘腹板剪应力图（MPa）对跨中：，满足规范要求。对墩顶：，满足规范要求。根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.3.3第3条：腹板横向加劲肋惯性矩应满足It3hwtw3即：It=1962*2253/12+1962*225*112.52=7449468750mm431962203= mm4，满足规范要求。3.3 构件设

15、计验算1 加劲肋构造验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.1.5条，验算加劲肋构造。对球扁钢：满足规范要求；对闭口肋： ，满足规范要求。经计算，加劲肋构造满足规范要求。2 受压板加劲肋刚度验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.1.6条，进行受压加劲板刚度验算。先对顶板 (t=18mm)进行验算：D=Et3/（12（1-v2）,l=EI1/(bD)=12(1-v2)I1/(bt3)=12（1-0.312）2/（3090183）=149.11n=nl+1=5+1=60=5.47=a/b=3000/3090=0.970=5.471=As，l/（bt）=

16、5725/（280020）=0.11l*=4n2（1+n1）2-（2+1）2/n=36.49l=149.11As，l=5933mm2bt/（10n）=309018/（106）=927mm2则顶板纵肋刚度满足规范要求。再对底板(t=20mm)进行验算：D=Et3/（12（1-v2）,l=EI1/(bD)=12(1-v2)I1/(bt3)=12（1-0.312）124403129/（3090203）=54.58n=nl+1=6+1=70=4.42=a/b=3000/3090=0.970=5.471=As，l/（bt）=5725/（280020）=0.06l*=4n2（1+n1）2-（2+1）2/n

17、=37.81l=54.58As，l=4000mm2bt/（10n）=309020/（107）=882.85mm2则底板纵肋刚度满足规范要求。3 闭口肋几何尺寸验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）8.2.3条，满足规范要求。4 支承加劲肋验算根据第一体系计算，整体结构在基本荷载组合作用下单支座最大反力为3233.4kN。基本组合包络结果如图：图3.3.3基本组合包络支座反力图(kN)根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.3.4条，支承加劲肋应满足以下要求：取支承加劲肋厚度ts=16mm，单侧宽度hs=235mm，各支座处支承加劲肋详细布置情况见断面布置图

18、。支承加劲肋验算结果列于下表tw=24, tf=28, B=900。ns和bs的值根据各支座位置再由断面布置图。支承加劲肋验算表Rv(N)As(mm2)Beb(mm)Bev(mm)(5.3.4-1)左边(5.3.4-2)左边fcdfd验算725.584199.469355270OK720.349246.255355270OK725.59199.479355270OK720.381246.316355270OK计算表明支承加劲肋满足规范5.3.4要求。根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.1.5条，验算支承加劲肋构造要求：，不满足规范要求。3.4刚度验算1 车道荷载挠度值根据

19、公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）4.2.3条，简支桥梁汽车荷载作用下的最大向下竖向挠度Dz1/700；D/L21/700；不满足规范要求。3 横隔板刚度验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）8.5.2条，验算横隔板刚度。顶板厚18mm，顶板宽1000mm,底板厚20mm，底板宽6200mm，腹板厚20mm，腹板高1962mm，横隔板厚度12mm。横隔板间距Ld=3000mm，算得：扇形惯性矩 Idw=1.6505x1018mm4, 20EIdw/(Ld)3=3x1020mm横隔板刚度K=2.3x1019mm4K20EIdw/(Ld)3,不满足规范要求。3.

20、5 整体稳定验算 根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.3.2节，验算主梁整体稳定性。梁高h=2000mm，钢箱梁截面两腹板之间距离b0=3090mm，跨度L1=42000mm。满足。根据规范可不进行整体稳定性验算。3.6 疲劳验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5.5.2节采用等效的公路I级荷载进行验算，集中力为0.7，均布荷载为0.3。Pk和qk 应该按公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004 第4.3.1 条取值；在计算疲劳荷载模型I的车道荷载时，为了有一定的安全储备，现取车道荷载为原车道荷载，而非等效车道荷载。，各截面位置应力计算结果如下表

21、：表3.6.1 疲劳荷载下梁截面应力汇总位置Max（MPa）Min（MPa）应力幅与伸缩缝相距梁端处0.700.70.5m6m0钢箱梁主体材料疲劳强度计算偏于安全考虑采用2类连接类型，根据上表可得：梁端正应力：跨中正应力：可见主梁材料疲劳强度满足要求。四、结论1 钢箱梁的顶底板强度满足规范要求；2 腹板厚度、强度、加劲肋构造均满足规范要求；3 开口肋构造、U肋构造、受压顶板纵肋刚度、受压顶板横肋刚度和桥面板构造满足规范要求；4支承加劲肋强度满足规范要求，构造不满足规范要求；5主梁挠度满足规范要求，桥面板顶板挠跨比不满足规范要求；6 横隔板刚度不满足规范要求；7 整体稳定性满足规范要求；8 疲劳强度满足规范要求。