桥梁工程毕业设计——钢筋砼拱桥.doc

保靖县魏竹公路酉水二桥施工图设计1 方案拟定与比选1.1 工程背景介绍及使用要求 1.1.1 工程背景介绍魏家寨至竹子公路工程（以下简称魏竹公路）是提高国道209线在保靖县迁陵镇地段通行能力、满足保靖县迁陵镇发展规划、解决保靖县酉水桥危桥问题、实现国家西部大开发战略所需要的重要工程。酉水二桥是魏竹公路的关键工程。1.1.2 工程使用要求保靖县魏竹公路酉水二桥，必须遵照“安全、使用、经济、美观”的基本原则进行设计，同时应充分考虑建造条件的先进性以及环境保护和可持续发展的要求。（1） 公路等级：山岭重丘区二级公路。计算行车速度：40Km/h；（2） 桥梁全长：305m；（3） 桥面宽的布置：净9m+2（2.25人行道+0.25人性栏杆）；（4） 桥下通航等级：6级；（5） 地震：不设防。1.2设计依据及参考书：公路工程技术标准 JTG B01-2003公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62-2004公路圬工桥涵设计规范 JTG D61-2005桥梁计算示例集 易建国,顾安邦 编著. 人民交通出版社。1.3施工方案的确定。1.3.1方案拟定：设计方案一：钢筋混凝土拱桥设计方案二：单塔斜拉桥设计方案三：连续梁桥1.3.2方案比选表1-1方案比选表方案序号设计方案一设计方案二设计方案三桥型钢筋混凝土拱桥单塔斜拉桥连续梁桥适用性1. 空腹式拱桥轻巧，节省材料，外形美观，还有助于泄洪；2. 抛物线拱桥优点是弯矩小，材料省，跨越能力较大；3. 上承式拱桥优点是桥面系构造简单，拱圈与墩台的宽度较小，桥上视野开阔，施工方便。4. 主跨跨越主航道，与航道适应性好，通航净空大，防撞要求低；5. 河床压缩少，有利于汛期泄洪；6. 全桥只在两岸桥台各有一伸缩缝。连续梁桥是超静定结构，相对同跨径简支梁桥而言，具有整体刚度大、变形小、行车舒适等特点。安全性1. 选用作为引桥的桥型，桥跨度合适，采用箱形断面，刚度大，施工安全；2. 桥梁的运营养护成本在后期较低。3. 全桥跨度适中，用技术先进的悬臂浇注法施工能安全的建成，且在施工过程中不需用大吨位悬臂吊机和运输预制节段块件的驳船，但是，工期较长；4. 全桥后期营运养护费用较高；5. 行车较平顺。改变一般简支梁底板受拉、跨中弯矩最大的不利受力状态，而通过应力作用点、和性质的改变，优化受力机理，增加混凝土构件的耐久性9。通过分析方案，在经济上（工程费用，维修养护，运营费大小）的比较，以及以桥梁结构的经济性、实用性、安全性、美观性和施工的难易程度为考虑因素，综合个设计方案的优缺点，最终选定一个最优方案：钢筋混凝土拱桥。2 毛截面几何特性计算2.1 基本资料2.1.1 主要技术指标桥型布置：37m+2126m+16m悬链线箱形拱桥桥面净宽：0.25m（人行栏杆）+2.25m(人行道)+24.5m（双车道）+2.25m(人行道)+ 0.25m（人行栏杆）设计荷载：公路级桥面纵坡：双向2 %图2.1 拱脚横截面（单位：cm） 图2.2 拱顶截面（单位：cm） 2.1.2 材料规格主拱圈、立柱：采用50号混凝土，容重为25kN/m3，弹性模量取3.0107 kPa；桥面铺装：采用防水混凝土，厚度为10cm，容重为25kN/m3；人行道、栏杆：采用20号混凝土，容重为25kN/m3；横隔板：采用30号混凝土，容重为25kN/m3，弹性模量取3.0107 kPa。2.2 结构计算简图由于对称关系，全桥两跨只计算单个主拱圈共取14个单元，15个结点，各单元分别为（15+129+15） m。桥墩简化为固定支座。结点x、y坐标按各结点对应截面的形心点的位置来确定，结构计算简图，如图2.2所示。图2.2 结构计算简图2.3 主拱圈横截面设计2.3.1 主拱圈横截面设计拱圈截面高度按经验计算公式计算：取为H=1.95 m（包括底梁0.15m）,拱圈有七个各为1.95m宽的拱箱组成，全宽 。 图2.3 主拱圈截面图（单位：cm）2.3.2 箱形拱圈截面几何特性由桥博计算有 绕箱底边缘静面矩S=12.726 主拱圈截面重心轴2.3.3 主拱圈受力荷载2.3.3.1桥面系荷载人行道构件重：q1 =75.5 kN/m桥面铺装重：q2 =535.325 kN/m合计：q = q1+q2 =610.825 kN/m将桥面系荷载作为二期恒载以均布荷载的形式加在主梁上。2.3.3.2主梁自重按=25kN/m3的容重，以计主梁自重的形式计入恒载中。由于拱桥弯矩分布比较均匀，所以主拱圈从桥台开始每段设立7块横隔板，取水平间距为9.833/2m(方便桥博建模)。一截面有7块横隔板，板重力为：m=9.723 kN2.4 主拱圈系数m计算假设m=1.756，有，（五点重合法），2.4.1计算横隔板 =860.5 kN/m =3441.9 kN/m 2.4.2 计算主拱圈自重因为由拱桥表-19查得半拱悬臂自重对l/4截面和拱脚截面的弯矩为： kN/m kN/m2.4.3计算立柱的，将m=1.756导入桥博，输入相关数据，得出拱轴线，得出拱轴线与立柱的角的坐标。节点号2345678X（m）5142332415059Y2.007077.0070710.343312.860714.618215.656516=16-y13.992938.992935.65673.13931.38180.34350表2-1 立柱长度(单位：m)4根立柱单位长度重力kN/m设i节点立柱压力为 78.5得： kN/m kN/m得： m与m之差小于半级，因此取拱轴系数m=1.756将截面信息输入桥博，得出表2-2表2-2 毛截面几何特性表单元号节点号节点X坐标(m)节点Y坐标(m)截面高度(m)截面面积()截面抗弯惯距()截面中性轴高度(m)单元重(kN)单元类型11001.9512.09325.4941.05231.51E+03钢筋砼252.841.9512.09325.4941.05232252.841.