主跨100m公路钢管混凝土拱桥毕业设计

-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN主跨100m公路钢管混凝土拱桥毕业设计目录TOC\h\z\t"摘要,1,英文摘要,1,一级标题,1,二级标题,2,三级标题,3,四级标题,4"摘要 IAbstract II1.引言 12.设计资料与技术标准 2技术标准 2设计规范 23.结构初步设计 3结构总体布置拟定 3拱肋 3横向联系 3立柱 4悬挂结构 4吊杆 4桥面系 4横梁 5加劲纵梁 5桥面板 5截面尺寸拟定 6拱肋 6立柱 7吊杆 7横梁 7加劲纵梁 8桥面板 84.结构计算 9建立坐标系 9单元划分 9单元材料特性 12主拱圈 12吊杆单元 12横梁、立柱、加劲纵梁、桥面板 12结构边界条件 13生成模型 13内力计算 14恒载内力计算 14活载内力计算 15荷载效应组合 18应力输出 20各施工阶段关键截面应力 20使用极限状态各工况关键截面应力 21位移输出 21施工阶段关键节点计算累计竖向位移 21使用阶段关键节点竖向位移 21支承反力 22施工阶段支承反力 22使用阶段支承反力 22吊杆初张力 225.主拱验算 24拱圈承载力验算 24拱肋整体稳定性验算 25纵向稳定性验算 25横向稳定性验算 26主拱圈变形验算 26正常使用极限状态验算 26长期效应组合挠度验算 26短期效应组合挠度验算 26短暂状况验算 26主拱圈应力验算 27持久状况验算 27短暂状况验算 276.吊杆复核 297.加劲纵梁分析 317．1计算结果 317．4．1承载能力极限状态验算 327．4．2加劲纵梁正常使用极限状态应力验算 338.横梁分析 368．1计算模型 368．2横梁计算 368．3横梁验算 37施工阶段应力验算 37持久状况下正常使用极限状态抗裂验算 37长期效应组合 38正常使用极限状态应力验算 39承载能力极限状态强度验算 409.桥面板分析 42施工阶段应力验算 42正常使用极限状态抗裂验算 42短期效应组合 42长期效应组合 43正常使用极限状态应力验算 44正常使用极限状态挠度验算 45承载能力极限状态强度验算 45结束语 47参考文献 49致谢 50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AbstractBecauseofitsmeritsofhighcarryingcapacity,upstandingplasticityandtoughness,constructionconcenience,bettereconomiceffectandbetterfoundatiaonadaptability,theconcrete-filledsteeltube(CFST)archbridgesisoneofthebridgestructuresthathavebroadprospectsfordevelopmenthistoryoftheconcrete-filledsteeltubarchbridgeismorethantenyearsinourcountry,weareallsurprisedtoitsapplicationrangeorincreaseinandspeechourcountrybuildthearchbridgetechniqueofthesteelpipeconcretehavealreadyattainedinternationaladvancedlevel,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;structuralcalculations1.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/，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=。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技术标准1）公路等级：双向四车道一级公路2）设计速度：80Km/h3）设计荷载：公路—I级，人群m24）桥梁净宽：净－15m＋2×；5）栏杆高度：；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：％，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。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1/5。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）一般宜在之间；从协调美观的角度出发，宜优先考虑的黄金分割比例。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，常用的截面含钢率αs宜在之间。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=1/2,以1/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，对公路I级为。