等截面悬链线圬工拱桥设计(共54页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘要本桥是双跨，净跨径60m的等截面悬链线无铰拱拱桥。按照设计资料的各种数据采用空腹式拱上结构，在主拱上两侧布置3孔净跨径为3.6m的腹拱。各孔矢跨比基本一致，拱圈采用板拱截面，拱座采用两铰拱形式，拱上建筑为空腹式，下部结构为重力式桥墩和U形桥台,均置于非岩石土上。通过对此悬链线板形拱桥的设计，我对桥梁营运阶段的设计有了总体的了解，掌握了拱桥中主拱圈截面几何要素的计算、拱轴系数的确定、主拱圈正截的强度验算、主拱圈稳定性验算、裸拱圈强度和稳定性验算以及荷载计算等。 本设计主要对该桥的主拱进行设计。先根据地质条件对正桥的跨径和矢高进行拟订，计算主拱圈的弹性中心和弹性系数，

2、验算恒载和活载对拱顶、1/4截面和桥墩产生的内力，重点考虑了用“假载法”计入“五点”存在的偏离的影响拱，再计算温度和混凝土收缩产生的内力。然后对主拱圈的强度和稳定性进行验算。最后进行桥墩和桥台的尺寸拟定，及其荷载计算，强度计算和稳定性验算。【关键词】拱桥 等截面 悬链线 无铰拱 拱轴系数 腹拱AbstractIt is，two-span ,a uniform cross section catenary fixed arch bridge。It is 60m of clear span。According to the different kinds of design data adopt

3、open spandrel upper structure，both sides disposaled three hole clear span diameter for 3.6m on the abdomen of main arch upper.The same to each hole ratio of rise to span substantial，arch ring adopt U rib multichamber case compound section，and skewback adopt double-hinged arch form，arch upper constru

4、ction be blank abdominal type. Through designing the medium of withal catenary box ribbed arch bridge，I had a population known with bridge transport operation phasic designed， knowing clearly arch bridge suffer main arch circle section geometric element figure , arch axis modular ascertain, main arc

5、h circle abscissus intensity proven, main arch circle stability proven, nakedness arch ring intensity and stability proven grade up. These design mostly designed the main arch. Priority on the basis of elastic center and coefficient of elasticity，proven dead load and alive load gemel arch apex, skew

6、 back 1/4 section and bridge pier bring internal force，emphases take with dummy propeller boss farad number cinephile available off normal impact arch，recalculation temperature and concrete shrinkage procreative internal force into consideration forth from nature condition alignment pontine bay and

7、bilge proceed drawn out，count main arch circle.Second, I proven the main arch circle s intensity and stability proceed. At last, the count of dimension, load, strength, stability for bridge pier and abutment.【Keyword】arch bridge uniform cross section catenary fixed arch arch axis coefficient abdomen

8、 arch1 绪论拱桥外形美观，且其形状反应出桥的受力状况。拱桥不是简单地架在基础之上，而是不断地把基础向外推。就好像把一个拱形梁两脚着地放着，然后在拱顶加载，这个梁就会向两端伸展变平。为了防止两边拱脚外移，要在两边设置重物来阻挡。有了这些桥台，拱桥的承受能力要比单纯把曲线形构件拼成一跨的承受能力大的多。这就是拱桥的原理。拱桥在我国拥有悠久的历史。拱桥是我国公路上使用很广泛的一种桥梁体系。拱桥与梁桥的区别，不仅在于外型的不同，更重要的是两者受力性能有差别。拱桥不仅可以利用钢，钢筋混凝土等材料修建，而且还可以根据拱的受力特点，充分利用抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料来修建。本次设计为等截面悬

9、链线无铰拱结构设计，拱桥设计在桥梁建设应用中十分重要，也是较为复杂的，需结合土力学、结构力学，岩土力学等基础力学知识，根据桥梁专业特点来进行设计并解决设计中遇到的各种问题。它对设计人员各方面素质要求较高，在掌握土木工程基础专业知识的基础上，还要对地质学等知识熟悉了解。在本次官塘桥设计中，对桥梁工程专业设计有了深刻了解，并在解决工程问题中掌握到大量桥梁设计专业知识，对我来说将所学的各种基础专业知识应用到该次设计中是一次非常好的实践，同时对拱桥设计有了实际全面的了解。该次设计是对所学土木工程专业知识的综合考查，而能够很好的完成该次设计是对自己大学所学知识转向实际运用的合格检验。2.设计资料2.1

