畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-鐵路簡(jiǎn)支鋼板梁橋設(shè)計(jì).doc

石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)1第1章緒論1.1簡(jiǎn)支鋼板梁橋的優(yōu)點(diǎn)及其在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展簡(jiǎn)支鋼板梁橋具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、自重輕、工廠化生產(chǎn)程度高、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，早在20世紀(jì)50年代起，在日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)由于鋼材產(chǎn)量原因，20世紀(jì)90年代以前鋼橋的應(yīng)用僅限于鐵路橋梁，公路鋼橋的極少。20世紀(jì)90年代以后，由于大跨度橋梁建設(shè)的需要，鋼結(jié)構(gòu)橋梁有了很大的發(fā)展，特別是在大跨度懸索橋、斜拉橋和鋼管混凝土拱橋中得到廣泛應(yīng)用。但是，除城市高架橋、立交橋等特殊情況外，在中小跨徑橋梁中還是很少采用鋼橋。1.1.1國(guó)內(nèi)鋼橋的發(fā)展史我國(guó)鋼橋的建設(shè)已經(jīng)有100多年的歷史，就鐵路鋼橋而言，解放前由于材料、設(shè)計(jì)水平、制造水平、施工技術(shù)等條件的限制，當(dāng)時(shí)所建的鋼橋多是跨度很小的鋼板梁橋。解放后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)鐵路鋼橋的整體技術(shù)水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，使結(jié)構(gòu)型式多樣化、橋梁規(guī)模大型化、鋼橋連接全焊化，這表現(xiàn)在鋼橋材料的不斷開發(fā)利用，設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)手段的更新和提高，科研工作的不斷深化并及時(shí)應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工，同時(shí)施工、制造水平的提高。特別是近10年來，整體節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)使得焊接不但用于構(gòu)件組成，而且用于構(gòu)件的聯(lián)接，節(jié)省了鋼材用量并使結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量更加易于保障，結(jié)合梁的采用使鋼橋的應(yīng)用空間得到進(jìn)一步的拓展，主跨312m的蕪湖長(zhǎng)江公鐵兩用大橋的建成標(biāo)志著我國(guó)鐵路大跨度鋼橋的建設(shè)達(dá)到了一個(gè)新的高度。就公路橋梁而言，20世紀(jì)80年代中期以前，由于國(guó)家鋼材缺乏，加之公路橋梁的中小跨度可以采用RC梁或PC梁予以解決，使得公路鋼橋極少采用鋼梁，20世紀(jì)80年代中期以后，尤其是近十年來，我國(guó)公路大跨度鋼橋得到了飛速的發(fā)展，無論是跨度還是設(shè)計(jì)制造技術(shù)都正在迅速向世界水平接近，其中已經(jīng)建成采用全焊鋼箱梁懸索橋的江陰長(zhǎng)江大橋主跨達(dá)1385m，居世界第4位，采用全焊鋼箱梁斜拉橋的南京長(zhǎng)江二橋南汊橋主跨達(dá)628m，居世界第3位。可以說，20世紀(jì)世界焊接鋼橋技術(shù)有了很大的發(fā)展，而20世紀(jì)的后10年，也是我國(guó)焊接鋼橋技術(shù)飛速發(fā)展并接近世界水平的黃金發(fā)展階段。1.1.2國(guó)內(nèi)鋼橋的建設(shè)情況石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)2新中國(guó)成立后，建設(shè)面貌為之一新，各項(xiàng)建設(shè)蓬勃發(fā)展，橋梁事業(yè)亦不例外，推動(dòng)我國(guó)鐵路鋼橋發(fā)展決定性作用的有武漢、南京、九江、蕪湖四座長(zhǎng)江上的橋梁。