桥梁工程课程设计数据.docx

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桥梁工程课程设计数据

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拱桥结构设计计算说明书

一．课程设计的目的

1.培养学生综合运用所学桥梁工程理论知识，解决钢筋混凝土拱桥结构的设计和计算问题，掌握钢筋混凝土拱桥结构分析和计算的理论与方法。

2.强调规范在桥梁结构设计中的重要性，培养学生运用专业理论知识和专业规范进行桥梁结构设计的能力。

3.进一步提高学生绘制桥梁工程施工图、使用计算机的能力。

二．课程设计的内容

1.确定主拱圈截面构造尺寸，计算拱圈截面的几何、物理力学特征值；

2.确定主拱圈拱轴系数m及拱上建筑的构造布置和几何构造尺寸；

3.结构恒载计算；

4.主拱结构内力计算（永久作用、可变作用）；

5.温度变化、混凝土收缩徐变引起的内力；

6.主拱结构的强度和稳定计算；

7.拱上立柱（墙）的内力、强度及稳定性计算；

8.绘制1～2张相关施工图。

三．课程设计的时间

时间：

两周；安排在理论课结束之后。

四．课程设计的方法

1．独力思考，继承与创新

设计时要认真查阅和阅读参考资料，继承前人的设计成果和经验，根据课程设计的具体要求，大胆改进和创新。

2．结合和参考本指导的算例，进行拱桥结构的设计计算，掌握拱桥的计算理论和设计内容与方法。

五．课程设计的步骤

1．设计准备：

了解设计任务书，明确设计要求、设计内容、设计步骤；通过查阅教科书和相关设计资料，了解设计的理论和方法；准备好设计所需资料、工具书、工具软件；拟好设计计划。

2．设计实施：

根据课程设计任务书的要求，参考设计指导书和教科书，确定设计的主要内容、计算顺序；根据相关计算理论，计算和填写相关图表的内容。

使用图表给出计算结果和结构的相关验算结果。

3．汇总设计成果：

课程设计计算书，课程设计要求绘制的工程图纸。

桥梁工程课程设计任务书

一．设计题目

空腹式等截面悬链线箱形无铰拱桥设计

二．设计资料

1．设计标准

设计荷载：

公路—I级，人群荷载3.5kN/m

2．桥面净空净－8+2*（0.75m+0.25m）人行道+安全带

净跨径L0＝80m

净高f0＝16m

净跨比f0/L0＝1/5

3．材料数据与结构布置要求

拱顶填料平均厚度（包括路面，以下称路面）hd＝0.5m，材料容重γ=22.0kN/m

主拱圈材料容重（包括横隔板、施工超重）γ2＝25.0kN/m

拱上立柱（墙）材料容重γ2＝25kN/m

腹孔拱圈材料容重γ3＝23kN/m

腹孔拱上填料容重γ4＝22kN/m

主拱圈实腹段填料容重γ1＝22kN/m

人行道板及栏杆重52.0kN/m（双侧）；

混凝土材料：

强度等级为C30，主要强度指标为：

强度标准值fck=20.1MPa，ftk=2.01MPa

强度设计值fcd=13.8MPa，ftd=1.39MPa

弹性模量Ec=3.0*104MPa

普通钢筋

1）纵向抗拉普通钢筋采用HRB400钢筋，其强度指标为：

抗拉强度标准值fsk=400MPa

抗拉强度设计值fsd=330MPa

弹性模量Es=2.0*l05MPa

相对界限受压区高度ξb=0.53，ξpu=0.1985

2）箍筋及构造钢筋采用HRB335钢筋，其强度指标为：

抗拉强度标准值fsk=335MPa

抗拉强度设计值fsd=280MPa

弹性模量Es=2.0*105MPa

本桥采用支架现浇施工方法。

主拱圈为单箱六室截面的钢筋混凝土拱圈，由C30混凝土现场浇筑而成。

拱上建筑可采用简支板形式或圆弧拱形式，净跨为5～7m左右，脚至拱顶布置4～6跨左右（主拱圈的具体几何参照指导书实例修改自定）。

4．设计计算依据

交通部部颁标准《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60－2004）交通人民出版社

交通部部颁标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62－2004）交通人民出版社

交通部部颁标准《公路圬工桥涵设计规范》（JTGD61-2005）交通人民出版社

《公路设计手册-拱桥（上）》人民交通出版社，2000.7

三．设计内容

