人行天桥结构计算书.doc

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1、-!林州市人行天桥结构计算书审定：审核： 设计：2012年2月-!目 录一.工程概况- 1 -二.设计原则与标准- 1 -三.结构布置和构件截面- 2 -3.1 结构布置- 2 -3.2 杆件截面- 3 -3.3 支座和边界约束- 3 -四.荷载与作用- 4 -五.材料- 9 -六.构件包络应力- 9 -6.1整体应力分布- 9 -6.2拱结构应力状态- 9 -6.3 桥面主梁、次梁应力状态- 11 -6.4 吊杆应力状态- 13 -七.模态分析- 14 -7.1特征周期- 14 -7.2特征模态- 14 -八.桥梁变形- 16 -8.1 竖向变形- 16 -8.2 水平变形- 17 -九.桥

2、梁整体稳定分析- 18 -9.1 屈曲特征值- 18 -9.2 屈曲模态- 18 -十节点计算- 20 -10.1 吊杆节点- 20 -10.2 主梁ZL与GHL2连接处支座验算- 23 -10.3 主梁ZL与桥台连接节点验算- 26 -十一 基础验算- 32 -11.1 基础底面地基承载力验算- 32 -11.2 基础背面地基承载力验算- 37 -11.3 基础侧面地基承载力验算- 42 -11.4 抗剪栓钉验算- 43 -11.5 施工安装阶段柱脚底板验算- 44 -!一. 工程概况河南省林州市人行天桥项目。采用中承式拱桥二. 设计原则与标准1、建筑结构荷载规范 （GB 50009-200

3、1）2、建筑抗震设计规范 （GB 50011-2010）3、钢结构设计规范 （GB 50017-2003）4、建筑钢结构焊接技术规程 （JGJ 81-2002）5、钢结构工程施工及验收规范 （GBJ 50205-2001）6、城市桥梁设计准则 （CJJ 11-93）7、城市桥梁设计荷载标准 （CJJ 77-98）8、城市人行天桥与人行地道技术规范 （CJJ 69-95）9、公路工程抗震设计规范 （JTJ004-93）10、公路桥涵设计通用规范 （JTGD60-2004）11、公路桥涵钢结构及木结构设计规范 （JTJ025-86）12、公路桥涵地基及基础设计规范 （JTJ024-85）13、混凝

4、土结构设计规范 （GB50010-2010）14、铁路桥梁钢结构设计规范 （TB10002.2-2005）15、建筑钢结构焊接技术规程 （JGJ81-2002；J218-2002）16、公路桥梁板式橡胶支座规格系列（JT/T 663-2006）17、公路桥梁板式橡胶支座（JT/T 4-2004）三. 结构布置和构件截面3.1 结构布置图1 三维结构图图2 立面布置图图3 平面布置图3.2 杆件截面3.3 支座和边界约束拱结构与桥面结构之间通过单向可滑动支座进行连接，支座型号为GJZF4 350x550x72(单向) NR，实现桥面梁沿桥纵向可滑动，横向与拱结构协同工作。拱脚与基础固结约束；桥面

5、结构的四个角点中，除一个为约束三个平动自由度外，其他三个支座均为只约束竖向自由度。边界约束情况如图4所示（途中约束六位数字分别表示：平动x向、平动y向、平动z向；转动绕x轴；转动绕y轴；转动绕z轴，0表示释放；1表示约束）。图4 边界约束布置图四. 荷载与作用1、 设计使用年限为100年2、 设计地震烈度为7度（0.15g）第二组类场地根据城市人行天桥与人行地道技术规范 （CJJ 69-95）的规定，地震工矿组合中，考虑永久荷载和1.0 kN/m2的人群荷载。3、 桥面永久荷载47mm厚(平均厚度)细石混凝土：q1=250.047=1.2kN/m210mm厚EPDM聚亚安脂混合颗粒塑胶：q2=

6、150.010=0.15kN/m2考虑可能以后采用广场瓷砖：q2=0.65kN/m2压型钢板自重：q2=0.15kN/m2综上：桥面均布恒荷载 q=2.0kN/m2栏杆自重：0.2 kN/m广告牌自重：1.0 kN/m2，两侧全长均有广告牌，高度为4.2m掉面吊挂荷载：0.15 kN/m24、 可变荷载（1）、人群荷载：根据城市人行天桥与人行地道技术规范 （CJJ 69-95），加载长度超过20m的情况下，人群荷载为;w=5-2L-208020-B20=3.26kN/m2在计算中取3.5kN/m2（用于整体结构计算）在设计乔面板时，人群荷载取 5.0kN/m2（用于桥面板计算）（2）、按100