這四座大橋都是公鐵兩用橋，鐵路為雙線，公路為四車道。武漢長(zhǎng)江大橋，新中國(guó)成立后的1950年即著手興建，正橋長(zhǎng)1156m，三聯(lián)三等跨128m的連續(xù)鋼桁梁，公鐵兩用橋。鋼梁的鋼材是進(jìn)口蘇聯(lián)的CT3M(三號(hào)橋梁鋼，屈服強(qiáng)度240Mpa)技術(shù)有蘇聯(lián)專家援助，主要的還是我國(guó)自己設(shè)計(jì)和建造，是我國(guó)自力更生建設(shè)現(xiàn)代化橋梁的開端。南京長(zhǎng)江大橋，1958年規(guī)劃興建，1968年建成通車。正橋全長(zhǎng)1576m，計(jì)10孔，三聯(lián)3160m連續(xù)鋼桁梁加一孔128m簡(jiǎn)支梁，鋼材為屈服強(qiáng)度350MPa低合金鋼。新中國(guó)成立后，我國(guó)被封鎖禁運(yùn)，初期還有蘇聯(lián)的援助，上世紀(jì)50年代末，蘇聯(lián)也停止了對(duì)我國(guó)的援助，完完全全在獨(dú)立自主自力更生條件下建成的，建設(shè)這座大橋在材料方面遇到最困難是鋼材。在舊中國(guó)，鋼的年產(chǎn)量不到100萬(wàn)噸，新中國(guó)成立后的短短幾年內(nèi)，在鋼材的底子很薄弱情況下，為本橋開發(fā)出屈服強(qiáng)度350MPa的16錳橋梁鋼(16Mnq)，的確是件重大的成就。武漢、南京兩橋鋼梁均是鉚接的。我國(guó)栓焊鋼梁在上世紀(jì)50年代開始研制。1961年湘桂線雒容江橋換梁時(shí)，用了一孔41.62m栓焊梁。在三線建設(shè)時(shí)大量推廣應(yīng)用，跨度大多在40m以下，最大跨度112m，當(dāng)時(shí)的16錳橋梁鋼(16Mnq)，鉚接梁是可以的，用在栓焊梁，材質(zhì)是欠缺的，我國(guó)栓焊梁的跨度長(zhǎng)期停留在雙線鐵路橋80m，單線鐵路橋112m。所有附連件都是栓接的，是少焊多栓的栓焊梁。九江長(zhǎng)江大橋正橋全長(zhǎng)1806.7m，主跨180m+216m+180m的剛性梁柔性拱，專門開發(fā)了15錳釩氮橋梁鋼(15MnVNq)，焊接構(gòu)件最大板厚達(dá)56mm及材質(zhì)35VB的大直徑高強(qiáng)度螺栓，建成了雙線鐵路、四車道公路最大跨度達(dá)216m的栓焊梁，也是少焊多栓，從此鉚接鋼橋退出新建鐵路鋼橋的歷史舞臺(tái)。蕪湖長(zhǎng)江大橋正橋全長(zhǎng)2193.7m，主跨為180m+312m+180m矮塔斜拉橋，加勁梁為鋼筋混凝土板與鋼桁梁結(jié)合共同受力的結(jié)合鋼桁梁，開發(fā)了綜合性能優(yōu)異的14錳鈮橋梁鋼(14MnNbq)，實(shí)現(xiàn)了厚板(50mm)焊接整體節(jié)點(diǎn)的栓焊梁，達(dá)到了多焊少栓的焊接橋梁，為全焊無栓的鐵路橋梁打下基礎(chǔ)。因受飛行凈空的限制，橋塔高度受到限制，如果是高塔，跨度可以增大。所以這種體系的橋梁，增大跨度留有很大空間。在封鎖禁運(yùn)，獨(dú)立自主，自力更生條件下，中國(guó)橋梁工程師奮斗了幾十年，初石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)3步實(shí)現(xiàn)了上世紀(jì)70年代初期制訂的鐵路橋梁發(fā)展目標(biāo)“高強(qiáng)、大跨、輕型、整體”的技術(shù)政策。1.2中國(guó)鋼橋技術(shù)最新進(jìn)展1.2.1新一代橋梁用鋼的研制鋼橋的發(fā)展離不開橋梁用鋼的不斷開發(fā)，但是相對(duì)于橋梁技術(shù)的發(fā)展而言，橋梁鋼材的發(fā)展雖然起步早，但由于產(chǎn)量、用量的限制，在一定時(shí)期內(nèi)發(fā)展較為緩慢，16Mn、16Mnq鋼在鐵路、公路鋼橋的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，并占據(jù)了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但也反映出鋼橋設(shè)計(jì)選材上的局限性，而且16Mnq鋼的板厚效應(yīng)明顯，限制了鐵路鋼橋一般橋式跨度的進(jìn)一步發(fā)展。