公路钢管混凝土拱桥毕业设计.docx
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公路钢管混凝土拱桥毕业设计
摘要
钢管混凝土拱桥由于具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、经济效果好和地基适应性强等优点，是发展前景广阔的一种组合桥梁结构。
目前钢管混凝土拱桥在我国已经历了十余年的发展，无论是其应用规模还是跨径增长的速度都是惊人的。
相对而言我国建设钢管混凝士拱桥的技术已经达到国际先进水平，我国对钢管混凝十拱桥的理论研究也取得了很多成果。
本设计根据任务书要求设计一中承式钢管混凝土拱桥。
中承式钢管混凝土拱桥美观且受力合理,但该种桥型设计参数较多,各参数相互关联,给设计工作带来了困难。
首先进行初步设计，即拟定所选方案桥型的具体尺寸以及相关参数。
主拱拱肋采用中承式抛物线无铰拱，主孔计算跨径100m，计算矢高25m，矢跨比1/4。
最重要的是主拱肋的截面尺寸，都是根据根据规范和相关的参考资料来拟定。
[8,9]
第二步就要进行结构计算，这其中最为关键的便是建模，最后的计算是否正确，在很大程度上取决于模型建得是否正确。
本设计利用“桥梁博士”软件计算，将建好的模型图导入软件，并将计算好的模型参数赋给模型结构单元。
添加约束后模型就宣告建立完成，进入计算阶段。
利用软件就可计算出结构各控制截面的内力。
完成上述工作后，便要进行结构验算，对于拱桥最重要的就是要验算拱圈截面承载力与拱圈的整体稳定性。
关键词：
钢管混凝土拱桥；中承式；有推力；结构计算
Abstract
Becauseofitsmeritsofhighcarryingcapacity,upstandingplasticityandtoughness,constructionconcenience,bettereconomiceffectandbetterfoundatiaonadaptability,theconcrete-filledsteeltube（CFST）archbridgesisoneofthebridgestructuresthathavebroadprospectsfordevelopment.Thedevelopmenthistoryoftheconcrete-filledsteeltubarchbridgeismorethantenyearsinourcountry,weareallsurprisedtoitsapplicationrangeorincreaseinspan.Oppositeandspeechourcountrybuildthearchbridgetechniqueofthesteelpipeconcretehavealreadyattainedinternationaladvancedlevel,ourcountrytothetheoryofthesteelpipeconcretearchbridgetheresearchalsoobtainedanequalresult.
Thisdesignaccordingtothespecificationrequirementstodesignahalf-throughconcretearchbridge.Half-throughconcretearchbridge,beautifulandstressisreasonable,butthebridgedesignparameters,theparametersarerelatedtodesignwork,bringsdifficulties.
First，startingpreliminarydesign,namelytheelaborationoftheselectedprogrammesbridgethespecificsizeandtherelevantparameters.TheBridgearch-archribsforuseintheparabolalineswithouthingearch,themainholecalculationSpan100m,calculatedvectorhigh25m,vector-than1/4.UltimatelytotheArchBridgeisthemainsectionsize,areinaccordancewiththenormsandrelevantreferencematerialstodevelop.
Thesecondsteptocarryoutstructuralterms,thisisthemostcrucialmodeling,thefinalcalculationiscorrect,largelydependsonthemodelbuiltiniscorrect.Thedesignofthe"DoctorBridge"software,willbebuiltintoagoodmodelofsoftwareandcomputingmodelparametersassignagoodmodelunit.Addabindingdeclarationonthemodelestablishedafterthecompletionofphaseintothecalculation.Calculatetheimpactofusingsoftwarecancalculatetheinternalstructureofthecontrolsection.
Afterthecompletionofthework,theywillhavetocarryoutstructuralchecked,thearchbridgethemostimportantthingistobecheckedArchArchsectionofultimatebearingcapacityandstability.
