钢管拱梁组合体系桥完整计算书DOC.docx
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钢管拱梁组合体系桥完整计算书DOC
一、工程概况
跨径布置为1-69m，上部结构采用下承式钢箱梁系杆拱。
钢箱梁纵向为等梁高设计，横断面采用单箱六室截面，横向中心线处高1.6m，向两侧设置1.5%的横坡，人行道反向2.0%的横坡，两横坡交汇处设置桥面泄水管。
钢箱梁纵向共划分为8个梁段，起终的两个梁段箱梁顶、底板及纵隔板厚均为28mm，横隔板厚24mm；其余梁段箱梁顶、底板及纵隔板厚均为16mm，横隔板厚14mm。
钢箱梁宽度为等宽25.0m。
主拱采用矩形截面，宽1.2m，高1.6m。
拱轴线为复合抛物线：
小桩号侧21m为2.8次抛物线，大桩号侧44m为1.7次抛物线。
拱矢高18.0m（拱面内高度），跨度65m，拱面内矢跨比约为1/3.61，拱轴线垂直于平面。
顶、底板及腹板厚度相同，两拱脚段采用28mm厚钢板，其余段均采用24mm厚钢板。
本桥共设置11对吊杆。
吊杆与桥轴水平面夹角为60度，吊点中心距为5m，关于桥梁中心对称布置，均采用单吊索。
吊杆采用HDPE护套平行钢丝索，上端钢箱拱内为冷铸锚头，下端钢箱梁底为可张拉式冷铸锚头，均在梁端进行单端张拉。
考虑到疲劳、吊装、及可更换性，吊索设计安全系数大于3.0。
下部结构采用薄壁桥台、桩基础。
每个桥台承台下设12根Φ1.5m桩基，桩顶承台厚2.0m，长25.0m、宽6.25m。
桥梁的起止桩号为K0+134.875～K0+209.125，全桥长为74.25m。
二、主要技术标准
1、道路等级：
城市支路；
2、设计荷载：
汽车荷载：
城—A级；
人群荷载:
按照《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）第10.0.5条计算取值；
3、设计行车速度：
30km/h；
4、车道数：
双向四车道；
5、桥面路幅分布：
2.5m（人行道）+2.5m（拉索区）+7.5m（机动车道）+7.5（机动车道）+2.5（拉索区）+2.5m（人行道）=25m；
6、地震基本烈度：
桥位所在区域地震动峰值加速度为0.05g，为6度区，抗震措施满足7度区设防要求；
7、桥梁横坡：
双向1.5％，人行道位置反向2.0%；
8、水文：
设计水位21.500m；
9、通航:
本桥无通航要求，仅考虑游船通行。
10、桥梁环境类别：
Ⅰ类；
11、桥梁设计安全等级：
一级，结构重要性系数γ0=1.1；
12、设计基准期：
100年。
三、设计规范
3.1《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）
3.2《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）
3.3《城市桥梁桥面防水工程技术规程》（CJJ139-2010）
3.4《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）
3.5《公路圬工桥涵设计规范》（JTGD61-2005）
3.6《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）
3.7《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）
3.8《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）
3.9《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008
3.10《公路桥涵施工技术规范》（JTJ/TF50-2011）
3.11《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01—2004）
3.12《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）
3.13《碳素结构钢》（GB/T700-2006）
3.14《厚度方向性能钢板》（GB/T5313—2010）
3.15《公路桥涵钢结构和木结构设计规范》（JTJ025-86）
3.16《工程建设标准强制性条文（城市建设部分）》（2002年版）
四、主要材料及计算参数
4.1、钢材
1、Q345qD钢材：
用于钢箱梁、钢箱拱，需满足《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）标准。
2、Q235B钢材：