7、年考虑基本雪荷载：0.45kN/m2（3）、风荷载基本风压：0.55kN/m2（按100年为设计周期）a、 广告牌：由于两侧广告牌之间空间开放，因此分别考虑两侧风荷载，且其数值和方向相同单侧广告牌体型系数：1.3风振系数：1.5高度分布系数：1.25（按B类场地，20m高度）单侧广告牌上的风荷载作用于主梁上，折算线荷载：p=1.51.31.250.554.2=5.63kN/mb、 拱侧面（考虑两片拱承受风荷载，数值相同，方向相同）：单片拱体型系数：1.4风振系数：1.5高度分布系数：1.25（按B类场地，20m高度）单侧拱侧面上的风荷载，折算线荷载（考虑拱侧面宽度为1.5m）：p=1.51.4

8、1.250.551.5=2.16kN/m综上，风荷载在计算模型中的分布情况如图5.图5 风荷载布置图（4）、雪荷载基本风压：0.45 kN/m2（按100年考虑）（5）、栏杆荷载水平力：2.5 kN/m竖向力：1.2 kN/m5、 温度作用设计温度变化范围：-210C+570C，合拢温度为100C6、 荷载组合A、 非地震组合组合恒荷载人群荷载风荷载升温降温组合恒荷载人群荷载风荷载升温降温11.2301.2-0.841.221.21.4311.2-0.841.231.21.4321.20.98-0.841.241.21.40.84331.20.98-0.841.251.21.4-0.84341

9、.3561.21.40.72351.350.9871.21.40.72361.350.8481.21.40.840.72371.35-0.8491.21.4-0.840.72381.350.72101.21.4391.350.72111.20.981.4401.350.980.84121.21.40.72411.350.98-0.84131.21.40.72421.350.980.72141.20.981.40.72431.350.980.72151.20.981.40.72441.350.840.72161.2-1.4451.350.840.72171.20.98-1.4461.350.98

10、0.840.72181.2-1.40.72471.350.980.840.72191.2-1.40.72481.35-0.840.72201.20.98-1.40.72491.35-0.840.72211.20.98-1.40.72501.350.98-0.840.72221.21.2511.350.98-0.840.72231.21.25211.4241.20.981.25311.40.72251.20.981.25411.40.72261.20.841.2551-1.4271.20.841.2561-1.40.72281.20.980.841.2571-1.40.72291.20.980.

11、841.2B、 地震组合组合恒荷载人群荷载风荷载水平地震y水平地震x竖向地震组合恒荷载人群荷载风荷载水平地震y水平地震x竖向地震11.21.21.36711.321.21.2-1.3681-1.331.21.20.281.36910.281.341.21.2-0.281.3701-0.281.351.21.20.28-1.37110.28-1.361.21.2-0.28-1.3721-0.28-1.371.21.21.37311.381.21.2-1.3741-1.391.21.20.281.37510.281.3101.21.2-0.281.3761-0.281.3111.21.20.28-

12、1.37710.28-1.3121.21.2-0.28-1.3781-0.28-1.3131.21.21.37911.3141.21.2-1.3801-1.3151.21.20.281.38110.281.3161.21.2-0.281.3821-0.281.3171.21.20.28-1.38310.28-1.3181.21.2-0.28-1.3841-0.28-1.3191.21.21.30.58511.30.5201.21.2-1.30.5861-1.30.5211.21.21.3-0.58711.3-0.5221.21.2-1.3-0.5881-1.3-0.5231.21.21.30.

13、58911.30.5241.21.2-1.30.5901-1.30.5251.21.21.3-0.59111.3-0.5261.21.2-1.3-0.5921-1.3-0.5271.21.20.51.39310.51.3281.21.20.5-1.39410.5-1.3291.21.2-0.51.3951-0.51.3301.21.2-0.5-1.3961-0.5-1.3311.21.20.51.39710.51.3321.21.20.5-1.39810.5-1.3331.21.2-0.51.3991-0.51.3341.21.2-0.5-1.31001-0.5-1.3351.21.20.28

14、1.30.510110.281.30.5361.21.20.28-1.30.510210.28-1.30.5371.21.20.281.3-0.510310.281.3-0.5381.21.20.28-1.3-0.510410.28-1.3-0.5391.21.20.281.30.510510.281.30.5401.21.20.28-1.30.510610.28-1.30.5411.21.20.281.3-0.510710.281.3-0.5421.21.20.28-1.3-0.510810.28-1.3-0.5431.21.20.280.51.310910.280.51.3441.21.2

