北京市第八届大学生结构设计大赛参赛作品过街天桥计算书

目录建筑结构说明书——————————————3一、工程背景———————————————————3二、工程概况———————————————————3三、设计依据———————————————————4四、设计理念———————————————————5结构设计计算书——————————————6一、结构形式选择—————————————————6二、荷载取值———————————————————8三、模型选取———————————————————10四、基本假定———————————————————12五、结构设计计算—————————————————12（1）支座反力————————————————15（2）位移分析————————————————17（3）桥梁内力分析——————————————20（4）在最不利组合下应力分析—————————25（5）地震分析————————————————25（6）验算拉索————————————————27（7）验算斜拱————————————————27（8）验算箱形梁截面—————————————28（9）柱设计—————————————————29六、基础设计—————————————32七、经济分析—————————————36附录一、建筑设计说明书一背景本工程位于xx商业区十字路口，附近有xx商场、xx百货、xx百货等大型商场，人流量特别大。xx商业区作为xx市延续至今具有悠久历史和深厚文化底蕴的商贾云集之地，与xx大街，xx，并称三大传统商业区。在广大消费者心目中是商业经营的黄金地段，更是首都经济繁荣的象征。而本工程所设计的人行天桥是一座景观天桥，建成后将是xx具有代表性的一个建筑，可供中外游客观赏。选址地势平坦，桥体东西长40m,包括机动车道16m以及两边的人行道和绿化带各12m，南北20m。二工程概况1设计要求该桥为城市景观桥，天桥的建筑艺术应与周围建筑景观协调。主体结构的造型要简洁明快通透，附属结构（栏杆、照明等）要兼具美观与实用性。桥面净宽5m；桥面横坡：横坡为向外双向横坡2％；地震烈度八度；要求天桥东西向40m跨越机动车道及人行道，地面标高50.0m。年平均气温以15℃计；极端最高气温以45℃计；极端最低气温以-15℃计；天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz；天桥、梯道（坡道净空均应满足规范要求。）2编写建筑设计说明书3绘制建筑方案图，包括桥的总平面图,平面图，立面图，侧立面图,桥面布置图，楼梯细部图等。4绘制效果图，根据拟定设计的背景资料，制作效果图。三设计依据设计参考书：《结构设计原理》叶见曙主编，人民交通出版社《桥梁工程》白宝玉主编，高等教育出版社《钢结构基本原理》沈祖炎等主编，中国建筑工业出版社《建筑结构抗震设计》李国强等编，中国建筑工业出版社《基础工程设计原理》袁聚云等编著，同济大学出版社现行结构设计国家有关规范及标准，xx地方标准:《CJJ69-95城市人行天桥与人行地道技术规范》《建筑结构荷载规范》GB50009-2001《建筑抗震设计规范》GB50011-2001《公路工程抗震设计规范》《钢结构设计规范》GB50017-2003《建筑地基基础设计规范》《建筑桩基技术规范》国家及xx市各部门颁布的有关规定技术规程，以及大赛主办方提供的相关文件。四设计理念轻盈、动态、美丽，是蝶的身影。勤劳、坚持、飞舞，是蝶的灵魂。xx的繁华神圣，xx的车水马龙，在这一方不息的流动中，侧目、驻足似乎都不易，因为眼前的美景应接不暇、顾此失彼，要想锁住那一汪清谭的眼神，需要的是无可复制的美、内外兼修的美。所以有了“蝶·舞”的概念与诞生。“黄四娘家花满蹊，千朵万朵压枝低。留连戏蝶时时舞，自在娇莺恰恰啼。”“蝶·舞”姿态潇洒可爱，不免使漫步的人也流连忘返，在xx这样一个车水马龙的商业中心坐落着一只舞动的“蝴蝶”，不免能吸引更多的中外游客、商旅、投资商驻足停留，从而带动中国的经济展翅腾飞，“乘风飞去急，映日舞来徐。”