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1、 钢桥课程设计 设计题目： 两跨连续钢箱梁人行天桥的梁设计 课程名称： 钢 桥 学 院： 土木工程学院 专 业： 桥梁与隧道工程 班 级： 土木133 学 号： 学生姓名： 卢超 指导教师： 2016年12月9日设计成绩评语 年 月 日目录Content一、钢桥课程设计要达到的目的1二、设计资料及设计要求1三、建模过程介绍2四、给模型施加荷载过程介绍11五、运行分析模型过程介绍16六、后处理分析模型过程介绍17七、后处理分析模型的最后一个阶段，结果分析过程介绍20两跨连续钢箱梁人行天桥的梁设计一、钢桥课程设计要达到的目的现代钢桥按主梁划分为钢板梁桥、钢箱梁桥、钢桁梁桥和组合梁桥，按结构传力形式
2、及桥型可分为斜拉桥、悬索桥和拱桥，这些都是现代钢桥的主要对象。这些桥的受力复杂，所以其全寿命周期设计必须依赖于计算机辅助（CAD）完成，目前主要是采用Midas/civil进行辅助设计，所以学习Midas/civil的基本使用是本课程设计的主要目标。另外，以简单的两跨连续钢箱梁人行天桥的梁设计，就可以基本涵盖建模、施加荷载、运行分析、结果查看和对照规范进行设计等环节，也会体现Midas/civil设计过程中的前处理和后处理的要求，所以本课程的设计时“麻雀虽小五脏俱全”。要求使用Midas/civil主要设计与分析该桥主梁，把设计的理论思想和具体使用软件的步骤表述清楚，做到原理明白、思路清晰、操
3、作具体和数据明确等设计要求。二、设计资料及设计要求1.桥梁简介及设计参数本课程设计依托的是工程实例某市一座两跨连续钢箱梁人行天桥，跨径布置为25.75+21.65米。桥梁的设计参数主要有以下几点，没有提及的按规范推荐取用或合理按照工程经验选取。（1）钢箱梁桥的几何信息：根据给定的CAD文件，桥最外围宽度是4000mm，因两侧设有栏杆，宽度为250mm，所以桥面全宽3500mm。天桥为两跨连续箱形截面梁，跨径为257500+216500mm。截面为单梁双室箱形截面，箱梁钢板厚度为50mm，双轴对称矩形截面，连腹板净高1100mm，全高1200mm，如图1所示。图1 钢箱梁截面几何尺寸（2）钢箱梁
4、桥的材料信息：根据CAD给定的图纸可知，该桥主梁选用Q345钢。（3）钢箱梁桥的荷载信息：考虑人群荷载为5.0kN/m2。自重是默认必须加以考虑的荷载，另外为了更符合工程实际情况，可自主考虑桥面系铺装荷载和温度荷载。2.桥梁设计要求按照给定的CAD图纸将该桥模型在MIDAS/Civil中建立有限元模型，其中可以只建出梁体，不建立墩柱模型，并按照要求施加相应的荷载进行计算分析。三、建模过程介绍建模过程为了贯彻原理明白、思路清晰、操作具体等要求，所以对建模的操作步骤进行分点叙述，在每一个操作步骤前对该操作进行原理解释，没有解释价值的操作步骤省略原理解释。如下：（1）打开并运行Midas Civil
5、软件，点击新项目（或快捷键Ctrl+N）。操作步骤为：打开文件保存文件命名文件名（命名为“两跨的钢箱梁桥的梁设计”）点击保存。（2）为了使从CAD中导入Midas Civil的DXF文件图形的单位统一，所以需要设置单位，同时，单位体系设置也是建模必不可少的一步，体现前处理的设置要求。具体操作步骤为：将单位体系设置为“N ”和“mm”。（3）接下来设置材料特性，其地位同样是建模前处理的主要步骤。具体操作步骤为：从主菜单中选择特性材料特性值（弹出“材料和截面”对话框，如图2所示）材料。图2 “材料和截面”对话框接下来再点击“添加”，弹出“材料数据”对话框，设计类型栏里选择“钢材”，钢材规范栏里选择
6、“GB03（S）（中国国家标准，钢结构设计规范 GB 50017-2003）”，数据库栏里选择“Q345”，其他为默认选择，然后点击确认，并关闭材料和截面对话框，这样就完成了建模采用的材料和设计依据的规范的选择设置了，如图3所示。图3 “材料数据” 对话框（4）需要计算箱形梁的截面特性。先设置单位的统一，具体操作步骤为：选择主菜单工具截面特性计算器,弹出“Setting”对话框，设置Force（力）的单位N，设置Length（长度）的单位mm，点击OK，如图4所示。图4 截面特性计算器单位设置（setting）对话框（5）从AutoCAD中向Midas Civil导入模型截面图形，首先要用直线
