貴州大學鋼橋課程設計-兩跨連續(xù)鋼箱梁人行天橋的梁設計

1、<p>　　設計題目： 兩跨連續(xù)鋼箱梁人行天橋的梁設計 </p><p>　　課程名稱： 《鋼 橋》 </p><p>　　學 院： 土木工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 橋梁與隧道工程 </p><

2、;p>　　班 級： 土木133 </p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名： 盧超 </p><p>　　指導教師：

3、 </p><p>　　2016年12月9日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　Content</b></p><p>　　一、《鋼橋》課程設計要達到的目的……………………………1</p><p>　　二、設計資料及設計要求………

4、………………………………1</p><p>　　三、建模過程介紹………………………………………………2</p><p>　　四、給模型施加荷載過程介紹…………………………………11</p><p>　　五、運行分析模型過程介紹……………………………………16</p><p>　　六、后處理分析模型過程介紹…………………………………17<

5、/p><p>　　七、后處理分析模型的最后一個階段，結果分析過程介紹……20</p><p>　　兩跨連續(xù)鋼箱梁人行天橋的梁設計</p><p>　　一、《鋼橋》課程設計要達到的目的</p><p>　　現(xiàn)代鋼橋按主梁劃分為鋼板梁橋、鋼箱梁橋、鋼桁梁橋和組合梁橋，按結構傳力形式及橋型可分為斜拉橋、懸索橋和拱橋，這些都是現(xiàn)代鋼橋的主要對象。這些橋的

6、受力復雜，所以其全壽命周期設計必須依賴于計算機輔助（CAD）完成，目前主要是采用Midas/civil進行輔助設計，所以學習Midas/civil的基本使用是本課程設計的主要目標。另外，以簡單的兩跨連續(xù)鋼箱梁人行天橋的梁設計，就可以基本涵蓋建模、施加荷載、運行分析、結果查看和對照規(guī)范進行設計等環(huán)節(jié)，也會體現(xiàn)Midas/civil設計過程中的前處理和后處理的要求，所以本課程的設計時“麻雀雖小五臟俱全”。要求使用Midas/civil主要設

7、計與分析該橋主梁，把設計的理論思想和具體使用軟件的步驟表述清楚，做到原理明白、思路清晰、操作具體和數(shù)據(jù)明確等設計要求。</p><p>　　二、設計資料及設計要求</p><p>　　1.橋梁簡介及設計參數(shù)</p><p>　　本課程設計依托的是工程實例某市一座兩跨連續(xù)鋼箱梁人行天橋，跨徑布置為25.75+21.65米。橋梁的設計參數(shù)主要有以下幾點，沒有提及的按規(guī)范

8、推薦取用或合理按照工程經(jīng)驗選取。</p><p>　?。?）鋼箱梁橋的幾何信息：根據(jù)給定的CAD文件，橋最外圍寬度是4000mm，因兩側設有欄桿，寬度為250mm，所以橋面全寬3500mm。天橋為兩跨連續(xù)箱形截面梁，跨徑為257500+216500mm。截面為單梁雙室箱形截面，箱梁鋼板厚度為50mm，雙軸對稱矩形截面，連腹板凈高1100mm，全高1200mm，如圖1所示。</p><p>

9、　　圖1 鋼箱梁截面幾何尺寸</p><p>　　（2）鋼箱梁橋的材料信息：根據(jù)CAD給定的圖紙可知，該橋主梁選用Q345鋼。</p><p>　?。?）鋼箱梁橋的荷載信息：考慮人群荷載為5.0kN/m2。自重是默認必須加以考慮的荷載，另外為了更符合工程實際情況，可自主考慮橋面系鋪裝荷載和溫度荷載。</p><p><b>　　2.橋梁設計要求</b

10、></p><p>　　按照給定的CAD圖紙將該橋模型在MIDAS/Civil中建立有限元模型，其中可以只建出梁體，不建立墩柱模型，并按照要求施加相應的荷載進行計算分析。</p><p><b>　　三、建模過程介紹</b></p><p>　　建模過程為了貫徹原理明白、思路清晰、操作具體等要求，所以對建模的操作步驟進行分點敘述，在每一個