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼3147.111.9512.09325.4941.052333147.111.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼42310.41.9512.09325.4941.0523442310.41.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼53212.91.9512.09325.4941.0523553212.91.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼64114.71.9512.09325.4941.0523664114.71.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼75015.71.9512.09325.4941.0523775015.71.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼859161.9512.09325.4941.05238859161.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼96815.71.9512.09325.4941.0523996815.71.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼107714.71.9512.09325.4941.052310107714.71.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼118612.91.9512.09325.4941.052311118612.91.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼129510.41.9512.09325.4941.052312129510.41.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼131047.111.9512.09325.4941.052313131047.111.9512.09325.4941.05232.72E+03钢筋砼141132.841.9512.09325.4941.052314141132.841.9512.09325.4941.05231.51E+03钢筋砼1511801.9512.09325.4941.0523 3 内力计算及组合3.1 桥博建模及计算1结构离散，将求解区域变成有限元模型。用所选单元划分有限元网络，给节点，单元编号； 选定整体坐标系，测量节点坐标； 准备好单元几何尺寸，材料常数。2 单元分析，建立单元平衡方程组。(1) 在典型方程内选定位移函数，并将它表示成节点位移的插值形式；(2) 用虚功原理或变分法推导单元平衡方程；(3) 求每个单元的单元刚度矩阵。3整体分析，形成和求解整体方程组。(1) 单元组合集成整体刚度矩阵，节点位移列向量和节点荷载列向量形成整体平衡方程组；(2) 引入边界条件，求解节点位移；(3) 进行计算，根据需要计算变形，反力.在桥梁的施工过程中，往往要计算各施工状态的结构变形和内力。由于各施工状态的结构一般都不相同，通常随着施工的进行，结构在不断的变大，如果要将各施工状态逐一进行受力计算，并进行变形和内力的累计，则利用桥梁博士程序很不方便。现采用满堂支架施工方法，只对成桥后的内力进行计算。3.2 活载汽车： 公路级车道荷载（由均布荷载qk和集中荷载Pk组成），qk=7.875kN/m，Pk=270kN；计算剪力效应时，Pk=324kN。3.3 结构重力作用以及影响线计算3.3.1 结构重力作用示意图（图3.1-3.3）图3.1 结构重力作用下的轴力（单位：kN）图3.2 结构重力作用下的剪力（单位：kN）图3.3 结构重力作用下的弯矩（单位：kNm）3.3.2 截面影响线图（图3.4-3.8）图3.4 1#节点影响线图3.5 4#节点影响线图3.6 7#节点影响线图3.7 10#节点影响线图3.8 13#节点影响线3.4 公路-级汽车冲击系数计算公路-级汽车荷载加载于影响线上，其中均布荷载为q=10.50.75=7.875KN/m；集中荷载Pk当计算跨径l0为5m时，Pk=1800.75=135KN，当l0为50m以上时，Pk=3600.75=270KN 。故取Pk=270KN。按通规条文说明公式（4-7）、(4-8),自振频率计算如下：自振频率（HZ）；频率系数;计算跨径，近似去净跨径168m；E结构材料弹性模量（N/m2），E=3.45104Mpa=3.451010 N/m2；I结构跨中截面惯性矩，= 5.49 m4；mc结构跨中处的单位长度质量，以Kg/m计，主拱圈结构跨中处自重为12.093225=302.33kN/m换算成质量，其值为：2962.834kg/m；拱矢跨比，f=1/7。