用于附属设施及辅助结构，需符合《碳素结构钢》（GB/T700-2006）标准。
3、高强钢丝：
吊杆采用镀锌高强平行钢丝，技术条件必须符合GB/T18365-2001标准，强度标准值为1670MPa。
4.2、普通钢筋：
设计采用HRB400、HPB300钢筋，HPB300钢筋其质量应符合《钢筋混凝土用钢第1部分：
热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2008）的规定，HRB400钢筋其质量应符合《钢筋混凝土用钢第2部分:
热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2007）的要求。
除特别说明外直径≥20mm的钢筋采用直螺纹连接，连接区段内的接头率不大于50%，并满足规范（JGJ107—2003/J257—2003）要求。
HPB300钢筋：
抗拉设计强度fsd≥250MPa，标准强度fsk≥300Mpa，弹性模量Es=2.1×105Mpa。
HRB400钢筋：
抗拉设计强度fsd≥330MPa，标准强度fsk≥400Mpa，弹性模量Es=2.0×105Mpa。
4.3、混凝土：
伸缩缝处采用C50细石子混凝土，支座垫石采用C40混凝土，桩基、承台、桥台采用C30混凝土、承台垫层采用C20混凝土，桥面铺装采用沥青混凝土。
C20混凝土：
轴心抗压强度设计值fcd=9.2Mpa，轴心抗拉强度设计值ftd=1.06Mpa，弹性模量Ec=2.55x104Mpa。
C30混凝土：
轴心抗压强度设计值fcd=13.8Mpa，轴心抗拉强度设计值ftd=1.39Mpa，弹性模量Ec=3.0x104Mpa。
C40混凝土：
轴心抗压强度设计值fcd=18.4Mpa，轴心抗拉强度设计值ftd=1.65Mpa，弹性模量Ec=3.25x104Mpa。
C50混凝土：
轴心抗压强度设计值fcd=22.4Mpa，轴心抗拉强度设计值ftd=1.83Mpa，弹性模量Ec=3.45x104Mpa。
五、计算荷载取值
5.1永久作用效应
5.1.1一期荷载
结构自重：
钢材78.5kN/m3；钢筋混凝土25kN/m3；沥青混凝土24kN/m3；主梁各个构件均按实际重量加载。
5.1.2二期恒载（详见下表）：
取纵向桥长1m的荷载，计算如下
二期恒载计算表
位置
项目
体积（m3）
重量（kN）
两侧人行道系
（B=4.75～10.75m）
3cm厚彩色人行道方砖
0.03B
0.72B
1cm厚1:
3水泥砂浆
0.01B
0.24B
8cm厚C50混凝土铺装
0.08B
1.92B
人行道外侧栏杆
0.345
两侧拉索区
（3.75m）
6mm橡胶沥青砂胶
0.0225
0.52
8cm厚C50混凝土铺装
0.3
7.5
人行道内侧栏杆
1.14
防撞栏杆
0.75
行车道
（15.0m）
9cm沥青砼
1.35
31.05
8cm厚C50混凝土铺装
1.2
30.0
5.2可变荷载效应
5.2.1汽车荷载效应
①车道荷载车道荷载：
城－A级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5kN/m；69m主跨集中荷载标准值按规范取为Pk＝360kN。
计算剪力效应时，集中荷载标准值Pk应乘以1.2的系数。
多车道按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）表4.3.1-4进行横向折减。
冲击系数：
车道荷载冲击系数根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）第4.3.2条取值计算。
5.2.2人群荷载
按《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）10.0.5条，每平米人群荷载值W＝（4.5-2×（69-20）/80）（（20-2.5）/20）＝2.87kN/m2。
5.2.3整体温度作用
按结构整体升温25℃、降温25℃计算。
5.2.4汽车制动力
单车道采用165kN或者10%车道荷载，本桥为四车道，采用单车道的2.68倍并取两者中的较大值，但不包括冲击力。
5.2.5风荷载
按照按照《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）主要参数取值如下：
风荷载参数取值表
Wd
0.35KPa
百年一遇基本风压
地表类别
B类
平坦开阔地
设计风速重现期换算系数K0
1.0
单孔跨径标为大桥
风载阻力系数K1
1.3
地形、地理条件系数K3
1.0
一般地区
阵风风速系数K5
1.38
B类地表