相信不久的将来，祖国一定会以迅雷之势走向繁荣富强。“穿花蛱蝶深深见，点水蜻蜓款款飞，传语风光共流转，暂时相伴莫相违。”蝴蝶的美丽妙不可言，而xx的美，xx的美，xx人的淳朴美，更是不言而喻，xx这个现代文明孕育的润土，配合上大自然舞动的精灵，正是人与社会和谐发展的体现。舞动的蝴蝶、别致的美丽、精致的生活、文化的膨胀、繁华的商业，悠久的历史，一切的一切似乎都在述说着祖国的繁荣昌盛、首都的和谐美好，奥运的魅力！结构设计计算书一、结构形式选择本工程位于繁华的xx大型商业区，考虑满足行人交通需要的建筑功能和建筑审美要求，又因为位于xx中心十字路口处，故考虑在该十字路口采用“蝶形”拱式斜拉桥，桥面采用钢箱梁结构，由于卵石层承载力高、埋深稳定、厚度大，所以采用钻孔灌注桩基础。设有两道电梯，楼梯采用悬臂式，考虑到楼梯与柱的连接，将楼梯梁搁置在两个钢骨混凝土柱，踏面、踢面采用钢板焊接。在建筑结构科学使用及与周围环境协调的原则下，优先经济的选用该结构形式，采用拉索减少桥面梁的截面弯矩，由于采用对称结构形式有更好整体性及空间刚度，钢结构便于制造，运输，安装，施工速度快，很好的解决了因施工给交通带来的不便。整个桥体美观，通行量大。栏杆采用玻璃板式，体现了现代建筑发展的方向，与环境融洽，且安全性高。桥东西向跨度40m,南北向20m,桥面呈弧形。桥底面机动车道最高净空高5.1m，两端最低净空高4.5m满足最低净空4.5m的规范要求。拉索钢束直径d=４0mm，采用Q345钢，预应力值为300KN，采用防腐油脂＋发泡剂＋保护罩的防腐体系。拱截面采用钢管式，采用Q345钢，直径500mm，壁厚40mm,两端实心，提高端部受力性能。拉索与拱采用一般锚固连接，与钢箱梁采用锚箱连接，拱与地面采用栓焊结合。拱采用圆弧形式，宽度40米，高13.88m。钢箱梁高９00mm,上部宽5m,下部宽3.7m,截面形式如图，桥面和踏面面层均采用如下形式：钢管混凝土柱，便于与钢箱梁及楼梯的连接，其截面：二、荷载取值1恒荷载：桥面弧长S=43.53m，宽度B=5m。钢箱梁：=mg/2SB=136624.08×9.8/(2×43.53×5)=3.08其中质量m在施工图中已统计。桥面混凝土厚t=40mm，密度由《城市人行天桥与人行地道技术规范》查得，混凝土面层重：斜拱自重：斜拱最高点标高13.88m，与水平面呈60度，计算弧长为55.08m,截面直径500mm,壁厚40mm。=π（R2-r2）×ρ=3.14х（0.25х0.25-0.21х0.21）х78.2=1.417KN/m2活荷载a.基本可变荷载——人群荷载：桥跨21m<L=43.53m<100m，由《城市人行天桥与人行地道技术规范》第３．１．３．２条得：单位面积上的人群荷载,其中：L--加载长度，43.53m;B--半桥宽度，大于4m取4m;换算成线荷载为17.65KN/m风荷载：按《城市人行天桥与人行地道技术规范》第３．１．９条得：由《建筑结构荷载规范GB50009—2001》附录D基本雪压和风压的确定方法得基本风压为0.45风压标准值:=1\*GB3①桥面风荷载为：箱型截面与玻璃护栏截面总高2m，横向风荷载根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》３．１．９．２：纵向风荷载=2\*GB3②斜拱的风荷载：横向风荷载纵向风荷载c雪载：按《城市人行天桥与人行地道技术规范》３．１．１４查《建筑结构荷载规范GB50009—2001》6.2屋面积雪分布系数,取拱形屋面积雪分布系数且，其中l为跨度,f为拱高。本工程中l=40m,f=1.5m，计算得M=3.33>1，取1。由《建筑结构荷载规范GB50009—2001》附录D基本雪压和风压的确定方法得基本雪压：其中：—屋面积雪分布系数—基本雪压偶然荷载a汽车撞击荷载：由于柱子布置在人行道外缘，不存在汽车撞击的可能。