大庆市环城道路拱桥设计

　　摘  要

　　拱桥是一种古老的桥型结构.中国的拱桥始建于东汉中后期,已有一千八百余年的历史.遍布全世界,结构形式日新月异,丰富多彩.我国建造拱桥的历史要比以造拱桥著称的古罗马晚好几百年,但我国的拱桥却独具一格.形式之多,造型之美,世界少有.有驼峰突起的陡拱,有宛如皎月的坦拱,有玉带浮水的平坦的纤道多孔拱桥,也有长虹卧波、形成自然纵坡的长拱桥.拱肩上有敞开的(空腹拱)和不敞开的(现称实腹拱).拱形有半圆、

　　多边形、圆弧、椭圆、抛物线、蛋形、马蹄形和尖拱形,可说应有尽有.本报告书主要阐述了钢筋混凝土拱桥的结构设计和结构计算:在结构设计部分主要包括方案比选、结构设计;结构计算部分主要是熟悉并掌握有限元分析软件MIDAS /Civil.同时本报告包含了施工阶段部分,采用的方法是满堂支架施工.最后进行PSC 截面设计.

　　关键词:钢筋混凝土拱桥、Midas/Civil、方案比选、结构设计、结构计算

　　 Abstract

　　The arch of the bridge is an ancient structure. The bridge was built in China in the late Eastern Han Dynasty, more than 1800 years of history. Around the world, the structure of the form of ever-changing, rich and colorful. The history of our country than the construction of arch bridge built in ancient Rome, known for hundreds of years late, but our country has a unique arch bridge. Many forms, shapes of the United States, the world's rare. There are steep hump protruding arch, and arch like of Tanzania, a jade belt of flat floating porous fibers Road bridge, but also lying Changhong waves, the formation of the long natural longitudinal arch. The shoulders are open arch (arch fasting) and do not open (now known as Solid arch). There are semi-circular arch, Polygon, arc, ellipse, parabola, egg, and a pointed horseshoe arch, everything can be said. The report described the main structure of reinforced concrete arch bridge design and structural calculations: in the structural design of some of the major programs, including selection, structural design; structure calculation of some of the major is familiar with and master the finite element analysis software MIDAS / Civil. At the same time, this report contains some of the construction phase, the methodology is the construction Mantang stent. PSC to design the final section.

　　Key words:Reinforced concrete arch bridge, Midas / Civil, program selection, structural design, structural calculation.

　　目录

　　中文摘要…………………………………………………………… 3

　　英文摘要…………………………………………………………… 4

　　第一章 设计概况……………………………………………………5

　　1.1所选题目及目的………………………………………5

　　1.2设计资料……………………………………………8

　　第二章 比选方案……………………………………………………11

　　2.1概述……………………………………………………11

　　2.2方案介绍………………………………………………11

　　2.3方案比选………………………………………………16

　　第三章 主要材料…………………………………………………17

　　第四章 钢筋混凝土的主题结构设计…………………………18

　　4.1桥型与孔跨布置………………………………………18

　　4.2主要技术标准及设计采用规范………………………18

　　4.3桥梁的结构设计说明…………………………………18

　　4.4桥面工程及其它………………………………………19

　　4.5桥梁结构分析法………………………………………20

　　第五章 上部结构计算………………………………………………21.

　　5.1桥梁总体布置…………………………………………21

　　5.2行车道板计算…………………………………………21

　　5.3作用组合………………………………………………21

　　5.4拱肋和纵梁计算………………………………………22

　　5.5横梁的计算……………………………………………42

　　5.6风撑的内力计算………………………………………49

　　5.7支座验算………………………………………………50

　　5.8持久状况极限承载力验算……………………………50

　　5.9正常使用阶段挠度和应力验算………………………51

　　第六章 下部结构的设计…………………………………………...54

　　第七章 施工组织设计……………………………………………55

　　第八章 施工图预算………………………………………………70

　　第九章  结论………………………………………………………71

　　参考文献………………………………………………………………72

　　谢辞………………………………………………………………73

　　第一章 设计概况

　　1.1所选课题及目的

　　毕业设计所选课题是"钢筋混凝土拱桥".

