应急钢便桥结构轻量化设计(附件)
应急钢便桥是应对道桥受损，交通受阻时，人工搭设的钢结构桥梁。普通钢便桥具有自重大，人工搭设费时费力的问题。为了减轻应急钢便桥质量，解决人工搭设困难和耗时太长的问题，设计一款钢便桥，借助ProE建立其三维模型。以应急钢便桥的桥面为研究对象，建立钢便桥的有限元模型，通过Ansys软件对其模型进行了静态分析和模态分析，计算钢便桥在弯曲工况下的应力分布情况。最后依据有限元分析得出的结果对桥面进行轻量化设计。设计结果显示经过对桥面尺寸的优化，钢便桥桥面质量降幅达18.22%，强度和刚度依然控制在许用范围内，基本实现钢便桥轻量化目标。关键词 钢便桥，建模，轻量化，设计
目 录
1 绪论1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 课题国内外研究现状 2
1.3 课题研究内容 3
1.4 课题研究方法3
2 钢便桥的设计3
2.1 应急钢便桥的功用3
2.2 钢便桥的设计参数的确定3
2.3 主桁各杆件受力验算5
3 钢便桥的有限元模型的建立8
3.1 钢便桥的几何模型的建立8
3.2 钢便桥有限元模型的建立9
4 钢便桥结构性能分析11
4.1 有限元法及Ansys软件11
4.2 钢便桥结构的静力性能分析14
4.3 钢便桥的模态分析及结果16
5 钢便桥轻量化设计研究17
5.1 优化设计概述18
5.2 钢便桥优化设计数学模型的建立18
5.3 优化结果及分析19
结 论22
致 谢23
参考文献24
1 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.1.1 课题研究背景
2008年坟川地震，一场地震使得坟川房屋倒塌、桥梁被摧毁，交通受到极大的破坏，抢险救灾需要把救灾物质运送进去，然而交通的堵塞对救灾是极为不利的，所以疏通道路就变成了首要任务。在地震中可以使用的抢救交通的方式就是人工搭建组装钢结构桥(图1)，因为我国交通战备桥梁体系经过几十年来的发展建设，虽然已经初步完 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
善，但主要以发展人工作业钢桥为主，这种钢结构桥虽然最终达到了抢通的效果，但是效率较低，耗时太久。然而当我们在应对灾害引起的突发事件时，需要对应急桥梁提出必要的附加条件，包括应急桥梁自身具有重量轻，结构紧凑，运输方便，架设过程省时省力，使桥梁架设过程更加快捷，以便尽快恢复道路运输能力，保障道路交
图1 人工搭建钢桥图
通的顺畅。在抢险救灾过程中为了提高救援质量，需要提高架桥速度，因此面对这样的现状，我们认为有必要研究一种在应急情况下用人力，尽量少的设备能够快速搭设的轻量化应急钢便桥以保证灾害发生后在救人的黄金时间内，救援人员和救援设备及时进入灾区。
1.1.2 课题研究意义
目前应急钢桥基本上形成了一系列的修复设备和成套技术，以满足大中型桥梁跨度和高墩的需要，为一般江河的浮桥、临时桥以及工程基础设施提供了快速、方便、安全的架设设备。今后应急钢便桥不光在铁路、公路方面发展，同时对于城市人行桥的建设应用也会增加，随着钢材材质的更新、规范的完善都促进应急钢便桥的发展。应急钢便桥更为轻量化同时满足平战结合的思想。
随着军事技术的发展，高新技术也得到了提高，对于应急钢便桥的要求也不断增大，因此，根据当今形势，在交通战备以“平战结合”为思想原则，深入开展应急钢便科学研究，为战时交通保障、平时抢险救灾和国民经济基础建设提供更大的贡献。
1.2 课题国内外研究现状