k2 ——行车道系数，当设计车道为2或3行车道时可取，当设计车道为4行车道时可取；当设计车道为6行车道时可取。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～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%。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。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=。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。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%。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。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1-6061-160161-164165-170171-174175-189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)11049498097983613145146842150819937147852215050819899371461478534518410038148863345151849910038147148864552851013914987445525285100101391481498756538610240141508855653538610110240141491508869548910341151896695454891021034115015189710182901044215290-17181105555901031044215115290-18115691105431539188115656911041054315215391914579410644154929914575794105106441531549210155895107451559310101558589510610745154155931116599610846156941111165959961071084615515694121960991094715795121219606099108109471561579513206110011048151589613132061620-1010911048151571589614216311114915159971414216263111011149151581599715246421125015160981515246364211111250151591609816256531135115161991616256465311211351151601619917266641145215162100-101717266566411311452151611830-101829675115531630-618182966675114115531621630-61930686116541640-21919306768611511654163184100-10203169711755165100-62020316869711611755164165100-6213470811856166100-221213469708117118561651855-52235719119571675-422223570719118119571661675-423367210-1120581685-3232336717210-1119120581671685-324397311121591695-22424397273111201215916817095-425407412122601418695-5252540737412121122601416917195-3264175131236117095-42626417475131221236117017295-2274476141246217195-3272744757614123124621711730-22845771512563174028284576771512412563172176100294678161266413175100-229294677781612512664131731775-2304979171276517853030497879171261276517417995-23150801812866180953131507980181271286617510153251811912967771532325180811912812967176132033548220613068822063333548182206129130681771625345583211316987253434558283211301316917819303556842213270119230113535568384221311327011179223536598523133719735363659848523132133711802540376086241347210240143737608586241331347218128453861872513573107