　　1.拱桥的特点:拱桥的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,同时,根据作用力和反作用力原理,墩台向拱圈提供一堆水平反力,这种水平反力将大大抵消在拱圈内作用引起的弯矩.拱桥不仅跨越能力很大,而且外形酷视彩虹卧波,十风美观.

　　2.拱桥的发展现状:中国的拱桥始建于东汉中后期,已有一千八百余年的历史.它是由伸臂木石梁桥、撑架桥等逐步发展而成的.在形成和发展过程中又受墓拱、水管、城门等建筑的影响.因为拱桥的主要承重构件的外形都是曲的,所以古时常称为曲桥.在古文献中,还用"囷"、"窌"、"窦"、"瓮"等字来表示拱.拱桥.造型优美,曲线圆润,富有动态感.单拱的如北京颐和园玉带桥,拱券呈抛物线形,桥身用汉白玉,桥形如垂虹卧波.多孔拱桥适于跨度较大的宽广水面,常见的多为三、五、七孔,著名的颐和园十七孔桥,长约150米,宽约6.6米,连接南湖岛,丰富了昆明湖的层次,成为万寿山的对景.河北赵州桥的"敞肩拱"是中国首创,在园林中仿此形式的很多,如苏州东园中的一座.我国建造拱桥的历史要比以造拱桥著称的古罗马晚好几百年,但我国的拱桥却独具一格.形式之多,造型之美,世界少有.有驼峰突起的陡拱,有宛如皎月的坦拱,有玉带浮水的平坦的纤道多孔拱桥,也有长虹卧波、形成自然纵坡的长拱桥.拱肩上有敞开的(如大拱上加小拱,现称空腹拱)和不敞开的(现称实腹拱).拱形有半圆、多边形、圆弧、椭圆、抛物线、蛋形、马蹄形和尖拱形,可说应有尽有.孔数上有单孔与多孔,多孔以奇数为多,偶数较少,多孔拱桥,如果当某孔主拱受荷时,能通过桥墩的变形或拱上结构的作用将荷载由近及远的传递到其它孔主拱上去,这样的拱桥称为连续拱桥,简称连拱;江浙水乡的三、五、七、九孔石拱桥,一般是中孔最大,两边孔径依次按比例递减,桥墩狭薄轻巧,具有划一格局,令人钦佩.由于桥孔搭配适宜,全桥协调匀称,自然落坡既便于行人上下,又利于各类船只的航运.杭州市城北的拱辰桥是三孔的一例,建于明崇祯四年(1631年).有的桥孔多达数十孔,甚至超过百孔,如1979年发现的徐州景国桥,就有104孔,估计它是明清桥梁.多跨拱桥又有连续拱和固端拱,固端拱采用厚大桥墩,在华北、西南、华中、华东等地都可见到,连续拱只见于江南水乡.按建拱的材料分有石拱、木拱、砖拱、竹拱和砖石混合拱.以承受轴向压力为主的拱圈或拱肋作为主要承重构件的桥梁,拱结构由拱圈(拱肋)及其支座组成.拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造;大跨度拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造,以承受发生的力矩.按拱圈的静力体系分为无铰拱、双铰拱、三铰拱.前二者为超静定结构,后者为静定结构.无铰拱的拱圈两端固结于桥台,结构最为刚劲,变形小,比有铰拱经济,结构简单,施工方便,是普遍采用的形式,但修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础.双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承,结构虽不如无铰拱刚劲,但可减弱桥台位移等因素的不利影响,在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方,可采用双铰拱桥.三铰拱则是在双铰拱的拱顶再增设一铰,结构的刚度更差些,拱顶铰的构造和维护也较复杂,一般不宜作主拱圈.拱桥按结构形式可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱.拱桥为桥梁基本体系之一,一直是大跨径桥梁的主要形式.拱桥建筑历史悠久,20世纪得到迅速发展,50年代以前达到全盛时期.古今中外名桥(如赵州桥、卢沟桥、悉尼港桥、克尔克桥等)遍布各地,在桥梁建筑中占有重要地位,适用于大、中、小跨径的公路桥和铁路桥,更因其造型优美,常用于城市及风景区的桥梁建筑.拱桥是我国最常用的一种桥梁型式,其式样之多,数量之大,为各种桥型之冠,特别是公路桥梁,据不完全统计,我国的公路桥中7%为拱桥.由于我国是一个多山的国家,石料资源丰富,因此拱桥以石料为主.建于公元1990年,跨径120m的湖南乌巢河大桥,是当今世界跨径第一的石拱桥.