Keywords:
steelpipeconcretearchbridge;half-through;havethrust;structuralcalculations
1.引言
拱桥是人类最早也是最广泛使用的桥型之一。
世界各文明古国，都有建造拱桥的悠久历史，其中以中国和古罗马的成就最高。
如建于隋唐时期的赵州石拱桥，已有1300多年历史，至今依然完好。
保留至今的古代名桥大多数为拱桥，说明拱桥是一种最为坚固耐用的桥型。
[8,9]
拱桥是主要承重结构是拱圈或拱肋，拱结构在竖向荷载作用下，桥墩和桥台将承受水平推力。
墩台向拱圈或拱肋提供一对水平反力，这种水平反力将大大抵消在拱圈（或拱肋）内由荷载所引起的弯矩。
因此，与同跨径的梁相比，拱的弯矩、剪力和变形都要小得多，鉴于拱桥的承重结构以受压为主，通常用抗压能力强的圬工材料和钢筋混泥土等来建造。
所以我国山区道路上的中、小跨径桥通常都是石拱桥。
据统计，我国公路桥梁60%为拱桥。
拱桥不仅跨越能力很大，而且外形美观，在条件许可的情况下，修建拱桥往往是经济合理的。
在200～600m跨径范围内拱桥都有相当大的竞争优势。
在城市桥梁和平原地区通航河流上，中承拱往往颇受青睐，因为它可降低桥高，矢跨比大，可减少推力；桥面建筑高度小，可缩短桥长；造型美观，为城镇增添景色；造价也较低。
因此这种桥型应当有着十分广阔的发展前景。
其中，钢管混凝土结构在我国的兴建方兴未艾，跨径在不断突破，型式在不断创新，技术在不断提高。
[8,9,13,14]
“钢管混凝土"是“钢管套箍混凝土”（SteelTube．ConfinedConcrete）的简称，英文缩写为STCC，其应用最广的是圆钢管混凝土。
钢管的套箍作用大大提高了混凝土的塑性性能，使得混凝土，特别是高强混凝土脆性的弱点得到克服。
另一方面，混凝土填充于钢管之内，增强了钢管的管壁稳定性，刚度也远大于钢结构，使其整体稳定性也有了极大的提高。
因此，钢管混凝土材料应用于以受压为主的构件中，较之钢结构和混凝土结构有着极大的优越性。
其中，中承式有推力钢管混凝土拱桥，典型代表为重庆巫山长江大桥，它不仅是钢管混凝土中承式拱桥中跨径最大，而且也是钢管混凝土拱桥和钢筋混凝土拱桥跨径最大的。
主跨跨径460m，净矢跨比1/3.8，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.55。
桥面行车道净宽15m。
拱肋采用四管桁式变截面断面，拱顶高7m，拱脚截面径向高14m。
主拱肋弦管采用中1220×22mm的钢管，内填C60混凝土。
设计的施工方案为缆索吊装。
[8]
本课题设计目的是综合学习桥梁结构选型、结构优化的技能和方法，学会运用桥梁设计软件（桥梁博士）进行一中承式钢管混凝土拱桥结构分析和设计。
2.设计资料与技术标准
2.1技术标准
1）公路等级：
双向四车道一级公路
2）设计速度：
80Km/h
3）设计荷载：
公路—I级，人群2.75kN/m2
4）桥梁净宽：
净－15m＋2×1.5m；
5）栏杆高度：
1.5m；
6）设计洪水频率：
1／100；
7）地震基本烈度：
7度；
8）通航标准：
Ⅳ级航道（通航净高8m，净宽50m）；
9）桥面横披：
1.5％，双向设置；
10）设计计算的温度荷载，升温按20°C考虑，降温按-20°C考虑；
收缩徐变计算的终止时间按成桥后3650天计算；
其他另见相关资料。
2.2设计规范
1）《公路工程技术标准》JTGB01-2003；
2）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2004）；
3）《公路圬工桥涵设计规范》（JTGD61—2005）；
4）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）；
5）《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：
90）；
6）《钢管混凝土拱桥设计规范》（校审稿）；
7）《钢管混凝土拱桥技术规程》（福建省工程建设地方标准征求意见稿）；
8）《钢结构设计规范》（GB50017—2003）；
9）《公路桥梁抗震设计细则》（JTG／TB02-01—2008）
10）《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）
3.结构初步设计
3.1结构总体布置拟定[5,6,7,8,9,22]
为保证其刚度，中承式拱桥的拱肋一般采用无铰拱。
