论文总字数：20123字
摘 要
钢桁架桥主要应用于铁路桥梁，公路桥梁和城市桥梁中较少选用此类桥型。但在城市道路及公路领域选用钢桁架桥有很多特殊的优越性。例如，钢桁架桥架设速度快，适应当今快速、重载交通的需求。
本文介绍了阜宁危桥改造工程兴隆大桥上部结构的设计要点及桥梁的结构构造，并分成两部分进行计算分析：第一部分介绍了兴隆大桥的设计资料和设计规范、需要考虑的荷载以及设计节点单元对照图；第二部分是应力验算，主要使用Midas/civil2015软件对兴隆大桥上部结构进行了整体空间模型建模，依照规范和模型对主桁受拉和受压杆件的强度和刚度、横梁的强度和挠度进行了验算。
结果表明，该设计选取的箱形和H型截面主桁杆件可以满足设计和施工要求，桥梁横梁的强度和挠度也满足设计和施工需要。
关键词：钢桁架桥，桥梁设计，MIDAS，空间模型
CALCULATION AND ANALYSIS OF THE 65M THROUGH SIMPLY SUPPORTED STEEL TRUSS BRIDGE
Abstract
Steel truss bridge is mainly used in the railway bridges while less used in highway bridges and urban bridges. There are many special advantages selection of steel truss bridge in the urban roads and highways. For example, steel truss bridge is erected fast to adapt to today’s fast and heavy traffic.
This thesis describes the design features and the structure of the Xinglong Bridge in Funing (the reconstruction project of the dilapidated bridge), and divided into two parts to calculate and analyse. In the first part, it describes the design data and specifications, load to consider and the comparison chart of the design node unit; the second part is the stress checking calculation, which mainly uses Midascivil2015 to do the integrated space modeling of the Xinglong Bridge superstructure and calculate the strength and stiffness of the member to tension and press of the main truss and the strength and inflection of the beam.
The results show that the design which selects main truss rods of box type and H type cross-section meets the design and construction requirements, and also, the strength and inflection of the beam meets the design and construction requirements.
KEY WORDS: steel truss bridge, design of bridge, MIDAS, spatial mode
目 录
第一章 绪论 4
1.1.钢桁架桥梁概述 4