我国建造的钢筋混凝土拱桥的形式更是繁花似锦,式样之多当属世界之最,其中建造得比较多的是箱形拱、双曲拱、肋拱、桁架拱、刚架拱等,它们大多数是上承式桥梁,桥面宽敞,造价低廉.箱形拱主要用于大跨径.四川涪陵乌江大桥,跨径200米,是我国已建成的最大跨径的箱形拱,跨径420米的万县长江大桥正在设计中,它将是世界最大跨径的钢筋混凝土拱桥.双曲拱是我国首创并不断改进的一种新型钢筋混凝土拱桥,它发源于江苏无锡,遍步各地,最大跨径当推河南前河大桥,跨径150米;桁架拱是在软土地基上为了减轻自重、改善拱上建筑与主拱圈共同作用,藉桁架原理逐步发展起来的一种轻型钢筋混凝土拱桥,适用于中小跨径桥梁.当采用了预应力措施和悬臂拼装的方法,就形成一种悬臂组合桁架拱桥,正在建造的贵州江界河大桥,主跨330米,是国内最大跨径的在建拱桥.四川宜宾小南门大桥为跨径240米的中承式肋拱,是我国该种桥型的最大跨径.刚架拱桥是从简化拱上建筑着眼,利用斜撑将桥面最不利荷载位置的荷载传至拱脚,以改善主拱的受力,在江苏无锡建成了跨越大运河的三座跨径100米的钢筋混凝土刚架拱.在我国也建有一定数量的下承式钢筋混凝土肋拱,其中有的是系杆拱或刚拱刚梁组合拱,后者是跨径100m米的中承式无铰拱;我国还修建了一些钢拱桥及斜腿刚架桥. 我国在建造钢筋混凝土拱桥的实践中进行了拱轴线优化,混凝土徐变对混凝土拱内力重分布影响、连拱计算、拱桥荷载横向分布、各种形式拱桥的设计计算理论的创立与完善、组合装配式混凝土拱桥的施工控制等研究.为了适应在软土地基上建造混凝土拱桥,提出了组合桥台形式与其计算理论.在拱桥施工方法上也有所创新:如中小跨径拱桥以预制拱肋为拱架,少支架施工为主,或采用悬砌方法;大跨径拱桥则采取纵向分条,横向分段,预制拱肋,无支架吊装,组合拼装与现浇相组合的施工方法;此外,在采用无支架转体施工方法建造拱桥方面也有不少成功的经验赵州桥中国现存最早,并且保存良好的是隋代赵州安济桥,又称赵州桥.桥为敞间圆弧石拱,拱券并列28道,净跨37.02米,矢高7.23米,上狭下宽总宽9米.主拱券等厚1.03米,主拱券上有护拱石.在主拱券上两侧,各开两个净跨分别为3.8米和2.85米的小拱,以宣泄拱水,减轻自重.桥面呈弧形,栏槛望柱,雕刻着龙兽,神采飞扬.桥史建于隋.开皇十五年(公元595年), 完工于隋.大业元年(公元605年),距今已有1387年.安济桥制作精良,结构独创,造型匀称美丽,雕刻细致生动,列代都予重视和保护,1991年列为世界文化遗产.中国石拱因南北河道性质及陆上运输工具不同,所以改造不同.北方大多为平桥(或平坡桥),实腹厚墩厚拱.南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱卢沟桥北京宛平卢沟桥在北京广安门外30里,跨永定河.桥始建于金.大定二十八年(公元1188年),完工于金.明昌三年(公元1192年).桥全长212.2米,共11孔,净跨不等,自11.4米至13.45米,桥宽9.3米.墩宽自6.5米至7.9米.拱券接近半圆形.桥墩迎水面有尖端镶有三角铁柱的分水尖,背水面为削角方形.桥面上石栏杆共269间,各望柱头上,雕刻有石狮.金代原物简单统一,自后历朝改换,制作精良,石狮形态各异,且有诸多小狮,怀抱背负,足抚口噙,趣味横生.桥上及华表柱上等的石狮子,已成为鉴赏重点,亦是统一变化的美学原则的具体应用.卢沟桥早已列为全国文物保护单位.枫桥南方江浙一带水网地区,以周行为主.潮汐河流,软土地基,因此即使是石拱桥亦尽量减轻重量建造为薄墩薄拱.桥孔自单孔多到85孔(江苏吴江垂虹桥,已塌,尚存残孔8孔).薄拱的拱厚最小仅拱跨的1/66.7,而一般拱厚则为1/20左右.唐.张继《枫桥夜泊》名诗中的现存枫桥(清代建)也是薄拱.薄墩之薄,相邻两拱券拱石相接,特别是三拱薄墩桥,中孔大、边孔小,两岸以踏步上桥.桥成驼峰形,造型美观.如浙江杭州拱宸桥,创建于明.崇祯四年(公元1631年),清.光绪十一年(公元1885年)重建.中孔净跨15.8米,两边孔各为11.9米.拱券石厚30厘米,为拱跨的1/52.7和1/39.7.中墩厚约1米,合大孔的1/15.8.现存最长的多孔薄拱薄墩连拱为江苏苏州宝带桥桥始建于唐,历代多次重修,现存桥共计53孔,全长316.8米,中间有3孔隆起以通船只,桥宽4.1米.桥头建有石狮、石亭、石塔. 五亭桥

