人行天桥结构设计与有限元仿真分析毕
业论文
目录
第1章绪论 (1)
1.1研究的背景及意义 (1)
1.2国研究现状 (1)
1.3发展趋势 (1)
1.4桥梁的几种主要分类 (2)
1.5钢结构桥梁的优势 (3)
1.6钢材的选择 (3)
1.7本章小结 (4)
2.1地形概况 (5)
2.2主要技术指标 (5)
2.3净高设计 (5)
2.3.1桥下净高 (5)
2.3.2桥面净高 (5)
2.4桥面净宽 (5)
2.5跨度设计 (6)
2.6钢材选择 (6)
2.7挠度允许值 (6)
2.8荷载 (6)
2.8.1天桥设计荷载分类 (6)
2.8.2人群荷载 (7)
2.9本章小结 (7)
3.1桁架桥的总体设计 (8)
3.2主桁的结构形式、基本尺寸及总体布置方案 (9)
3.2.1主桁结构形式 (9)
3.2.2主桁的基本尺寸 (10)
3.2.3桁架方案布置图 (11)
3.3主桁力计算 (11)
3.3.1荷载 (11)
3.3.2杆件截面选择 (11)
3.4.1整体有限元模型 (13)
3.4.2桁架部分模型 (13)
3.4.3桥面布置图 (13)
3.4.4主桁布置图 (14)
3.4.5约束图 (14)
3.4.6荷载图 (14)
3.5分析结果 (15)
3.5.1挠度 (15)
3.5.2梁单元应力 (15)
3.5.3板单元应力 (16)
3.6本章小结 (16)
4.1钢箱梁的分类 (17)
4.2钢箱梁桥的构造 (17)
4.3钢箱梁的主要设计参数 (17)
4.3.1顶板和底板的厚度 (17)
4.3.2箱室数目 (18)
4.3.3梁高 (19)
4.3.4横隔板 (20)
4.3.5加劲肋设计 (21)
4.4方案设计 (21)
4.5有限元建模 (21)
4.5.1梁单元布置图 (21)
4.5.2边界布置 (22)
4.5.3荷载布置 (22)
4.6有限元分析结果 (23)
4.6.1挠度值 (23)
4.6.2梁单元应力 (23)
4.6.3板单元应力 (24)
4.6.3纵隔板应力 (24)
4.6.4横隔板应力 (25)
4.7本章小结 (25)
5.1钢板梁桥的结构形式 (26)
5.2刚板梁桥的分类 (26)
5.2.1根据支承条件和受力特点分类 (26)
5.3主梁桥面尺寸选择原则及相关公式 (27)
5.4截面设计 (28)
5.5.1梁单元建模 (29)
5.5.2板单元建模 (29)
5.5.3边界条件 (29)
5.5.4荷载条件 (30)
5.6有限元分析结果 (30)
5.6.1挠度值 (30)
5.6.2板单元应力 (31)
5.6.3梁单元应力 (31)
5.7本章小结 (31)
6.1方案比选的主要标准 (32)
6.2相关参数统计 (32)
6.3方案比选 (32)
6.4方案选择 (33)
6.5本章小结 (33)
7.1桥墩形式 (34)
7.2有限元模型 (34)
7.3有限元结果 (35)
7.4本章小结 (35)
8.1梯道布置方案 (36)
8.2有限元模型 (36)
8.3有限元结果 (37)
8.4本章小结 (38)
第9章结论 (39)
9.1关于如何减小桥梁跨中挠度 (39)
9.2关于设计过程 (39)
参考文献 (40)
附录 (41)
桁架截面的选择过程 (41)
1.力计算简图 (41)
2.力计算表 (41)
3.杆件截面选择 (42)
致谢 (45)
第1章绪论
本文拟对理工大学理工一桥原址处进行城市钢结构人行天桥方案设计与计算，改善雄楚大道省出版车处人车合理分流，提高交通安全性。同时，对理工一桥钢结构人行天桥进行有限元仿真分析，根据计算结果修改设计方案，达到优化设计的目的。
1.1研究的背景及意义
人行天桥（又名过街天桥, 步道桥）是城市道路工程中的重要组成部分, 是在交通密集的地区, 为解决路人过街, 满足人车分流, 方便建筑物之间联系而建设的过街桥梁[1]。
自改革开放以来，人们的出行方式日趋丰富，城市交通迅速发展。随着人口及交通工具的不断增多，交通拥堵及安全问题日益严重，这已成为我国当前的一大热点问题。人行天桥作为城市交通的重要一环，对解决此类问题起着至关重要的作用，但其相对于非步行空间，如车行道、高速公路、地铁站、立交桥等交通空间来说，还处于缓慢发展的不完善阶段。因此，我们积极开展人行天桥的研究，对于改善城市交通状况具有什么重要的意义。
