系杆拱桥计算书.docx

1、系杆拱桥计算书一、说明 11.1 主要技术规范 11.2结构简述 11.3 材料参数 21.4 设计荷载 31.5 荷载组合 41.6 计算施工阶段划分 41.7 有限元模型说明 5二、主要施工过程计算结果 52.1 张拉横梁第一批预应力张拉工况 52.2 张拉系梁第一批预应力工况 62.3拆除现浇支架工况 72.4 架设行车道板工况 92.5 张拉第二批横梁预应力束工况 112.6 二期恒载加载工况 13三、成桥状态计算结果 163.1 组合一计算结果 163.2 组合二计算结果 173.3 组合三计算结果 173.4 组合四计算结果 183.5 组合五计算结果 19四、变形结算结果 21五

2、、全桥稳定性计算结果 23六、运营状态一根吊杆断裂状态计算结果 246.1 各荷载组合作用下计算结果 246.2持久状况承载能力极限状态验算 276.3全桥稳定性计算结果 27七、运营状态两根吊杆断裂状态计算结果 287.1 各荷载组合作用下计算结果 287.2持久状况承载能力极限状态验算 317.3全桥稳定性计算结果 32八、上构计算结论汇总 338.1施工过程主要构件应力计算结果 338.2成桥状态计算结果汇总 338.3断一根吊杆状态计算结果汇总 348.4断两根吊杆状态计算结果汇总 358.5各状态稳定性结果汇总 36九、主墩墩身及承台强度验算 369.1 墩身强度验算 379.2 承

3、台强度验算 39一、说明1.1 主要技术规范公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）(以下简称通用规范)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004）（以下简称桥涵规范）斜拉索热挤聚乙稀高强钢丝拉索技术条件 GB/T18365-2001公路桥梁抗风设计规范 JTG/T D60-01-2004公路桥涵地基与基础设计规范 JTG D63-20071.2结构简述1）主桥上部构造本桥结构形式为Lp=72m下承式钢筋混凝土简支系杆拱桥。拱肋的理论计算跨径为72m，计算矢高14.4m，矢跨比1/5，理论拱轴线方程为：Y=-14.4/1296*(X-36)2+14.4 (坐标原点为

4、理论起拱点)。主要结构构造为：（1）拱肋拱肋截面为矩形，高1.6m，宽1.2m，结构材料为钢筋混凝土。 （2）吊杆每榀拱肋设13根厂制吊杆，吊杆间距为5.0m。吊杆采用PES7-55高强镀锌平行钢丝成品索，外包双层高密度聚乙烯（PE）护套，配套锚具为PESM7-55，吊杆标准强度fpk=1670MPa，破断力Nb=3535kN，吊杆张拉采用单端张拉，张拉端设于吊杆底部，固定端设于拱肋端。吊杆力分两次张拉，第一张拉力为150KN,第二次张拉力为380KN。（3）加劲纵梁及横梁加劲纵梁采用预应力混凝土结构，其截面为矩形实体截面，高140cm，宽120cm。预应力钢束采用的s15.20mm高强度低松

5、弛钢绞线，标准强度fpk=1860Mpa，每根系梁布置10束10s15.20mm高强度低松弛钢绞线。全桥共设15道预应力混凝土横梁，其中有2道端横梁、13道中横梁(吊杆处横梁)。端横梁采用单箱单室截面，中横梁采用T形截面，牛腿处搁置桥面板。端横梁宽220cm， 中横梁翼缘宽120cm，底宽60cm。中横梁共布置4根4s15.2mm高强度低松弛钢绞线，端横梁布6根6s15.2mm。桥面板：桥面板采用预制桥面板，板厚25cm。1.3 材料参数（1）混凝土系杆、端横梁、中横梁采用C50混凝土；拱肋、风撑采用C40混凝土；盖梁、主墩立柱以及引桥的墩、台盖梁、墩柱、耳、背墙采用C30混凝土；主墩承台、桩

