307+100+307m钢桁拱桥 长江路大桥计算书典尚设计.docx
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307+100+307m钢桁拱桥长江路大桥计算书典尚设计
京杭运河常州市区段改线工程施工图设计
长江路大桥
复核计算书
2005年3月
一、主要技术标准及设计采用规范
1、主要技术标准
（1）道路等级：
城市主干道路；
（2）荷载标准：
公路-1级，人群荷载：
3.5kN/m2；
（5）平纵曲线：
本桥位于直线段，桥面最大纵坡：
3%；
（6）桥面横坡：
行车道2%人字坡；
（7）地震：
无资料。
2、设计采用规范
（1）《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）
（2）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）
（3）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）
（4）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）
（5）《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）
（6）《城市桥梁设计准则》（JTJ11-93）
（7）《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77-98）
（8）《钢结构工程施工及验收规范》（GB50215-95）
（9）参考规范《铁路钢桥制造及验收规范》（TB10212-98）
二、桥梁总体布置
1、桥型与孔跨布置
主桥采用1联（30.7+100+30.7）m钢桁拱桥，主桥全长161.4m。
2、桥梁横断面布置
桥梁横断面布置为：
1.5m（人行道、栏杆）+3.0m（非机动车道）+2.0m（拱肋及吊杆区，含防撞护拦）+23.0m（机动车道）+2.0m（拱肋及吊杆区，含防撞护拦）+3.0m（非机动车道）+1.5m（人行道、栏杆），桥面全宽36.0m。
三、桥梁结构设计
1、上部结构设计
本桥上部结构采用连续钢桁拱结构，两片承重主桁间距为25m，主桁间距远大于桥梁宽跨比1/20的要求，通过合理的系杆与桥面结构布置，具有良好的横向刚度。
主跨拱圈矢高20m，矢跨比接近1/4，拱脚在桥面以下高度为6m；边跨计算跨度30m，平弦钢桁梁主桁高度9.5m。
桁梁和拱肋的标准节间距为5m。
弦不分上下弦杆、拱部分上下弦杆、加劲弦杆、系杆均采用箱形截面，横梁采用工字形截面、设有纵横加劲肋，吊杆、腹杆及平纵联均采用工字形截面。
桥面板主要采用钢筋混土Π形板，边跨机动车道部分为了增加压重而采用矩形截面钢筋混凝土板，人行道部分全桥均采用槽形板。
2、下部结构设计
本桥下部结构采用柱式墩、钻孔灌注桩基础，9、10号墩桩径1.5m，8、11号墩桩径1.2m。
四、图纸中存在的问题
本桥采用钢结构，虽然造价较高，但结构新颖美观。
总体来说设计文件图表清晰，各种设计计算参数取值合理，结构构件尺寸较为优化。
这种结构在国外的高速铁路桥梁上采用较为普遍，其主要受力特点是横竖向刚度大、稳定性好，国内目前在京沪高速铁路南京长江大桥上采用此方案，但还未实施。
本次计算复核所收到的图纸不全，主要缺桥面系、施工方法及施工步骤、全桥主要工程数量表、和设计说明的图纸。
从收到的图纸来看，有以下问题：
1、《主桁结构总图》中的上平联、拱桁下平联及桥门架设计图与相应的详图相矛盾。
2、《端桥门架设计图》中的QM1-3及QM1-4杆件图与数量表中的尺寸不符。
3、《杆件图二十六》中的N2钢板厚应为16mm。
4、桥面板未铺到伸缩缝处，只到端横梁的一半处，从端横梁中心到伸缩缝处的设计图纸没有。
五、主要设计计算参数
1、钢桁拱均采用Q345q钢，弹性模量为2.1×105Mpa，其计算容重取钢材实际容重的1.18倍（按现有图纸合计全桥总的用钢量为：
1870.3吨），为γ＝92.38kN/m3。
构件名称
单位
重量
弦杆
kg
380193.2
斜杆
kg
90377.2
竖杆
kg
127205.8
横梁
kg
482244.8
托架
kg
124349
上平联
kg
147839.7
普通下平联
kg
116159
下平纵联（拱）
kg
124085.3
加劲弦下平联
kg
45857.6
加劲弦横联
kg
22285.8
A节点
kg
48915
E节点
kg
83106.6
M4~M6节点
kg
12043
系杆节点
kg
23078
端桥门架
kg
16425
A6处桥门架
kg
10054
E8至E9间桥门架
kg
16086
全桥合计
kg
1870305
全桥合计（计入2%螺栓重）