1.2国研究现状
我国的人行天桥建设始于20世纪70年代, 多为钢筋混凝土梁柱结构, 以满足行人过街通行的需求。在80年代后期, 国曾经展开过关于天桥与地道建设优缺点比较的大讨论。由于当时的人行天桥大多讲求实用性, 忽略美观性, 普遍存在影响市容等原因, 天桥建设一度销声匿迹, 取而代之的是大量人行地道的实施。实践经验表明, 人行地道本身受地下管线、地下水位的影响,有些地方并不适合；并且人行地道建造成本是人行天桥的 1.5至2倍以上, 且日常运营维护费用比天桥要高出很多[2]。
随着我国交通建设的发展, 人民大众审美意识的提高, 天桥的建设再次成为人们关注的焦点。人们已经不再从纯粹的工程学角度来研究天桥, 而是结合时代的背景特点、生态环境和可持续发展的观点, 运用现代城市设计的理念, 来研究新城市化进程中的天桥建设。
1.3发展趋势
综观近几年的人行天桥的发展建设, 呈现出以下几个趋向。
（1）成为塑造城市景观的重要元素
城市景观是社会公众对城市的整体印象、感受与评价, 是对城市综合环境的集中反映。随着时代的进步, 传统的城市空间注人了现代涵, 城市空间的开发向立体化三维发展, 人行天桥成为新型城市空间的重要组成部分。通过运用景观设计手法, 合理布置景观要素,
可以提高人行天桥的整体景观效益, 创造出现代、新颖、美观、独特的视觉效果。经过精心设计的人行天桥已经越来越多地成为城市的地标性景观建筑。同时, 富于形式变化的天桥造型, 成为美化城市轮廓线的有效手段。
（2）体现高技术与新结构的形式美
人行天桥设计在满足人行交通功能的基础上, 追求形式、结构与材料上的大胆创新, 大量运用钢材以及新型复合材料如玻璃钢, 综合运用斜拉索、钢箱梁、中承式拱等结构形式, 通过“结构暴露”反映现代的结构技术与材料技术的进步趋势。新型人行天桥, 具有结构轻巧、造型独特、跨度较大、承载力高的优点, 同时安装便利、施工周期短。（3）注重结构元素的细部设计
天桥的结构元素, 是天桥向人们传趁信息的主要媒介, 是塑造天桥特色的重要手段, 具体包括桥面铺装、栏板、栏杆、扶手、台阶、桥墩等部位。通过材料选择、色彩搭配、纹理设计、尺度划分、虚实变化等细部设计, 可以加强天桥的结构特点和个性特征, 体现天桥所在地区的历史文脉涵和人们的审美情趣及文化品位。
（4）崇尚以人为本的关怀理念
人行天桥在外在形态上具有特定的城市形体特征, 但在其部空间上却具有人性化的尺度, 应体现对行人的关照, 尤其突出对老、少、病、残等特殊群体的照顾。
（5）强化天桥的绿化与亮化
随着城市生态环境建设的加强, 人行天桥为改善绿化环境提供了新的空间领域,在新建天桥上设计一定的绿化空间, 并对已建天桥进行竖向绿化改造, 使之成为“空中绿廊”。
作为城市夜景照明的重要手段之一,亮化的天桥景观是城市夜空中的绚丽长虹。天桥照明以轮廓照明为主, 突出“线”性空间的形式, 通过对桥梁造型的勾画, 为城市夜色增光添彩。具体手段从一些简单的射灯、外打灯, 到利用数码光管等高科技光管材料等, 来突出天桥的结构感、轮廓感, 以营造明亮、欢快、热烈的夜景效果。
（6）实现多种功能的合理结合
天桥空间除了发挥其交通功能外, 还为人们创造出多层次、多功能、多涵义的社会公共空间。将传统上的一宽的人行天桥, 扩展为巧一宽的“过街天桥平台” , 赋予天桥室外休闲、娱乐、观光、交往、交流、购物、餐饮等多种功能[3]。
1.4桥梁的几种主要分类
（1）按受力体系分类
按受力体系分类，桥梁有梁、拱、索三大基本体系，其中梁桥以受弯为主，拱桥以受压为主，悬索桥以受拉为主。另外，由上述三大基本体系的相互组合，派生出在受力上也
具有组合特征的多种桥型，如钢架桥和斜拉桥等。
（2）按主要承重结构所用的材料分类
按主要承重结构所用的材料划分，有圬工桥（包括砖、石、混凝土桥）、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥、钢——混凝土组合桥和木桥等。木材易腐，且资源有限，一般不用于永久性桥梁。
（3）按上部结构的行车道位置分类
按上部结构的行车道位置分类，分为上承式桥、中承式桥和下承式桥[4]。
1.5钢结构桥梁的优势
（1）良好的力学性能和加工性能