6、柱采用C25混凝土；主桥行车道板、引桥空心板分别采用C40和C50预制混凝；桥面铺装采用C40混凝土。(2) 预应力钢绞线系杆采用采用符合（GB/T5224-2003）标准的s15.2高强度低松驰度钢绞线，标准强度fpk=1860MPa。(3) 吊杆吊杆采用内芯为7mm镀锌高强钢丝束的成品拉索，型号为PES7-55。表1-1 材料计算参数表材料项 目参 数备注注C50系杆及横梁C40拱肋及风撑混凝土抗压设计强度fcd22.4MPa18.4 MPa抗拉设计强度ftd1.83MPa1.65 MPa抗压标准强度fck32.4MPa26.8 MPa抗拉标准强度ftk2.65MPa2.4 MPa抗压弹性

7、模量Ec34500MPa32500 MPa抗弯弹性模量Ec29325MPa27625 MPa0.85Ec混凝土参数计算材料容重26kN/m325KN/m3线膨胀系数1.010-51.010-5低松弛钢绞线s15.2标准强度fpk1860MPa控制张拉应力con1395MPa0.75fpk弹性模量Ep195000MPa锚具及波纹管钢束管道摩阻系数0.25钢束管道偏差系数k0.0015单端锚具变形及回缩值l0.006m1.4 设计荷载（1）恒载 主梁自重预应力混凝土容重26KN/m3，混凝土按照25KN/m3，程序依据混凝土主梁截面面积自动进行加载。二期恒载桥面铺装：10cm现浇混凝土层和10cm

8、沥青混凝土铺装层按照线性荷载分布到各纵梁上，容重按照24KN/m3 考虑。单侧护栏按照10.6kN/m加载于主梁上。端横梁上空心板荷载共四片13米跨径空心板，边板边支点反力298.9KN,中板边支点反力325.5KN。 （2）汽车荷载汽车荷载等级为公路II级，按照单向1车道加载；冲击系数按公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）相关规定计算，程序中按照结构基频方法输入，本桥基频为7.2Hz。（3）人群荷载按2.5KN/m计算人群荷载。（4）附加力温度作用： 混凝土体系升温20 oC、降温20 oC（5）风载：与活载组合的风力按桥面高度处风速25m/s计算。工程场地桥位地表粗糙度系数，阵

9、风系数。1.5 荷载组合成桥状态分析，共考虑以下几种荷载组合：组合一：恒载+人群荷载+活载组合二：恒载+人群荷载+活载+温度荷载（升温20 oC）+静风荷载（横向风，25m/s）组合三：恒载+人群荷载+活载+温度荷载（降温20 oC）+静风荷载（横向风，25m/s）组合四：恒载+人群荷载+活载+温度荷载（升温20 oC）+静风荷载（纵向风，25m/s）组合五：恒载+人群荷载+活载+温度荷载（降温20 oC）+静风荷载（纵向风，25m/s）1.6 计算施工阶段划分表1-2 施工阶段划分表步骤名称结构组边界组荷载组激活钝化激活钝化激活现浇系梁系梁组支架端横梁-系梁临时支架弹性连接-自重安装第一批横

10、梁横梁组-横梁所有预应力张拉系杆第一批预应力-系梁第一批预应力支架现浇拱肋拱肋组风撑组-张拉第二批系梁钢束-系梁第二批预应力挂索索组-吊索第一次张拉-一张索力（150KN）拆除支架-支架结构支座系梁临时支架弹性连接-架设行车道板车道梁组-桥面板连接-张拉横梁第二批预应力吊索第二次张拉-二张索力（380KN）二期恒载车道-栏杆荷载桥面铺装空心板荷载人群荷载1.7 有限元模型说明计算依据桥梁施工流程划分结构计算阶段，按设计的施工方法模拟计算步骤，采用MIDAS2006程序按平面杆系进行结构分析。全桥共离散为952个单元，1056个节点。结构计算模型如图。图1.1 全桥有限元模型图二、主要施工过程计