7、段在AutoCAD中绘制箱形梁截面图形，并把只有该图形的AutoCAD文件保存为DXF类型文件，并命名为“截面.DXF”类型，选择低版本，如2000版，并保存在桌面上。由于具体操作过程在AutoCAD上完成，所以省略操作步骤。在Midas Civil中导入DXF文件的具体操作步骤：选择菜单File（文件）Import（导入）AutoCAD DXF,弹出对话框，选择导入“截面.DXF”文件，点击OK，如图5所示。图5 导入AutoCAD DXF文件对话框（6）计算截面的生成。具体操作步骤为：选择树形菜单SectionGenerate，弹出如图6所示对话框。图6 截面特性计算设置截面生成对话框在“
8、Type”选项里选择“Plane”，单击图标工具栏里的按钮Select，然后框选截面，再点击树形菜单里的按钮Apply（应用），完成截面的生成。（7）截面特性的计算。具体操作步骤为：单击图标工具栏里的按钮Calculate Property，树形菜单弹出如图7所示的对话框，单击图标工具栏里的按钮Select，然后框选截面，点击按钮Appy（应用）完成截面特性计算。图7 截面计算对话框（8）保存截面计算文件，并输出。具体操作步骤为：单击图标工具栏里的按钮Export，树形菜单弹出如图8所示的对话框。图8 SPC截面特性计算数据图形文件保存输出对话框选择“MIDAS Section File”文件
9、，导出.sec文件，在File Name里选择文件保存路径桌面，并命名为“钢箱梁设计截面.sec”, 框选截面，点击按钮Apply（应用）即可完成，然后关闭Midas SPC程序。（9）模型建立的截面数据SPC导入。具体操作步骤为：在主菜单里选择特性截面特性值，点击添加弹出如图9所示对话框。图9 截面数据导入对话框选择设计截面设计用数值截面，名称里输入“钢桥截面”，点击截面数据从SPC导入，从桌面里导入“钢箱梁设计截面.sec”，设计参数T1输入50,、T2输入50、BT输入3850，HT输入1150，T1、T2、BT、HT具体含义见对话框示意图，单击确认即可。最后关闭材料和截面对话框，回到主
10、界面。（10）建立钢箱梁模型的节点和单元，这也就是有限元分析的有限单元的划分。具体操作步骤为：在主菜单中节点/单元建立节点，弹出树形菜单如图10所示。图10 节点建立对话框在坐标（x,y,z）里分别输入（0,0,0）、（25750,0,0）、（47400,0,0），并分别点击“适用（A）”按钮。再在树形菜单中选择“分割节点”，如图11所示。图11 划分节点间分析单元数对话框分割数量输入24，分割的节点号为1,2号，点击“适用（A）”按钮，同理，在分割数量输入18，分割的节点号为2,3号，点击“适用（A）”按钮，完成节点建立，如图12所示。图12 完成节点建立效果图（11）建立有限单元。具体操作
11、步骤为：在树形菜单中选择“单元”，在节点连接框里点击节点1,3完成单元建立，如图13所示。 图13 单元的建立 图14 边界条件的处理（12）边界条件的处理，对于支承点的6个自由度，根据结构的实际约束情况进行边界的理想化。具体步骤为：在树形菜单中选择边界条件一般支承，如图14所示，点击Dx，Dy，Dz，单选节点2，点击Dy，Dz，单选1,3号节点，完成边界条件建立，如图15所示。图15 箱形梁边界条件的处理示意图 通过以上12个步骤，箱形梁的模型已经建立了。接下来就是前处理的最后一个步骤，施加荷载。四、给模型施加荷载过程介绍给模型施加荷载是有限元分析前处理的紧接模型的另一个重要步骤。再此主要考