计算得=28.03780=2.56HZ所以汽车冲击系数=0.1767lnf-0.0157=0.15 3.5 基本可变荷载（汽车、人群）内力计算 活载信息:人行道宽度: 2.25m人群荷载: 3.5kN/m行车道宽度: 9m公路等级: 级图3.9 汽车荷载轴力包络图（单位：kN）图3.10 人群荷载轴力包络图（单位：kN） 图3.11 汽车荷载剪力包络图（单位：kN）横坐标：截面号图3.12 人群荷载剪力包络图（单位：kN）图3.13 汽车荷载弯矩包络图（单位：kNm）图3.14 人群荷载弯矩包络图（单位：kNm）3.6 温度变化荷载 由于均匀温度变化,即,如取=1.0E-5,则,=0,各单元均相同.3.6.1阶段升温结果及图表（温度上升20）：表3-1 升温内力单元号轴力剪力弯矩1-9.61E+02-3.64E-111.66E+042-1.02E+03-2.91E-111.22E+043-1.13E+03-5.46E-115.48E+034-1.26E+03-7.28E-122.82E+025-1.39E+035.46E-12-3.60E+036-1.48E+031.27E-11-6.29E+037-1.53E+032.46E-11-7.87E+038-1.56E+031.91E-11-8.39E+039-1.53E+03-3.64E-12-7.87E+0310-1.48E+032.00E-11-6.29E+0311-1.39E+034.73E-11-3.60E+0312-1.26E+033.27E-112.82E+0213-1.13E+032.91E-115.48E+0314-1.02E+033.64E-111.22E+0415-9.61E+023.64E-111.66E+04 图3.15 升温轴力图（单位：kN）图3.16 升温剪力图（单位：kN）图3.17 升温弯矩图（单位：kNm）3.6.2阶段降温结果及图表（温度下降20）：表3-2 降温内力单元号轴力剪力弯矩19.61E+023.64E-11-1.66E+0421.02E+032.91E-11-1.22E+0431.13E+035.46E-11-5.48E+0341.26E+037.28E-12-2.82E+0251.39E+03-5.46E-123.60E+0361.48E+03-1.27E-116.29E+0371.53E+03-2.46E-117.87E+0381.56E+03-1.91E-118.39E+0391.53E+033.64E-127.87E+03101.48E+03-2.00E-116.29E+03 续表 3-2单元号轴力剪力弯矩111.39E+03-4.73E-113.60E+03121.26E+03-3.27E-11-2.82E+02131.13E+03-2.91E-11-5.48E+03141.02E+03-3.64E-11-1.22E+04159.61E+02-3.64E-11-1.66E+04 图3.18 降温轴力图（单位：kN）图3.19 降温剪力图（单位：kN）图3.20 降温弯矩图（单位：kNm）3.7 主要设计荷载（1）永久作用：结构重力（2）可变作用：汽车荷载（含汽车冲击力）3.7.1作用效应组合根据公路桥涵设计通用规范第4.1.6条规定：公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合：基本组合永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为：式中承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；第个永久作用效应的分项系数，按表4.1.6的规定采用； 第个永久作用效应的标准值和设计值； 汽车荷载效应（含汽车冲击力）的分项系数，取=1.4； 汽车荷载效应（含汽车冲击力）的标准值和设计值； 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）、风荷载外的其他第个可变作用效应的分项系数，取=1.4；在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）、风荷载外的其他第个可变作用效应的标准值和设计值； 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）外的其他可变作用效应的组合系数，当只有一种其他可变作用（温度）参与组合时，取=0.8。公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合：1. 作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：式中 作用短期效应组合设计值； 第个可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.7；第个可变作用效应的频遇值。 2. 作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：式中 作用短期效应组合设计值； 第个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.4； 第个可变作用效应的准永久值。