1.确定主拱圈截面构造尺寸，计算拱圈截面的几何、物理力学特征值；

2.确定主拱圈拱轴系数m及拱上建筑的构造布置和几何构造尺寸；

3.结构恒载计算；

4.主拱结构内力计算（恒载、活载）；

5.温度变化、混凝土收缩徐变引起的内力；

6.主拱结构的强度和稳定验算；

7.拱上立柱（墙）的内力、强度及稳定性验算；

8.手工绘制2张相关施工图。

四．设计成果

1．空腹式等截面悬链线无铰拱设计计算书

2．空腹式等截面悬链线无铰拱设计纵断面施工图

3．空腹式等截面悬链线无铰拱设计横断面施工图

五．参考文献

1.范立础．桥梁工程（上）[M]．北京：

人民交通出版社，2001

2.顾安邦．桥梁工程（下）[M]．北京：

人民交通出版社，1991

3.姚玲森．桥梁工程[M]．北京：

人民交通出版社，2008

4.王国鼎，钟圣斌．拱桥[M]．北京：

人民交通出版社，2000

5.顾懋清，石绍甫．公路桥涵设计手册－拱桥（上）[M]．北京：

人民交通出版社，2000.7

拱桥课程设计计算

（一）主拱圈截面几何要素的计算

1．主拱圈横截面设计

拱圈截面高度按经验公式估算

D=l0/100+Δ=80/100+0.6=1.4m

拱圈由六个各为1.5m宽的拱箱组成，全宽B0=9.0m

构造图如附图所示：

2．箱形拱圈截面几何性质

截面积：

A=（1.5*1.4-1*1.1+0.1*0.1*2）*6=6.12m2

绕箱底边缘的静面矩：

s=[1.5*1.4*0.7-0.9*1*0.7-（0.1*0.1+0.8*0.2）*0.7]*6=4.326m3

主拱圈截面重心轴：

y下=S/A=0.693my上=1.4-0.707=0.707m

主拱圈截面绕重心轴的惯性矩：

6*（1.5*1.43/12+1.5*1.4*（0.7-1.4/2）2-1.1*0.9733/12-1.1*0.973*02）=1.551m4

拱圈截面绕重心轴的回转半径：

rω=（IX/A）1/2=（1.551/6.12）1/2=0.503m

（二）确定拱轴系数

1．上部结构构造布置

上部结构构造布置如图所示：

（1）主拱圈

假定m=2.514，相应的y1/4/f=0.215，f0/l0=1/5，查《拱桥》（上册）（III）-20（7）得：

sinφj=0.69198，cosφj=0.72191，φj=43.7876˚

主拱圈的计算跨径和计算矢高：

l=l0+2y下sinφj=80+2*0.7*0.69198=80.97mf=f0+y下（1-cosφj）=16.193m

拱脚截面的水平投影和竖向投影x=Hsinφj=0.97my=Hcosφj=1.01m

将拱轴沿跨径24等分，每等分长Δl=l/24=3.37375m，每等分点拱轴线的纵坐标

y1=[表（III）-1值]*f，相应的拱背曲面坐标y'1=y1y上/cosφ，拱腹曲面坐标y"1=y1+y下/cosφ。

主拱圈几何性质表

截面号

x

y1/f

y1

cosφ

y上/cosφ

y下/cosφ

y1-y上/cosφ

y1+y下/cosφ

0

40.485

1

16.193

0.72191

0.979346456

0.959953457

15.21365354

17.15295346

1

38.798125

0.903649

14.63278826

0.74623

0.947429077

0.928668105

13.68535918

15.56145636

2

37.11125

0.814018

13.18139347

0.76969

0.918551625

0.900362484

12.26284185

14.08175596

3

35.424375

0.730724

11.83261373

0.79218

0.892473933

0.874801182

10.9401398

12.70741491

4

33.7375

0.653408

10.58063574

0.8136

0.868977384

0.851769912

9.71165836

11.43240566

5

32.050625

0.581738

9.420083434

0.83387

0.847853982

0.831064794

8.572229452

10.25114823