12、虑的荷载有钢箱梁桥的自重，桥面铺装和人群荷载，且都把他们当做静力荷载工况处理。同样分以下几点叙述其原理和具体操作步骤。（1）完成荷载的定义，包括种类和工况的选择。具体操作步骤为：在树形菜单中选择荷载静力荷载工况，名称输入“钢箱梁自重”，类型选择“恒荷载”，点击添加，同理，分别添加“桥面铺装系”、“温度”的静力荷载工况并点击关闭，如图16所示。 图16 静荷载的定义及工况选择（2）添加定义好的荷载。具体操作步骤为：在荷载中选择“自重”，荷载工况名称中选择“钢箱梁自重”，自重系数z中输入-1，操作按钮里点击添加，完成箱梁的自重荷载添加，如图17所示。图17 钢箱梁自重荷载的添加（3）桥面系荷载的添
13、加。具体操作步骤为：在荷载中选择“梁单元荷载（连续）”，荷载工况名称选择“桥面铺装系”，w中输入“-12”，加载区间（两点）选择1,3两点，如图18所示。图18 桥面铺装系荷载的添加（4）温度荷载的添加，假设上下表面温差7度，左右温差相差3度。具体操作步骤为：在荷载中选择，荷载工况名称选择“温度”，温度梯度T2z-T1z输入“7”，温度梯度T2y-T1y输入“3”，如图19所示。图19 温度荷载的添加（5）人群荷载的施加。具体操作步骤为：从主菜单中选择荷载移动荷载移动荷载规范选择China，点击交通车道线弹出“车道”对话框，点击添加弹出“车道”对话框，车道名称输入“人行天桥道面”，车辆荷载的分
14、布选择“车道单元”，车轮间距输入“3500”，桥梁跨度输入“47400”，选择“两点”分别为（0,0,0）和（47400,0,0），点击确定并关闭“车道”对话框，如图20 所示。图20 人群荷载范围的添加人群荷载规范的选择。点击按钮“车辆”弹出“车辆”对话框，选择用户定义（U）弹出“用户定义的车辆荷载”对话框，荷载类型选择“人群荷载”，规范选择“新公路人群荷载类型”，车辆荷载名称输入“人群荷载”，如图21所示。图21 人群荷载规范的选择和数值的输入人群荷载的添加。具体操作步骤为：选择“移动荷载工况”添加，荷载工况名称输入“人群荷载”，点击添加弹出“子荷载工况”，将“人行天桥道面”添加到“选择的
15、车道”中，点击确定，如图22所示。图22 人群荷载的添加通过以上5个步骤，荷载的定义和添加已经完成。接下来解释运行分析和查看结果的后处理工作了。五、运行分析模型过程介绍模型的前处理工作全部完成后，剩下的工作就是后处理。由于运行模型主要是软件自动进行的大量计算，实际上只需要进行简单的操作即可。这一步主要是计算机的工作量比较大。具体操作步骤如下：选择主菜单中的分析运行分析。荷载的组合是设计的一大关键，需选择组合方式和依据的规范，具体操作步骤如下：选择主菜单中的结果荷载组合，选择“自动生成（A）”，弹出“选择荷载组合”，设计规范选择“JTJ021-89”，点击确定，如图23所示。图23 荷载组合的设
16、置和依据规范的选择 以上两步就完成了模型的运行分析和荷载的组合设置。六、后处理分析模型过程介绍有限元分析的后处理主要是查看计算结果，包括应力和变形的运行结果，以及分析是否建模出错，也就是初步判断结果的准确性。（1） 钢箱梁单元的应力结果：（2）钢箱梁单元的内力结果：（3）钢箱梁单元的外力结果：（3）钢箱梁单元的变形结果：七、后处理分析模型的最后一个阶段，结果分析过程介绍1、整体稳定验算：根据钢结构设计规范第4.2.4条，h/b0=1200/3900=0.31=6，且l1/b0=21650/3900=5.5595(235/fy)=64.71, 故可不计算整体稳定性，根据规范的构造要求满足整体稳定性。2、局部稳定验算根据钢结构设计规范第4.3.1和4.3.2条，h0/tw=1100/50=2280=66,需配置横向加劲肋，H0/tw=1100/50=22150=123.8只需按构造布置适当纵向加劲肋。纵向加劲肋布置如图1所示。3、挠度计算根据城市人行天桥与人行地道技术规范对结构和构件的变形控制，天桥上部由人群荷载计算的最大竖向挠度容许值l/600。根据计算最大挠度为10.35mm25750/60043mm，故结构挠度验算满足要求，如图所示。4、应力验算根据钢结构设计规范按基本组合验算结构的强度：图中可知主梁最大正应力为28.53MPa,满足规范要求。21