1.1.1.钢桁架桥的主要特点 4
1.1.2.钢桁架桥的组成 4
1.1.3.钢桁架桥的发展前景 5
1.2.工程简介 6
1.2.1.工程背景 6
1.2.2.设计要点 6
1.3.本文主要内容 8
第二章 设计资料 9
2.1.基本设计资料 9
2.1.1.设计规范 9
2.1.2.选用材料 10
2.1.3.主要设计技术标准 11
2.2.构件截面尺寸 12
2.3.荷载 13
第三章 模型验算 19
3.1.Midas建模思路与方法 19
3.2.Midas建模介绍 19
3.3.模型计算结果及相关验算 21
3.3.1.主桁杆件验算 21
3.3.2.主桁挠度及预拱度验算 36
3.3.3.横梁验算 38
第四章 结论与展望 41
4.1. 结论 41
4.2.展望 42
致谢 43
第一章 绪论
1.1.钢桁架桥梁概述
1.1.1.钢桁架桥的主要特点
钢桁架桥主要以钢桁架来作为上部结构，并且钢桁架是主要的承重结构。各种建筑材料中，钢材的抗拉、抗压和抗剪强度均较高，因此钢桥的跨越能力一般相较于其他类型桥梁较大。同时，桁架桥由主桥架、上平联、下平联、中间横撑架、桥门架、桥面板和纵横梁组成的桥面系列构成。在钢桁架桥中，弦杆包括上弦杆和下弦杆，是组成桁架桥桁架外围的构件，上下弦杆之间的杆件叫做腹杆，腹杆用来连接上、下弦杆，腹杆又可以分为斜腹杆和竖腹杆，分类依据是其是弦杆的相对位置，竖腹杆与弦杆近似垂直。弦杆与腹杆共同构成了主桁平面，对桁架桥的整体受力性能起到了主要的作用，在之后的验算中将进行主桁杆件验算。大跨度桁架桥桥架的桥高沿跨径方向变化，形成曲弦桁架；中、小跨度桁架桥桁高一般不变，或近似不变，叫做平弦桁架或直弦桁架。
钢桁架桥充分利用了钢材和桁架结构的特点，钢材的抗拉、抗压性能均较好，在桁架结构中，桁架构件中桁架单元主要受到轴向的拉压应力，使用钢材能够很好取长补短，同时，钢桁架桥的跨越能力强，装配简单，且标准的钢桁架杆件适合大规模预制生产，更加利于工业化制造和运输，也利于日后的修复和替换；此外，钢桁架桥还具有整体性能好，承载能力大的特点。但同时钢桁架桥结构较为复杂，且钢结构噪音比较大，容易锈蚀，桁架之间互为互相刚接，桁架的杆件内力可能因荷载变化而发生较大变化，造价较高，养护费用也较高。
1.1.2.钢桁架桥的组成
按桥面位置的不同，钢桁架桥可分为上承式、下承式和双层桁架桥。其中下承式钢桁架桥表示桥面板在主桁结构的下方，如图1-1所示为下承式钢桁架桥。桁架桥的上部结构主要由主桁结构、桥面系和上下平纵联、桥门架组成。
图1-1.下承式简支钢桁架桥图示
主桁架是钢桁架桥的主要承重结构，对桥梁的整体承载能力起到主要作用，主桁架主要用于承受竖向荷载，荷载通过主桁结构和支座传递给墩台。主桁架由上弦杆、下弦杆和腹杆组成。腹杆又分为斜腹杆和竖腹杆两种，有些桁架没有竖杆，杆件交汇的地方称为节点。有斜杆交汇的节点，受力及构造比较复杂，节点板尺寸比较大，通常被称为大节点。仅有竖杆和弦杆交汇的节点，受力及构造简单，节点板尺寸较小，被称为小节点。节点之间的距离为节间。节间的长度一般也是钢桁架桥面系横梁的间距及纵梁的跨度。
联结系分为纵向联结系和横向联结系两种。联结系的作用是使主桁架联结起来，使桥跨结构成为稳定的空间结构，能承受各种横向荷载。纵向联结系设在主桁架的上、下弦杆的平面内，分别成为上平纵联和下平纵联。平纵联的主要作用是承受作用在桥跨结构上的横向水平荷载，包括作用于主桁架、桥面系、桥面和车上的横向风力、车上横向摇摆力及曲线桥上离心力。平纵联的另一个作用是横向支撑弦杆，减少弦杆平面以外的自由长度。此外平纵联对桥梁的横向刚度及横向自振频率影响较大。横向联结系设在桥跨结构的横向平面内,其中位于桥梁端部的称为端横联，位于桥跨中部的叫中横联。桥门架设在主桁架端斜杆平面内；中横联设在主桁架竖杆平面内，主桁架没有竖杆时，中横联可以设在主桁架中间斜杆平面内。中间横联的间距一般不大于两个节间。中横联的作用是增加钢桁架的抗扭刚度。当桥跨结构受到不对称的竖向荷载或横向荷载时，中间横联还可以适当调节两片主桁或两片纵联间的受力不均匀。