453838618687251341357318231503964882613674112501539396487882613513674183345540658927137751175540406588892713613775184376041669028138761226014414166899028137138761854065426991291397712765424269909129138139771864370437092301114078132701143437091923011139140781874675447193311417913775444471929331140141791884980457494321428061428064545749394321411428061895285467595331438114785464675949533142143814776963414482474776959634143144824879973514583484879969735144145834980983613146844.1.2单元材料特性整个模型共有5种材料。4.1.2.1主拱圈主拱肋为Q345qC钢和C50混凝土的混合材料，需进行如下换算：材料和截面特性为：D=800mm，t=12mm，r=388mm，As=，Ac=，Ec=×104Mpa，Es=×105Mpa,Gs=×104Mpa，Asc=As+Ac=，Isc=，Ic=，Is=；等效弹性模量：；泊松比μc=，μs=，温度膨胀系数为×10-54.1.2.2吊杆单元吊杆材料为钢绞线，查规范可得吊杆单元的材料特性为：容重γg=m3，弹性模量为E=×1011Pa，泊松比ν=，温度膨胀系数为×10-5。预应力钢束的标准强度；张拉控制应力；钢束锚固时弹性回缩合计总变形（一端）：。4.1.2.3横梁、立柱、加劲纵梁、桥面板桥面系，立柱，边跨拱圈，桥墩的材料都为C50混凝土，查规范可得这些单元的材料特性为：γc=25KN/m3，泊松比μc=，μs=，温度膨胀系数为×10-5，弹性模量Ec=×104Mpa钢筋采用HRB335，各项值按《桥规》取用。预应力钢筋均采用低松弛钢绞线，其标准强度R=1860Mpa，张拉控制应力==1395Mpa，两端“双控”张拉（钢束锚固时弹性回缩合计总变形为），张拉时混凝土强度要达到80%的设计强度。4.1.3结构边界条件本结构在拱脚62、162节点处有水平、竖直和转角约束。如下表：表4-3结构支座约束节点号水平方向竖直方向转角方向62有有有162有有有在164、166、169、172、174、178、176、180、72、152、62、162、67、157节点处有主从约束，如下表：表4-4主从约束主节点号从节点号水平方向竖直方向转角方向164173有有有166175有有有169177有有有172179有有有1741有有无1784无有无17661有有无18058无有无727无有无15255无有无72171有有无152182无有无62183有有有162184有有有67185有有有157186有有有4.1.4生成模型将计算好的各单元的材料特性值与截面特性值赋给各单元，添加约束后即可生如下模型。图4-2平面模型图内力计算以下计算得的轴力都是以压力为正，弯矩与剪力同材料力学。4.2.1恒载内力计算恒载内力为结构自重所引起的内力，恒载内力包括一期恒载内力和二期恒载内力。恒载产生的拱肋弯矩、轴力呈对称分布，剪力呈反对称分布，拱脚、拱顶承受负弯矩。（1）一期恒载内力计算利用桥博软件通过静力计算即可计算出结构一期恒载内力。计算结构各控制截面一期恒载内力值如下表：表4-5一期恒载内力截面截面内力(单位)N(KN)M(KN•m)Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）11400-1730146拱肋1/4截面（取87截面）8860621-219拱肋3/8截面（取99截面）8300拱肋拱顶（取112截面）8050293-234（2）二期恒载内力计算二期恒载为桥面铺装、管线和栏杆，桥面铺装构成有：沥青表面磨耗层、防水混凝土垫层。6cm厚沥青表面磨耗层重力密度为23KN/m3；10cm厚防水混凝土垫层重力密度为24KN/m3；防撞护栏管线沿纵桥向重度计10KN/m；桥面铺装和防撞护栏沿桥纵向每米重量计算：，则每片拱肋上的二期恒载为2=m将二期恒载作为均布荷载加载到模型上计算二期恒载内力。加载图形如下图：图4-3二期恒载加载图软件计算得结构各控制截面的二期恒载布设并调整吊杆索力后综合作用阶段内力值如下表：表4-6二期恒载内力截面截面内力(单位)N(KN)M(KN•m)Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）270060-33拱肋1/4截面(取87截面)2140-17-52拱肋3/8截面(取99截面)2000拱肋拱顶(取112截面)1950362-83（3）恒载内力调索之后各截面的恒载内力值如下表：表4-7恒载内力截面截面内力(单位)N(KN)M(KM•m)Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）14100-1670113拱肋1/4截面(取87截面)11000604-271拱肋3/8截面(取99截面)10300160拱肋拱顶(取112截面)10000658-3174.2.2活载内力计算活载也称基本可变活载包括汽车荷载、汽车冲击力、人群荷载等。