5.3计算模型中各具体值的计算过程
5.3.1自重
钢箱梁自重中对纵梁截面进行了重量折减，即减去了顶、底板的重量，以使纵横、梁单元相加后与实际钢箱梁自重一致。
模型中钢箱拱横隔板单元按梁单元集中荷载的方式计算自重，每道隔板重1.8kN。
5.3.2二期恒载
二期恒载分为桥面铺装和人行道系，具体计算结果见下表：
部位
荷载值
（kN/m）
备注
行车道防撞护栏
0.75
单侧
人行道栏杆
1.12
单侧内外栏杆
人行道铺装
1.78
单侧
人行道枕梁+板
15.47
单侧
纵梁单元
单元宽度
（m）
8cm砼铺装
（kN）
9cm沥青砼铺装
（kN）
人行道系统
（kN）
行车道护栏
（kN）
不偏心二恒
（kN）
偏心二恒
（kN）
边纵梁1
2.49
4.99
18.36
23.35
边纵梁2
2.75
5.50
5.94
0.75
11.44
0.75
中纵梁3
7.25
29.00
31.32
60.33
边纵梁4
2.75
5.50
5.94
0.75
11.44
0.75
边纵梁5
2.49
4.99
18.36
23.35
5.3.3温度荷载
系统温度：
体系整体升温25度，整体降温25度。
拱单元温度梯度荷载：
拱单元正温差10度，负温差10度。
吊杆单元温度：
吊杆单元升温15度，降温15度。
5.3.4风载
高度（m）
10
15
20
K0
1
1
1
K1
1.3
1.3
1.3
K2
1
1.07
1.12
K3
1
1
1
K5
1.38
1.38
1.38
W0
0.35
0.35
0.35
Wd
0.6665
0.7631
0.8361
FWh/AWh=
0.8665
0.9921
1.0869
AWh
1.60
1.60
1.60
拱单元FWh（kN/m）
1.4
1.6
1.7
乘以1.5系数（kN/m）
2.1
2.4
2.6
六、结构计算分析模型
上部结构采用midasCivil程序进行整体计算，因主梁采用支架施工，主梁仅验算成桥后的运营阶段，采用空间杆系理论进行计算。
下部结构桥台承台及桩基根据上部结构支反力计算结果采用自编表格进行分析验算。
桥梁上部结构的计算模型共有节点372个，单元495个。
钢箱梁按梁格法建模，钢箱拱按梁单元建模，吊杆按桁架单元建模，施工支架采用只受压的弹性连接模拟；模型中吊杆上节点与钢箱拱节点刚结，下节点与梁单元中纵梁单元刚结，钢箱梁模型中边界条件根据结构实际情况进行模拟,支座采用有刚度方向的一般弹性连接；三维模型及结构离散图见图6.1.1和图6.1.2。
图6.1.1结构三维模型图
图6.1.2结构离散图
整体模型的支座约束情况详见下表：
序号
支座编号
Ux
Uy
Uz
ROTx
ROTy
ROTz
1
A0台左
1
0
1
0
0
0
2
A0台中
1
1
1
0
0
0
3
A0台右
1
0
1
0
0
0
4
A1台左
0
0
1
0
0
0
5
A1台中
0
1
1
0
0
0
6
A1台右
0
0
1
0
0
0
注：
X方向为顺桥向，Y方向为横桥向，Z方向为竖向,0为放松，1为约束
在南卧路桥工程的施工阶段分析中，根据施工方案和流程，将施工过程简化模拟为4个子步骤，并采用时－序分析方法对结构进行分析，求解各时刻的效应和累计效应。
上部结构各施工阶段顺序如下表所示：
施工阶段
施工内容
持续时间
累计时间
CS1
搭设施工支架，施工钢箱梁、钢箱拱
150
150
CS2
张拉吊杆
30
180
CS3
拆除施工支架
30
210
CS4
施工二期恒载
30
240
七、结构计算分析结果
7.1支反力计算结果
1、成桥恒载支座反力如下：
2、活载最大支座反力如下：
3、活载最小支座反力如下：
4、标准值组合下最大支座反力如下：
5、标准值组合下最小支座反力如下：
由以上计算结果图可知，设计选择6.0MN型支座可满足设计要求。
7.2吊杆拉索计算结果
1、成桥恒载下吊杆索力
2、成桥活载下吊杆最大索力
3、成桥活载下吊杆最小索力
4、标准荷载组合下吊杆最大索力
5、标准荷载组合下吊杆及系杆拉索最小索力
设计选择吊杆为PES7-61高强度平行钢丝，破断索力为3920KN，由上计算结果图可知，吊杆的安全系数均大于3.0，满足设计要求。
7.3成桥阶段钢箱梁应力分析结果
1、成桥恒载作用下钢箱梁应力如下图：
2、活载作用下钢箱梁最大应力如下图：
3、活载作用下钢箱梁最小应力如下图：
4、标准组合作用下钢箱梁最大应力如下图：
5、标准组合作用下钢箱梁最小应力如下图：
由以上钢箱梁应力图可知，钢箱梁最大拉应力55.7MPa,最大压应力59.5MPa。
钢箱梁采用Q345qD钢板，最大板厚为28mm，按照《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）的规定，板厚折减系数为335/345=0.971。