15、0.280.5-1.311010.280.5-1.3451.21.20.28-0.51.311110.28-0.51.3461.21.20.28-0.5-1.311210.28-0.5-1.3471.21.20.280.51.311310.280.51.3481.21.20.280.5-1.311410.280.5-1.3491.21.20.28-0.51.311510.28-0.51.3501.21.20.28-0.5-1.311610.28-0.5-1.3511.21.2-0.281.30.51171-0.281.30.5521.21.2-0.28-1.30.51181-0.28-1.30

16、.5531.21.2-0.281.3-0.51191-0.281.3-0.5541.21.2-0.28-1.3-0.51201-0.28-1.3-0.5551.21.2-0.281.30.51211-0.281.30.5561.21.2-0.28-1.30.51221-0.28-1.30.5571.21.2-0.281.3-0.51231-0.281.3-0.5581.21.2-0.28-1.3-0.51241-0.28-1.3-0.5591.21.2-0.280.51.31251-0.280.51.3601.21.2-0.280.5-1.31261-0.280.5-1.3611.21.2-0

17、.28-0.51.31271-0.28-0.51.3621.21.2-0.28-0.5-1.31281-0.28-0.5-1.3631.21.2-0.280.51.31291-0.280.51.3641.21.2-0.280.5-1.31301-0.280.5-1.3651.21.2-0.28-0.51.31311-0.28-0.51.3661.21.2-0.28-0.5-1.31321-0.28-0.5-1.3设计温度变化范五. 材料钢材：主梁、主拱、吊杆、横梁、耳板、肋板等采用Q345B 销轴采用45号钢混凝土：桥面、基础采用C30混凝土六. 构件包络应力6.1整体应力分布图6 整体应力分

18、布计算结果表明：采用本设计方案的拱桥整体强度应力处于安全状态，最大应力发生在拱脚附近区域。下文将详细介绍各主要构件的应力数值。6.2拱结构应力状态图7 拱结构应力分布图图7所示的是主拱和拱横梁的应力分布情况，最大应力发生在拱脚附近，最大值为142MPa，小于Q345钢的屈服强度；若不考虑加劲肋对箱形截面的作用，即仅考虑40tw（tw为腹板厚度）的有效截面，则拱结构的应力比如图8。图8 拱结构应力分布图(仅考虑有效截面)计算结果文件如下图：图9 拱脚计算结果 (仅考虑有效截面)上图所示的计算结果表明：即使仅考虑40tw的有效截面，拱脚最大应力比为0.9，因此，拱结构强度满足要求。6.3 桥面主梁

19、、次梁应力状态图10 桥面梁结构应力分布图桥面梁的最大应力比在0.35以下，因此满足要求，计算结果如图11。图11 主梁计算结果6.4 吊杆应力状态图12 吊杆应力分布图图12所示的计算结果表明：吊杆的最大拉应力为152MPa，因此满足钢材Q345B强度要求，计算结果见图13。图13 吊杆计算结果七. 模态分析7.1特征周期表1 特征周期表阶数特征周期 /s阶数特征周期 /s10.5960.1820.4770.1630.3380.1640.2790.1550.27100.147.2特征模态 图14 第一阶模态 图15 第二阶模态图16 第三阶模态图17 第四阶模态图18 第五阶模态图14图18

20、所示的计算结果表明：在前五阶特征模态中，第一阶、第二阶和第五阶特征模态是横桥向模态；第三阶和第四阶模态为竖向模态，其中第三阶模态所对应的特征频率为3.03Hz，满足城市人行天桥与人行地道技术规范（CJJ 69-95）中关于人行天桥竖向频率至少3Hz的要求。八. 桥梁变形8.1 竖向变形图19 竖向变形在永久荷载和人群荷载的标准组合作用下，桥梁的最大竖向变形为26.4mm，按支座间距离为66.04m计算，挠度为1/2500，满足城市人行天桥与人行地道技术规范（CJJ 69-95）中关于人行天桥主梁竖向挠度小于1/600的要求，另外，由于挠度小于1/1600，因此可不预起拱，但为了更好的排水，在本

21、设计中，主梁沿纵向设置0.5%的坡度。8.2 水平变形考虑到桥梁两侧面挂有大面积广告牌，横向风荷载对桥梁的作用较大，因此需关注桥梁的横向变形。图20显示了桥梁在横向风荷载作用下的变形。图20 水平变形图20所示的结果表明拱顶点的最大水平位移为51mm（拱跨为70.8m，变形约为1/1400）；桥面最大横向位移为26mm（桥面梁跨度按为73.8m，变形约为1/2800）。九. 桥梁整体稳定分析9.1 屈曲特征值表2 屈曲特征值阶数特征值阶数特征值126.3656.0229.3762.3337.2863.3441.5969.1545.11072.89.2 屈曲模态图21 第一阶屈曲模态图22 第二