箱拱在设计中主要作用效应组合见表3-3：表3-3 作用效应组合表组合种类组合内容基本组合1.2恒载+0.5支座沉降+1.4汽车（含冲击力）+1.4人群+1.12温度作用短期效应组合恒载+0.7汽车（不计冲击力）+1.0人群+均匀温度+0.8梯度温度+支座沉降作用长期效应组合恒载+0.4汽车（不计冲击力）+0.4人群+均匀温度+0.8梯度温度+支座沉降3.7.2计算承载能力极限状态组合3.7.2.1计算结果（见表3-4）表3-4 承载能力极限状态单元号截面号轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kNm）最大值最小值最大值最小值最大值最小值11-8.87E+04-8.74E+041.37E+041.35E+041.07E+04-7.33E+022-8.46E+04-8.33E+04-1.37E+04-1.35E+042.45E+03-5.15E+0322-8.46E+04-8.33E+041.35E+041.31E+042.45E+03-5.15E+033-7.77E+04-7.64E+04-1.35E+04-1.31E+04-5.20E+03-1.01E+0433-7.77E+04-7.64E+041.16E+041.08E+04-5.20E+03-1.01E+044-6.85E+04-6.72E+04-1.16E+04-1.08E+04-5.68E+03-8.35E+0344-6.85E+04-6.72E+049.38E+038.66E+03-5.68E+03-8.35E+035-6.05E+04-5.92E+04-9.38E+03-8.66E+03-8.30E+02-4.58E+0355-6.05E+04-5.92E+047.28E+036.54E+03-8.30E+02-4.58E+036-5.46E+04-5.33E+04-7.28E+03-6.54E+035.20E+032.55E+0266-5.46E+04-5.33E+045.22E+034.48E+035.20E+032.55E+027-5.07E+04-4.94E+04-5.22E+03-4.48E+031.03E+044.08E+0377-5.07E+04-4.94E+043.18E+032.48E+031.03E+044.08E+038-4.89E+04-4.76E+04-3.18E+03-2.48E+031.25E+045.83E+0388-4.89E+04-4.76E+041.17E+034.56E+021.25E+045.83E+039-5.07E+04-4.94E+04-1.17E+03-4.56E+021.04E+044.13E+0399-5.07E+04-4.94E+04-8.36E+02-1.55E+031.04E+044.13E+0310-5.46E+04-5.33E+048.36E+021.55E+035.25E+033.13E+021010-5.46E+04-5.33E+04-2.84E+03-3.56E+035.25E+033.13E+0211-6.05E+04-5.92E+042.84E+033.56E+03-7.30E+02-4.48E+031111-6.05E+04-5.92E+04-4.88E+03-5.60E+03-7.30E+02-4.48E+0312-6.85E+04-6.72E+044.88E+035.60E+03-5.55E+03-8.25E+031212-6.85E+04-6.72E+04-6.94E+03-7.66E+03-5.55E+03-8.25E+0313-7.77E+04-7.64E+046.94E+037.66E+03-5.05E+03-9.95E+031313-7.77E+04-7.64E+04-9.04E+03-9.78E+03-5.05E+03-9.95E+0314-8.46E+04-8.33E+049.04E+039.78E+032.63E+03-4.98E+031414-8.46E+04-8.33E+04-1.12E+04-1.19E+042.63E+03-4.98E+0315-8.87E+04-8.74E+041.35E+041.39E+041.09E+04-5.48E+023.7.2.2图形示意图3.21 承载能力极限状态轴力包络图（单位：kN）图3.22 承载能力极限状态剪力包络图（单位：kN）图3.23 承载能力极限状态弯矩包络图（单位：kNm）3.7.3 计算正常使用极限状态内力组合3.7.3.1计算结果（见表3-5,3-6）表3-5 使用极限状态长期效应组合单元号截面号轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kNm）最大值最小值最大值最小值最大值最小值11-7.16E+04-7.36E+041.12E+041.10E+048.50E+03-5.82E+022-7.16E+04-7.36E+04-1.12E+04-1.10E+041.95E+03-4.09E+0322-6.85E+04-7.07E+041.10E+041.07E+041.95E+03-4.09E+033-6.85E+04-7.07E+04-1.10E+04-1.07E+04-4.13E+03-8.02E+0333-6.35E+04-6.57E+049.42E+038.82E+03-4.13E+03-8.02E+034-6.35E+04-6.57E+04-9.42E+03-8.82E+03-4.51E+03-6.63E+0344-5.69E+04-5.90E+047.62E+037.04E+03-4.51E+03-6.63E+035-5.69E+04-5.90E+04-7.62E+03-7.04E+03-6.59E+02-3.64E+0355-5.10E+04-5.32E+045.92E+035.32E+03-6.59E+02-3.64E+036-5.10E+04-5.32E+04-5.92E+03-5.32E+034.13E+032.03E+0266-4.67E+04-4.88E+044.24E+033.64E+034.13E+032.03E+027-4.67E+04