6

30.36375

0.515405

8.345953165

0.85291

0.82892685

0.812512457

7.517026315

9.158465622

7

28.676875

0.454125

7.353646125

0.87068

0.812009004

0.795929618

6.541637121

8.149575743

8

26.99

0.397635

6.438903555

0.88718

0.796907054

0.781126716

5.641996501

7.220030271

9

25.303125

0.345691

5.597774363

0.90238

0.783483676

0.767969148

4.814290687

6.365743511

10

23.61625

0.298071

4.826663703

0.9163

0.77158136

0.756302521

4.055082343

5.582966224

11

21.929375

0.25457

4.12225201

0.92897

0.761057946

0.745987492

3.361194064

4.868239502

12

20.2425

0.215

3.481495

0.94042

0.751791753

0.736904787

2.729703247

4.218399787

13

18.555625

0.179192

2.901656056

0.9507

0.743662564

0.728936573

2.157993492

3.630592629

14

16.86875

0.146992

2.380241456

0.95985

0.736573423

0.721987811

1.643668033

3.102229267

15

15.181875

0.118262

1.915016566

0.96792

0.730432267

0.715968262

1.184584299

2.630984828

16

13.495

0.092877

1.503957261

0.97498

0.72514308

0.710783811

0.778814181

2.214741072

17

11.808125

0.07073

1.14533089

0.98107

0.720641748

0.706371615

0.424689142

1.851702505

18

10.12125

0.051724

0.837566732

0.98624

0.716864049

0.702668722

0.120702683

1.540235454

19

8.434375

0.035779

0.579369347

0.99053

0.713759301

0.699625453

-0.134389954

1.2789948

20

6.7475

0.022825

0.369605225

0.99368

0.711496659

0.697407616

-0.341891434

1.067012841

21

5.060625

0.012807

0.207383751

0.99664

0.709383529

0.69533633

-0.501999778

0.902720081

22

3.37375

0.005682

0.092008626

0.99851

0.708055002

0.694034111

-0.616046376

0.786042737

23

1.686875

0.001419

0.022977867

0.99963

0.707261687

0.693256505

-0.68428382

0.716234372

24

0

0

0

1

0.707

0.693

-0.707

0.693

（2）拱上腹孔布置

从主拱两端起拱线起向外延伸后向跨中对称布置3对圆弧小拱，腹拱圈厚d'=0.5m，净跨径l'0=8m，净矢高f'0=0.8m，座落在宽为0.6m的钢筋混凝土排架式腹拱墩支承的宽为0.7m的钢筋混凝土盖梁上。