22、阶屈曲模态图23 第三阶屈曲模态图24 第四阶屈曲模态图25 第五阶屈曲模态上述结果表明：桥梁的前五阶屈曲模态主要表现为拱结构平面外失稳。其中，第一阶屈曲模态所对应的特征值是26.3，表明整体结构具有较好的稳定性。十节点计算 10.1 吊杆节点吊杆采用圆管127x8，与主拱和桥面横梁的连接方式如图26所示：图26 吊杆节点（1） 销轴计算计算结果显示吊杆最大拉力为455kN，吊杆截面为圆管127x8，其截面积为2991mm。销轴（45号钢）直径为60mm，其截面积A1:A1=0.253.14159602=2827.4mm2根据公路桥涵钢结构及木结构设计规范 （JTJ025-86）给出的45号钢

23、的允许剪应力为125MPa，所对应的极限抗剪承载力FV为：FV=22827.4125=706.9kN455kN因此，销轴的抗剪承载力满足要求。按销轴抗弯较不利情况考虑，计算简图如下两种情况：图27 销轴抗弯计算简图对于第一种情况，最大弯矩：W=0.254550.056=6370kNmm截面转动惯性矩I=1/643.14159604=6.3610-7m4销轴弯曲应力为=63700.0306.3610-7=300.5MPa对于第二种情况，最大弯矩：W=0.511.4202=2280kNmm销轴弯曲应力为=22800.0306.3610-7=107.5MPa因此，满足公路桥涵钢结构及木结构设计规范

24、（JTJ025-86）给出的45号钢的允许弯应力为360MPa（2） 耳板计算A、 耳板有效截面抗拉承载力计算耳板最小有效截面积：A2=232（78.5-30-0.5）=3072mm2Pn=3072295=906.2kN=906.3455=1.991.4满足铁路桥梁钢结构设计规范 （TB10002.2-2005）中大于1.4的要求。B、 耳板承压计算耳板承压应力：=455/（3260）=237MPa公路桥涵钢结构及木结构设计规范 （JTJ025-86）中规定Q345钢的销轴承压应力限值为300MPa，因此满足要求。C、 耳板抗剪计算耳板抗剪截面：A=2ta+d2=232100-30.5+30=

25、6368mm2=0.663682954551000=2.441.33因此耳板抗剪强度满足要求。D、 耳板抗剪计算（1） 孔径与销轴直径相差不大于1mm，满足要求。（2） 孔端耳板a=69.51.33b=63.8，满足要求。10.2 主梁ZL与GHL2连接处支座验算（1） 支座验算根据结构特点和受力大小，在主梁ZL与GHL2之间的连接采用四氟滑板橡胶支座GJZF4 350x550x72(单向) NR，根据公路桥梁板式橡胶支座规格系列（JT/T 663-2006）确定，该支座的最大承压力标准值为1836kN，顺桥向最大位移为90mm，允许转角为0.0056rad（按照寒冷地区考虑）。通过本桥梁的计

26、算，得到支座处最大承压力为680kN，支座处顺桥向最大位移为39mm，最大转角为0.003rad，另外侧向通过抵挡构造实现侧向约束。因此本支座满足结构要求。（2） 挡块验算图28 支座节点支座处水平力为980kN。需验算的内容包括，ZL与支座上钢板间的焊缝、下钢板与GHL2之间的焊缝、挡块的强度验算。A、 上钢板与ZL之间的连接=98021.220.710720=79.7MPa200MPa满足要求B、 下钢板与GHL之间的连接有水平引起弯矩W为W=9800.15=147kNm=980/(20.714900)=55.6MPa=14730.7149002=55.6MPa(1.22)2+2=2077

27、+3091=71.9MPa137.8kN在竖向拉力作用下，抗拉构造的受力如下图： 图27 抗拉构造受力简图最大弯矩:MMax=101（0.15+0.1）=25.3kNm最小抗弯截面转动惯性矩:IMin=112161103+220200652=3.56107mm4最大抗弯应力:=25.3106753.56107=53.3MPa295MPa底部焊缝最大正应力:I=11220.7101083+2(20.710)200922=4.89107mm4A=220020.710+20.710108=7112mm2=25.31061004.89107+1011037112=65.9MPa200MPa上述计算结果