活载内力即为上述载荷在桥梁使用阶段对桥梁所产生的内力。中承式钢管系杆拱桥为超静定结构，活载内力计算采用影响线直接加载法，并考虑多车道的折减系数。（1）横向分布系数计算横向分布系数表示某根主梁所承担的最大荷载是各个轴重的倍数。采用杠杆原理法计算拱肋的活载横向分布系数杠杆法基本理论：当荷载p=1分别作用在1号梁，2号梁，…n号梁时，该号梁影响线坐标为1，与该号梁相邻梁的影响线坐标为0，其余梁的影响线坐标也为0。梁与梁之间的影响线坐标以直线形式变化。如此就可绘出诸梁的反力影响线，在影响线上移动车辆或人群荷载，寻求到的最大值即为所求的荷载横向分布系数。这里利用桥博横向分布设计计算工具进行横向分布系数的计算。表4-8拱肋活载横向分布影响线拱肋汽车人群满人12加载后计算得：（2）影响线计算将单位荷载P=1作用在各桥面的节点上，求得结构的变形及内力，可得位移影响线和内力影响线。（3）计算冲击系数《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》拱桥冲击系数的计算采用以结构基频为指标的方法。结构的基频反映了结构的尺寸、类型、建造材料等动力特征内容，它直接体现了冲击效应和桥梁结构之间的关系。按结构不同的基频，汽车引起的冲击系数在之间变化，其计算方法为：当f<时，μ=当≤f≤14Hz时，μ=（4-2）当f>14Hz时，μ=按《桥规》条文说明拱桥计算公式计算，拱桥结构基频=。此桥的冲击系数取。《钢管混凝土拱桥技术规程》中钢管混凝土拱桥汽车荷载的冲击系数，采用下式计算：。则μ=。偏安全考虑，取μ=。（4）汽车、人群作用效应计算利用桥博软件直接在影响上加载计算各控制截面的汽车、人群作用效应值（4-3）上述式中：——所示截面的弯矩或剪力；——汽车荷载的冲击系数；——汽车荷载横向折减系数；——跨中横向分布系数；——汽车车道荷载中，每延米均布荷载标准值；——弯矩、剪力影响线的面积；——沿桥跨纵向与集中荷载位置对应的横向分布系数；——车道荷载的集中载标准值；——沿桥跨纵向与荷载位置对应的内力影响线坐标值。（4-4）——人群荷载效应标准值——人群荷载横向分布系数拱肋间距为16m，人群集度按规范内插为m2，本桥属于公路一级，拱是偏心受压构件，最大应力由弯矩M和轴力N共同决定,但布载往往不能使M、N同时达到最大，一般按最大（最小）弯矩布载，求出最大弯矩及其相应轴力及剪力等。以最大正（负）弯矩控制设计。布载时分别以最大正弯矩和最大负弯矩进行控制。利用桥博软件计算时，求结构内力影响线并直接布载求出内力，考虑了弹性压缩的影响，故计算结果为最终活载内力。计算得各截面最大活载内力如下表：表4-9汽车荷载内力汇总截面截面内力(单位)Mmax(KN•m)相应N(KN)相应Q(KN)拱肋左拱脚(取63截面)4270896-457拱肋1/4截面(取87截面)4130580-126拱肋3/8截面(取99截面)3460833-142拱肋拱顶(取112截面)3150990-196截面截面内力(单位)Mmin(KN•m)相应N(KN)相应Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）-53901090571拱肋1/4截面(取87截面)-26801030拱肋3/8截面(取99截面)-2570804拱肋拱顶(取112截面)-1480658表4-10人群荷载内力汇总截面截面内力(单位)Mmax(KN•m)相应N(KN)相应Q(KN)拱肋左拱脚(取63截面)556133拱肋1/4截面(取87截面)358拱肋3/8截面(取99截面)309101拱肋拱顶(取112截面)228101截面截面内力(单位)Mmin(KN•m)相应N(KN)相应Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）-576148拱肋1/4截面(取87截面)-348147拱肋3/8截面(取99截面)-305106拱肋拱顶(取112截面)-209102在车道荷载引起的拱圈正弯矩参与组合时，根据《桥规》4.3.1应适当折减，拱顶，拱跨L/4折减系数为，拱脚折减系数为，中间各个截面的正弯矩折减系数可用直线插入法确定。以最大负弯矩进行控制设计，折减后的各截面最大活载内力如下表：表4-11折减后汽车荷载内力汇总截面截面内力(单位)M(KN•m)N(KN)Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）-48501090571拱肋1/4截面(取87截面)-18801030拱肋3/8截面(取99截面)-1800804拱肋拱顶(取112截面)-10406584.2.3荷载效应组合公路桥涵结构设计应考虑结构上可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计。结构内力是荷载效应的必然组合。在设计过程中共有两种内力组合，即按正常使用极限状态和承载能力极限状态组合。现以单肋为对象计算各截面的荷载效应组合。