中承式拱桥的桥跨结构一般由拱肋、横向联系、立柱、吊杆和桥面系等组成。
3.1.1拱肋
拱肋截面初拟参考相关规范和已建钢管混凝土拱桥。
由于拱肋的恒载分布比较均匀，因此拱轴线一般采用二次抛物线，也可以采用低拱轴系数的悬链线。
钢管混凝土拱常用的矢跨比，中承式为1/3.5-1/5。
已建同类型拱桥多采用1/4。
中承式拱桥的桥道系位置fl/f（f1为桥道系以上拱肋的矢高，f为拱肋的总矢高）一般宜在0.65-0.57之间；从协调美观的角度出发，宜优先考虑0.618的黄金分割比例。
可以为等截面或变截面。
当跨径小于120m时，宜选用单圆式或哑铃式。
拱肋钢管直径一般随主拱跨径增大而增大，常用直径为600mm-1200mm。
拱肋钢管的壁厚不宜小于12mm，钢管的外直径与壁厚之比宜在35≤D/t≤90（235/fy）范围内选用，约束效应系数设计值不宜小于0.60，常用的截面含钢率αs宜在0.05-0.08之间。
哑铃形钢管混凝土肋拱的钢管直径D一般为50-150cm，以75-110cm最多；D/L为1/200-1/60；高度H为140-375cm，以180-250cm为多；H/L=1/72-1/30；D/H=1/3.26-1/2,以1/2.5居多；钢板厚在8-24mm之间，常用的有10mm、12mm、14mm、16mm。
拱肋截面高度尺寸可按式进行初步估算：
（3-1）
式中：
H——拱肋高度（m）；
L0——拱肋净跨径（m）；
k1——荷载系数，对公路II级为0.9，对公路I级为1.0。
k2——行车道系数，当设计车道为2或3行车道时可取0.9，当设计车道为4行车道时可取1.0；当设计车道为6行车道时可取1.1。
拱肋截面的宽度与拱肋截面形式有关，一般可取其高度H的0.4～1.0倍，此宽高比值随拱肋高度的增大而取用低值。
3.1.2横向联系
除了无风撑拱和单肋拱，拱肋间宜设置适当数量的横撑，以保证拱的横向稳定性。
横撑一般采用空钢管结构，当拱肋为腹腔内填有混凝土的传统哑铃形截面时，横撑通常采用单圆管，管的直径与壁厚可以与拱肋钢管相同。
常用的横撑有一字式、K式、X式、米字式等。
横撑的构造与拱肋截面相适应，常用的有单圆管、哑铃形、单片桁式或空间桁式，横撑的宽度≥1/15横撑长度。
中承式拱桥，拱脚段拱肋横向之间可设置剪刀撑，以加强横向稳定性，同时降低结构重心，减小横向地震力作用。
中承式拱的桥面与拱肋交界处风撑，可采用该处的横梁，也可以单独设立。
3.1.3立柱
中、上承式钢管混凝土拱桥的立柱，可采用钢管混凝土构件或钢筋混凝土构件。
立柱与钢管混凝土拱肋与立柱盖梁要有可靠的联接。
对于钢管混凝土立柱，其下端可接与拱肋钢管焊接固结，为便于安装可设置柱脚。
上端可焊接于预埋在盖梁底的钢板。
对于钢筋混凝土立柱，可通过钢筋伸入柱脚和盖梁的钢筋来锚固，钢筋伸入长度应满足锚固长度要求，钢筋截面积不应小于立柱混凝土计算截面积的0.4%。
对于钢筋混凝土立柱，其下端应通过其主筋与焊接于主拱肋上的钢板焊接，形成固结，上端与盖梁的连接可按一般钢筋混凝土构件处理。
3.1.4悬挂结构
悬挂结构包括吊杆和桥面系等。
中下承式拱桥的悬吊部分的桥面系与悬索桥的桥面系有相似之处，因此设计中可以借鉴悬索桥桥面系的构造，比如桥面系与拱肋相交处设置可以沿纵向伸缩、但在横向限位的支座。
3.1.4.1吊杆
吊杆根据其构造分为刚性吊杆和柔性吊杆两类。
吊杆的间距一般根据构造要求和经济美观等因素决定,一般取为4m～10m，通常吊杆取等间距。
刚性吊杆可以增强拱肋的横向刚度，但用钢量大，施工程序多，工艺复杂。
柔性吊杆采用圆钢、高强钢丝或钢绞线制作。
高强钢丝做的吊杆通常采用镦头锚，粗钢筋则采用轧丝锚与拱肋、横梁相连，钢绞线索采用φ7平行或半平行钢绞线配夹片群锚。
钢管混凝土中承式拱桥一般采用柔性吊杆。
3.1.4.2桥面系
桥面系由横梁、纵梁、桥面板组成。
钢管混凝土拱桥桥道系以横梁支承桥面板（梁）为主，常见的桥面板（梁）有简支体系、连续体系和先简支后连续体系。
中下承式钢管混凝土拱桥的悬吊桥道系桥，不宜采用简支体系，宜采用连续体系或先简支后连续体系，且应设加劲纵梁；或采用纵横梁组成的整体结构。
中承式拱的悬吊部分的桥道系，宜采取横向限位措施。
中下承式钢管混凝土拱桥的悬挂桥道系部分，桥面板与横梁之间除伸缩缝处设支座外，其余以不设支座为宜。
3.1.4.3横梁
中承式拱桥桥面横梁可分为固定横梁（肋间横梁）、普通横梁（吊杆横梁）及刚架横梁（立柱横梁）三类。
对中承式拱桥，主拱跨径在60-80m时，横梁间距在5m附近；而跨径在80-250m时，横梁间距在5-8m之间。