kg
1907711.1
2、钢筋混凝土容重：
γ＝25kN/m3；
3、桥面铺装沥青混凝土容重为22kN/m3，由于本次复核计算时没有桥面铺装及其它桥面系的图纸，所以暂定为8cm厚的沥青混凝桥面铺装。
4、人行道、栏杆、防撞墙等也没有图纸，按下表取值：
项目
断面面积
每延米重
单位
m2
kN/m
人行道混凝土
0.304
7.6
人行道地砖
0.0625
1.25
钢栏杆
0.6
防撞墙
0.308
7.7
5、活载：
本桥采用的活载等级为：
公路-1级；
人群荷载：
按照《城市桥梁设计荷载标准》取值：
2.4kN/m2；非机动车道也是人群荷载控制。
冲击系数：
按《城市桥梁设计荷载标准》规定计算。
6、温度力：
钢材线胀系数为0.000012，本次计算暂不考虑温度力。
7、基础不均匀沉降：
相邻两桥墩基础不均匀沉降值取1cm，本次计算暂不考虑。
8、地震力荷载
按《公路工程抗震设计规范》采用反应谱理论计算。
由于地震无资料，本次计算只算出自振频率。
六、二期恒载在横梁及托架上的分布
按照以上取值，可以计算出二期恒载（包括人行道、栏杆、防撞墙、桥面铺装）分配到各横梁及托架上的集中力和均布力如下（其中P为集中力，q为均布力）：
TO托架
荷载类型
数值（kN,kN/m）
位置
x1
x2
附注
P
1.50
0.1250
栏杆
q
27.19
0.0000
1.5000
人行道
q
16.84
1.50
5.00
非机动车道
P
19.25
4.75
防撞墙
T1~T16托架
荷载类型
数值（kN,kN/m）
位置
x1
x2
附注
P
3.00
0.1250
栏杆
q
54.37
0.0000
1.5000
人行道
q
33.67
1.50
5.00
非机动车道
P
38.50
4.75
防撞墙
横梁H0
荷载类型
数值（kN,kN/m）
位置
x1
x2
附注
P
19.25
0.7500
防撞墙
q
33.12
0.70
24.30
机动车道
P
19.25
24.25
防撞墙
横梁H1
荷载类型
数值（kN,kN/m）
位置
x1
x2
附注
P
38.50
0.7500
防撞墙
q
66.24
0.70
24.30
机动车道
P
38.50
24.25
防撞墙
横梁H2
荷载类型
数值（kN,kN/m）
位置
x1
x2
附注
P
38.50
0.7500
防撞墙
q
53.39
0.70
24.30
机动车道
P
38.50
24.25
防撞墙
横梁H3~H16
荷载类型
数值（kN,kN/m）
位置
x1
x2
附注
P
38.50
0.7500
防撞墙
q
40.55
0.70
24.30
机动车道
P
38.50
24.25
防撞墙
七、计算模型
采用空间计算模型，对主桥钢桁拱分别进行了静力计算、稳定计算及自震特性计算。
为了比较准确地掌握结构的受力状况，验证结构的安全性，对结构分别按梁单元及桁架单元建立模型模拟计算。
计算采用《MIDAS/CivilVer5.9.0》有限元结构分析软件。
共有462个节点，887个单元。
机动车、非机动车及人群活载均按最不利影响线加载。
八、结构离散图
九、桥梁自振特性分析
自振分析中桥梁的二期恒载转化为节点集中质量，其自振周期见下表：
模态号
频率
频率
周期
容许误差
（rad/sec）
（cycle/sec）
（sec）
1
8.730
1.389
0.720
1.86E-16
2
9.695
1.543
0.648
7.56E-16
3
10.152
1.616
0.619
5.52E-16
4
12.439
1.980
0.505
3.67E-15
5
13.455
2.141
0.467
2.20E-15
6
13.527
2.153
0.465
9.32E-16
7
14.872
2.367
0.422
8.66E-14
8
17.791
2.832
0.353
2.58E-11
9
21.305
3.391
0.295
6.88E-06
10
21.891
3.484
0.287
3.98E-03
前三阶振形如下：
1、振形一：
2、振形二：
3、振形三：
十、稳定性分析
从得弹性稳定分析来看，本桥的整体稳定性较好。
模态
特征值
容许误差
1
18.575
2.56E-06
2
20.639
4.10E-13
3
21.149
4.96E-04
1、失稳模态一：
2、失稳模态二：
3、失稳模态三：
十一、主要计算结果
（一）按梁单元计算
按梁单元计算，等于在计算中计入了节点刚性在主桁杆件中引起的次应力。
钢材的容许应力为：
[σ]=1.45×210=304.5MPa
1、上弦杆：
σmax=196.7MPa，σmin=-245.2MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，所有构件强度满足要求。