　　中国古典园林中亦常见石拱桥,既起交通引路作用,更与园林景色有机结合,或是主景,或是衬景.如扬州瘦西湖中的,就是佳作.

　　. 虹桥

　　中国的木拱桥肇始自宋.宋代.张择端的《清明上河图》,在画面高峰处有都城汴京(现河南开封)跨汴水的一座木拱桥,名为虹桥.为了漕运,水中无桥墩,桥采用了宋.明道年间(公元1032至1033年)有一守卒子发明的"贯木"架桥,即大木穿插叠架为木拱.虹桥桥跨约18.5米,拱矢 约4.2米,桥面总宽9.6米.桥毁于金元之际,几百年来一直认为已是绝唱.近十多年来调查研究发现,随着北宋南迁,在今浙江、福建山区中有数十座古木拱桥,结构与虹桥相类似且有所改进,桥跨增加到35米左右.如浙江云和梅崇桥,桥建于清.嘉庆七年(公元1802年).又如浙江泰顺县的泗溪溪东桥.桥长41.7米,跨径25.7米,矢 高5.85米,桥宽4.86米.桥上建有美丽的廊屋,为了保护木料,两侧钉有蓑衣式木板.桥始建于明.隆庆四年(公元1570年).泰顺县的叶树阳桥竟存世511年.

　　虹桥等木拱结构为中国所独创,尚有其他别致的结构形式的竹木拱桥,亦与世界同类桥梁有异.

　　1.2设计资料

　　1.设计依据

　　(1) 大庆市市政环城公路桥梁设计函;

　　2.主要技术标准

　　(1)公路等级:城A级;(2)车道数:双向八车道;(3)设计行车速度:80km/h;(4)设计荷载:公路I级;人群荷载:3.5 kN/㎡;(5)桥面横坡:行车道1.5%人字形双面坡,人行道1%向内单面坡;

　　设计使用年限:设计基准期为100年.