腹拱拱顶的拱背和主拱拱顶的拱背在同一标高。

腹拱墩墩中线的横坐标lx，以及各墩中线自主拱拱背到腹拱起拱线的高度h=y1+y上*（1-1/cosφ）-（d'+f'0），分别计算如表：

1.573

腹拱墩高计算表

项目

lx

ξ=2lx/l

kξ

y1=f（chkξ-1）/（m-1）

tgξ=2kfshkξ/l（m-1）

1/cosφ=（tg2φ+1）1/2

h

1号立墙

31.116

0.769

1.209

8.816

0.634

1.184

7.386

2号立墙

22.616

0.559

0.879

4.402

0.414

1.082

3.044

3号腹拱座

14.116

0.349

0.548

1.649

0.240

1.028

0.329

空、实腹段分界线

13.666

0.338

0.531

1.544

0.231

1.026

0.225

由f'0/l'0=1/10，查《拱桥》（上册）表3-2得

sinφ0=0.43219，cosφ0=0.90178，

腹拱拱脚的水平投影和竖向投影

x'=d'*sinφ0=0.5*0.43219=0.216095m；y'=d'*cosφ0=0.5*0.90178=0.45089m

（三）结构恒载计算

（1）主拱圈恒载

P0~12=[表（Ⅲ）—19（7）值]Ar2l=0.51408*6.12*25*80.97=6368.6338kN·m

M1/4=[表（Ⅲ）—19（7）值]Ar2l2/4=0.12530*6.12*25*80.972/4=31421.7804kN·m

Mj=[表（Ⅲ）—19（7）值]Ar2l2/4=0.50610*6.12*25*80.972/4=126915.9063kN·m

（2）横隔板

横隔板的设置受箱肋接头位置的控制，必须先确定接头位置后再按箱肋轴线等弧长布置横隔板。

箱肋有关几何要素

a.箱肋截面积

A'=2*0.2*1.4+1.1*0.1+2*0.1*0.1/2=0.79m2

b.箱肋截面静矩

J'=2*0.2*1.4*1.4/2+1.1*0.2*0.2/2+2*0.1*0.1*（0.1/3+0.2）/2=0.4163m3

c.截面重心距箱底的距离

y'下=J'/A'=0.527m

d.箱肋计算跨径

l'=l0+2y'下sinφj=80+2*0.527*0.69198=80.7293m

e.箱肋轴线弧长S'=2*0.52764l'=85.1920m

确定箱肋接头、设置横隔板

a.确定接头位置箱肋分三段吊装合拢，接头宜选在箱肋自重作用下弯矩值最小的反弯点附近，即ξ=0.35~0.37之间，此处相应的弧长为（图6）：

S’x=

*l'/2=（0.35176-0.37200）*80.7293/2=14.1987-15.0156m

式中

值根据ξ值从《拱桥（例集）》的附表1-1内插算得。

b.布置横隔板

横隔板沿箱肋中轴线均匀设置，取板间间距Δl'=2.56m，中段箱肋设11道横隔板，端横隔板到接头中线的距离为0.3m，则中段箱肋弧长之半为：

SII/2=（2.56*10+2*0.3）/2=13.1m则接头位置刚好在ξ=0.37处。

端段箱肋弧长SI=（S'SII）=（85.192026.2）/2=29.496m

端段箱肋设12道横隔板，则端横隔板距起拱面的长度为：

ΔS=SI2.56*110.3=1.036m

横隔板与接头加强部分的重力

横隔板厚均为0.06m。

靠拱脚的一块为实心板，其余均为空心板。

接头处两相邻横隔板之间以及拱脚截面至第一块横隔板之间的箱底板和两侧板均加厚0.10m，加强后的断面尺寸如图7所示。

a.横隔板重力

空心板

P=[（1.1*1.02-0.68*0.62+4*0.12/2）*0.06+4*0.12*1.02/2]*25*7=11.1342kN

实心板

P=（1.1*1.02*0.06

+4*0.12*1.02/2）*7*25=15.351kN

b.中接头加强部分

P=[2*0.1*0.54*1.02+0.1*0.54*（1.1-2*0.1）

-4*0.12*1.02/2]*7*25=24.213kN

c.拱脚加强段

P=[0.1*2*1.02*0.6775+0.1*0.6775*（1.1-2*0.1）-2*0.12*1.1/2]*7*25=32.9324kN

d.各集中力作用线的横坐标

各集中力作用线的横坐标lx，可以根据

值从《拱桥（例集）》书后附表1查得ξ值，再由l=l'*ξ/2求得。

lx的值和各集中力分别对l/4和拱脚截面的力臂见表

横隔板的横坐标与力臂计算表

