梁拱组合体系钢结构桥梁计算与分析（宜兴梅林桥）

论文总字数：41547字

摘 要

本次毕业设计的研究对象为宜兴市梅林大桥，其为三跨下承式连续梁拱组合体系全钢结构桥梁，按公路II级荷载设计，跨径布置为：66m 168m 66m=300m。提篮拱肋只布置在中跨，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5.25，两条拱肋均采用单室钢箱断面。主梁边跨为单箱多室钢箱梁，中跨采用双边箱结构。

本文首先介绍了梁拱组合体系桥梁的发展和桥梁有限元计算理论的原理，之后给出了梅林大桥的设计指标和材料参数，然后对梅林大桥进行合理地简化，确定节点坐标，选择单元类型，利用迈达斯软件建立梅林大桥成桥状态的空间杆系有限元模型，并在模型中添加恒载、活载、温度荷载和支座沉降荷载工况，进行荷载组合，计算梅林大桥成桥状态的内力与变形。最后根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)和《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)对梅林大桥进行强度、稳定性、挠度和疲劳验算。

关键词：桥梁，梁拱组合体系，有限元分析，内力计算

Abstract

The object of this graduation project is Meilin Bridge of Yixing City. It is a three-span, through type continuous beam arch composite system steel bridge. It is designed according to the Class II load of the highway and its span is 66m 168m 66m=300m. The basket ribs are only arranged in the middle span, the arch axis is the second parabola, and the rise-to-span ratio is 1/5.25. The two arch ribs adopt the single chamber steel box section. The side span is a single-box multi-room steel box girder with a mid-span double-side box structure.

This paper first introduces the development of bridges with beam arch composite system and the principle of bridge finite element calculation theory. After that, the design indexes and material parameters of Meilin Bridge are given. Then the Meilin Bridge is reasonably simplified, node coordinates are determined, and the unit types are selected. The use of Midas software to establish the finite element model of the finished bridge state of Meilin Bridge, and add the dead load, live load, temperature load and bearing settlement load conditions to load combination to calculate the Internal forces and deformation of the finished bridge state of Meilin Bridge. Finally, the strength, stability, deflection, and fatigue of the Meilin Bridge are checked according to the "General Specifications for Design of Highway Bridges and Culverts" (JTG D60-2015) and the "Code for Design of Bridges for Highway Steel Structures" (JTG D64-2015).

Key words: bridge, beam arch composite system, finite element analysis, internal force calculation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 梁拱组合体系桥梁 1

1.1.1 梁拱组合体系桥梁的发展 1

1.1.2 梁拱组合体系桥梁的特点 1

1.1.3 梁拱组合体系桥梁的分类 1

1.2 有限元计算理论 1

1.2.1 离散化结构 2

1.2.2 单元刚度矩阵的推导 2

1.2.3 坐标变换 3

1.2.4 计算整体刚度矩阵 4

1.2.5 非节点荷载的处理 4

1.2.6 边界条件的引入和内力计算 5

1.3 本次毕设的工作内容 5

第二章 梅林大桥设计参数 7

2.1 技术标准 7

2.2 主要材料及性能 7

2.2.1 混凝土 7

2.2.2 普通钢筋和钢材 7

2.2.3 高强螺栓 7

2.2.4 吊杆用高强钢丝 7

2.2.5 钢筋连接器 7

2.3 桥梁总体布置 8

2.3.1 梅林大桥跨径布置 8

2.3.2 梅林大桥横断面布置 8

2.3.3 梅林大桥结构形式 9

2.4 上部结构 9

2.4.1 主梁 9

2.4.2 拱肋 10

2.4.3 吊杆 10

2.5 下部结构 10

2.6 附属工程 10

2.6.1 支座 10

2.6.2 伸缩缝 10

2.6.3 抗震措施 10

2.6.4 过桥管线 10

2.6.5 桥面排水 11

2.6.6 桥面铺装 11

2.6.7 人行道栏杆与防撞护栏 11

第三章 梅林大桥的有限元模型 12

3.1 全桥有限元模型 12

3.2 节点和单元的建立 12

3.2.1 拱肋 12

3.2.2 主梁 13

3.2.3 风撑 15

3.2.4 吊杆 15

3.3 边界条件 16

3.3.1 主梁支座 16

3.3.2 拱脚与主梁的连接 17

3.3.3 吊杆与主梁和拱肋的连接 17

3.4 荷载工况 17

3.4.1 恒载 17

3.4.2 吊杆初拉力 22

3.4.3 汽车荷载 22

3.4.4 人群荷载 23

3.4.5 温度荷载 23

3.4.6 支座沉降 23

3.5 荷载组合 23

第四章 成桥状态内力与应力分析 25

4.1 活载内力计算方法 25

4.1.1 影响线原理 25

4.1.2 主梁活载内力计算方法 25

4.1.3 拱肋活载内力计算方法 28

4.1.4 吊杆活载内力计算方法 30

4.1.5 风撑活载内力计算方法 32

4.2 主梁分析 33

4.2.1 主梁内力 33

4.2.2 主梁应力 37

4.3 拱肋分析 39

4.3.1 拱肋内力 39

4.3.2 拱肋应力 42

4.4 吊杆分析 44

4.4.1 吊杆内力 44

4.4.2 吊杆应力 46

4.5 风撑分析 46

4.5.1 风撑内力 46

4.5.2 风撑应力 47

第五章 成桥状态验算 49

5.1 承载能力极限状态验算 49

5.1.1 钢构件验算 49

5.1.2 吊杆验算 50

5.2 正常使用极限状态验算 51

5.2.1 竖向挠度验算 51

5.2.2 预拱度计算 51

第六章 疲劳、屈曲分析与施工阶段模拟 53

6.1 疲劳分析 53

6.1.1 疲劳分析原理 53

6.1.2 梅林大桥疲劳验算 53

6.2 屈曲分析 54

6.2.1 屈曲分析原理 54

6.2.2 梅林大桥屈曲分析 55

6.3 施工阶段模拟 59

6.3.1 施工方案与周期 59

6.3.2 迈达斯施工阶段模拟 60

第七章 总结与展望 61

7.1 总结 61

7.2 展望 61

致谢 62

参考文献 63

1. 绪论

1.1 梁拱组合体系桥梁

1.1.1 梁拱组合体系桥梁的发展

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