钢桥的桥面系是指纵梁、横梁及纵梁之间的联结系，如图1-1所示。桥面传来的荷载一般先作用于纵梁，再由纵梁传至横梁，然后由横梁传至主桁节点。
桥面是供车辆和行人行走的部分。
1.1.3.钢桁架桥的发展前景
桥梁跨径代表一个国家的经济、工业和科学技术整体水平。如今，各种大跨度桥梁发展的趋势已经成为大跨径桥梁结构的整体发展趋势，各种跨海工程项目接踵而至。意大利墨西拿海峡大桥计划修建跨径长达3300m的，日本的跨海大桥工程本州——四国联线也于20世纪末完成；我国近几年修建的大跨径桥梁如港珠澳大桥，全长达50公里，主桥最大跨径达1150米，再如杭州湾跨海大桥，无一不体现出我国在大跨径桥梁建设中的地位，充分体现了我国大国制造的水平。同时这也给桥梁工程界提出了新的挑战：在结构上，要不断研究出更大跨度的结构类型来满足大跨径桥梁的需要；在结构理论上也要研究更符合实际状态的力学分析方法与新的设计理论，充分发挥建筑材料的强度和刚度要求，保证工程的安全性和结构的安全稳定。此外，在软件开发方面我国也有待提高，在吸收外国桥梁软件优秀方面的基础上，要着力开发适用我国各项规范的软件，同时，注重桥梁软件的综合性和一体化，从数据录入到分析结果，从初步设计到最终出图实现一体化，综合化，用户界面的人性化。钢桥的发展和我国桥梁的发展密不可分，钢桥出现到如今不过短短二百多年，在这二百多年的发展中，我国钢桥面临的主要问题是起步晚，各项规范还不完善，还需要借鉴国外的优秀经验，自主性能还不够好，钢桥的优点不用多说，尤其是在铁路桥梁中，钢桁架桥梁被广泛应用。同时钢桥也面临诸多挑战，风荷载是一个自桥梁建设开始一直不变的话题，有关风荷载和动力学的研究也要慢慢深入研究，不断迎接新的挑战和新的需求。
1.2.工程简介
1.2.1.工程背景
受阜宁县交通运输局委托，我院开展阜宁县农村公路危桥改造项目——小中河兴隆大桥重建工程勘察设计工作。工程来自阜宁市农村公路及危桥改造工程，此项工程作为该县“交通提升年”十大工程之一，今年计划建设二级公路20公里，改造危桥26座，小中河兴隆大桥主桥采用66m单跨简支钢桁架桥，两侧引桥采用先张法预应力混凝土空心板。全桥桥跨布置为: 7×20m（预应力混凝土空心板） 66m（钢桁架桥） 5×20m（预应力混凝土空心板），桥梁全长312.28m。
钢桁架桥构造简单、跨越性好、承载能力强、受力性能好、施工工期短、行车平顺、造型美观，既节省资源和空间，也符合交通运输的需要。近年来，随着我国炼钢水平和钢结构防腐技术的提高，钢结构桥越来越多地在公路工程领域得到应用。近年来，交通发展越发向大重载交通靠拢，桥梁更多考虑承载能力成为不可避免的议题，将混凝土桥面板与钢桁梁当做联合截面、选择合适的截面尺寸、提高桥梁整体刚度和整体性、使用有限元的方法对桥梁整体性能进行校核将成为已经成为钢桥日后发展的必要需求。
1.2.2.设计要点
1).桥型布置
兴隆大桥跨越小中河，交叉桩号为K1 000.000，交角94.9°，小中河为规划Ⅳ级航道，通航净空55×7m，最高通航水位2.32m，常水位0.82m，最低通航水位0.22m。
考虑方便钢结构制造加工，全桥平面位于直线上。主桥为65m（计算跨径）单跨简支钢桁梁，两侧引桥采用先张法预应力砼空心板，与原有路基相衔接。
引桥跨越小中河北路，小中河北河现状路基宽3.5m，与路线交角84.7°，交叉桩号为K0 936.846，设计净空3.5m（宽）×4.5m（高），被交道下挖。
全桥桥跨布置为：3×20m（预应力混凝土空心板） 4×20m（预应力混凝土空心板） 66m（钢桁架桥） 5×20m（预应力混凝土空心板），桥梁全长312.32m。
2).主桥上部结构设计
下承式钢桁架桥有着构造简单、跨越性好、承载能力强、受力性能好、施工工期短的特点。兴隆大桥跨越规划Ⅳ级航道，主桥采用65m（为计算跨径）的下承式简支钢桁架桥单跨跨越通航河流。
主桁采取带竖杆的华伦式三角形腹杆体系，节间长度6.5m，主桁高度8.5m，高跨比1/7.65。两片主桁主心距采用11.05m，宽跨比为1/5.88，桥面宽度10.0m。