弯曲应力允许值为210*0.971＝203.9MPa，故知钢箱梁应力满足要求。
7.4成桥阶段钢箱剪应力分析结果
1、成桥恒载作用下钢箱梁剪应力如下图：
2、活载作用下钢箱梁最大剪应力如下图：
3、活载作用下钢箱梁最小剪应力如下图：
4、标准值组合荷载作用下钢箱梁最大剪应力如下图：
5、标准值组合荷载作用下钢箱梁最小剪应力如下图：
由以上钢箱梁应力图可知，钢箱梁最大剪应力72.1MPa。
钢箱梁采用Q345qD钢板，最大板厚为28mm，按照《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）的规定，板厚折减系数为335/345=0.971。
剪应力允许值为120*0.971＝116.5MPa，故知钢箱梁应力满足要求。
7.5成桥阶段钢拱正应力分析结果
1、成桥恒载作用下钢箱拱正应力如下图：
2、活载作用下钢箱拱最大正应力如下图：
3、活载作用下钢箱拱最小正应力如下图：
4、标准组合作用下钢箱拱最大正应力如下图：
5、标准组合作用下钢箱拱最小正应力如下图：
由以上钢箱拱应力图可知，钢箱拱最大拉应力绝对值为48.7MPa,最大压应力111.6MPa。
钢箱拱采用Q345qD钢板，最大板厚为28mm，按照《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）的规定，板厚折减系数为335/345=0.971。
主拱圈轴线长度L=78.04m，计算长度按照规范对于无铰拱L0=0.36L=0.36x78.04=28.1m，截面回转半径为i=（0.1329/0.1641）^0.5＝0.9m，长细比λ=28.1/0.9=31.2。
查表得到纵向弯曲系数φ=1+（0.98-1）/（35-28）*（31.2-28）=0.99。
因此钢箱拱的轴应力容许值σ=200x0.971x0.99
=192.3Mpa，故知钢箱拱应力满足要求。
7.6上部结构总体稳定性分析结果
本桥的结构稳定性计算同样采用空间有限元法进行,结构的静力稳定性分析计算模型与结构整体计算模型相同。
计算时，考虑结构本身自重、二恒及吊杆力，活载采用整体计算模型中移动荷载追踪器得到的最不利活载，结构的稳定安全系数K定义为Pcr/PT,其中Pcr为结构的极限承载力，PT在成桥状态为运营阶段最不利荷载组合产生的效应值。
计算结果和第一失稳模态图如下所示。
成桥状态第一失稳模态为双拱同向侧弯,稳定安全系数k=11.1>4,满足要求。
从成桥状态下的失稳模态分析知，该桥具有良好的抗屈曲（即失稳）性能，主拱的强度和稳定均具有较大的安全度。
7.7上部结构变形计算结果
1、钢箱梁挠度计算
标准值组合下钢箱梁产生最大的挠度见下图：
由图可见，钢箱梁的最大挠度为32.7mm，钢箱梁理论跨径为67.0m，最大挠度为跨径的1/2049，满足1/600的要求。
为使桥面排水顺畅，按恒载+0.5活载挠度设置桥面预拱度，详值见下图（单位：
mm）：
正值为竖直向上。
2、钢箱拱挠度计算
因桥梁沿中心线对称，故选择前进方向左侧半拱列出如下表格，下图仅显示整体坐标系Z向位移值，负值表示拱轴线位移方向为竖直向下。
标准值荷载组合下最大挠度见下图：
为保证钢箱拱轴线符合设计值，按恒载+0.5活载挠度设置桥面预拱度，详值见图《南卧路桥钢箱拱预拱度建议值》。
八、下部结构验算结果
8.1桥台单桩桩顶反力计算
8.2桥台承台验算
由以上计算可知桥台承台验算均满足规范要求。
8.3下部桩基单桩承载力验算
本桥桩基持力层为粗砂砾砂层，地基承载力特征值为fak=450KPa，按摩擦桩进行设计。
8.3.1A0桥台桩长计算
根据南卧路桥地质资料验算A0桥台桩基。
A0桥台桩基桩径1.5米，共12根桩。
1、桩顶反力计算
A0桥台单桩桩顶反力根据规范综合上部荷载、桥台自身重量、承台重量、台后填土重量后得出为2482kN。
2、桩长计算
参数取值如下：
m0清底系数：
取0.7
K2容许承载力随深度的修正系数：
取2.5（持力层为粗砂砾砂，保守取值）
λ修正系数：
取0.7
γ2桩端以上各土层的加权平均重度：
取8KN/m3（透水性土，为浮重度）。
由以上计算表格得知最终取桩长为35.0米可满足要求。
8.3.2A1桥台桩长计算
因A1号台处地质钻孔深度仅8.72m，桩长参照已有地质资料暂定为40m。
九、结论
经以上验算及分析，结果表明本桥上部结构钢箱梁、钢箱拱、吊杆，下部结构桥台承台、桩基均满足规范要求。
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