横梁的高度可取拱肋间距（横梁跨径）的1/10～1/15,上缘宽度≥60cm。
横梁跨径在10m附近时，通常采用钢筋混凝土构造；在20m附近时，则应采用预应力构造。
立柱横梁一般采用矩形截面，吊杆横来那个在小跨径时采用矩形截面，跨径稍大后可采用工字形或土字形。
固定横梁：
桥面系与拱肋相交处的横梁，一般与拱肋刚性联结，其截面尺寸与刚度远比其他横梁大。
普通横梁：
通过吊杆悬挂在拱肋下的横梁。
刚架横梁：
通过立柱支承在拱肋上的横梁。
其受力计算可根据横梁与立柱的刚度之比，参照柱式墩台盖梁的计算方法确定计算图式。
当双立柱式的横梁与立柱的刚度比大于5时，横梁按简支梁计算，否则按框架计算。
横向力加大时，拱上建筑横向验算应将横梁视为刚架的一部分，进行刚架计算时不考虑拱肋变形对刚架受力的影响。
3.1.4.4加劲纵梁
以横梁受力为主的桥面系，其整体性较差，刚度也较小，因此应加强桥面系整体性与刚度的设计构造措施。
在桥面系的结构体系中，如果采用以纵梁为主的结构，则将能从根本上改变目前这种以横梁为主桥面系的许多弊端。
如果还是采用以横梁为主的桥面系，在桥面系中加设加劲纵梁是有效的措施之一。
当横梁为钢筋混凝土或预应力混凝土时，纵梁与横梁的连接构造较难处理一些。
较常见的做法是横梁预制时留有接头，加劲纵梁也采用预制，通过干接或湿接与横梁连接起来。
加劲纵梁截面尺寸参考相关已建拱桥。
3.1.4.5桥面板
桥面板可与纵梁连成整体，形成T梁或H梁，也可在预制的纵梁上现浇桥面板形成组合梁。
也可采用在横梁上密铺预制空心板或实心板来取代桥面板和纵梁两者的作用。
中承式的悬吊结构，桥面动力特性较差，因此应注意桥面板之间和桥面板与横梁之间的连接，以提高整体性和抗震防落梁的能力。
为减少伸缩缝，纵设的桥面板可做成成结构简支、桥面连续或是结构连续（先简支后连续梁）。
先简支后连续的做法，比结构简支桥面连续要好。
先简支后连续的连续长度，一般中承式以固定横梁为界。
在活载作用下的设计计算中，立柱横梁上支承德桥面板可不计拱肋的变形按连续梁计算，在吊杆横梁处则视为弹性支撑连续梁。
为减小横梁和横向联系的跨度，通常将人行道布置在吊杆的外侧。
在布置行车道时，必须注意在适当位置设横向断缝，以避免由于拱肋的变形而导致桥面被拉坏。
行车道的断缝可设于跨度中部，也可设于边上。
3.2截面尺寸拟定[5,6,7,8,9,22]
3.2.1拱肋
主桥为跨径为100m中承式钢管混凝土拱桥。
主拱两片拱肋，采用中承式二次抛物线无铰拱，主孔计算跨径100m，计算矢高25m，矢跨比1/4,拱肋全高2m，为哑铃形截面，上下圆管各为两根Φ800mm×12mm的Q345qC钢管。
上下圆管为两根并列钢管间用12mm厚Q345qC腹板连接，圆管与腹板中均灌注C50微膨胀混凝土。
拱肋截面高度为2m，宽度0.8m两肋中心距离为16m，共设5道一字横撑。
横撑为直径Φ500mm、厚12mm的单圆钢管。
拱肋采用自架设施工，钢管分5段安装。
在拱肋内部砼达到强度后再进行立柱盖梁施工，立柱盖梁采用现浇法施工。
桥面板为预制空心板，根据不同施工段采用先简支后连续的方法施工。
桥面板上采用6cm厚沥青砼铺装层。
在钢管拱肋和高立柱施工阶段，采用扣索和横向缆风索增强其稳定性。
支座采用板式橡胶支座。
在桥面板与两岸路堤连接处设置伸缩装置，桥面板与横梁之间除伸缩缝处设支座外，其余不设支座。
主拱肋横断面图如下：
图3-1主拱肋横断面图（单位：
mm）
主拱肋横撑断面图：
图3-2主拱肋横撑断面图（单位：
mm）
3.2.2立柱
立柱采用钢筋混凝土立柱，立柱截面为800mm×600mm。
断面图如下：
图3-3立柱截面图（单位：
cm）
3.2.3吊杆
吊杆采用φ7平行钢绞线，吊杆钢索均采用高密度聚乙烯（PE护套）保护。
两端配置夹片群锚，上端为张拉端，锚于拱肋顶端，下端为固顶端，锚于横梁内，每5米设一对吊杆，共15对。
拟截面面积A=0.00322m2。
3.2.4横梁
本桥拱肋横向中心距为16m，此即为吊杆的横向间距，因此横梁计算跨径亦为16m，横梁为预应力混凝土结构，横梁全长18m，端部梁高1m，跨中梁高1.5m。
横梁端部截面尺寸如图所示：
图3-4横梁端部截面（单位：
cm）
横梁跨中截面尺寸如图所示：
图3-5横梁端部截面（单位：
cm）
横梁外形尺寸如图所示：
图3-6横梁外形尺寸图（单位：
cm）
3.2.5加劲纵梁
加劲纵梁为预应力钢筋混凝土构件。
钢束为OVM钢绞线，每束7Φ5mmOVM15—7低松弛钢绞线。
钢绞线标准强度为Ryb=1860MPa.