b地震荷载：按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，xx设计地震分组为第一组，（卵石层作为桥基持力层，覆盖层厚度d=1.0+1.0+2.0+0.6+1.5=6.1m)场地类型为Ⅱ类，场地卓越周期取0.4s，设计基本加速度为0.2g，基本地震烈度8度，阻尼比0.02。重力荷载代表值为100%恒荷载（不考虑雪荷载），一般不考虑桥面活荷载。《建筑抗震设计规范》GB50011-2001，第5.1.1规定8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。计算地震反应的常用方法有振型分解反应谱法和时程分析法。设计中由Midas\Civil2006用反应谱分析法计算。地震作用按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定的α反应谱曲线由软件计算。三、计算模型选取桥面上的荷载全部由钢箱梁承担，一部分传递到两端的钢管混凝土柱→基础→地基，另一部传递到拉索→斜拱→基础→地基。利用Midas\Civil2006软件建立计算模型：将每个桥面划分为40个梁单元，每个拱划分为为10个单元，拉索共14条，每条拉索为一单元；模型中桥面与柱的连接方式为铰接，拱与地面的连接方式为刚接。下面是不同角度所看到的计算模型：三维视图为：图3-1侧立面视图为图3-2平面视图为图3-3根据经验选取箱箱梁、拱的的尺寸以及及拉索的预预拉力，利利用Midaas建模并运行行，观察拱拱的竖向挠挠度以及桥桥的自振频频率，我们们发现：增增大拉索的的预拉力，桥桥面下沉减减少，拱挠挠度增大（向向上）；减减小拱的质质量，拱的的挠度增大大，桥的自自振频率增增大；增大大拱的截面面直径，刚刚度增大，其其变形愈小小。最终，通通过反复的的调节各构构件尺寸及及拉索的预预拉力，我我们得出了了如下数据据：钢箱梁截面：高高度９０００ｍｍ，钢钢板厚度１１０ｍｍ，布置６６道连接上上下桥面的的加劲勒，分分为７个箱箱室。斜拱截面：截截面形式为为管形，截截面直径５５００ｍｍｍ，壁厚４４０ｍｍ。拉索：采采用多股圆圆形截面钢钢丝绞制而而成，总截截面面积为为１２５６６平方米毫毫米，预拉拉力为１６６０ＫＮ。四、基本假定1、构件符合小变变形、小应应变的假定定；2、材料为为各向同性性的线弹性性材料；3、荷载仅仅作用节点点上。五、结构设计计计算a承载能力力极限状态态：按《建筑结构荷荷载规范》：：式中γG—永久荷载的分项项系数；γQi—第i个可变荷荷载的分项项系数，其其中γQ1为可变荷荷载Q1的分项系数数;SGK—按永久荷荷载标准值值Gk计算的荷荷载效应值值；SQiik—按可变荷荷载标准值值Qik计算的荷荷载效应值值,其中SQ1kk为诸可变变荷载效效应中起控控制作用者者；Ψci—可变荷载Qi的组合值值系数；n—参与组合的可变变荷载数。b正常使使用极限状状态：按《建筑结构荷载载规范》GB5500099-20001按照《城市人行行天桥与人人行地道技技术规范》3.1.1计算分析过程中考了基本荷载工况的的组合：组合Ⅰ：基本可可变荷载与与永久荷载载的一种或或几种相组组合。①承载能力极限状状态1.2××恒载+11.4×基本可变变荷载②正常使用极限状状态1.0×恒载+1..0×基本可变变荷载组合Ⅱ：基本可可变荷载与与永久荷载载的一种或或几种与其其他可变荷荷载的一种种或几种相相组合。=3\*GB3③承载能力力极限状态态1.2×恒载+1..4×基本可变变荷载+11.4×0.6××风荷载+1.44×0.77×雪荷载④正常使用极极限状态1.0×恒载+1..0×基本本可变荷载载+1.00×0.77×风荷载+1.00×0.77×雪荷载组合Ⅲ：结构构重力、１１ｋＮ/ｍ２人群群荷载、预预应力中的的一种或几几种与地震震力相组合合。⑤1.2×恒载载+11.4×基本可变变荷载+11.3×水平地震震荷载+0..5×竖向地震震荷载⑴支座反力组合=3\\*GBB3③为最不利利组合。