最早期的装配式钢桥(也就是国外所谓的贝雷桥)是由英国工程师唐纳德贝雷(Sir Donald Bailey)在1938年第二次世界大战初期发明设计出来的[1]。在世界第二次大战以及之后的朝鲜越南战争中，钢便桥曾经被美军用作主要的桥梁用于渡河，钢便桥在西欧曾经也得到过广泛的使用。战争过后，钢便桥由军用市场转而投入民用，在军用的基础上结合本土实际使用情况设计出来了相似的装配式钢便桥[2]。在西方国家，因为装配式钢桥具有架设方便，安装快捷的特点，其常常被租售，在高速公路和桥梁架设方面发挥着重要作用，历经时间的考验，其高负荷承重的特点得以证明。钢便桥的构件简单，装卸运输都比较便捷，能够很容易的运送到工地，并且不需要架设工艺特别娴熟的工人，使用悬臂推出法就能够架设处长达80m的钢桥。从1998年以来，美国的工程兵在非洲国家已经铺设了大量的标准单车道轻便200型钢桥。之后，日本、澳大利亚、捷克斯洛伐克、意大利、波兰等国家陆续开始了仿制贝雷桥和轻便200型钢桥的研究。
20世纪60年代初期，我国开始了钢便桥的研究，研究阅读了国外贝雷桥的相关资料文件，自行研究设计生产出了一种质量轻，拆装快捷的钢结构桥梁——“321”装配式钢桥。其采用的材料是国产16Mn钢。“321”装配式钢桥又被称之为军用可分解钢桥，它的主梁是由每节长度为3m的米字型桁架使用销连接而成的。行车道3.7m宽，最大跨度63m。“321”装配式钢桥针对设计以及验算分别采用了不一样的载荷：设计载荷采用汽车20级，而验算载荷则是采用的履带50和挂车80。
交通部于20世纪80年代初期，使用正交异性钢桥面板替换了起初的木质桥面板，同时也将桁架腹杆更新为推出式装配公路钢桥的改性型[3]。设计验算阶段还是采用原先的载荷标准。钢桥构件基本上都是采用的09MnVC，屈服刚度达到了430MPa，不过桁架腹杆并没有采用，依然是原先的16Mn钢；为了能够提升钢桥的抗剪切性能，桁架腹杆采用了与以前不同的单层加强型结构的钢管，相比较以前的双层提升了其本身的适用性，与此同时四排结构的新方式则同时满足了刚度强度的需求。
20世纪90年代中期，总装工程兵科研一所在交通部交通战备办公室的组织下设计研制了“ZB200型装配式公路钢桥”，其采用了LD50,LT20两种设计载荷[4]。跨度也较原先提升了9m，达到69m长。并且该桥在承载力、面板以及疲劳性能三个方面进行了改进，承载性能提升了五十个百分点，采用了纵横梁体系桥面板，疲劳性能提升更是较原先的17万次提高了76%。
1.3 课题研究内容
（1）研究轻量化应急钢便桥的设计方案，对钢便桥主要受力杆件进行受力分析。
（2）研究钢便桥的主要结构设计，主要包括结构基本参数的确定，载荷及载荷组合的计算。
目 录
1 绪论1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 课题国内外研究现状 2
1.3 课题研究内容 3
1.4 课题研究方法3
2 钢便桥的设计3
2.1 应急钢便桥的功用3
2.2 钢便桥的设计参数的确定3
2.3 主桁各杆件受力验算5
3 钢便桥的有限元模型的建立8
3.1 钢便桥的几何模型的建立8
3.2 钢便桥有限元模型的建立9
4 钢便桥结构性能分析11
4.1 有限元法及Ansys软件11
4.2 钢便桥结构的静力性能分析14
4.3 钢便桥的模态分析及结果16
5 钢便桥轻量化设计研究17
5.1 优化设计概述18
5.2 钢便桥优化设计数学模型的建立18
5.3 优化结果及分析19
结 论22
致 谢23
参考文献24
1 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.1.1 课题研究背景
2008年坟川地震，一场地震使得坟川房屋倒塌、桥梁被摧毁，交通受到极大的破坏，抢险救灾需要把救灾物质运送进去，然而交通的堵塞对救灾是极为不利的，所以疏通道路就变成了首要任务。在地震中可以使用的抢救交通的方式就是人工搭建组装钢结构桥(图1)，因为我国交通战备桥梁体系经过几十年来的发展建设，虽然已经初步完 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
善，但主要以发展人工作业钢桥为主，这种钢结构桥虽然最终达到了抢通的效果，但是效率较低，耗时太久。然而当我们在应对灾害引起的突发事件时，需要对应急桥梁提出必要的附加条件，包括应急桥梁自身具有重量轻，结构紧凑，运输方便，架设过程省时省力，使桥梁架设过程更加快捷，以便尽快恢复道路运输能力，保障道路交