11、操作步驟前對該操作進行原理解釋，沒有解釋價值的操作步驟省略原理解釋。如下：</p><p>　　（1）打開并運行Midas Civil軟件，點擊新項目（或快捷鍵Ctrl+N）。操作步驟為：打開文件>保存文件>命名文件名（命名為“兩跨的鋼箱梁橋的梁設計”）>點擊保存。</p><p>　?。?）為了使從CAD中導入Midas Civil的DXF文件圖形的單位統(tǒng)一，所以需要設

12、置單位，同時，單位體系設置也是建模必不可少的一步，體現(xiàn)前處理的設置要求。具體操作步驟為：將單位體系設置為“N ”和“mm”。</p><p>　?。?）接下來設置材料特性，其地位同樣是建模前處理的主要步驟。具體操作步驟為：從主菜單中選擇特性>材料特性值（彈出“材料和截面”對話框，如圖2所示）>材料。</p><p>　　圖2 “材料和截面”對話框</p><

13、p>　　接下來再點擊“添加”，彈出“材料數(shù)據(jù)”對話框，設計類型欄里選擇“鋼材”，鋼材規(guī)范欄里選擇“GB03（S）（中國國家標準，鋼結構設計規(guī)范 GB 50017-2003）”，數(shù)據(jù)庫欄里選擇“Q345”，其他為默認選擇，然后點擊確認，并關閉材料和截面對話框，這樣就完成了建模采用的材料和設計依據(jù)的規(guī)范的選擇設置了，如圖3所示。</p><p>　　圖3 “材料數(shù)據(jù)” 對話框</p><p&

14、gt;　　（4）需要計算箱形梁的截面特性。先設置單位的統(tǒng)一，具體操作步驟為：選擇主菜單工具>截面特性計算器,彈出“Setting”對話框，設置Force（力）的單位N，設置Length（長度）的單位mm，點擊OK，如圖4所示。</p><p>　　圖4 截面特性計算器單位設置（setting）對話框</p><p>　?。?）從AutoCAD中向Midas Civil導入模型截面圖形

15、，首先要用直線段在AutoCAD中繪制箱形梁截面圖形，并把只有該圖形的AutoCAD文件保存為DXF類型文件，并命名為“截面.DXF”類型，選擇低版本，如2000版，并保存在桌面上。由于具體操作過程在AutoCAD上完成，所以省略操作步驟。</p><p>　　在Midas Civil中導入DXF文件的具體操作步驟：選擇菜單File（文件）>Import（導入）>AutoCAD DXF,彈出對話框，選

16、擇導入“截面.DXF”文件，點擊OK，如圖5所示。</p><p>　　圖5 導入AutoCAD DXF文件對話框</p><p>　?。?）計算截面的生成。具體操作步驟為：選擇樹形菜單Section>Generate，彈出如圖6所示對話框。</p><p>　　圖6 截面特性計算設置截面生成對話框</p><p>　　在“Type”

17、選項里選擇“Plane”，單擊圖標工具欄里的按鈕Select，然后框選截面，再點擊樹形菜單里的按鈕Apply（應用），完成截面的生成。</p><p>　?。?）截面特性的計算。具體操作步驟為：單擊圖標工具欄里的按鈕Calculate Property，樹形菜單彈出如圖7所示的對話框，單擊圖標工具欄里的按鈕Select，然后框選截面，點擊按鈕Appy（應用）完成截面特性計算。</p><p&g

18、t;　　圖7 截面計算對話框</p><p>　?。?）保存截面計算文件，并輸出。具體操作步驟為：單擊圖標工具欄里的按鈕Export，樹形菜單彈出如圖8所示的對話框。</p><p>　　圖8 SPC截面特性計算數(shù)據(jù)圖形文件保存輸出對話框</p><p>　　選擇“MIDAS Section File”文件，導出.sec文件，在File Name里選擇文件保存路徑桌

19、面，并命名為“鋼箱梁設計截面.sec”, 框選截面，點擊按鈕Apply（應用）即可完成，然后關閉Midas SPC程序。</p><p>　?。?）模型建立的截面數(shù)據(jù)SPC導入。具體操作步驟為：在主菜單里選擇特性>截面特性值，點擊添加彈出如圖9所示對話框。</p><p>　　圖9 截面數(shù)據(jù)導入對話框</p><p>　　選擇設計截面>設計用數(shù)值截面，名