　　桥梁结构设计方案比选

　　3.设计标准及要求

　　①、设计荷载:城A级,双向八车道;

　　②、设计车速:80km/h;

　　③、桥面净宽: 3.75m(行车道)×8 =30m,主桥两侧还有4m宽的人行道;

　　④、桥面纵坡:纵坡1%-2%,横坡2%;

　　4.地质情况

　　场地地质情况自上而下依次为①层淤泥、②层亚粘土、③层粉砂、④1 淤泥质粘土及④2 亚粘土为新近沉积土,岩性不均匀,地基承载力低,压缩性大,工程特性较差;⑤层亚粘土、⑥层粘土,厚度较大,地基承载力较大,压缩性较小,但埋藏深度较大;⑦层细砂、⑧层中砂,分布较稳定,密实度高,地基承载力较高,但成分不太均匀;⑨层强(弱)风化花岗岩,风化呈砂土状、碎石、碎块状,岩性不均匀,工程特性不很稳定;⑩层微风化花岗岩,岩石强度高,属坚硬岩,岩体较完整,但局部岩体风化裂隙较多,工程特性总体上好.

　　5.气象水文

　　本区属季风暖温半湿润气候和季风副热带湿润气候的过渡带,具明显的季节性特征,无霜期较长.区内多年平均气温在12.9°C~17°C,最热多在7~8 月份,平均气温 为28.1°C,极端最高气温达41°C;最低气温多出现在1 月份,极端最低气温为-19.4°C.区内雨量充沛,多年平均降雨量在878.5~1029mm,降水量年际变化较大,降水在全年中亦分配不均匀,6~9 月份降水量最大,约占全年降水量的60%,11 月至次年2 月降水量最少,约占全年降水量的10%.多年平均蒸发量为1121~1633.4mm,5~8 月份受高温影响,蒸发力最强,约占全年蒸发量的53%.无霜期为213~230 天.区内降水具有降水量大,降水延续时间长,短时间降水强度大等特征.主汛期一般在6~9 月份,洪峰多出现在7~8 月份.

　　6.收集的资料及主要参考文献

　　(1) 叶见曙.结构设计原理.北京:人民交通出版社,2004

　　(4) 汪莲.桥梁工程.合肥:合肥工大出版社,2004

　　(5) 邵旭东.桥梁工程.北京:人民交通出版社,2004

　　(6) 凌治平、易经武.基础工程.北京:人民交通出版社,2004

　　(7) 中华人民共和国交通部.《公路工程技术标准》(JTG B01-2003).北京:人民交通出版社,2003

　　(8) 中华人民共和国交通部.《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004).北京:人民交通出版社,2004

图1-拱桥的各断面图


图2-两边纵梁配筋图


图3-中间纵梁配筋图


图4-横梁配筋图


图5-边拱肋的配筋图


图6-中间拱肋的配筋图


图7-吊杆详图


图8-预应力钢束布置图


最终吊杆详图

　　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　第九章结论

　　通过这次设计,全面地学习掌握了桥梁的基本设计方法和步骤.结构静力计算动力及稳定性分析按空间有限元的方法进行计算,采用《MIDASCivil结构分析》程序计算.同时又进行平面结构静力手算对比.通过对比说明两者计算的结果差值虽然不是很大,但是手算过程中假定数据较多,而《MIDASCivil结构分析》程序模拟的结构更接近现实受力体系.因此计算的结果均以《MIDASCivil结构分析》程序分析结果为准.

　　本桥结构形式为Lp=60m下承式钢筋混凝土拱桥.拱肋的理论计算跨径为60m,计算矢高15m,矢跨比1/4,理论拱轴线方程为:Y=4/5X-2/225X2(坐标原点为理论起拱点).