2、下弦杆：
σmax=273.1MPa，σmin=-324.8MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，拱脚E6E7弦杆应力超限，不满足强度要求，其它杆件强度满足要求。
3、竖杆：
σmax=230.1MPa，σmin=-703.5MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，边跨加劲弦E4M4及E5M5竖杆应力超限，不满足强度要求，这主要是因为此两根竖杆长度太短，次内力太大而引起的。
其它杆件强度满足要求。
4、斜杆：
σmax=226.4MPa，σmin=-173.4MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，各杆件强度满足要求。
但应注意A7M6杆的稳定性。
5、系杆：
σmax=294.8MPa，σmin=118.1MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，各杆件强度满足要求。
6、吊杆：
σmax=362.9MPa，σmin=100.2MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，E8M8吊杆应力超限，不满足强度要求，这主要是因为杆件长度太短，次内力太大而引起的。
其它杆件强度满足要求。
7、横梁：
σmax=73.4MPa，σmin=-212.4MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，各杆件强度满足要求。
（二）按梁单元计算
钢材的容许应力为：
[σ]=210MPa
1、上弦杆：
σmax=128.0MPa，σmin=-195.2MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，所有构件强度满足要求。
2、下弦杆：
σmax=164.7MPa，σmin=-207.6MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，弦杆强度满足要求，但E11E12弦杆应力富余值太小。
3、竖杆：
σmax=194.1MPa，σmin=-164.4MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，各杆件强度满足要求。
4、斜杆：
σmax=193.1MPa，σmin=-132.3MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，各杆件强度满足要求。
但应注意A7M6杆的稳定性。
5、系杆：
σmax=196.7MPa，σmin=103.4MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，各杆件强度满足要求。
6、吊杆：
σmax=148.2MPa，σmin=103.2MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，各杆件强度满足要求。
7、横梁：
σmax=44.6MPa，σmin=-235.0MPa（其中拉应力为正，压应力为负），具体位置见下图，H1横梁应力不满足要求，其它横梁强度满足要求。
（三）结论及修改意见
通过以上计算及对比可以看出：
1、拱脚E6E7弦杆应力超限，不满足强度要求，建议将杆件板厚加大。
2、E11E12弦杆应力富余值太小，建议将杆件板厚加大。
3、边跨加劲弦E4M4及E5M5竖杆应力超限，不满足强度要求，这主要是因为此两根竖杆长度太短，次内力太大而引起的。
可以在满足截面正应力的情况下修改杆件截面，减小其抗弯刚度，或者可以以铰接的方式和节点相连。
4、虽然斜杆各杆件强度满足要求，但由于A7M6杆受压较大，而其长度又最长，所以应注意A7M6杆的稳定性。
5、以梁单元计算时，E8M8吊杆应力超限，不满足强度要求，这主要是因为杆件长度太短，次内力太大而引起的。
可以在满足截面正应力的情况下修改杆件截面，减小其抗弯刚度，或者可以改善其和节点的联结方式。
6、在目前假定的桥面系重量下，运营阶段横梁H1的应力不满足要求，σmin=-235.0MPa（其中拉应力为正，压应力为负），应修改其截面尺寸及板厚。
（四）恒、活载位移（按梁单元计算）
1、恒载：
2、活载：
（五）杆件内力（按桁架计算）
1、上弦杆（轴力）：
2、下弦杆（轴力）：
3、竖杆（轴力）：
4、斜杆（轴力）：
5、系杆（轴力）：
6、吊杆（轴力）：
7、横梁（弯矩）：
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