為了改變這一被動(dòng)局面，鐵道部與原冶金部聯(lián)合進(jìn)行了適應(yīng)鋼橋發(fā)展新鋼種的研制，在鐵路研制并應(yīng)用了15MnNbq、14MnNbq鋼種，其中典型的是14MnNbq，以16Mnq為基礎(chǔ)，適當(dāng)降低碳當(dāng)量并加入Nb等微量元素，采用先進(jìn)的控溫控軋和鋼液爐外精煉技術(shù)，進(jìn)行正火處理，細(xì)化晶粒并降低有害元素和氣體的含量，大大降低板厚效應(yīng)，在鋼板使用厚度上達(dá)到50mm，針對(duì)YB/168-70和YB(T)10-81中U型缺口沖擊要求難以滿足橋梁設(shè)計(jì)要求的實(shí)際情況，這一鋼種采用與國(guó)際接軌的V型缺口沖擊韌性作為交貨條件，并具有良好的缺口沖擊韌性和焊接性能。蕪湖長(zhǎng)江大橋的沖擊韌性交貨條件為-40C的V型缺口沖擊韌性值為120J，實(shí)際供貨的-40C的V型缺口沖擊韌性值的平均值達(dá)234J。南京長(zhǎng)江二橋要求采用WQ490E熱軋鋼板，其沖擊韌性交貨條件為-40C的V型缺口沖擊韌性值為30J，其實(shí)際供貨的-40C的V型缺口沖擊韌性值的平均值達(dá)158J。可以看出，我國(guó)橋梁用鋼由于采用了先進(jìn)的冶煉、軋制及熱處理等技術(shù)，保證了鋼板的抗斷裂性能和焊接性能要求。1.2.2新結(jié)構(gòu)形式(1)蕪湖長(zhǎng)江大橋蕪湖長(zhǎng)江大橋是國(guó)內(nèi)首次采用板桁組合結(jié)構(gòu)建造的一座公鐵兩用橋梁，其中鐵路全長(zhǎng)10521m，公路全長(zhǎng)5681m，正橋主航采用主跨312m的低塔、斜拉索加勁的連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，該橋的低塔是由于受附近機(jī)場(chǎng)靜空限制，在總體布置和方案選取上具有相當(dāng)難度和復(fù)雜性，因而在設(shè)計(jì)上采用了一系列新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，并針對(duì)設(shè)計(jì)、制造和施工進(jìn)行了一系列科研攻關(guān)，對(duì)荷載等級(jí)、剛度標(biāo)準(zhǔn)、鋼材選型、構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)、焊接韌性標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，為該橋的設(shè)計(jì)、制造和施工提供了保證。石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)4(2)SRC梁、結(jié)合梁應(yīng)用于鐵路橋梁SRC梁是將鋼梁作為勁性骨架并外包混凝土的橋梁形式，適用于跨線橋等對(duì)施工或梁高等有特殊要求的地段，一般使用在中小跨度的橋梁，鋼梁一般為焊接工字梁，施工時(shí)可以不必采用施工鷹架，在跨線施工時(shí)可以不影響線下運(yùn)營(yíng)。這種橋梁形式充分發(fā)揮了鋼與混凝土各自在力學(xué)性能上的優(yōu)勢(shì)，在歐洲、日本鐵路已經(jīng)使用幾十年，經(jīng)過鐵道科學(xué)研究院的理論和試驗(yàn)研究，已經(jīng)在京九線等新建線路和既有線改造中采用了SRC簡(jiǎn)支梁(跨度12m)、連續(xù)梁(兩跨24m)和斜梁(45跨度27.6米斜梁)。在我國(guó)第一條客運(yùn)專線秦沈線建設(shè)中采用了結(jié)合梁的結(jié)構(gòu)形式，其中鋼梁有工字梁和箱形梁兩種形式，在廠內(nèi)焊接制造，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混凝土部分及橋面板的灌注，共有24m、32m、48m和50m幾種跨度。(3)鋼管拱橋水柏線北盤江大橋水柏線北盤江大橋主橋?yàn)樯铣惺戒摴芑炷凉皹?，為我?guó)第一座鐵路鋼管混凝土拱橋，是目前世界上最大跨度的上承式鐵路鋼管混凝土拱橋，其跨度達(dá)236m，橋面距江面高差達(dá)280米，也是目前國(guó)內(nèi)最高的鐵路拱橋，鋼管采用廠內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)段間焊接，拱圈施工采用兩岸半拱平轉(zhuǎn)法合攏，轉(zhuǎn)體重量達(dá)上萬(wàn)噸。