10、设计标准1)设计荷载汽车-20级，挂车-100，人群3.0。2)主拱跨径及桥宽 本桥上部结构为双跨跨径60m的等截面悬链线石砌拱桥,下部结构为重力式桥墩和U形桥台,均置于非岩石土上。 净跨径，净矢高，净矢跨比。 桥面净宽为净7+2（0.25+0.75人行道）, 。2.2 材料及其依据1) 拱上建筑 拱顶填料厚度，包括桥面系的计算厚度为，换算平均容重。 拱上护拱为浆砌片石，容重。 腹孔结构材料容重。主拱拱腔填料为砂、砾石夹石灰炉渣黄土，包括两侧侧墙的平均容重2) 主拱圈 10号砂浆砌40号块石，容重。极限抗压强度。极限直接抗剪强度。弹性模量。拱圈设计温度差为。3) 桥墩 7.5号砂浆砌30号片石

11、，材料容重。 极限抗压强度。地基土为中等密实的卵石夹砂、碎石，其容许承载力。基础与地基间的滑动摩擦系数取。4) 桥台 5号砂浆砌30号片石、块石，容重。极限抗压强度。极限直接抗剪强度。墩台基础为15号片石混凝土，。台后填砂砾石土，夯实。内摩擦角，填土容重。2.3设计任务与内容1) 构造尺寸拟定；2) 确定拱轴系数；3) 拱圈弹性中心及弹性压缩系数；4) 主拱圈截面内力计算；5) 主拱圈正截面强度验算；6) 主拱圈稳定性验算；7) 主拱圈裸拱强度和稳定性验算；8) 桥墩尺寸拟定；9) 桥墩荷载计算；10) 桥墩强度验算；11) 桥墩稳定性验算；12) 桥台尺寸拟定；13) 第一种受力情况验算；1

12、4) 第二种受力情况验算；15) 绘出总体布置图。2.4设计依据与参考书 1 邵旭东.桥梁工程M.北京：人民交通出版社，2004.2 交通部.公路工程技术标准M.北京：人民交通出版社，1997.3 交通部.公路标准车辆等代荷载M.北京：人民交通出版社，1981.4 交通部.公路桥涵设计通用规范M.北京：人民交通出版社，2004. 5 交通部.公路桥涵地基与基础设计规范M.北京：人民交通出版社，1985.6 王国鼎.拱桥等代荷载M.北京：人民交通出版社，1985.7 王国鼎.拱桥连拱计算 (第二版) M.北京：人民交通出版社，2000.8 王国鼎.桥梁计算示例集-拱桥M.北京：人民交通出版社，2

13、000.9 顾懋清,石绍甫.公路桥涵设计手册-拱桥（上册）M.北京：人民交通出版社，1994.10 顾安邦,孙国柱.公路桥涵设计手册-拱桥（下册）M.北京：人民交通出版社，1994. 11 Buchholdt.H.A.,1985, An Introduction to Cable Roof Structures . Cambridge University Press. London . 12 P.86-70 Chen Baochun , 1996. Design and Construction of Con2crete Filled steel Tubular Arch Bridge .

14、The Peoples communication Press , Beijing , P.129-158 .3.主拱圈计算3.1 确定拱轴系数拱轴系数m值的确定，一般采用“五点重合法”，先假定一个m值，定出拱轴线，拟定上部结构各种几何尺寸，计算出半拱恒载对拱桥截面形心的弯矩和自拱顶至跨的恒载对跨截面形心的弯矩。其比值=。求得值后，可由m=中反求m值，若求出的m值与假定的m值不符，则应以求得的m值作为假定值，重复上述计算，直至.两者接近为止。3.1.1拟定上部结构尺寸3.1.1.1主拱圈几何尺寸1)截面特性截面高度d=K取d=1.05m；主拱圈横桥向取1m单位宽度计算，横截面面积A =1.05

15、；惯性矩：I=截面抵抗矩：W=截面回转半径：2)计算跨径和计算失高假定m=2.814，则根据拱轴系数m与的关系（如下表）得知：相应的。M1.1671.3471.5431.7561.9882.2402.5142.8143.1423.50.2450.2400.2350.2300.2250.2200.2150.2100.2050.2查“拱桥”表（III）-20（8）(即悬链线拱各点倾角的正弦及余弦函数表)得sin=0.63364，cos=0.77363计算跨径计算矢高。3)拱脚截面的投影 水平投影竖向投影4)计算主拱圈坐标（图3-1） 图3-1 主拱圈坐标计算示意图将拱圈沿跨径24等分，每等分长。以