-4.88E+04-4.24E+03-3.64E+038.18E+033.24E+0377-4.39E+04-4.60E+042.58E+032.02E+038.18E+033.24E+038-4.39E+04-4.60E+04-2.58E+03-2.02E+039.93E+034.63E+0388-4.26E+04-4.47E+049.48E+023.70E+029.93E+034.63E+039-4.26E+04-4.47E+04-9.48E+02-3.70E+028.26E+033.28E+0399-4.39E+04-4.60E+04-6.80E+02-1.26E+038.26E+033.28E+0310-4.39E+04-4.60E+046.80E+021.26E+034.17E+032.49E+021010-4.67E+04-4.88E+04-2.30E+03-2.90E+034.17E+032.49E+0211-4.67E+04-4.88E+042.30E+032.90E+03-5.80E+02-3.56E+031111-5.10E+04-5.32E+04-3.96E+03-4.56E+03-5.80E+02-3.56E+0312-5.10E+04-5.32E+043.96E+034.56E+03-4.41E+03-6.55E+031212-5.69E+04-5.90E+04-5.64E+03-6.22E+03-4.41E+03-6.55E+0313-5.69E+04-5.90E+045.64E+036.22E+03-4.01E+03-7.90E+031313-6.35E+04-6.57E+04-7.34E+03-7.96E+03-4.01E+03-7.90E+0314-6.35E+04-6.57E+047.34E+037.96E+032.09E+03-3.96E+031414-6.85E+04-7.07E+04-9.10E+03-9.70E+032.09E+03-3.96E+0315-7.16E+04-7.36E+041.10E+041.13E+048.50E+03-5.82E+02表3-6 使用极限状态短期效应组合单元号截面号轴力（kN）剪力（kN）弯矩（kNm）最大值最小值最大值最小值最大值最小值11-7.23E+04-7.46E+041.23E+041.21E+048.92E+03-6.11E+022-7.23E+04-7.46E+04-1.23E+04-1.21E+042.04E+03-4.29E+0322-6.89E+04-7.13E+041.21E+041.17E+042.04E+03-4.29E+033-6.89E+04-7.13E+04-1.21E+04-1.17E+04-4.33E+03-8.42E+0333-6.33E+04-6.57E+041.04E+049.70E+03-4.33E+03-8.42E+034-6.33E+04-6.57E+04-1.04E+04-9.70E+03-4.73E+03-6.96E+0344-5.59E+04-5.82E+048.38E+037.74E+03-4.73E+03-6.96E+035-5.59E+04-5.82E+04-8.38E+03-7.74E+03-6.92E+02-3.82E+0355-4.93E+04-5.17E+046.51E+035.85E+03-6.92E+02-3.82E+036-4.93E+04-5.17E+04-6.51E+03-5.85E+034.33E+032.13E+0266-4.45E+04-4.68E+044.66E+034.00E+034.33E+032.13E+027-4.45E+04-4.68E+04-4.66E+03-4.00E+038.58E+033.40E+0377-4.13E+04-4.37E+042.84E+032.22E+038.58E+033.40E+038-4.13E+04-4.37E+04-2.84E+03-2.22E+031.04E+044.86E+0388-3.99E+04-4.22E+041.04E+034.07E+021.04E+044.86E+039-3.99E+04-4.22E+04-1.04E+03-4.07E+028.67E+033.44E+0399-4.13E+04-4.37E+04-7.48E+02-1.38E+038.67E+033.44E+0310-4.13E+04-4.37E+047.48E+021.38E+034.38E+032.61E+021010-4.45E+04-4.68E+04-2.53E+03-3.19E+034.38E+032.61E+0211-4.45E+04-4.68E+042.53E+033.19E+03-6.08E+02-3.73E+031111-4.93E+04-5.17E+04-4.36E+03-5.02E+03-6.08E+02-3.73E+0312-4.93E+04-5.17E+044.36E+035.02E+03-4.63E+03-6.88E+031212-5.59E+04-5.82E+04-6.20E+03-6.84E+03-4.63E+03-6.88E+0313-5.59E+04-5.82E+046.20E+036.84E+03-4.21E+03-8.29E+031313-6.33E+04-6.57E+04-8.07E+03-8.76E+03-4.21E+03-8.29E+0314-6.33E+04-6.57E+048.07E+038.76E+032.19E+03-4.15E+031414-6.89E+04-7.13E+04-1.00E+04