1.2.3新構(gòu)造及聯(lián)接形式(1)整體節(jié)點(diǎn)整體節(jié)點(diǎn)是焊接代替栓接一個(gè)重要進(jìn)步，節(jié)約鋼材并保證連接的可靠性，這一進(jìn)步也是在厚板性能和焊接工藝得到保證的前提下取得的。京九鐵路的孫口黃河大橋正橋4m108m無豎桿三角形雙線桁梁首次采用了整體節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)外拼接新技術(shù)，桿件為箱形截面，在工廠焊接制造成節(jié)段，采用整體節(jié)點(diǎn)使高強(qiáng)度螺栓節(jié)省30%，鋼材節(jié)省4%。蕪湖長(zhǎng)江大橋主橋也普遍采用了整體節(jié)點(diǎn)。(2)錨箱結(jié)構(gòu)南京長(zhǎng)江二橋和蕪湖長(zhǎng)江大橋的斜拉索與橋梁連接均采用了錨箱結(jié)構(gòu)形式，錨箱結(jié)構(gòu)由于其整體性好、剛度大因而具有很高的可靠性。南京長(zhǎng)江二橋的錨箱由承壓板、縱錨板、蓋板組成，并與鋼箱梁腹板依斜拉索角度焊接成整體。蕪湖長(zhǎng)江大橋錨箱則采用雙室箱，并與鋼桁梁高強(qiáng)度螺栓連接，錨箱的特點(diǎn)是鋼板厚、鋼板立體連接、幾何精度要求高、焊接難度大且焊接變形難以控制。采用了空間組裝工藝、立體連接的高強(qiáng)度螺栓孔鉆制、焊接順序選擇及焊接變形控制等保證質(zhì)量要求。(3)鋼橋現(xiàn)場(chǎng)全斷面焊接秦沈客運(yùn)專線是我國(guó)第一條接近高速的客運(yùn)專線，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和施工質(zhì)量要求很高。在我國(guó)鐵路橋梁史上首次使用鋼混凝土結(jié)合全焊工型板梁。其主要石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)5優(yōu)點(diǎn)是全橋整體性強(qiáng)，傳力明確，省料，施工簡(jiǎn)單，造型美觀，但同時(shí)，也提出了現(xiàn)場(chǎng)焊、手工焊、厚板對(duì)接焊三大技術(shù)難題。鐵道部專門列科研課題進(jìn)行研究，通過科研攻關(guān)、相應(yīng)試驗(yàn)研究及焊接工藝評(píng)定，解決了上述問題，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的全斷面焊接，為鐵路鋼橋的現(xiàn)場(chǎng)斷面焊接打下了良好的基礎(chǔ)。1.2.4科研成果及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(1)鋼橋設(shè)計(jì)理論我國(guó)鋼橋的設(shè)計(jì)長(zhǎng)期采用容許應(yīng)力理論和極限強(qiáng)度理論，其中大跨度鐵路鋼橋設(shè)計(jì)采用容許應(yīng)力理論。鐵道部從上世紀(jì)八十年代開始研究可靠度理論用于橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，并已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)的規(guī)改工作已經(jīng)完成，預(yù)計(jì)基于可靠度理論的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的頒布執(zhí)行將會(huì)使鋼橋設(shè)計(jì)邁上一個(gè)新臺(tái)階。(2)針對(duì)鋼橋建設(shè)的試驗(yàn)研究對(duì)于新的鋼橋結(jié)構(gòu)和構(gòu)造形式，需要相應(yīng)的理論和試驗(yàn)研究加以保證，為此，針對(duì)H形壓桿殘余應(yīng)力和極限承載能力、整體節(jié)點(diǎn)受力性能、大型鋼箱梁節(jié)段間焊栓受力性能、錨箱結(jié)構(gòu)板材抗層狀撕裂及整體性能、實(shí)橋模型力學(xué)性能等方面做了深入的理論分析和試驗(yàn)研究，取得的成果為鋼橋設(shè)計(jì)和制造提供了可靠依據(jù)。(3)鐵路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)方法研究鐵路鋼橋承受的荷載為循環(huán)往復(fù)荷載，因而既有鋼橋的疲勞問題比較突出，為了解決這一問題，鐵道部科學(xué)研究院結(jié)合新線建設(shè)蕪湖長(zhǎng)江大橋和高速鐵路研究進(jìn)行了有針對(duì)性的鐵路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)研究。