28、表明第一类桥台支座满足要求。（2） 第二类支座，如图28图28 第二类桥台支座整体结构计算得到反力： 纵向水平力：324.2kN 横向水平力：98.8kN 竖向力：280.9kN（拉力）；156.3（压力）（A）连接角焊缝验算不考虑侧向肋板的作用，即仅考虑通过主梁与底板连梁的角焊缝传递作用力：由于侧向水平力的作用点位于主梁截面中心，因此应考虑水平力引起的弯矩：M=98.81.28/2=63.2kNm在竖向力和弯矩的共同作用下的焊缝正应力为：=63.2106500（0.714632）+280.910320.714632=20.4+22.7=43.1MPa在水平力作用下的焊缝剪应力为：=324.2

29、2+98.8220.714632=27.4MPa综合应力为：（f）2+2=（43.11.22）2+27.42=44.7MPa200MPa（B）锚栓抗拉验算锚栓承受竖向力的作用，采用6个M36的锚栓，单个极限抗拉承载力为114.4kN。 锚栓所承受的最大拉力为：F=280.96+63.2100068036802=46.8+31.0=77.8kNVrvfy+N0.8bfy+M1.3rbfyz其中： r=0.85 v=4.0-0.082014.3300=0.524 b=0.6+0.253020=0.975因此：Vrvfy+F0.8bfy+M1.3rbfyz=338.91030.850.524300+

30、280.91030.80.975300+66.21061.30.850.975300560=2536+1200+366=4102mm2实配As=20314.2=6284mm2，因此满足要求。2）当埋件在竖向压力、弯矩和剪力同时作用下：弯矩：M=98.812802+30=66.2kNm压力： N=156.3kN剪力： V=324.22+98.82=338.9kNASV-0.3Nrvfy+M-0.4Nz1.3rbfyzASM-0.4Nz0.4rbfyz其中： r=0.85 v=4.0-0.082014.3300=0.524 b=0.6+0.253020=0.975因此：V-0.3Nrvfy+M-0

31、.4Nz1.3rbfyz=（338.9-0.3156.3）1030.850.524300+66.2106-0.4156.35601031.30.850.975300560=2185+172.3=2357mm2M-0.4Nz0.4rbfyz=66.2106-0.4156.35601030.40.850.975300560=560mm2实配As=20314.2=6284mm2，因此满足要求。十一 基础验算验算内容：1. 基础底面地基承载力验算2. 基础背面地基承载力验算3. 基础侧面地基承载力验算4. 抗剪栓钉验算5. 施工安装阶段柱脚底板验算6. 基础倾覆验算（考虑结构整体，不会发生平面内倾覆，

32、不需验算）11.1 基础底面地基承载力验算11.1.1 已知条件： 基础尺寸(单位mm): b1=7300, b11=3650, a1=4000, a11=1300, h1=9234 柱:方柱, A=600mm, B=2000mm 设计值：N=2084.00kN, Mx=810.00kN.m, My=3345.00kN.m 标准值：Nk=1543.70kN, Mxk=600.00kN.m, Myk=2477.78kN.m 混凝土强度等级：C30, fc=14.30N/mm2 钢筋级别：HRB400, fy=360N/mm2 基础混凝土保护层厚度：40mm 基础与覆土的平均容重：25.00kN/

33、m3 修正后的地基承载力特征值：1000kPa 基础埋深：9.23m 作用力位置标高：-8.234m计算要求： (1)基础抗弯计算 (2)基础抗剪验算 (3)基础抗冲切验算 (4)地基承载力验算单位说明： 力：kN, 力矩：kN.m, 应力：kPa11.1.2. 基底反力计算：11.1.2.1 统计到基底的荷载 标准值:Nk = 1543.70, Mkx = 1680.59, Mky = 2477.78 设计值:N = 2084.00, Mx = 2268.80, My = 3345.0011.1.2.2 承载力验算时,底板总反力标准值(kPa): 相应于荷载效应标准组合 pkmax = (N

34、k + Gk)/A + |Mxk|/Wx + |Myk|/Wy= 439.79 kPa pkmin = (Nk + Gk)/A - |Mxk|/Wx - |Myk|/Wy = 127.64 kPa pk = (Nk + Gk)/A = 283.72 kPa 各角点反力 p1=300.30 kPa, p2=439.79 kPa, p3=267.13 kPa, p4=127.64 kPa11.1.2.3 强度计算时,底板净反力设计值(kPa): 相应于荷载效应基本组合 pmax = N/A + |Mx|/Wx + |My|/Wy = 282.07 kPa pmin = N/A - |Mx|/Wx - |My|/Wy = -139.33 kPa p = N/A = 71.37 kPa 各角点反力