鋼橋一般設計流程

2022-09-30 07:39:03 字數 5378 閱讀 8331

區別於混凝土梁部一般設計流程,特編寫鋼橋設計流程,為初次設計鋼梁提供一點參考與設計思路。

一.鋼橋設計最終目的:

1. 確定用最少的鋼材但受力最優的桿件截面

2. 確定傳力簡潔順暢的連線方式

二.在確定鋼橋方案後,一般鋼橋包括的計算:

鋼橋的設計是乙個迭代迴圈的過程,但是截面的選取順序還是以主桁優先。

1. 主桁截面的粗選(初估聯結系與橋面後)

2. 主桁截面的檢算

3. 聯結系的檢算

4. 橋面的檢算

5. 主桁、聯結系、橋面穩定後的主桁、聯結系以及橋面的最終檢算

6. 連線計算(各部分桿件之間的連線方式以及節點板、拼接板、焊縫與螺栓計算)

7. 預拱度計算及實現方式

8. 伸縮縫的計算設計

三.主桁的粗選

3.1 選取的原則:按照鋼材的容許應力為屈服應力的1/1.7確定主桁需要的截面面積,從而粗選主桁截面。

以q370為例

對於拉桿:拉桿受強度、疲勞控制,應力為370/1.7=217.

6mpa,拉桿應力計算採用扣除螺栓消弱後的淨面積,並考慮桿件由於剛接的次應力,所以拉桿桿件需要面積採用:桿件內力/150

對於壓桿:壓桿受強度、穩定控制,檢算穩定時考慮容許應力折減,所以壓桿一般由穩定控制。檢算壓桿,採用毛面積,粗選截面時壓杆桿件需要面積採用:

桿件內力/160。桿件越長截面越小,壓桿容許應力折減越多,所以對於長細桿,可以採用壓桿桿件需要面積:桿件內力/140。

粗選主桁後,控制大的指標,讀取主桁的支反力、剛度條件是否符合規範。

3.2 內力控制組合

主力:恆載+活載+支座沉降

3.3 計算模型

平面一次成橋模型

建模方式:a、cad中匯入主桁桿件

b、施加荷載,注意二恆的取值,平面一次成橋模型的二恆:(整體二恆+初估聯結系+初估橋面)/主桁片數

3.4 截面迭代

用編寫好的excel讀取midas模型中的主力最大最小軸力迭代截面,迭代次數一般大於3次。(參考286截面選取excel)

按照粗選後的截面,先總體分析主桁的整體受力特性,為下一步主桁截面檢算及截面優化修改打下基礎。

四.主桁截面的檢算

進一步細化主桁截面:

1. 綜合考慮主力下主桁桿件的軸力、彎矩組合應力

2. 壓桿的整體穩定與區域性穩定

3. 拉壓杆的疲勞

4.1內力控制組合

主力:恆載+活載+支座沉降,讀取主力下最大最小內力時相應的其他內力,每個單元共6組內力值。

4.2 平面一次成橋模型

4.3 截面優化

分析桿件受力形式,對於檢算沒通過的桿件,分析沒通過的原因,按照檢算的結果對應修改優化截面。(參考286主桁截面檢算excel)

對於修改後的截面,自己整體分析截面是否與鋼橋主桁內力相吻合。

五.聯結系的檢算

聯結系包括縱橫向聯結系:平聯與橫聯。作用:與主桁一起是橋跨形成穩定的空間結構,承受縱橫向荷載,聯結係受橫向風力影響較大。

4.1平聯

4.1.1內力控制組合

恆載+活載+風力(彎梁需要考慮搖擺力與離心力)

4.1.2 計算模型

空間模型,空間模型二恆的載入不同於平面一次成橋,空間中的二恆是鋼橋真正的二恆。

4.1.3 平聯檢算

讀取midas平聯控制組合下的內力,用編寫好的excel檢算平聯。(參考286聯結系截面檢算excel)

4.2橫聯

4.1.1內力控制組合

主力+溫度+風力(彎梁需要考慮搖擺力與離心力)

4.1.2 計算模型

空間模型

4.1.3 橫聯檢算

讀取midas橫聯聯控制組合下的內力,用編寫好的excel檢算橫聯。(參考286聯結系截面檢算excel)

檢算前先了解聯結繫在恆載以及風力作用下的受力特性,為聯結系截面的優化提供修改依據。

六.橋面的檢算

對於橋面計算,不同的橋面有不同的計算方式,但是橋面計算的原理相當,應該從理解橋面計算的目的-----計算途徑著手。

以286鋼桁拱橋面計算為例闡述橋面計算的一般流程。

6.1 橋面布置與桿件組成

橋面桿件組成:

1. 縱向桿件:縱樑、u肋

2. 橫向桿件:橫樑、橫肋、橫樑端頭

3. 斜向桿件:k撐

4. 橋面板

與傳統的橋面相比較,橋面板與主桁下弦不直接連線,橋面板焊接在兩橫向中心距為9m縱樑的上,乙個節間長度11m範圍內,在兩道橫樑支點上伸出4個橫樑端頭,將橋面與主桁相連線,每個橫樑端頭左右兩邊各設定乙個斜撐,連線主桁節點與橫肋與縱樑的交點。

6.2 橋面分析思路

a.確定一組較優橋面組成桿件截面尺寸的依據:

1. 連線方便

2. 各橋面組成桿件受力均衡,傳力清晰。

b.橋面分析目的:

1. 活載、二恒等豎向力均作用在橋面上,u肋、橋面板、縱樑、橫肋、橫樑、k撐、橫聯端頭將豎向力傳至主桁節點,再通過吊桿、腹杆傳至拱肋。橋面分析明確豎向力在橋面上的傳力途徑,分析橋面各個桿件的受力特性,認識各個桿件的作用,並指導橋面截面尺寸調整。

2. 平面模型沒有建立橋面,只能分析主桁受力,故橋面計算在空間模型中完成。

c.橋面分析途徑

1. 橋面計算內力控制組合:恆載+衝擊係數x活載。

2. 活載採用靜活載模擬,首先按照受力特性,計算橋面各桿件的衝擊係數。

3. 明確橋面各桿件的控制單元,即明確橋面各桿件靜活載載入的縱向位置,通過尋找各桿件在恆載下受力最大的單元完成。

4.明確各桿件受控制的活載型別,車道載入在空間模型的虛梁單元上,建立兩種車輛,標載活載與特中活載,分別檢視兩種車輛荷載下橋面桿件控制單元的內力,明確控制的活載型別。

5. 靜活載載入長度的確定:通過建立虛梁單元,車道載入在虛梁單元上,檢視midas中影響線追蹤器,確定橋面桿件控制單元的靜活載載入長度。

6.3 橋面各個組成部分的受力特性

由於橋面採用焊接與栓接形式,整體表現為縱橫梁整體受力形式,空間分析中採用梁格模擬。

本橋採用全橋空間梁格模型進行計算,即通過有效頂板寬度的計算方法,將鋼橋面系離散成橫樑、橫肋、縱樑、縱肋等幾種梁單元,將離散後的鋼橋面系帶入全橋,參與全橋的整體計算,得出離散後的各自受力。該方法體現出了各位置主桁變形及支承剛度的影響,比較接近實際情況。

6.3.1 縱向桿件:縱樑、u肋的受力特性

縱樑、u肋通過橋面板、橫樑、橫肋、橫樑端頭、k撐與主桁節點相連,縱樑、u肋軸向表現為整體受拉壓,即參與主桁下弦整體受力。

u肋整體表現為平面梁受力特性,縱樑由於k撐影響表現為空間梁受力特性。

軸力:縱樑與u肋參與主桁軸向受力,即第一體系內力,其軸力方向與主桁下弦杆基本一致,邊上幾個節間受壓力,其餘節間均受拉力,且越靠近跨中拉力越大,在跨中處橫肋間縱樑軸力較橫肋與橫樑間縱樑軸力大。

麵內彎矩:u肋體現為跨度為2.75m的連續梁彎矩特性,縱樑體現為跨度為11m的兩端支點負彎矩跨中正彎矩的連續梁彎矩特性,最大正彎矩位於跨中附近,最大負彎矩位於中支點附近,麵內彎矩即第二體系內力。

麵外彎矩:u肋麵內彎矩不大,可以忽略;縱樑由於受到k撐和橫樑端頭軸力作用,有一部分麵外彎矩,應考慮。

6.3.2. 斜向桿件:k撐受力特性

為減小橫向桿件的橫向變形,分擔橫聯端頭的豎向傳力,設立斜向k撐。

k撐整體表現為空間梁受力特性,主要受力有軸力、麵內彎矩與麵外彎矩。

軸力:在跨中附近處,左右k撐均軸向受拉,大小相等;在中支點附近處,左k撐軸向受壓,右k撐軸向受拉;

麵內彎矩:與主桁相連的k撐端部負彎矩,與縱樑相連的受正彎矩;且在跨中附近,正彎矩出現最大值,在中支點附近,負彎矩出現最大值;