1）按承载能力极限状态设计：（4-5）（4-6）（4-7）表4-12单肋荷载效应组合截面截面内力(单位)M(KN•m)N(KN)Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）拱肋1/4截面(取87截面)拱肋3/8截面(取99截面)拱肋拱顶(取112截面)2）按正常使用极限状态设计：作用短期效应组合：（4-8）（4-9）（4-10）表4-13单肋荷载效应组合截面截面内力(单位)M(KN•m)N(KN)Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）15011拱肋1/4截面(取87截面)12268拱肋3/8截面(取99截面)拱肋拱顶(取112截面)对结构进行正常使用极限状态计算时，相应的荷载组合为：作用长期效应组合：（4-11）（4-12）（4-13）表4-14单肋荷载效应组合截面截面内力(单位)M(KN•m)N(KN)Q(KN)拱肋左拱脚（取63截面）拱肋1/4截面(取87截面)拱肋3/8截面（取99截面）10764拱肋拱顶（取112截面）10304利用桥博计算时，由于桥博不能识别桥型对拱桥的弯矩进行折减，只对所计算的各组合轴力和剪力进行复核检查。与以上计算所得效应组合相符。按承载能力极限状态进行控制设计。图4-4承载能力极限状态内力图应力输出利用桥博进行应力计算，输出拱脚截面、拱肋1/4截面、拱肋3/8截面、拱肋拱顶截面各关键截面应力值。4.3.1各施工阶段关键截面应力表4-15第1施工阶段累计应力（单位：Mpa）截面上缘下缘638799112表4-16第2施工阶段累计应力截面上缘下缘638799112表4-17第3施工阶段累计应力截面上缘下缘638799112表4-18第4施工阶段累计应力截面上缘下缘638799112表4-19第5施工阶段累计应力截面上缘下缘631028799112表4-20第6施工阶段累计应力截面上缘下缘6310487991124.3.2使用极限状态各工况关键截面应力使用阶段荷载组合1（长期效应组合）应力：表4-22长期效应组合应力（单位：Mpa）节点号上缘正应力下缘正应力最大主应力最大最小最大最小主压应力主拉应力63132132876599112使用阶段荷载组合2（短期效应组合）应力：表4-21短期效应组合应力（单位：Mpa）节点号上缘正应力下缘正应力最大主应力最大最小最大最小主压应力主拉应力6310316316387111801119986112位移输出4.4.1施工阶段关键节点计算累计竖向位移表4-22施工阶段关键节点计算累计竖向位移（向上为+，向下为-，单位：mm）节点号第一施工阶段第六施工阶段87991124.4.2使用阶段关键节点竖向位移使用阶段关键节点竖向位移（向上为+，向下为-），单位：mm表4-23长期效应组合变形计算节点号竖向最大竖向最小8799112表4-24短期效应组合变形计算节点号竖向最大竖向最小8799112支承反力4.5.1施工阶段支承反力表4-25第1施工阶段累计结构效应（单位：KN）节点号水平力竖向力弯矩6217701910835162-17701910-835表4-26第6施工阶段累计结构效应（单位：KN）节点号水平力竖向力弯矩629970105002380162-997010500-23804.5.2使用阶段支承反力表4-26长期效应组合支承反力组合（单位：KN、KN•m）节点号支撑反力水平最大水平最小竖向最大竖向最小最大弯矩最小弯矩62水平力1060099101040099701010010500竖向力111001050011200105001110010700弯矩8443310241023806010-748162水平力-9910-10600-10400-9970-10500-10100竖向力105001110011200105001070011100弯矩-3310-947-2600-2380740-6020表4-27短期效应组合支承反力组合（单位：KN、KN•m）节点号支撑反力水平最大水平最小竖向最大竖向最小最大弯矩最小弯矩62水平力N1110099101070099701030010800竖向力Q115001050011700105001150010900弯矩M3953310244023808230-2590162水平力N-9910-11100-10700-9970-10800-10300竖向力Q105001150011700105001090011500弯矩M-3310-569-2780-23802580-8240吊杆初张力利用刚性支承连续梁法确定拉索初张力，把拉索与加劲纵梁锚固点作为刚性支点，在施工上做到纵梁最终达到刚性支承连续梁的位置，即纵梁的弹性支承点处于零位移状态。此时竖向支点反力即为拉索初张力的竖向分离。（JTJ027-1996公路斜拉桥设计规范(试行)）建模时，在第三施工阶段给各个吊点处设刚性支承。此阶段支承的竖向力即可近似为吊杆初张力。吊杆初张力如下表：表4-28吊杆初张力（单位：KN）吊杆初张力吊杆初张力吊杆初张力1759771808251858221769381818271868261777821828281877881788261838271889321798221848251899775.主拱验算拱肋的最大轴力、最大剪力和最大弯矩都在拱脚处，选取拱脚截面处的内力为验算内力。拱圈承载力验算按《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），对钢管混凝土拱肋进行持久状况下承载能力极限状态验算。