11、算结果2.1 张拉横梁第一批预应力张拉工况图2.1 横梁上缘应力图(KN/ m2)图2.2 横梁下缘应力图(KN/ m2)2.2 张拉系梁第一批预应力工况图2.3 系梁上缘应力图(KN/ m2)图2.4 系梁下缘应力图(KN/ m2)2.3拆除现浇支架工况图2.5 系梁上缘应力图(KN/ m2)图2.6 系梁下缘应力图(KN/ m2)图2.7 横梁上缘应力图(KN/ m2)图2.8 横梁下缘应力图(KN/ m2)图2.9 拱肋上缘应力图(KN/ m2)图2.10 拱肋下缘应力图(KN/ m2)2.4 架设行车道板工况图2.11 系梁上缘应力图(KN/ m2)图2.12 系梁下缘应力图(KN/

12、m2)图2.13 横梁上缘应力图(KN/ m2)图2.14 横梁下缘应力图(KN/ m2)图2.15 拱肋上缘应力图(KN/ m2)图2.16 拱肋下缘应力图(KN/ m2)2.5 张拉第二批横梁预应力束工况图2.17 横梁上缘应力图(KN/ m2)图2.18 横梁下缘应力图(KN/ m2)2.6 第二次张拉吊杆工况图2.19 系梁上缘应力图(KN/ m2)图2.20 系梁下缘应力图(KN/ m2)图2.21 横梁上缘应力图(KN/ m2)图2.22 横梁下缘应力图(KN/ m2)图2.23 拱肋上缘应力图(KN/ m2)图2.24 拱肋下缘应力图(KN/ m2)2.6 二期恒载加载工况图2.

13、25 系梁上缘应力图(KN/ m2)图2.26 系梁下缘应力图(KN/ m2)图2.27 横梁上缘应力图(KN/ m2)图2.28 横梁下缘应力图(KN/ m2)图2.29 拱肋上缘应力图(KN/ m2)图2.30 拱肋下缘应力图(KN/ m2)各关键施工阶段主要构件应力结果汇总如表2-1所示：表2-1 各施工阶段主要构件应力汇总表工况名称主要构件构件应力（Mpa）拉应力验算系杆横梁拱肋上缘下缘上缘下缘上缘下缘张拉第一批横梁预应力筋max-0.441.011.070.7ftk=1.855满足要求min-3.44-3.41张拉系杆第一批预应力max-2.980min-5.19-5.63拆除支架m

14、in-5.36-0.82-0.450.97-1.81-0.670.970.7ftk=1.855满足要求max-7.77-9.41-3.38-3.37-3.43-4.43架设行车道板min-4.47-1.56-0.481.19-2.31-0.411.190.7ftk=1.855满足要求max-7.53-9.54-3.63-2.36-4.06-4.77张拉横梁第二批预应力max-4.47-1.560-0.01-2.31-0.41min-7.53-9.54-4.9-8.3-4.06-4.77吊索第二次张拉max-5.3-1.600-0.88-1.38min-8.13-8.72-5.78.22-4.0

15、2-6.70二期恒载max-4.94-0.38-0.690-2.1-1.22min-7.1-8.07-5.2-6.56-4.78-6.76注：表中正值为拉应力，负值为压应力。三、成桥状态计算结果各荷载组合作用下，系杆、主梁、拱肋应力计算结果3.1 组合一计算结果图3.1 主要构件上缘应力包络图(KN/m2)图3.2 主要构件下缘应力包络图(KN/ m2)结论：组合一荷载作用下，系杆、横梁、拱肋正应力均为压应力，最大压应力为8.4MPa。3.2 组合二计算结果图3.3 主要构件上缘应力包络图(KN/ m2)图3.4 主要构件下缘应力包络图(KN/ m2)结论：组合二荷载作用下，系杆、横梁、拱肋正

16、应力均为压应力，最大压应力为8.5MPa。3.3 组合三计算结果图3.5 主要构件上缘应力包络图(KN/ m2)图3.6 主要构件下缘应力包络图(KN/ m2)结论：组合三荷载作用下，系杆、横梁、拱肋正应力均为压应力，最大压应力为8.6MPa。3.4 组合四计算结果图3.7 主要构件上缘应力包络图(KN/ m2)图3.8 主要构件下缘应力包络图(KN/ m2)结论：组合三荷载作用下，系杆、横梁、拱肋正应力均为压应力，最大压应力为8.8MPa。3.5 组合五计算结果图3.5 主要构件上缘应力包络图(KN/ m2)图3.6 主要构件下缘应力包络图(KN/ m2)结论：组合三荷载作用下，系杆、横梁、