麵外彎矩:在跨中附近,與主桁相連的k撐端部負彎矩,與縱樑相連的受正彎矩;而在中支點附近,左k撐所受麵外彎矩較小,與主桁相連的k撐端部受麵外正彎矩,與縱樑相連的受負彎矩。

6.3.3. 橫向桿件:橫樑、橫肋

橫樑、橫肋加大橋面的扭轉剛度,加強橋面結構的恆載下橫向聯絡,保證結構整體受力。

橫樑與橫肋整體表現為空間梁受力特性,主要受力有麵內剪力、麵外剪力、麵內彎矩與麵外彎矩。

軸力:橫樑、橫肋的軸力較小,可忽略不計;

麵內剪力:橫樑與橫肋的麵內剪力沿杆軸向呈斜直線,杆端剪力最大,桿中剪力幾乎為0;在中支點附近杆端的剪力出現最大值;

麵外剪力:橫樑與橫肋的麵外剪力沿杆軸向呈斜直線,杆端剪力最大,桿中剪力幾乎為0,在中支點附近杆端剪力出現最大值;

麵內彎矩:橫樑的麵內彎矩由於橫樑端頭的固接作用產生的彎矩與橫樑本身具有簡支梁特性的彎矩疊加而成,杆端與杆中均為正彎矩,且杆中彎矩最大;與k撐相連的橫肋麵內彎矩與橫樑的相似,未與k撐相連的橫肋的麵內彎矩呈拋物線型,杆端幾乎為0,杆中為最大;

麵外彎矩:橫樑的麵外彎矩基本呈杆端為負,中間為正的拋物線型,越靠近中支點其值越大,越靠近跨中值越小;中跨部分橫肋麵外彎矩較小,中支點處橫肋麵外彎矩最大。橫樑及橫肋的麵外彎矩遠小於麵內彎矩。

6.3.4 橫向桿件:橫樑端頭

橫樑端頭將橋面上大部分豎向荷載傳遞到主桁節點,橫樑端頭整體表現為空間梁受力特性,主要受力有麵內剪力、麵外剪力、麵內彎矩與麵外彎矩。

軸力:橫樑端頭的軸力較小,可忽略不計;

麵內剪力:橫樑端頭的麵內剪力呈直線型,整根桿件幾乎相等;

麵外剪力:橫樑端頭的麵外剪力與麵內剪力相似,且越靠近中支點剪力越大;

麵內彎矩:橫樑端頭的麵內彎矩呈斜直線,一端為正,一端為負,中間幾乎為0;跨中附近正彎矩最大,中支點附近負彎矩最大;

麵外彎矩:與麵內彎矩相似,且中支點附近正彎矩與負彎矩均為最大,橫樑端頭的麵外彎矩同樣小於麵內彎矩。

6.4 橋面桿件檢算

讀取橋面桿件控制單元midas內力,用編寫好的excel檢算。(參考286橋面桿件檢算excel)

七. 主桁、聯結系、橋面穩定後的主桁、聯結系以及橋面的最終檢算

橋面、聯結系及主桁最終穩定後從新按照之前編寫好的excel檢算**最終檢算。

八.預拱度計算

提取平面一次成橋結果,計算理論預拱度,預拱度最終的實現方式與理論預拱度會有差額,預拱度的實現通過cad桿件的旋轉及伸縮中模擬。伸縮與旋轉的原則:保持橋面不變。

九.伸縮縫的計算

讀取模型中的梁段縱向位移,設計伸縮縫。

十.連線計算

1. 焊縫的計算

2. 螺栓的計算

2.1主桁螺栓連線計算

2.2聯結系螺栓連線計算

2.3橋面螺栓連線計算

3. 節點板、拼接板的計算

十一. 鋼橋設計中的幾個一致性

1. 平面模型與空間模型的一致性,通過比較兩個模型的恆載下的支反力。

2. 用鋼量計算的一致性,(空間模型中各個桿件重量的提取之和與平面模型中提取自重下支反力加上聯結系與橋面用鋼量之和一致)。

十二. 鋼橋設計中的平面、空間以及一次成橋與分施工階段模型的關係

1. 橋梁最終受力是與施工方式有關,最終受力狀態應該以按施工狀態模擬的模型為準,為此有必要分析一次成橋與分施工階段模型的比較。包括支反力與主桁內力比較。

2. 平面模型沒有考慮聯結系、橋面參與主桁的受力,有必要考察平面模型與空間模型支反力及內力的比較。

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