纵梁在主拱肋处断开，与拱肋搭接。
上承式部分加劲纵梁与端横梁搭接。
图3-7加劲纵梁截面（单位：
cm）
3.2.6桥面板
桥面系由桥面板、桥面铺装组成，桥面板为跨径5m混凝土空心板，高45cm，先简支后连续支承于横梁上。
桥面铺装共厚16cm,包括10cm厚C30水泥混凝土现浇层及6cm厚的沥青混凝土层。
桥面横坡取1.5%。
桥面板截面尺寸如图：
图3-8桥面板截面（单位：
cm）
4.结构计算
对上部结构的静力平面计算，采用桥梁博士程序进行平面建模。
模型包括拱肋、立柱、加劲纵梁、吊杆，桥面板、桥面铺装、管线栏杆等二期恒载换算为荷载，加载在结构上。
平面模型如图所示。
作用于平面结构上的竖向荷载，按杠杆法进行分配。
在结构的静力分析中不考虑非线性因素的影响。
桥梁主要构件的计算中，拱肋、立柱、加劲纵梁等均采用平面梁单元建模，分6个施工阶段进行受力分析。
首先建立坐标系，然后进行单元划分，输入单元的材料特性值与截面特性值后赋给相应的单元，最后添加约束，模型就创建完毕。
对实体拱肋，采用一根杆单元来模拟拱肋；横梁、横撑、纵梁、桥面板、立柱等也可模拟为杆单元；吊杆、系杆截面抗弯刚度较小，可模拟为链杆。
4.1建立坐标系
图4-1模型坐标系
如上图，以水平向右为X轴方向，以竖直向上为Y轴方向，左沿拱脚为原点建立坐标系。
确定拱轴线方程。
主桥为抛物线拱桥，根据已确定的的信息计算得拱轴线方程为：
（4-1）
4.1.1单元划分
主拱肋为典型的平面结构，采用桥梁博士程序进行平面建模型。
将拱肋、拱上立柱、吊杆、纵梁等结构划分为单元。
模型中采用了189个单元，186个节点号。
各构件截面单元号见下表。
表4-1平面模型各构件截面单元号汇总表
控制截面
加劲纵梁
拱肋
长立柱
短立柱
盖梁
吊杆
单元号
1-60
61-160
161-164
165-170
171-174
175-189
各单元节点的坐标如下表：
表4-2单元节点坐标表
单元号
节点号
X（m）
Y（m）
单元号
节点号
X（m）
Y（m）
单元号
节点号
X（m）
Y（m）
单元号
节点号
X（m）
Y（m）
1
1
0
-0.3
49
49
80
-0.3
97
98
36
13
145
146
84
3.44
2
1
-0.3
50
81
-0.3
99
37
13.3
147
85
2.75
2
2
1
-0.3
50
50
81
-0.3
98
99
37
13.3
146
147
85
2.75
3
4
-0.3
51
84
-0.3
100
38
13.6
148
86
2.04
3
3
4
-0.3
51
51
84
-0.3
99
100
38
13.6
147
148
86
2.04
4
5
-0.3
52
85
-0.3
101
39
13.8
149
87
1.31
4
4
5
-0.3
52
52
85
-0.3
100
101
39
13.8
148
149
87
1.31
5
6
-0.3
53
86
-0.3
102
40
14
150
88
0.56
5
5
6
-0.3
53
53
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