摘 要

桁架桥是指以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁，而桁架则是由直杆组成主要受到轴向拉力、压力的三角形或空间结构物。伴随着各种类型交通的飞速发展，考虑到桥面板、钢桁梁等钢筋、混凝土和沥青形成的共同工作的结构、选择符合规范并且经济的桁架截面尺寸、提高联接系的强度和稳定性、通过各类软件进行有限元分析以及计算校核将成为今后公路、铁路和公铁两用型钢桁梁桥的设计、校核中至关重要的内容。桥梁设计的基本准则是安全、经济和适用。但是传统的桥梁设计往往只满足于规范而不一定是适用于当今现实情况的，其经济性和适用性已经远远无法满足人们对日益发展的交通的需求。因此，钢桁架桥等桥梁的结构优化设计具有深远的意义。

本文通过以下内容进行钢桁架桥结构优化设计分析：

首先介绍了桥梁的发展历史，描述钢桁架桥结构特点以及国内外的发展现状，让大家对钢桁架桥有初步的了解。然后利用ANSYS有限元分析软件进行64m钢桁架桥模型的建立，材料截面的选择，约束以及各种荷载的添加，还有进行所有构件的各种受力结果分析。接着，收集整理各类有关钢桁架桥结构优化设计分析的现有理论，以此为根据，选择其中一种方法即通过选择更经济，适用的桁架杆件截面来进行本次优化设计。最后，对优化完成的钢桁架桥进行杆件和节点的有关验算即桥梁关键构件的强度检算、节点板抗撕裂强度检算及杆件端部连接螺栓数目检算。

关键词：钢桁架桥；下承式桥；结构优化设计；强度验算

Abstract

Truss bridge is a bridge with a truss as the main load-bearing member of the superstructure, and the truss is a triangle or space structure consisting mainly of the axial tension and pressure. Along with the rapid development of all types of traffic, considering steel truss beam bridge panel, such as steel, concrete and asphalt form the work of the structure, choosing reasonable specification and truss section size of economy, improving the connection strength and stability, finite element analysis and calculation to check through all kinds of software will become the important content in the design and check of the highway, railway and public railway truss bridge. The basic principles of bridge design are safety, economy and application. However, the traditional bridge design is usually only satisfied with the specification and not necessarily applicable to the current situation. Its economy and applicability are far from satisfying the needs of people's increasingly developed transportation. Therefore, the structure optimization design of steel truss bridge is of far-reaching significance.

In this article, through the following optimum design of steel truss bridge structure is analyzed:

Firstly, the development history of the bridge, describing the structural characteristics of the steel trusses and the development of the international and international is to give you a preliminary understanding of the steel truss bridge. Then I used ANSYS finite element analysis software to complete the establishment of the 64m steel truss bridge model, the selection of material section, the constraint and the addition of various loads, as well as the analysis of the various force results of all the component. In turn, I collect and collate that existing theory of structural optimization design analysis of various steel truss bridge, so as to choose one method by selecting a more economical and applicable truss rod section to optimize the design for this time. Completed finally, this paper deals with the calculation of rod parts and nodes of steel truss bridge including the strength check of the key components of the bridge, the tensile strength of the joint plate and the number of connecting bolts in the end of the bar.

Keywords：the steel truss bridge；through brige；structural optimization；design,intensity checking

目录

第1章 绪论 1

1.1 桥梁概述 1

1.2 研究目的和意义 1

1.3 钢桁架桥国内外发展情况 2

1.4 主要工作内容和技术方案 4

第2章 钢桁架桥结构电算 5

2.1 下承式钢桁架桥简单介绍 5

2.2 设计资料 5

2.2.1 设计规范 5

2.2.2 工程概况 5

2.3 主要建模过程 9

2.3.1 节点的建立 9

2.3.2 连接单元 9

2.3.3 单元分组 10

2.3.4 支座约束 12

2.4 本章小结 12

第3章 结构荷载计算与分析 13

3.1 荷载计算假定 13

3.2 恒载计算 13

3.2.1 钢桁梁桥自重作用 13

3.2.2 桥面板及桥面铺装的自重作用 13

3.2.3 恒载计算结果 14

3.3 活载计算 15

3.3.1 活载计算方法 15

3.3.2活载计算结果 16

3.4 结构受力分析 17

3.5 本章小结 22

第4章 钢桁架桥结构优化设计理论分析 23

4.1 优化数学模型 23

4.2 优化方法 23

4.2.1 最优准则法 23

4.2.2 数学规划法 23

4.2.3 智能算法 24

4.3 优化层次 24

4.3.1形状和尺寸优化 24

4.3.2 拓扑优化 26

4.3.3 基于可靠度理论的优化 26

4.4 本章小结 27

第5章 优化设计及验算 28

5.1 截面优化方案 28

5.1.1 上弦杆截面 28

5.1.2 下弦杆截面 29

5.1.3 斜杆截面 30

5.1.4 竖杆截面 31

5.1.5 横梁截面 32

5.2 验算主要内容 33

5.2.1 杆件验算 33

5.2.2 节点验算 39

5.3 本章小结 47

第6章 总结和展望 48

6.1总结 48

6.2展望 49

参考文献 50

致 谢 52

第1章 绪论

1.1 桥梁概述

桥梁的发展与人类历史的发展密布可分，桥梁的发展大致可以分为古代，近代，现代三个阶段。

（1）古代桥梁在17世纪之前主要形式是木桥和石桥。一般是用自然中树木、河边的石块等材料建造而成；石桥的主要形式为石拱桥，中国著名的赵州桥便是空腹式石拱桥；木桥的主要形式多为梁桥。例如秦代的渭桥等。