16、拱顶截面的形心为坐标原点，拱轴线上各截面的纵坐标，相应拱背坐标，相应拱腹坐标，其数值见表3-1。表3-1 主拱圈截面坐标表截面号 0110.118840.773630.9.10.7974630.3326410.8.0.818050.641777.8.27.8049220.6.0.857060.5.7.25.277230.5.0.890390.4.5.22.7494840.390823.0.918160.3.4.20.2217650.2.954580.940750.2.3.17.6940460.212.0.958730.1.2.15.1663270.1.44920.97270.0.1.12.63

17、8680.0.0.983250.0.1.10.1108890.0.0.990890.-0.021731.7.58316100.0.223960.996050.-0.303120.5.05544110.0.0.999030.52551-0.46980.2.52772120010.525-0.5250.5250注：第2栏由拱桥附录（III）表(III)-1查得；第4栏由拱桥附录（III）表(III)-20（8）查得。出现的表（III）-值或表（III）-()值均为拱桥下册相应表格的数值。3.1.1.2拱上构造尺寸1）腹拱圈腹拱圈为M10号沙浆砌M30粗料石等截面圆弧拱，截面高度,净矢高,净矢跨比。

18、查拱桥上册表3-2得所以，腹拱圈拱脚截面的投影为：水平投影竖向投影2）腹拱墩腹拱墩采用M7.5沙浆M30块石的横墙，厚0.9m。在1号横墙中间留出2个上部为半径R=0.6m的半圆和下部高为2m,宽为1.2m的矩形组成的检查孔;在2号横墙中间留出2个上部为半径R=0.6m的半圆和下部高为1m,宽为1.2m的矩形检查孔。腹拱的拱顶拱背和主拱圈的拱顶拱背在同一水平线上。从主拱圈拱背至腹拱起拱轴线之间横墙中线的高度，其计算过程及其数值见表3-2 表3-2 腹拱墩高度计算表 墩 号 1*横墙26.6157.7610.8612-0.0846 6.16682*横墙22.1155.3250.9091-0.05

19、25 3.63133*拱座17.963.4930.9162-0.0480 1.7338空、实腹段分界线17.8553.450.9165-0.0478 1.7300注：上表中的是根据表1-1的有关数值内插计算得到。1*横墙 2*横墙 3*拱座 3.1.2恒载计算恒载分主拱圈、拱上空腹段和拱上实腹三部分进行计算。不考虑腹拱推力和弯矩对主拱圈的影响。其计算图式见图3-2。图3-2 恒载计算示意图3.1.2.1主拱圈恒载上述算式中：主拱圈材料(10号砂浆砌40号块石)的容重， 拱桥的计算跨径，。 A主拱圈横桥向取1m单位宽度计算的横截面面积，。 3.1.2.2拱上空腹段的恒载腹孔上部（图3-3）图3-

20、3 拱上空腹段的恒载计算示意图腹拱圈外弧半径：腹拱内弧半径：腹拱圈重： 腹拱侧墙护拱重： （以上三个系数依次分别查拱桥上册表3-2、表1-10、表1-9）填料及路面重：两腹拱之间起拱线以上部分的重量 （图3-4）图3-4 起拱线以上重量计算示意图 一个腹拱重： 1）腹拱下部2）集中力3.1.2.3拱上实腹段的恒载（图3-5）1) 拱顶填料及面重 图3-5 拱上实腹段的恒载计算示意 悬链线曲边三角形部分重量式中：重心位置3.1.2.4各块恒载对拱脚及拱跨1/4截面的力矩(见表3-3)表3-3 半拱横载对拱脚和1/4拱跨截面的弯矩分块号恒 重（kN）l/4 截 面拱 脚 截 面力 臂（m）力矩（k

21、Nm）力 臂（m）力矩（Knm）P0-12822.12452916.53811970.5815P132339.6234L/2-26.615=3.7178698.0179P141924.1453L/2-22.115=8.21815812.049P15624.7706L/4-6.9836=8.2355112.3104L/2-17.855=12.4787795.7001P162365.4304L/4-6.98=6.23914757.4472L/2-8.9275=21.40550632.511P171594.9868L/4-13.464=1.702714.827L/2-13.4642=16.86826

22、905.035合计9671.08125501.1227.893.1.3验算拱轴系数由表1-3得 该比值与假定拱轴系数m=2.814相应的十分接近，故可确定2.814为设计拱轴系数。3.2拱轴弹性中心及弹性压缩系数3.2.1弹性中心 3.2.2弹性压缩系数 3.3主拱圈截面内力计算大跨径拱桥应验算拱顶、3/8拱跨、1/4拱跨和拱脚四个截面，必要时应验算1/8拱跨截面。为节省篇幅，本例只验算拱顶，1/4拱跨和拱脚三个截面的内力。其余截面，除不计弹性压缩的内力必须在影响线上直接布载求得以外，其步骤和1/4拱跨者相同。3.3.1恒载内力计算计算拱圈内力时，为利用现有的表格，一般采用所确定的拱轴线进行计