　　1、拱肋及风撑:全桥共设三榀钢筋混凝土拱,拱肋截面为矩形,中拱肋高180cm,宽120cm,边拱肋高150cm,宽100cm.拱肋与加劲纵梁固接,每两榀拱肋横向间距为18.5m,在拱肋设置4道钢管K形风撑和1道直撑,风撑截面为圆形截面,直径D=100cm,钢管壁厚16mm,风撑钢管内不灌混凝土.

　　2、吊杆:每榀拱肋设15根厂制吊杆,吊杆间距为5.0m.

　　4、纵梁及横梁:纵梁采用预应力混凝土结构,其截面为矩形实体截面,中纵梁高180cm,宽120cm,边纵梁高150cm,宽100cm.桥共设26道混凝土矩形横梁,横梁高100cm,宽70cm.

　　4、桥面板:桥面板采用预制矩形板,板厚20cm.

　　5、本桥下部结构:桥台采用一字形桥台,台身厚6m,长38m.桥台基础采用Φ130cm钻孔灌注桩基础,钢筋混凝土承台厚度为3m,桩基按端承桩设计.台后接路基挡墙,挡墙采用明挖基础.

　　6、支座:本桥支座采用转动性能好、承载力高、寿命长的盆式橡胶支座,承载能力为15000kN.0号桥台设置1个GPZ(Ⅱ)27.5DX型支座(横向活动,纵向固定)和1个GPZ(Ⅱ)27.5GD型支座(纵、横向固定),1号桥台1个GPZ(Ⅱ)27.5DX型盆式橡胶支座和1个GPZ(Ⅱ)27.5SX型盆式橡胶支座(纵、横向活动).

　　 谢辞

　　经过三个多月的不懈努力,终于完成了本次毕业设计.在本次毕业设计的整个过程中得到了许许多多的支持和鼓励,我现在对一项工程的完成过程有了较深刻的理解.在此特别感谢我的指导教师李雪峰老师,能从百忙之中抽出大量时间为我们认真指导并严格要求,还有李凡老师的热情指导和帮助下,我顺利地完成了毕业设计.在此,我向他们表示由衷的感谢.

　　借此机会,我还要感谢本专业的所有老师,感谢他们在大学四年时间里给我们的悉心教导和帮助以及在生活中对我们的关怀.感谢我们同组的每一位同学,感谢他们在毕设过程中给我的帮助和关心.

　　此设计是我在大学里完成的最后一份作业,觉得不同寻常.因为这是结束,所以又意味着开始.只不过结束很仓促,而开始又缓缓未来.于是我期待着,企盼着,我必须把这次设计完成好,以证明自己有能力出去面对社会,能在社会中有所作为.

　　由于未从事过实际工程设计,有很多参数资料都来源于参考书籍,再加上没有实际工作经验,所以疏漏错误不少,还请各位前辈师长指出原谅,学生感激不尽!

　　虽然在设计过程中我遇到了不少疑难问题,但在老师同学的帮助下,自己的努力下都得到了解决.在这些过程中,我深切的感受到,无论何时,知识对我的吸引力犹如磁石吸引铁钉一样强大.通过本次设计,提高了我分析问题和解决问题的能力,为我以后的学习工作奠定了坚实的基础,在此,我向所有给予我帮助的老师和同学表示感谢,祝愿他们身体健康、工作顺利、事业腾达!
       参考文献
　　[1]叶见曙.结构设计原理.北京:人民交通出版社,2004
　　[2]易建国.混凝土简支梁(板)桥.北京:人民交通出版社,2004
　　[4]汪莲.桥梁工程.北京:合肥工业大学出版社,2004
　　[4]凌治平、易经武.基础工程.北京:人民交通出版社,2004
　　[6]中华人民共和国交通部.《公路工程技术标准》(JTGB01-2004).北京:人民交通出版社,2004
　　[6]中华人民共和国交通部.《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004).北京:人民交通出版社,2004