20、稱里輸入“鋼橋截面”，點擊截面數(shù)據(jù)>從SPC導入，從桌面里導入“鋼箱梁設計截面.sec”，設計參數(shù)T1輸入50,、T2輸入50、BT輸入3850，HT輸入1150，T1、T2、BT、HT具體含義見對話框示意圖，單擊確認即可。最后關閉材料和截面對話框，回到主界面。</p><p>　?。?0）建立鋼箱梁模型的節(jié)點和單元，這也就是有限元分析的有限單元的劃分。具體操作步驟為：在主菜單中節(jié)點/單元>建立節(jié)點，

21、彈出樹形菜單如圖10所示。</p><p>　　圖10 節(jié)點建立對話框</p><p>　　在坐標（x,y,z）里分別輸入（0,0,0）、（25750,0,0）、（47400,0,0），并分別點擊“適用（A）”按鈕。</p><p>　　再在樹形菜單中選擇“分割節(jié)點”，如圖11所示。</p><p>　　圖11 劃分節(jié)點間分析單元數(shù)對話框&l

22、t;/p><p>　　分割數(shù)量輸入24，分割的節(jié)點號為1,2號，點擊“適用（A）”按鈕，同理，在分割數(shù)量輸入18，分割的節(jié)點號為2,3號，點擊“適用（A）”按鈕，完成節(jié)點建立，如圖12所示。</p><p>　　圖12 完成節(jié)點建立效果圖</p><p>　?。?1）建立有限單元。具體操作步驟為：在樹形菜單中選擇“單元”，在節(jié)點連接框里點擊節(jié)點1,3完成單元建立，如圖1

23、3所示。</p><p>　　圖13 單元的建立 圖14 邊界條件的處理</p><p>　　（12）邊界條件的處理，對于支承點的6個自由度，根據(jù)結構的實際約束情況進行邊界的理想化。具體步驟為：在樹形菜單中選擇邊界條件>一般支承，如圖14所示，點擊Dx，Dy，Dz，單選節(jié)點2，點擊Dy，Dz，單選1,3號節(jié)點，完成邊界條件建立，如圖15所示。&l

24、t;/p><p>　　圖15 箱形梁邊界條件的處理示意圖</p><p>　　通過以上12個步驟，箱形梁的模型已經(jīng)建立了。接下來就是前處理的最后一個步驟，施加荷載。</p><p>　　四、給模型施加荷載過程介紹</p><p>　　給模型施加荷載是有限元分析前處理的緊接模型的另一個重要步驟。再此主要考慮的荷載有鋼箱梁橋的自重，橋面鋪裝和人群荷載

25、，且都把他們當做靜力荷載工況處理。同樣分以下幾點敘述其原理和具體操作步驟。</p><p>　?。?）完成荷載的定義，包括種類和工況的選擇。具體操作步驟為：在樹形菜單中選擇荷載>靜力荷載工況，名稱輸入“鋼箱梁自重”，類型選擇“恒荷載”，點擊添加，同理，分別添加“橋面鋪裝系”、“溫度”的靜力荷載工況并點擊關閉，如圖16所示。

26、 </p><p>　　圖16 靜荷載的定義及工況選擇</p><p>　　（2）添加定義好的荷載。具體操作步驟為：在荷載中選擇“自重”，荷載工況名稱中選擇“鋼箱梁自重”，自重系數(shù)z中輸入-1，操作按鈕里點擊添加，完成箱梁的自重荷載添加，如圖17所示。</p><p>　　圖17 鋼箱梁自重荷載的添加</p><p>　　（3）橋面系

27、荷載的添加。具體操作步驟為：在荷載中選擇“梁單元荷載（連續(xù)）”，荷載工況名稱選擇“橋面鋪裝系”，w中輸入“-12”，加載區(qū)間（兩點）選擇1,3兩點，如圖18所示。</p><p>　　圖18 橋面鋪裝系荷載的添加</p><p>　?。?）溫度荷載的添加，假設上下表面溫差7度，左右溫差相差3度。具體操作步驟為：在荷載中選擇，荷載工況名稱選擇“溫度”，溫度梯度T2z-T1z輸入“7”，溫度梯

