桥墩屈曲及应力分析报告_应力分析报告

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两跨钢桁梁桥墩屈曲及应力分析计算书

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2017年11月

目录工程概况............................................................................................................1 2 荷载与工况........................................................................................................1 2.1 计算荷载.................................................................................................1 2.2 荷载组合.................................................................................................3 3 计算模型............................................................................................................3 4 结果分析............................................................................................................3 4.1 工况一.....................................................................................................3 4.1.1 钢桁梁支反力..............................................................................3 4.1.2 桥墩屈曲分析..............................................................................4 4.1.3 桥墩应力分析..............................................................................5 4.2 工况二.....................................................................................................5 4.2.1 钢桁梁支反力..............................................................................5 4.2.2 桥墩屈曲分析..............................................................................6 4.2.3 桥墩应力分析..............................................................................7 4.3 工况三.....................................................................................................7 4.3.1 钢桁梁支反力..............................................................................7 4.3.2 桥墩屈曲分析..............................................................................8 4.3.3 桥墩应力分析..............................................................................9 4.4 工况四.....................................................................................................9 4.4.1 钢桁梁支反力..............................................................................9 4.4.2 桥墩屈曲分析............................................................................10 4.4.3 桥墩应力分析............................................................................11 4.5 工况五...................................................................................................11 4.5.1 钢桁梁支反力............................................................................11 4.5.2 桥墩屈曲分析............................................................................12 4.5.3 桥墩应力分析............................................................................13

4.6 工况六...................................................................................................13 4.6.1 钢桁梁支反力............................................................................13 4.6.2 桥墩屈曲分析............................................................................14 4.6.3 桥墩应力分析............................................................................15 4.7 工况七...................................................................................................16 4.7.1 桥墩屈曲分析............................................................................16 4.7.3 桥墩应力分析............................................................................17 5 结论和说明......................................................................................................18

两跨钢桁梁桥墩屈曲及应力分析计算书工程概况

该工程为两跨简支梁结构，墩高95.3 m，钢桁梁跨度98.84 m，为双向二车道，公路等级为一级。桥墩截面如图1所示。

图1 桥墩截面图（单位：cm）荷载与工况 2.1 计算荷载

依据规范计算荷载包括：自重、二期恒载、车道荷载、制动力以及风荷载等荷载。分别计算上述荷载。

（1）自重可通过有限元软件进行定义。（2）二期恒载大小为12.3kN/m。

（3）车道荷载通过迈达斯分析软件进行定义，其中汽车冲击力需要通过在移动荷载分析控制数据对话框里手动输入结构基频。结构基频计算结果如图2所示，基频为1.37 Hz。

图2 整体结构基频

（4）制动力。根据《公路桥涵设计通用规范》，一个设计车道上由汽车荷载产生的制动力标准值按照车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%计算，其中公路-I级汽车荷载的制动力标准值不得小于165kN。计算制动力如下：

T10%（pkqk·L)0.1（36010.598.84）140kN

取制动力T165kN。

（5）风荷载。根据《桥梁抗风设计规范》相关规定，桥墩桥塔等按下式进行计算：

FH1VgCHAn； 2VgGvVc；

VZ2(Z2a)Vz1； Z1作用于桥墩或桥塔上的风荷载可按地面或水面以上0.65倍墩高或塔高处的风速值确定。相关参数可通过查阅规范得到，计算风荷载：

FH121.251.5643.51.24331502.4kN 2转化为沿高度方向的线荷载：

qFH1502.415.8kN/m。h95.32

2.2 荷载组合考虑运营期六种工况以及施工期一种工况进行屈曲分析，七种工况分别为： 工况一：自重+二期恒载+双幅一跨车道荷载+风荷载； 工况二：自重+二期恒载+双幅两跨车道荷载+风荷载； 工况三：自重+二期恒载+单幅一跨车道荷载+制动力+风荷载； 工况四：自重+二期恒载+单幅两跨车道荷载+制动力+风荷载； 工况五：自重+二期恒载+双幅一跨车道荷载+制动力+风荷载； 工况六：自重+二期恒载+双幅两跨车道荷载+制动力+风荷载； 工况七：自重+风荷载； 3 计算模型

钢桁梁的计算模型如图3所示，桥墩计算模型如图4所示。

图3 钢桁梁模型

图4 桥墩模型结果分析 4.1 工况一 4.1.1 钢桁梁支反力

在工况一荷载组合作用下，支座反力如图5所示。

图5 工况一作用下支座反力图（单位：kN）

4.1.2 桥墩屈曲分析

在工况一荷载组合作用下，进行桥墩的屈曲分析，桥墩的前四阶屈曲模态如下图6所示。

（a）第一阶屈曲模态

（b）第二阶屈曲模态

（c）第三阶屈曲模态 图6 工况一作用下前三阶屈曲模态

第一阶屈曲模态特征值系数为29.49，屈曲形式为纵向弯曲；第二阶屈曲模态特征值系数为107.3，屈曲形式为纵向弯曲；第三阶屈曲模态特征值系数为204.6，屈曲形式为S形弯曲。4.1.3 桥墩应力分析