根據(jù)蕪湖長(zhǎng)江大橋采用新材料、整體節(jié)點(diǎn)等特點(diǎn)，做了9組大尺寸構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)并回歸分析得到疲勞試驗(yàn)曲線，結(jié)合以往數(shù)據(jù)得到蕪湖橋鋼梁14種構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度，為設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。(4)焊縫強(qiáng)度及斷裂韌性準(zhǔn)則的變遷鋼橋的焊縫存在初始缺陷并處于應(yīng)力集中的位置，因而是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，以往我國(guó)鋼橋的防斷裂設(shè)計(jì)采用常規(guī)U型缺口沖擊值來確定韌性指標(biāo)，這難以反映鋼材和相應(yīng)焊縫的實(shí)際情況，近年來的鋼橋設(shè)計(jì)開始采用V型缺口沖擊值作為韌性指標(biāo)，同時(shí)將焊縫強(qiáng)度(韌性值)與基材強(qiáng)度(韌性值)匹配考慮，從而橋梁結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)化。蕪湖長(zhǎng)江大橋焊接接頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)焊縫強(qiáng)度對(duì)接焊縫屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度不低于基材標(biāo)準(zhǔn)，并不超過基材標(biāo)準(zhǔn)100Mpa；角接焊縫屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度不低于基材標(biāo)準(zhǔn)，并不超過基材標(biāo)準(zhǔn)120Mpa；(2)焊縫韌性(包括焊縫、熔合線、熱影響區(qū))對(duì)接焊縫及受拉的開坡口的角接焊縫各部位-30C時(shí)的V型缺口沖擊功不低于48J；角接焊縫及棱角焊縫各部位-30C時(shí)的V型缺口沖擊功不低于34J。石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)61.3本設(shè)計(jì)主要完成的內(nèi)容(1)鐵路簡(jiǎn)支板梁橋主要尺寸的擬定，包括主梁高度的選取和主梁中心距的選??；(2)主梁內(nèi)力的計(jì)算，包括主截面的選擇，變截面設(shè)計(jì)，翼緣與腹板的連接焊縫計(jì)算，梁總體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的驗(yàn)算以及腹板中加勁肋的布置和頂梁的設(shè)計(jì)；(3)平縱聯(lián)的設(shè)計(jì)計(jì)算，上承式板梁橋的傾覆穩(wěn)定性計(jì)算；(4)計(jì)算部分完成后需要繪制的結(jié)構(gòu)圖包括：主梁結(jié)構(gòu)總圖，主梁翼緣和腹板的結(jié)構(gòu)總圖，上下平縱聯(lián)設(shè)計(jì)圖，中間橫聯(lián)和端橫聯(lián)設(shè)計(jì)圖，頂梁設(shè)計(jì)圖。石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)7第2章主梁的計(jì)算2.1板梁主要尺寸擬定(1)按照主梁主要尺寸擬定的原則，以及鋼廠軋制鋼板的規(guī)格選定梁高h(yuǎn)=2.0m。(2)為使橋跨結(jié)構(gòu)具有必要橫向鋼度鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.22005)要求主梁中心距不得小于跨度的1/15且不小于2.2m所以中心距取2.2m。(3)主梁截面的選擇按鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定(TB10002.2005)規(guī)定腹板高度1.8mfh厚度=12mm。