（2）近代桥梁因为铁、钢等材料的出现以及水泥的发明促实现了一次飞跃性发展，铁桥、钢桥、钢筋混凝土桥等新型材料的制成的桥梁成为了世界桥梁建筑师们的新宠儿。四川的泸定铁链桥，澳大利亚的悉尼港桥，瑞典的特拉贝里拱桥都是当时十分著名的桥梁。

（3）20世纪30年代预应力混凝土、高强度钢材和高强度螺栓的兴起使得桥梁变得更加经济耐久使桥梁实现了第二次快速发展，现代桥梁主要为预应力钢筋混凝土桥，钢筋混凝土桥和钢桥。

人们日益增长的交通需求促进了桥梁的发展，从最开始的木桥、石桥到后来的铁桥、钢桥、钢筋混凝土桥，预应力混凝土桥是新型材料的出现促使桥梁的发展；从简支梁桥到悬臂梁桥、斜拉桥、拱桥，桁架桥等是理论技术的发展推动的桥梁的发展。

1.2 研究目的和意义

钢桁架桥是由位于多个平面内的钢桁架连接形成的整体空间结构。钢材抗拉、抗压以及抗剪能力都十分出色，故钢桥的跨越能力很大。钢桁架桥按支撑形式可以分为简支钢桁梁桥，连续钢桁梁桥以及悬臂钢桁梁桥。按桥面位置可以分为上承式钢桁梁桥、中承式钢桁梁桥、下承式钢桁梁桥和双层钢桁梁桥；按用途可以分为公路、铁路和公铁两用三种钢桁梁桥，其一般只在桥面系有差别。钢桁梁桥主要由主桁架、上下水平纵向联接系、桥面系、桥门架以及中间横梁组成。主桁架由上下弦杆以及腹杆组成，腹杆包括竖杆和斜杆，用于承受竖向荷载，横向联接系用于增加钢桁架桥的横断面稳定性。从经济方面来说，桁架桥比实腹式桥更加节省材料；从受力方面来说，桁架桥受力十分明确，外部都是静定结构，内部少数超静定结构，主要受轴力影响；从施工技术方面来说，桁架桥已经具有较为成熟的施工方法，能够更方便、快捷地完成建造。

随着新型材料的发展，结构设计优化理论和技术工艺的日渐成熟，钢桁架桥凭借其明确的受力形式、节省的工程用料、简短的施工工期、良好的跨越性能以及美观的外型成为目前的主流桥梁设计类型。随着社会经济的飞速发展，人口基数的不断增加，人们的整体生活水平得到了普遍提高，于此同时，人们对出行交通的舒适性和安全性提出了更高的要求。传统的桥梁结构设计大多数只是设计师根据自身经验、实际要求和情况设计出的只满足于规范要求的最低设计水平成果，其难以满足人们对钢桁架桥的舒适性、安全性以及经济性的高要求。所以在满足桁架桥设计准则的基础上，从构件截面的形状和尺出发，设计出合理的截面尺寸或者截面形状抑或是根据构件截面尺寸和形状两者的耦合关系，将两者进行协同或者分层同时优化来进行钢桁架桥结构优化设计具有深远的意义，当然刚桁架桥结构优化设计不只限于上述方法，优化结构的拓扑形式，基于可靠度分析进行结构优化设计的方法，也具有较好的优化效果和优化效率。根据设计要求与规范、实践施工情况以及自然工程经验，选择合理的桁架桥结构优化方法是对目前大多数设计师们要求，也是文章研究的目的。

1.3 钢桁架桥国内外发展情况

在我国铁路桥梁中，连续钢桁梁桥得到了越来越广泛的运用，除著名的武汉、南京长江大桥采用了大跨度连续桁架桥外，其他铁路线上也修建了许多这种类型的桥梁。如京沪铁路淮河大铁桥又称蚌埠淮河大铁桥，位于蚌埠市蚌山区蚌埠港东约500米处，是津浦线上仅次于黄河铁路桥的第二大桥，是属于固定型的钢桁梁桥，是连接我过南北交通的一条连接动脉。武汉天兴洲长江大桥在2009年12月26日建成通车，是一座著名的下承式钢桁梁桥。我国由詹天佑主持修建的钢桁梁桥即滦河大桥，其上部结构由较多多孔钢桁梁组成。位于黄河之上的孙口黄河大桥是一座双线铁路桥，同时也是一座下承式钢桁梁桥，其采用三角形桁架结构，腹杆采用H型截面，上下弦杆，采用箱型截面。

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