23、算。但是在确定拱轴系数时，计算得的恒载压力线与确定的拱轴线很难在“五点”完全重合，本例中二者相差0.21-0.209340.00066。当这个偏差较大时，要用“假载法”计入其影响。表3-4 计入弹性压缩的恒载内力项目拱顶1/4截面拱脚02.1249610.118843.29821.17321-6.8206110.958730.7736311917.220311917.220311917.220311917.220312440.4265.1404399.4304142.0895-826.01741）不计弹性压缩的恒载推力 上式中：半拱结构自重对拱脚截面的弯矩； 拱的结构自重水平推力（不考虑弹性压

24、缩）； 拱的计算矢高。2）计入弹性压缩的恒载内力见表3-43.3.2活载内力计算1）汽车-20级和人群荷载的内力 单位拱宽汽车等代荷载： 式中：c=2为车道数；1为车道折减系数，双车道不折减。单位拱桥人群等代荷载式中：b=0.75m为人行道宽度；3.0KN/m2为人群荷载。 表3-5 单位拱宽的计算荷载 截 面项 目汽车-20级等代荷载人群荷载合 计拱顶31.0686.9040.57.404相应17.2823.8400.54.34019.5234.3380.54.838相应16.1903.5980.54.098截面27.8766.1950.56.695相应17.5303.8960.54.396

25、18.5764.1280.54.628相应17.0083.7800.54.280拱脚17.9783.9950.54.495相应15.9943.5540.54.054相应V14.4303.2070.519.7434.3870.54.887相应19.0232.0050.52.505相应V21.0134.6700.5注：汽车-20级等代荷载由拱桥连拱计算（第二版），人民交通出版社，附表直线内插算得。例如拱顶的： 解得：不计弹性荷载的汽车-20级及人群内力见表3-6表3-6 不计弹性压缩的汽车-20级及人群内力 截面项 目计算荷载影响线面积力与弯矩乘数面积拱顶7.4040.0071426.277219

26、4.5564相应4.3400.0691025.1323109.07424.838-0.00451-16.5981-80.3016相应4.0980.0592221.53871/4截面6.6950.0087232.0921214.8566相应4.3960.0400214.555563.98604.628-0.01039-38.2381-176.9659相应4.2800.0883032.1152137.4531拱脚4.4950.0203074.7097335.8201相应4.0540.0925633.6253136.3170相应V汽3.2070.530.332797.2770人0.50.169991

27、0.31255.15634.887-0.01435-52.8120-258.09227相应2.5050.0357613.006132.5803相应V汽4.6700.530.3327141.6537人0.50.3300120.020210.0101注：在求拱脚相应反力V时，以公路I级等代荷载乘以全部反力影响线面积。人群反力则只乘以相应的影响线面积。计入弹性压缩的汽车-20级和人群荷载内力见表3-7表3-7 计入弹性压缩的汽车-20级和人群内力 项 目拱 顶l/4截面拱 脚轴向力10.958730.7736300.284320.63364与M相应的H109.074288.265663.986013

28、7.4531136.317032.5803与M相应的V102.4333151.6638109.074288.265663.9860137.4531170.3648121.30531.09730.88800.64371.38281.37130.32781.09730.88800.61711.32571.66090.2536107.976987.377663.3689136.1274169.3039121.0517弯矩M194.5564-80.3016214.8566-176.9659335.8201-258.0922y=3.29821.1732-6.82063.61912.92880.72401

29、.5553-7.2360-1.7297198.1755-77.3728215.5806-175.4106327.5841-259.8219注：除拱脚截面外，其余截面的轴向力用N=作近似计算。2) 挂车-100的内力 每单位拱宽的挂车-100等代荷载为： 不计弹性压缩的挂车-100内力见表3-8。 计入弹性压缩的挂车-100内力见表3-9。 表3-8 不计弹性压缩的挂车-100内力 截 面项 目挂车-100级等代荷载影响线面积力或力矩拱顶86.99139.665726.2772253.9875相应56.78336.309325.1323158.566136.92804.1031-16.5981-

30、68.1038相应30.19253.354721.538772.2564截面77.59498.621732.0921276.6870相应46.48935.165514.555575.186145.66275.0736-38.2381-194.0061相应39.01324.334832.1152139.2130拱脚44.02004.891174.7097365.4134相应35.62623.958533.6253133.1046相应V29.34153.260230.332798.889763.59467.0661-52.8120-373.1731相应30.58813.398713.332745.