钢管混凝土由于钢管核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土强度得到提高。从组合后的表中选出钢管混凝土单肋所承受的最大轴力计算拱肋所承受的最大轴力进行钢管混凝土拱肋的承载力验算。哑铃形截面钢管混凝土构件承受压力、弯矩共同作用时的承载力应按式（7.3.3）计算：（5-1）式中：ND——哑铃形钢管混凝土轴压构件的极限承载力计算值，可按式——哑铃形轴压构件稳定系数，可按式计算；L0——构件计算长度；L0==；——截面回转半径；；则；——单管钢管混凝土轴心受压短柱的极限承载力，可取=计算；钢管混凝土的约束效应系数设计值，，——腹板的极限承载力——钢腹板面积；——钢管的设计强度，=315MPa（Q345qC钢）；（5-2）——哑铃形截面的偏心率折减系数，（5-3）,则，则满足强度要求。拱肋整体稳定性验算5.2.1纵向稳定性验算按《钢管混凝土拱桥技术规程》进行纵向稳定性验算。钢管混凝土无铰拱的极限承载力可通过等效梁柱法进行计算，等效梁柱的长细比可按下式进行计算：（5-4）其中：；（5-5）；（5-6）Lo==；（5-7）则有。哑铃形拱肋采用格构式计算方法进行纵向整体稳定验算。格构式钢管混凝土构件承受压力、弯矩、剪力共同作用时，平面内的整体稳定承载力应按下式验算：（5-8）式中：—换算长细比取验算平面内轴心受压构件稳定系数，由表给出；；（5-9）；（5-10）；（5-11），；（5-12）——欧拉临界力，（5-13） —单管截面抗剪塑发展系数（5-14）m——等效弯矩系数，可按表7.3.1采用；mAsc，Wsc——格构式构件截面总面积和总抵抗矩。，故纵向稳定性满足要求。5.2.2横向稳定性验算主拱圈宽度为16m＞L/20=5m。故根据规范此拱桥不需验算的横向稳定性。在两拱肋间布设5根一字横撑。主拱圈变形验算5.3.1正常使用极限状态验算对主拱圈进行持久状况正常使用极限状态下挠度验算。钢管混凝土拱桥按持久状况正常使用极限状态对结构或构件的应力和变形进行计算，并使各项计算值不超过规范规定的相应限值。钢管混凝土拱桥拱肋在车道荷载作用下的最大竖向挠度（一个桥跨范围内的正负挠度绝对值之和）不应大于L/650=100/650=5.3.1.1长期效应组合挠度验算竖向最大位移＜，竖向最小位移＜，满足规范。5.3.1.2短期效应组合挠度验算竖向最大位移＜，竖向最小位移＜，满足规范。5.3.2短暂状况验算施工阶段挠度验算：竖向最小位移为＜，满足规范要求。主拱圈应力验算利用桥梁博士对主拱圈进行持久状况和短暂状况应力验算。5.4.1持久状况验算持久状况下钢管混凝土拱肋的钢管应力不应大于。表5-1单肋短期效应组合应力验算节点号应力上缘正应力下缘正应力最大主应力最大最小最大最小主压应力主拉应力63应力属性103163163容许值228-228228-228228-228是否满足是是是是是是87应力属性11180111容许值228-228228-228228-228是否满足是是是是是是99应力属性86容许值228-228228-228228-228是否满足是是是是是是112应力属性容许值228-228228-228228-228是否满足是是是是是是表5-2单肋长期效应组合应力验算节点号应力上缘正应力下缘正应力最大主应力最大最小最大最小主压应力主拉应力63应力属性132132容许值228-228228-228228-228是否满足是是是是是是87应力属性65容许值228-228228-228228-228是否满足是是是是是是99应力属性容许值228-228228-228228-228是否满足是是是是是是112应力属性容许值228-228228-228228-228是否满足是是是是是是应力满足要求。短暂状况验算短暂状况下钢管混凝土拱肋的钢管应力不应大于。表5-3第一施工阶段应力验算节点号应力上缘正应力下缘正应力最大主应力最大最小最大最小主压主拉63应力属性容许值228-228228-228228-228是否满足是是1是是是87应力属性容许值228-228228-228228-228是否满足是是1是是是99应力属性容许值228-228228-228228-228是否满足是是1是是是112应力属性容许值228-228228-228228-228是否满足是是1是是是表5-4第六施工阶段应力验算节点号应力上缘正应力下缘正应力最大主应力最大最小最大最小主压主拉63应力属性162162162容许值228-228228-228228-228是否满足是是1是是是87应力属性112112112容许值228-228228-228228-228是否满足是是1是是是99应力属性1011018989101容许值228-228228-228228-228是否满足是是1是是是112应力属性109109109容许值228-228228-228228-228是否满足是是1是是是应力满足要求。6.吊杆复核吊杆外荷载计算包括桥面系恒载重量、活载产生的相关效应以及人群荷载效应，外荷载通过引起桥面系变形从而对吊杆产生张拉力，其内力强度符合按线弹性理论进行。利用桥博进行一侧吊杆单元内力计算。吊杆内力左右对称，取一半进行计算。