在工况一作用下，桥墩最大应力出现在墩底，大小为5.49MPa

图7 工况一作用下桥墩应力图

4.2 工况二 4.2.1 钢桁梁支反力

在工况二荷载组合作用下，支座反力如图8所示。

图8 工况二作用下支座反力图（单位：kN）

4.2.2 桥墩屈曲分析

在工况二荷载组合作用下，进行桥墩的屈曲分析，桥墩的前三阶模态变形如下图9所示。

（a）第一阶屈曲模态

（b）第二阶屈曲模态

（c）第三阶屈曲模态

图9 工况二作用下第一屈曲模态

第一屈曲模态特征值系数为24.92，屈曲形式为纵向弯曲；第二屈曲模态特征值系数为90.6，屈曲形式为纵向弯曲；第三屈曲模态特征值系数为172.9，屈曲形式为S形弯曲。4.2.3 桥墩应力分析

在工况二作用下，桥墩最大应力出现在墩底，大小为6.59MPa，应力图如图10所示。

图10 工况二作用下桥墩应力图

4.3 工况三 4.3.1 钢桁梁支反力

在工况三荷载组合作用下，支座反力如图11所示。

图11 工况三作用下支座反力图（单位：kN）

4.3.2 桥墩屈曲分析

在工况三荷载组合作用下，进行桥墩的屈曲分析，桥墩的前三阶模态变形如下图12所示。

（a）第一阶屈曲模态

（b）第二阶屈曲模态

（c）第三阶屈曲模态

图12 工况三作用下第一屈曲模态

第一屈曲模态特征值系数为53.6，屈曲形式为纵向弯曲；第二屈曲模态特征值系数为194.7，屈曲形式为纵向弯曲；第三屈曲模态特征值系数为372，屈曲形式为S形弯曲。4.3.3 桥墩应力分析

在工况三作用下，桥墩最大应力出现在墩底，大小为5.84MPa，应力图如图13所示。

图13 工况三作用下桥墩应力图

4.4 工况四 4.4.1 钢桁梁支反力

在工况四荷载组合作用下，支座反力如图14所示。

图14 工况四作用下支座反力图（单位：kN）

4.4.2 桥墩屈曲分析

在工况四荷载组合作用下，进行桥墩的屈曲分析，桥墩的前三阶模态变形如下图15所示。

（a）第一阶屈曲模态

（b）第二阶屈曲模态

（c）第三阶屈曲模态 图15 工况四作用下第一屈曲模态

第一屈曲模态特征值系数为44.7，屈曲形式为纵向弯曲；第二屈曲模态特征值系数为162.3，屈曲形式为纵向弯曲；第三屈曲模态特征值系数为310，屈曲形式为S形弯曲。4.4.3 桥墩应力分析

在工况四作用下，桥墩最大应力出现在墩底，大小为6.09MPa，应力图如图16所示。

图16 工况四作用下桥墩应力图

4.5 工况五 4.5.1 钢桁梁支反力

在工况五荷载组合作用下，支座反力如图17所示。

图17 工况五作用下支座反力图（单位：kN）

4.5.2 桥墩屈曲分析

在工况五荷载组合作用下，进行桥墩的屈曲分析，桥墩的前三阶模态变形如下图18所示。

（a）第一阶屈曲模态

（b）第二阶屈曲模态

（c）第三阶屈曲模态 图18 工况五作用下第一屈曲模态

第一屈曲模态特征值系数为61.8，屈曲形式为纵向弯曲；第一屈曲模态特征值系数为224，屈曲形式为纵向弯曲；第三屈曲模态特征值系数为429，屈曲形式为S形弯曲。4.5.3 桥墩应力分析

在工况五作用下，桥墩最大应力出现在墩底，大小为5.75MPa，应力图如图19所示。

图19 工况五作用下桥墩应力图

4.6 工况六 4.6.1 钢桁梁支反力

在工况六荷载组合作用下，支座反力如图20所示。

图20 工况六作用下支座反力图（单位：kN）

4.6.2 桥墩屈曲分析

在工况六荷载组合作用下，进行桥墩的屈曲分析，桥墩的前三阶模态变形如下图21所示。

（a）第一阶屈曲模态

（b）第二阶屈曲模态

（c）第三阶屈曲模态 图21 工况六作用下第一屈曲模态

第一屈曲模态特征值系数为44.7，屈曲形式为纵向弯曲；第二屈曲模态特征值系数为162.2，屈曲形式为纵向弯曲；第三屈曲模态特征值系数为310，屈曲形式为S形弯曲。4.6.3 桥墩应力分析

在工况六作用下，桥墩最大应力出现在墩底，大小为6.47MPa，应力图如图22所示。

图22 工况六作用下桥墩应力图

4.7 工况七 4.7.1 桥墩屈曲分析

工况七为墩身自重与风荷载进行组合。在组合荷载作用下，进行桥墩的屈曲分析，桥墩的前三阶模态变形如下图23所示。

（a）第一阶屈曲模态

（b）第一阶屈曲模态

（c）第一阶屈曲模态 图24 工况七作用下第一屈曲模态

第一屈曲模态特征值系数为3067，屈曲形式为纵向弯曲；第二屈曲模态特征值系数为3067，屈曲形式为纵向弯曲；第三屈曲模态特征值系数为6269，屈曲形式为S形弯曲。4.7.3 桥墩应力分析

在工况七作用下，桥墩最大应力出现在墩底，大小为5.39MPa，应力图如图25所示。

图25 工况七作用下桥墩应力图结论和说明

根据上述计算，结论和说明如下：

（1）工况二：自重+二期恒载+双幅两跨车道荷载+风荷载的情况下屈曲特征值为24.92，为最不利的工作状态；

（2）上述是七种工况下两跨钢桁梁的三个桥墩中中间桥墩的屈曲分析的结果，两边的桥墩由于上部结构和荷载的不确定没有进行分析。

（3）上述七种工况作用下墩身应力均满足受力要求。