1.2×恒载+1..4×基本可变变荷载+11.4×00.6×风荷载+1.4××0.7××雪荷载节点Fx(kN))Fy(kN))Fz(kN))Mx(kN**m)My(kN**m)Mz(kN**m)16369.733063234.58876859.005590.00000.00000.000041-6377.448263237.86641861.447780.00000.00000.0000426372.16680-3248.66676852.862270.00000.00000.000082-6376.00591-3249.55865853.230020.00000.00000.0000831502.97707-895.555411663.400061304.37768638.91667-588.8996093-1504.33928-896.388081664.077551307.22255-640.90066589.58227941499.411066887.393351661.52201-1247.11974620.96667553.64005104-1499.44253887.538831662.51119-1245.66541-617.48844-554.52247节点所对应的支支座详见计计算模型视视图。最不利组合下支支座处反力力图：最不利组合下斜斜拱支座处处弯矩图：依据以上支座反反力设计柱柱子和基础础。⑵位移分析：组组合位移节点组合②组合④21（桥面跨中）X=0X=0Y=0.000012mY=0.0000066Z=-0.052849mZ=-0.06620922D=0.0533mD=0.0622m88（拱的最高点）X=0X=0Y=0.2411156mmY=0.3255875Z=0.13755mZ=0.182863D=0.3722mD=0.3744m利用荷载标准值值组合进行行位移验算算：1.0×恒载+1..0×基本可变变荷载位移变形图为白色为变形前，蓝蓝色为变形形后位移等值线如图图：④1.0××恒载+11.0×基本可变变荷载+1.00×0.77×风荷载+1.00×0.77×雪荷载位移形状如图：：白色为变形前，蓝色为变形后位移等值线如图图：⑶箱梁和拱内力在最不利组合33下拱的内力力：单元轴向(kN)剪力-y(kN))剪力-z(kN))扭矩(kN*m))弯矩-y(kN**m)弯矩-z(kN**m)82-3097.118181.63411.51-563.0444086.5994116.46683-2917.663451.56330.44-1100.1111510.3662373.27784-2527.003386.02178.2-1273.669-50.9853.3685-2181.442218.3893.09-1018.771-781.277-1589.22186-2003.00160.7734.83-390.733-1086.881-2371.88787-2003.008-60.25-34.84389.94-1086.886-2373.00188-2181.776-218.144-93.011018.444-781.622-1591.99989-2528.111-386.533-178.0771274.088-52.0451.3890-2918.998-451.888-330.6331100.7221509.4772373.61191-3098.773-181.655-412.033563.554087.9774117.877在最不利组合33下箱梁的的内力单元轴向(kN)剪力-y(kN))剪力-z(kN))扭矩(kN*m))弯矩-y(kN**m)弯矩-z(kN**m)1-4321.886795.75-361.6990205.68-434.2112-4344.669640.71-308.34415.92569.5-1218.5593-4362.117484.83-255.645.34873.56-1833.884-4374.226328.31-203.42285.841118.433-2278.8845-4380.996171.35-151.755134.981304.688-2552.9986-4382.22714.15-100.544190.291432.877-2655.777-4