31、3136相应V45.93895.104330.3327154.8279注：上表中的相关数据在拱桥连拱计算，人民交通出版社，附表I-1(11)表I-1(59)中查取。 表3-9 计入弹性压缩的挂车-100内力 项 目拱 顶l/4截面拱 脚轴向力10.958730.7736300.284320.63364与M相应的H158.566172.256475.1861139.2130133.104645.3136与M相应的V98.8897154.8279158.566172.256472.0832133.4677165.6342133.16091.59520.72690.75641.40051.33900

32、.45591.59520.72690.72521.34271.03590.3527156.970971.529571.3580132.1240164.5983130.8082弯矩M253.9875-68.1038276.6870-194.0061365.4134-373.1731Y=3.29821.1732-6.82065.26132.39750.85081.5753-7.0655-2.4056259.2488-65.7063277.5378-192.4308358.3478-375.57873.3.3 温度内力计算拱圈合拢温度15拱圈砌体线膨胀系数变化温差+15主拱圈材料弹性模量温度变化在弹

33、性中心产生的水平力：拱圈温度变化内力见表3-10表3-10 温度内力 项 目温度变化拱顶l/4截面拱脚10.958730.77363y=3.29821.1732-6.82066.185.924.78-20.38-7.2542.15注：当砂浆为小石子混凝土时，应酌情计入徐变的影响。3.4 主拱圈正截面强度验算采用分项安全系数极限状态设计的构件，其设计原则是：荷载效应不利组合的设计值小于或等于结构抗力效应的设计值。表达式为： 根据公路桥涵设计通用规范的规定，本设计效应荷载函数有如下几种组合：组合I：=S=组合II：=S=0.824组合III：=S=式中：当与基本可变荷载同号时，取1.2，当与基本可

34、变荷载异号时，取0.9。3.4.1主拱圈正截面受压强度验算1）荷载效应总汇计入荷载安全系数的荷载效应汇总如表3-11 表3-11 荷载安全系数及荷载效应汇总表 荷载效应系数拱 顶1/4截面拱 脚恒载1.0399.430411917.2203142.085912440.4265-826.017415467.1404汽车-20级198.1755107.9769215.580663.3689327.5841169.3039汽车-20级-77.372887.3776-175.4106136.1274-259.8219121.0517挂车-100259.2488156.9709277.537871.35

35、80358.3478164.5983挂车-100-65.706371.5295-192.4308132.12403-375.5787132.8082温度下降-20.386.18-7.255.9242.154.78恒载1.2479.376514300.6644170.503114928.5118-991.220918560.56850.9359.487410725.4983127.877311196.3839-743.415913920.4264汽车-20级1.4277.4457151.1677301.812888.7765458.6175237.0255汽车-20级-108.3219122.3

36、286-245.5748190.5784-363.7507169.4724挂车-100362.9483219.7593388.552999.9012501.6869230.4376挂车-100-91.9888100.1413-269.4031184.9736-525.8102185.9315温度下降-28.53208.6520-10.15008.288059.01006.6920注：上表中，轴力单位KN，弯矩单位，内力是计弹性压缩时的内力。2）荷载效应最不利组合的设计值 计入荷载组合系数的荷载效应最不利组合的设计值见表3-12表3-12 荷载效应组合系数及荷载效应最不利组合的设计值 荷载效应组

37、合系数拱 顶l/4截面拱 脚组合I(恒+汽)1.0799.526914885.38700.0524486.485415467.74510.0315-548.581319361.5218-0.0283(恒+汽)258.700411173.26170.0232-121.228511722.3911-0.0103-1140.381414512.5957-0.0786组合(恒+汽)+温降0.8618.819812272.68820.0504392.500412752.25130.0308-403.406715959.4082-0.0253(恒+汽)+温降189.65889213.89690.0206-

38、108.25599666.0796-0.0112-891.050011963.8931-0.0745组合(恒+挂)694.075711964.8291-0.0580460.662212383.41230.0372-403.376015483.7890-0.0261(恒+挂)220.41888920.32700.0266-116.61739373.2946-0.0124-1045.842111623.6389-0.09003) 结构(主拱圈)抗力效应的设计值结构抗力效应的设计值为： 其中：， A主拱圈截面积， 主拱圈材料的极限抗压强度， =1.92 =0.31453 计算结果见表3-13 表3-13 抗力效应的设计值（单位：） 荷载效应组合拱 顶l/4截面拱 脚组合I(恒+汽)0.973031128.231