主桁上下弦杆均采用箱形截面，截面宽度450mm，高度均为580mm，板厚16~20mm，工厂焊接，在工地通过高强螺栓在节点内拼接。除端斜杆采用箱形截面以增加面内外刚度外，其余腹杆均采用焊接H形截面。端斜杆截面宽度为450mm，高度为580mm，；其余斜杆截面宽度为400mm，高度为450mm；腹杆截面宽度为400mm，高度均为450mm，最大板厚24mm。
桥面系是为组合梁体系，它是由下面的纵横梁和上面的桥面板通过剪力键相结合而成，而钢梁部分仍采用纵横梁体系。横梁高925~1000mm，为工字形截面，通过高强螺栓完成与主桁在节点上的连接，桥面路拱横坡通过腹板高度的变化而成，横梁梁中高度为1000mm，梁端为925mm，由此形成桥面的横坡；纵梁高度480mm，横桥向设置六道，均采用工字形截面，纵梁的上翼缘与横梁上翼缘在顶面齐平，通过高强度螺栓连接纵梁腹板和横梁腹板加劲肋。桥面板为钢筋混凝土结构，板厚16mm，通过剪力钉与横梁、纵梁相连。
上、下平面纵向联结系均采用X形式，与弦杆在节点处相连，在桁架两端斜杆所在的斜平面设置桥门架，上弦每2个节点设一道横向联结系。
每片主桁两端设置盆式支座，全桥共设2个单向支座GPZ（2009）3.5DX，一个双向活动支座GPZ（2009）3.5SX，一个固定支座GPZ（2009）3.5GD。
1.2.3.公用构造及附属结构
1).桥面铺装、防水及排水
桥面横坡为1.5%双向坡，主桥钢桁架桥由横梁变高度调整，引桥空心板桥面横坡由墩台帽调整。主桥钢桁架桥桥面铺装采用5cm厚沥青混凝土和16~25cm厚桥面板组成，桥面板与纵横梁相连接处板厚25cm。桥面排水采用铸铁泄水管，主桥跨航道处采用排水收集，集中排水，桥面防水采用防水剂。
2).支座
为了保证支座处于水平状态，支座处梁底均设有预埋钢板，在墩台帽上设置支座垫石。主桥钢桁架采用GPZ（2009）盆式橡胶支座；引桥采用GYZ250×74、GYZF4250×76板式橡胶支座。
3).桥梁护栏、搭板
护栏采用SA级墙式护栏；桥梁台后根据填土高度设置8m长搭板，横向按行车道分块。
4).伸缩缝
桥梁上部结构在桥台处和两联之间设置伸缩缝，根据伸缩梁量选用FSS80和FSS120浅埋式伸缩缝，安装温度为15~25℃。
1.3.本文主要内容
主桥上部结构设计资料介绍，包括使用规范、设计材料、设计荷载介绍。使用Midas/civil2015程序进行桥梁整体结构建模，荷载包括一期恒载、二期恒载、活载、风荷载、温度荷载等，按有关规范对各种荷载进行荷载组合，对结构的刚度、强度、挠度进行验算，验算的内容包括主桁各杆件刚度和强度验算和横梁杆件强度验算和挠度验算。
第二章 设计资料
本文是以阜宁小中河兴隆大桥重建工程为依托，对桥的桥面板、横梁、主桁架进行建模计算与分析。
2.1.基本设计资料
2.1.1.设计规范
《公路工程技术标准》 JTG B01-2014
《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》 （2007年）
《公路工程地质勘查规范》 JTG C20-2011
《公路勘测规范》 JTG C10-2007
《公路工程水文勘测设计规范》 JTG C30-2015
《公路桥涵设计通用规范》 JTG D60-2004
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 JTG D62-2004
《公路桥涵地基与基础设计规范》 JTG D63-2007
《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》 JTJ 025-86
《公路圬工桥涵设计规范》 JTG D61-2005
《公路桥涵钢结构防腐涂装技术条件》 JT/T 722-2008
《公路工程抗震规范》 JTG B02-2013
《公路桥梁抗震设计细则》 JTG/T B02-01-2008
《公路桥涵施工技术规范》 JTG/T F50-2011
《公路交通安全设施设计规范》 JTG D81-2006
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