28、度T2y-T1y輸入“3”，如圖19所示。</p><p>　　圖19 溫度荷載的添加</p><p>　　（5）人群荷載的施加。具體操作步驟為：從主菜單中選擇荷載>移動荷載>移動荷載規(guī)范選擇China，點擊交通車道線彈出“車道”對話框，點擊添加彈出“車道”對話框，車道名稱輸入“人行天橋道面”，車輛荷載的分布選擇“車道單元”，車輪間距輸入“3500”，橋梁跨度輸入“47400”

29、，選擇“兩點”分別為（0,0,0）和（47400,0,0），點擊確定并關閉“車道”對話框，如圖20 所示。</p><p>　　圖20 人群荷載范圍的添加</p><p>　　人群荷載規(guī)范的選擇。點擊按鈕“車輛”彈出“車輛”對話框，選擇用戶定義（U）彈出“用戶定義的車輛荷載”對話框，荷載類型選擇“人群荷載”，規(guī)范選擇“新公路人群荷載類型”，車輛荷載名稱輸入“人群荷載”，如圖21所示。<

30、;/p><p>　　圖21 人群荷載規(guī)范的選擇和數(shù)值的輸入</p><p>　　人群荷載的添加。具體操作步驟為：選擇“移動荷載工況”添加，荷載工況名稱輸入“人群荷載”，點擊添加彈出“子荷載工況”，將“人行天橋道面”添加到“選擇的車道”中，點擊確定，如圖22所示。</p><p>　　圖22 人群荷載的添加</p><p>　　通過以上5個步驟，荷

31、載的定義和添加已經(jīng)完成。接下來解釋運行分析和查看結果的后處理工作了。</p><p>　　五、運行分析模型過程介紹</p><p>　　模型的前處理工作全部完成后，剩下的工作就是后處理。由于運行模型主要是軟件自動進行的大量計算，實際上只需要進行簡單的操作即可。這一步主要是計算機的工作量比較大。具體操作步驟如下：</p><p>　　選擇主菜單中的分析>運行分析

32、。</p><p>　　荷載的組合是設計的一大關鍵，需選擇組合方式和依據(jù)的規(guī)范，具體操作步驟如下：選擇主菜單中的結果>荷載組合，選擇“自動生成（A）”，彈出“選擇荷載組合”，設計規(guī)范選擇“JTJ021-89”，點擊確定，如圖23所示。</p><p>　　圖23 荷載組合的設置和依據(jù)規(guī)范的選擇</p><p>　　以上兩步就完成了模型的運行分析和荷載的組合設置

33、。</p><p>　　六、后處理分析模型過程介紹</p><p>　　有限元分析的后處理主要是查看計算結果，包括應力和變形的運行結果，以及分析是否建模出錯，也就是初步判斷結果的準確性。</p><p>　　鋼箱梁單元的應力結果：</p><p>　　（2）鋼箱梁單元的內力結果：</p><p>　?。?）鋼箱梁單元的

34、外力結果：</p><p>　?。?）鋼箱梁單元的變形結果：</p><p>　　七、后處理分析模型的最后一個階段，結果分析過程介紹</p><p><b>　　1、整體穩(wěn)定驗算：</b></p><p>　　根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》第4.2.4條，h/b0=1200/3900=0.31<=6，且l1/b0=2165

35、0/3900=5.55<95(235/fy)=64.71, 故可不計算整體穩(wěn)定性，根據(jù)規(guī)范的構造要求滿足整體穩(wěn)定性。</p><p><b>　　2、局部穩(wěn)定驗算</b></p><p>　　根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》第4.3.1和4.3.2條，h0/tw=1100/50=22<80=66,需配置橫向加勁肋，H0/tw=1100/50=22<150=12

36、3.8只需按構造布置適當縱向加勁肋。縱向加勁肋布置如圖1所示。</p><p><b>　　3、撓度計算</b></p><p>　　根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》對結構和構件的變形控制，天橋</p><p>　　上部由人群荷載計算的最大豎向撓度容許值＝l/600。根據(jù)計算最大撓度為10.35mm＜25750/600＝43mm，故結構撓