与混凝土相比，钢材具有很高的强度，特别适用于建造跨度大、荷载重的结构。钢材的塑性好，承受静力荷载时吸收变形的能力强，不会由于偶然超载而忽然断裂，只增大变形，故易于被发现；钢材的韧性好，具有良好的动力工作性能，适宜在动力荷载下工作。（2）工业化程度高、施工周期短
钢结构所用的材料皆已轧制成各种型材，加工简易而迅速；钢结构构件一般在专业加工厂制作，因此精准度较高，质量也易于控制。钢构件较轻，连接简单，运输安装方便，且施工采用机械化，可以大大缩短现场的施工周期。同时，采用螺栓连接的钢结构，在结构加固、改建和可拆卸结构中，也具有其他结构不可替代的优势。
（3）设计计算量小，计算结果比较符合实际
由于冶炼和轧制过程的科学控制，钢材的材质接近于均质和各向同性体，力学性能也接近理想的弹性—塑性体，因此，钢结构实际受力情况与工程力学计算结果比较符合。在设计中采用的经验公式不多，计算上的不确定性较小，计算结果比较可靠。
（4）钢结构天桥有造价优势
大跨度结构主要是在自重荷载下工作，采用钢结构承重骨架，可比钢筋混凝土结构减轻自重约1/3 以上。结构自重轻，减少了运输和吊装费用；基础负载相应减少，可以降低基础造价。通过计算可知，在同等跨度下钢天桥的平米用钢量已经低于钢筋混凝土中的钢筋含量。
（5）拆迁回收价值高
目前社会高度发展，建筑工程也日新月异，有的工程建成不过几年时间，就由于种种原因需要拆除或改造。钢结构工程不仅拆迁难度小，环境污染少，而且回收价值高，废钢铁的价格可达到新钢材的65%以上[5]。
1.6钢材的选择
钢箱梁钢材设计选用标准集中于3个方面：
（1）强度的要求
钢结构设计采用容许应力法，强度设计以控制截面应力不超过材料容许应力为原则。考虑到在钢结构桥加工制作及拼装过程中，会产生很多由于误差造成的附加应力及焊接参与应力，这些应力是无法计算的，在施工安装中也会产生误差附加应力，这些应力虽能计算，却是不确定的。故在设计中，一般会采用较高的应力储备，以提高安全度。现阶段我
国的公路钢箱梁桥采用强度级别主要是屈服点
Mpa
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345
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级，如 Q345。少数铁路桥采
用了
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420
>
σ
级的
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。采用国外钢材的强度级别均相当于Q345,如SM490C、
Fe510D、STE355。
（2）使用气候条件的要求
钢材性能受温度影响较大，钢材牌号的选择应考虑到桥梁所在地气候条件对结构的影响。设计常用的低合金高强度结构钢，按冲击韧性进行质量分级，分为A、B、C、D、E 等级别，各级别对应不同的冲击试验温度。国公路桥梁钢箱粱采用的级别大部分集中在C、D 和E，对应的试验温度分别是是0℃、20℃ 和-40℃。对于南方地区，常年温度较高的情况下，选用Q345C已经满足使用要求在北方寒冷地区，考虑到钢材在低温下的使用条件，宜使用Q345D，甚至是Q345E。
（3）加工制造的要求
高强钢的焊接工艺复杂、参数控制严格。不同牌号的钢材其焊接性能有较大差别，即使同一牌号，不同等级的钢材，其可焊性也不尽相同。钢结构桥制造过程是大量的钢材焊接过程的集合体，焊缝检查要求极为严格。过于追求强度、硬度等指标而忽视可焊性，会造成不必要的浪费[6]。
1.7本章小结
本章主要阐述了目前国城市中人车冲突问题的严峻形势，引出了人行天桥对改善城市交通状况的重要意义，还介绍了国对人行天桥的研究现状状况。展望了未来人行天桥在实用性及景观性等方面的发展趋势。简述了桥梁的几种主要分类方式。阐明了钢结构桥梁相对于其他桥梁的优势。以上要点都对本次的理工一桥方案设计具有十分重要的参考价值。
通过本章的讨论，我们还发现国现有的《城市人行天桥与人行地道技术规》（CJJ69-95）严重滞后，不能满足现代化的需求，故本次毕业设计以理工大学理工一桥的方案设计与有限元建模分析为题目，旨在引导我们通过有限元的方案学会桥梁方案设计的一般过程，从而学以致用。