如下表：表5-5正常使用长期效应组合单元号节点号属性最大轴力最小轴力最大剪力最小剪力最大弯矩最小弯矩17510轴力-832-1040-850-850-850-85077轴力-832-1040-851-851-851-85117613轴力-823-983-830-830-830-83082轴力-824-984-831-831-831-83117716轴力-830-983-837-837-837-83787轴力-832-985-839-839-839-83917819轴力-813-963-819-819-819-81992轴力-815-966-821-821-821-82117922轴力-823-974-829-829-829-82997轴力-826-977-832-832-832-83218025轴力-824-980-829-829-829-829102轴力-828-984-833-833-833-83318128轴力-825-985-830-830-830-830107轴力-828-988-833-833-833-83318231轴力-825-984-830-830-830-830112轴力-829-988-833-833-833-833表5-6正常使用短期效应组合单元号节点号属性最大轴力最小轴力最大剪力最小剪力最大弯矩最小弯矩17510轴力-821-1190-850-850-850-85077轴力-822-1190-851-851-851-85117613轴力-817-1100-830-830-830-83082轴力-818-1100-831-831-831-83117716轴力-825-1100-837-837-837-83787轴力-827-1100-839-839-839-83917819轴力-808-1080-819-819-819-81992轴力-811-1080-821-821-821-82117922轴力-819-1090-829-829-829-82997轴力-822-1090-832-832-832-83218025轴力-821-1100-829-829-829-829102轴力-824-1100-833-833-833-83318128轴力-822-1110-830-830-830-830107轴力-825-1110-833-833-833-83318231轴力-822-1110-830-830-830-830112轴力-825-1110-833-833-833-833表5-7承载能力极限组合单元号节点号属性最大轴力最小轴力最大剪力最小剪力最大弯矩最小弯矩17510轴力-795-1670-1020-847-847-84777轴力-796-1670-1020-848-848-84817613轴力-808-1530-1000-834-834-83482轴力-810-1530-1000-835-835-83517716轴力-805-1500-993-828-828-82887轴力-807-1500-996-830-830-83017819轴力-814-1490-1000-833-833-83392轴力-816-1500-1000-836-836-83617922轴力-818-1500-1000-836-836-83697轴力-821-1510-1010-839-839-83918025轴力-814-1520-997-831-831-831102轴力-817-1520-1000-834-834-83418128轴力-813-1530-995-829-829-829107轴力-817-1530-999-833-833-83318231轴力-814-1530-995-829-829-829112轴力-817-1530-999-833-833-833由桥梁博士软件计算结果可以得到：荷载按承载能力极限状态最小轴力组合后吊杆最大张拉力为1670KN。本桥设计采用φ7平行钢绞线，截面面积3220,吊杆满足《公路斜拉桥设计规范》（试行，JTJ027-96）对斜拉索设计的要求。吊杆的安全系数为1860×103×1670=>3。满足要求。7.加劲纵梁分析加劲纵梁为预应力混凝土结构，可简化采用平面杆系通用有限元软件桥梁博士进行结构分析，与拱肋一起建模。加劲纵梁位于两拱肋下，车辆活载按杠杆原理计算分配系数，与拱肋横向分布系数相同。可以看成是以横梁为支点的弹性支承连续梁。7．1计算结果取控制截面配筋结果输出如下表：表7-1控制截面估算配筋结果单元号节点号配筋单元号节点号配筋上缘下缘上缘下缘113131232663636737111141411242161646461747212151512252262656562757303060603161上缘最大配筋面积为，下缘最大配筋面积为。选用钢筋：HRB335钢筋；选用预应力筋：270k钢绞线（）。配筋后进行结构验算。7．4．1承载能力极限状态验算利用桥博对加劲纵梁进行持久状况下的承载能力极限状态验算。表7-2承载能力极限状态基本组合正截面强度验算节点号内力属性Mj极限抗力受力类型抗力是否满足受压区高度是否满足最小配筋率是否满足1最大弯矩01350下拉受弯是是是最小弯矩01350下拉受弯是是是最大轴力01350下拉受弯是是是最小轴力01350下拉受弯是是是6最大弯矩7171350下拉受弯是是是最小弯矩-87-1350上拉受弯是是是最大轴力01350下拉受弯是是是最小轴力01350下拉受弯是是是11最大弯矩10101920下拉受弯是是是最小弯矩-518-1120上拉受弯是是是最大轴力0-1120上拉受弯是是是最小轴力0-1120上拉受弯是是是16最大弯矩7132080下拉受弯是是是最小弯矩-780-1040上拉受弯