378.22-143.088-49.75249.331503.577-2586.7748-4368.774-300.1550.69309.611517.311-2346.0079-4235.448-78.54-101.2368.681557.577-2140.33110-4228.556-230.511-50.65431.011623.955-1972.33511-4216.445-382.2-0.36494.141633.488-1638.44312-4199.119-533.43349.74555.61586.544-1138.9913-4083.551-218.077-131.733612.91609.722-728.55514-4072.114-364.577-81.32673.951702.533-410.09915-4055.88-510.622-31.02736.261738.47768.2816-4034.551-656.04419.22797.371717.64470617-3968.226-360.077-148.599854.811762.7551261.93318-3952.229-502.433-84.6915.91855.0441734.35519-3931.664-644.188-34.05977.651886.2992362.12220-3906.22-785.12216.571037.5991860.0333144.477在最不利荷载组组合3下轴力Fx：在最不利荷载组组合3下剪力Fy：在最不利荷载组组合3下剪力Fz：在最不利荷载组组合3下Mx图：在最不利荷载组组合3下My图：在最不利荷载组组合3下Mz图⑷在最不利组合下下应力分析析：由应力分布图可可知：在桥桥面中部以以及斜拱顶顶部、两端端组合应力力较大，为为受力危险险单元。⑸地震分析：取前三阶振型振型阶数频率（Hz）周期（s）13.02817730.3302332 24.48160090.2231334 35.07450040.1970664 第一阶振型曲线线：白色代表变形前前，蓝色变形后后。第二阶振型曲线线：白色代表变形前前，蓝色变形后后。三阶振型曲线：：白色代表变形前前，蓝色变形后后。验算拉索材料取16Mnn钢，抗拉拉强度设计计值为315NN/，拉索索截面取00.04mm，在最不不利组合（组组合3）下，拉拉索的最大大内力（拉拉力）为333..5KN，则：满足。验算斜拱材料取Q2355，截面取取，环形截截面直径D=6550，壁厚t=18，在最不利利组合下，最最危险截面面轴力为-30998.755KN(压）；弯弯矩为-40087.997KN··m（y向），41177.87KKN·m（z向）;剪力为-1811.65KKN（y向），412..03KNN（z向）a验算强度：满足要求b验算刚度：斜拱的竖向最大大位移为118.2ccm，满足要求求。（8）箱型梁截面验算算a强度：正应力验算：满足足要求剪应力验算：剪力最大单元为为1，b刚度验验算：计算出在最不利利组合下桥桥面跨中位位移W=-0..061mm（向下）<L/6600=00.0666m根据《CJJ669-955城市人行行天桥与人人行地道技技术规范》满满足要求。c整体体稳定：由于桥梁截面为为箱型截面面，其h/b0=6,且l1/b0<95h---截面高高度0.99mb0---桥面宽度度5ml1截面跨度，400m按照《钢结构设设计规范》第第4.2..4条，可可不进行整整体稳定性性验算（9）柱子的设计计算算1、材料设定钢：选选用3号钢，弹弹性模量Ea=2206*1103N/mmm2抗拉抗抗压强度设设计值fa=2215N//mm2屈服强强度fy=2235N//mm2混凝土土：选用C30的混凝土土抗压强强度设计值值fc=115N/mmm2抗压强强度设计值值ft=11.5N//mm2弹性模模量Ec=330*1003N/mmm22．尺寸设计柱子直径：D=3000mm>100mmm（钢结结构设计规规范规定的的最小柱子子外径）钢管壁厚厚：t=8mmm，《钢管混混凝土结构构设计与施施工规程》规规定：钢管管外径与壁壁厚之比d/t，宜限制制在20在85之间（fy为钢的屈屈服强度）。