图1 人工搭建钢桥图
通的顺畅。在抢险救灾过程中为了提高救援质量，需要提高架桥速度，因此面对这样的现状，我们认为有必要研究一种在应急情况下用人力，尽量少的设备能够快速搭设的轻量化应急钢便桥以保证灾害发生后在救人的黄金时间内，救援人员和救援设备及时进入灾区。
1.1.2 课题研究意义
目前应急钢桥基本上形成了一系列的修复设备和成套技术，以满足大中型桥梁跨度和高墩的需要，为一般江河的浮桥、临时桥以及工程基础设施提供了快速、方便、安全的架设设备。今后应急钢便桥不光在铁路、公路方面发展，同时对于城市人行桥的建设应用也会增加，随着钢材材质的更新、规范的完善都促进应急钢便桥的发展。应急钢便桥更为轻量化同时满足平战结合的思想。
随着军事技术的发展，高新技术也得到了提高，对于应急钢便桥的要求也不断增大，因此，根据当今形势，在交通战备以“平战结合”为思想原则，深入开展应急钢便科学研究，为战时交通保障、平时抢险救灾和国民经济基础建设提供更大的贡献。
1.2 课题国内外研究现状
最早期的装配式钢桥(也就是国外所谓的贝雷桥)是由英国工程师唐纳德贝雷(Sir Donald Bailey)在1938年第二次世界大战初期发明设计出来的[1]。在世界第二次大战以及之后的朝鲜越南战争中，钢便桥曾经被美军用作主要的桥梁用于渡河，钢便桥在西欧曾经也得到过广泛的使用。战争过后，钢便桥由军用市场转而投入民用，在军用的基础上结合本土实际使用情况设计出来了相似的装配式钢便桥[2]。在西方国家，因为装配式钢桥具有架设方便，安装快捷的特点，其常常被租售，在高速公路和桥梁架设方面发挥着重要作用，历经时间的考验，其高负荷承重的特点得以证明。钢便桥的构件简单，装卸运输都比较便捷，能够很容易的运送到工地，并且不需要架设工艺特别娴熟的工人，使用悬臂推出法就能够架设处长达80m的钢桥。从1998年以来，美国的工程兵在非洲国家已经铺设了大量的标准单车道轻便200型钢桥。之后，日本、澳大利亚、捷克斯洛伐克、意大利、波兰等国家陆续开始了仿制贝雷桥和轻便200型钢桥的研究。
20世纪60年代初期，我国开始了钢便桥的研究，研究阅读了国外贝雷桥的相关资料文件，自行研究设计生产出了一种质量轻，拆装快捷的钢结构桥梁——“321”装配式钢桥。其采用的材料是国产16Mn钢。“321”装配式钢桥又被称之为军用可分解钢桥，它的主梁是由每节长度为3m的米字型桁架使用销连接而成的。行车道3.7m宽，最大跨度63m。“321”装配式钢桥针对设计以及验算分别采用了不一样的载荷：设计载荷采用汽车20级，而验算载荷则是采用的履带50和挂车80。
交通部于20世纪80年代初期，使用正交异性钢桥面板替换了起初的木质桥面板，同时也将桁架腹杆更新为推出式装配公路钢桥的改性型[3]。设计验算阶段还是采用原先的载荷标准。钢桥构件基本上都是采用的09MnVC，屈服刚度达到了430MPa，不过桁架腹杆并没有采用，依然是原先的16Mn钢；为了能够提升钢桥的抗剪切性能，桁架腹杆采用了与以前不同的单层加强型结构的钢管，相比较以前的双层提升了其本身的适用性，与此同时四排结构的新方式则同时满足了刚度强度的需求。
20世纪90年代中期，总装工程兵科研一所在交通部交通战备办公室的组织下设计研制了“ZB200型装配式公路钢桥”，其采用了LD50,LT20两种设计载荷[4]。跨度也较原先提升了9m，达到69m长。并且该桥在承载力、面板以及疲劳性能三个方面进行了改进，承载性能提升了五十个百分点，采用了纵横梁体系桥面板，疲劳性能提升更是较原先的17万次提高了76%。
1.3 课题研究内容
（1）研究轻量化应急钢便桥的设计方案，对钢便桥主要受力杆件进行受力分析。
（2）研究钢便桥的主要结构设计，主要包括结构基本参数的确定，载荷及载荷组合的计算。
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