17、拱肋正应力均为压应力，最大压应力为8.4MPa。3.6 系杆、横梁、拱肋持久状况承载能力极限状态计算按承载能力极限状态检算时，荷载组合及荷载安全系数按规范JTG D602004规定进行，最大抗力与对应位置内力对比如下图示： 图3.7 系杆承载能力（最大抗力及对应内力）图图3.8 端横梁承载能力（最大抗力及对应内力）图图3.9 中横梁承载能力（最大抗力及对应内力）图图3.10 拱肋承载能力（最大抗力及对应内力）图由图3.7可知，主梁、及横梁正截面抗弯承载系数均大于1，满规范足要求。3.5 支点反力表3-2 墩顶支座反力表墩柱编号恒荷载（KN）组合一(最大)（KN）组合二(最大)（KN）组合三(最

18、大)（KN）组合四(最大)（KN）组合五(最大)（KN）最大值（KN）选用支座型号172565745974597565GPZ（）8.027196746675727572746674667572GPZ（）8.0372559746374637559GPZ（）8.0472566746974697566GPZ（）8.0结论：由表3-2可知，各支座应选型合适。3.5 索力计算结果表3-3 各荷载组合下索力表索号恒载索力活载索力主要组合破断力安全系数maxminmaxmin1443267.312475396.813488446.614493466.545495476.516495476.497495476

19、.496495476.495495476.504493466.543488446.612475396.811443267.30结论：由表3-3可知，吊杆承载力满足要求。四、变形结算结果图4.1 成桥状态变形结果（m）图4.2 组合一变形结果（m）图4.3 组合二变形结果（m）图4.4 组合三变形计算结果（m）图4.3 组合四变形结果（m）图4.4 组合五变形计算结果（m）各荷载组合作用下，系杆及拱肋竖向变形结果汇总如表4-1所示：表4-1 各荷载组合下最大竖向位移表(单位：m)荷载拱肋系梁位置位移值位置位移值成桥状态跨中-0.007跨中0.003组合一跨中-0.0091/4L0.005组合二跨

20、中-0.0061/4L0.004组合三跨中-0.0121/4L0.005组合四跨中-0.0061/4L0.004组合五跨中-0.0121/4L0.005注：表中正值表示向上位移值，负值表示向下位移值。五、全桥稳定性计算结果图5.1 第一阶模态图结论： 第一阶线弹性稳定系数为14.8，表现为拱肋侧弯。图5.2 第二阶模态图结论： 第二阶线弹性稳定系数为17.6，表现为拱肋对称横弯。六、运营状态一根吊杆断裂状态计算结果选取跨中处一根吊杆在运营状态断裂工况进行计算分析，共考虑以下两种荷载组合：组合一：恒载组合二：恒载+活载6.1 各荷载组合作用下计算结果 图6.1 组合一 系梁上缘应力包络图(KN/

21、 m2) 图6.2 组合一 系梁下缘应力包络图(KN/ m2)图6.3 组合一 拱肋上缘应力包络图(KN/ m2)图6.4 组合一 拱肋下缘应力包络图(KN/ m2) 图6.5 组合二 系梁上缘应力包络图(KN/ m2) 图6.6 组合二 系梁下缘应力包络图(KN/ m2)图6.7 组合二 拱肋上缘应力包络图(KN/ m2)图6.8 组合二 拱肋下缘应力包络图(KN/ m2)结论：由以上应力云图可以看出，一根吊杆断裂状态下，系梁正截面应力均为压应力，最大压应力为11.5MPa,依据规范7.2.8条：cc0.7fck=22.68MPa，满足短暂状态下构件的验算要求。拱肋在吊杆断裂状态下，截面均受