集中力编号

Sx

2Sx/l肋

ξ

lx=l肋ξ/2

力臂

l/4-lx

l/2-lx

1号

2.56

0.0634

0.0727

2.9348

17.2476

37.4299

2号

5.12

0.1268

0.1453

5.8660

14.3163

34.4986

3号

7.68

0.1903

0.2178

8.7896

11.3927

31.5750

4号

10.24

0.2537

0.2899

11.7027

8.4796

28.6619

5号

12.8

0.3171

0.3617

14.5991

5.5832

25.7656

6号

15.36

0.3805

0.3784

15.2759

4.9064

25.0888

7号

17.92

0.4440

0.4496

18.1471

2.0353

22.2176

63.9611

8号

20.48

0.5074

0.5201

20.9920

19.3726

9号

23.04

0.5708

0.5898

23.8062

16.5584

10号

25.6

0.6342

0.6586

26.5824

13.7822

11号

28.16

0.6976

0.7262

29.3138

11.0509

12号

30.72

0.7611

0.7927

31.9989

8.3658

13号

33.28

0.8245

0.8577

34.6225

5.7422

14号

35.84

0.8879

0.9213

37.1888

3.1759

283.2854

15号

38.4

0.9513

0.9831

39.6831

0.6816

0号

0

0.0000

0.0000

0.0000

20.1823

40.3647

中接头

14.08

0.3488

0.3701

14.9378

5.2445

25.4269

拱脚加强段

41.702479

1.0331

0.9916

40.0239

0.3408

3）拱上空腹段恒载

腹孔上部（见图8）

腹拱圈外弧跨径l外=l+2dsinφ0=8+2*0.5*0.43219=8.43219m

腹拱圈内弧半径R0=l0/（2sinφ0）=8/（2*0.43219）=9.2552m

腹拱圈重力

Pa=2φ0Rd'γ3B0=2*25˚36'24"*π/180*（9.2552+0.5/2）*0.5*23*9=879.3505kN

腹拱上面的护拱重力Pb=（2sinφ0-sinφ0cosφ0-φ0）R2γ2B0=（2*0.43219-

0.43219*0.90178-25˚36'24"*π/180）*（9.2552+0.5/2）2*22*9=495.8681kN

填料及桥面系重力Pc=l外hdγ1B0=8.43219*0.5*22*9=834.7868kN

腹拱墩起拱线以上部分重力（见图9）

Pd={（0.6-x'）y'γ4+[（f'0+d'-y'）γ2+hdγ1]（0.6-2x'）}B0={（0.6-0.216095）*0.45089*23+

[（0.8+0.5-0.45089）*22+0.5*22]*（0.6-2*0.216095）}*9=80.6576kN

一个腹拱总重力：

P=∑Pi=879.3505+495.8681+834.7868+80.6576=2290.663kN

腹孔下部

1号横墙:

P=[7.3861-（0.5*1+3.14*0.5²/2）/9]*0.6*25=109.304kN

2号横墙:

P=[3.0438-（0.5*1+3.14*0.5²/2）/9]*0.6*25=44.1695kN

3号横墙:

P=（0.3294+0.45089/2）*（14.1162-13.6662）*2*25=12.4840125kN

腹孔集中力

P13=2290.663+109.304=2399.967kN

P14=2290.663+44.1695=2334.8325kN

P15=（2290.663-80.6576）/2+12.4840125=1117.4867kN

（4）拱上实腹段（见图11）

拱顶填料及桥面系重P16=l*hdγ1B0=13.6662*0.5*22*9=1352.9538kN

悬链线曲边三角形

P17=lf1（shkξ-kξ）γ2B0/[2（m-1）k]=80.97*15.92065/[2*（2.514-1）*1.572999]

*（sh0.53098512-0.5