22、压，最大压应力为6.29MPa,最小压应力为0.29MPa。6.2持久状况承载能力极限状态验算图6.9 系梁承载能力（最大抗力及对应内力）图结论：根据图6.9可以看出，系梁正截面抗弯承载系数均大于1，满足规范要求图6.10 未断吊杆侧拱肋承载能力（最大抗力及对应内力）图图6.11 断吊杆侧拱肋承载能力（最大抗力及对应内力）图结论：根据图6.106.11可以看出，拱肋正截面抗弯承载系数均大于1，满足规范要求6.3断一根索状态全桥稳定性计算结果图6.12 第一阶模态图结论： 第一阶线弹性稳定系数为14.8，表现为拱肋侧弯。图6.13 第二阶模态图结论： 第二阶线弹性稳定系数为18.0，表现为拱肋对

23、称横弯。七、运营状态两根吊杆断裂状态计算结果选取跨中处两根相邻吊杆在运营状态断裂工况进行计算分析，共考虑以下两种荷载组合：组合一：恒载组合二：恒载+活载7.1 各荷载组合作用下计算结果 图7.1 组合一 系梁上缘应力包络图(KN/ m2) 图7.2 组合一 系梁下缘应力包络图(KN/ m2)图7.3 组合一 拱肋上缘应力包络图(KN/ m2)图7.4 组合一 拱肋下缘应力包络图(KN/ m2) 图7.5 组合二 系梁上缘应力包络图(KN/ m2) 图7.6 组合二 系梁下缘应力包络图(KN/ m2)图7.7 组合二 拱肋上缘应力包络图(KN/ m2)图7.8 组合二 拱肋下缘应力包络图(KN/

24、 m2)由图7.17.2可以看出，两根吊杆断裂状态下，系梁正截面最大压应力为13.9MPa,最大拉应力为2.11MPa；依据公路钢筋砼及预应力砼桥梁设计规范7.2.8条：cc0.7fck=22.68MPa；系杆纵向主筋配筋率(0.01178+0.00362)/1.2*1.4=0.92%，则ct=2.111.15ftk=3.05MPa，均满足预应力砼受弯构件在短暂状态下构件正应力验算要求。拱肋在吊杆断裂状态下，拱肋正截面最大压应力为7.9MPa,按规范7.2.4,条，cc=7.90.8fck=21.4MPa，满足要求。受拉区钢筋应力为11.1MPa，混凝土压应力为8.4MPa；依据公路钢筋砼及预

25、应力砼桥梁设计规范7.2.4条：受拉区钢筋应力si=2.110.75fsk=251MPa，满足规范要求；受压区压应力cc=8.40.8fck=21.4MPa7.2持久状况承载能力极限状态验算图7.9 系梁承载能力（最大抗力及对应内力）图结论：由图7.9可以看出，系梁正截面抗弯承载系数均大于1，满足规范要求图 图7.10 未断索侧拱肋承载能力（最大抗力及对应内力）图图7.11 断索侧拱肋承载能力（最大抗力及对应内力）图结论：根据图7.107.11可以看出，拱肋正截面抗弯承载系数均大于1，满足规范要求7.3断2根索全桥稳定性计算结果图7.12 第一阶模态图结论： 由图7.12可以看出，第一阶线弹性

26、稳定系数为14.75，表现为拱肋侧弯。图7.13 第二阶模态图结论：由图7.13 可以看出，第二阶线弹性稳定系数为18.2，表现为拱肋对称横弯。八、上构计算结论汇总8.1施工过程主要构件应力计算结果表8-1 各施工阶段主要构件应力汇总表工况名称主要构件构件应力（Mpa）拉应力验算系杆横梁拱肋上缘下缘上缘下缘上缘下缘张拉第一批横梁预应力筋max-0.441.011.070.7ftk=1.855满足要求min-3.44-3.41张拉系杆第一批预应力max-2.980min-5.19-5.63拆除支架min-5.36-0.82-0.450.97-1.81-0.670.970.7ftk=1.855满足要求max-7.77-9.41-3.38-3.37-3.43-4.43架设行车道板min-4.47-1.56-0.481.19-2.31-0.411.190.7ftk=1.855满足要求max-7.53-9.54-3.63-2.36-4.06-4.77张拉横梁第二批预应力max-4.47-1.560-0.01-2