故故：20<dd/t<885，我们的设设计d/t==37.55，满足设设计要求。3．钢管混凝土单肢肢柱的承载载力计算(11)根据《钢钢管混凝土土结构设计计与施工规规程》可知知：钢管混混凝土单肢肢的承载力力应按下式式计算：式中---钢管混凝凝土实心短短柱的承载载力设计值值----钢管混凝凝土的套箍箍指标-----混凝土的的抗压强度度设计值Ac-----钢管内混混凝土的横横截面面积积fa-------钢管的抗抗拉、抗压压强度设计计值Aa------钢管的横横截面积Φ1----------考虑长长细比影响响的承载力力折减系数数φ2----------考虑偏偏心率影响响的承载力力折减系数数在任任何情况下下均应满足足下列条件件：式中中为按轴心心受压柱考考虑的值(2)柱柱承载力验验算：满足足规范0.3<θ<3的要求。①φ2的确定：因为不不考虑偏心心率的影响响，故φ2=1②φ1的确定：由《钢管混凝土土结构设计计与施工规规程》可知知：柱子的的等效计算算长度la=kullk：为等等效长度系系数，经查查阅《钢管管混凝土结结构设计与与施工规程程》附表二二，得k=0..699u：计算长长度系数，这这里取u=1。故柱子的的等效计算算长度la=kul=0..699**1*36600=22516..4mmla/d=25166.4/3300=88.3888>4,故Nu的确定：（4）竖向荷载F的的确定：电梯重量：1447KN电梯上人人群荷载：：71.448KN楼梯重量:1003.788KN楼梯上人人群荷载：：82.007KN桥面竖向压力：：900KKN总竖向荷载F==1.2恒载+1.4活载=（因为电梯重量大大于楼梯重重量，偏于于安全考虑虑，故取楼楼梯重量进进行验算）（5）承载力验证：=19222.8KNN>F=11356..472KKN故满足竖向承载载力要求六基础的设计a设计材料料1．地层层岩性勘探时实测钻孔孔孔口处地地面标高为为49.880～50.200m。在勘勘探深度内内地基土由由人工填土土和一般第第四纪沉积积土构成，按按其岩性、物物理力学性性质及工程程特性可划划分为7个大层，现现分述如下下：(1)人工填土土层（第1~2大层）a．粉土素填土①①：含少量量碳屑和碎碎石。本层层厚度1..00m。b．杂填土②：主主要成分为为粘性土、碎碎石、砖灰灰渣及少量量碳屑。本本层厚度1.00m。(2)一般第四四纪沉积土土层（第3~7大层）a．粉土③：含少少量云母、氧氧化铁条纹纹。本层厚厚度2.000m。b．粉质粘土④：：含少量云云母及螺壳壳。本层厚厚度0.660m。c．粉细砂⑤：主主要成分为为石英、长长石，含少少量砾石。本本层厚度11.50mm。d．卵石⑥：亚圆圆形，粒径径一般20~400mm，级级配较好。本本层厚度77.00mm。e．卵石⑦：亚圆圆形，粒径径一般40~600mm，级级配较好，本本层厚度113.000m。土层物理力学性性质参考指指标见表：：表1土层物理力学性性质指标地层名称含水量w%重度γkN/m3饱和度Sr%天然孔隙比e液限WL%塑限Wp%塑性指数IP%液性指数IL%粉土素填土18.819.073.30.692617.68.380.34粉土23.119.891.30.6827.417.99.430.54粉质粘土31.718.794.00.9235.623.811.770.66表2土层承载力力基本容许许值[fa0]、桩侧土土摩阻力标标准值qi、压缩模模量Es土层名称承载力基本容许许值[fa0](kkPa)桩侧土摩阻力标标准值qi(kPa))压缩模量Es(MPaa)粉土素填土①110204.0粉土③140404.5粉细砂⑤1804518卵石⑥80018060卵石⑦100023075基础的类型：采用钻孔灌注桩桩制成的摩摩擦型端承承桩3材料：钢筋混凝土4计算方法：单桩承载力的确确定：经验验参数法。5基础尺寸：桩径：D=4000mm，桩桩长l7.3mm6要承受的竖向荷荷载值：F=8661.4KKN（在最不不利荷载组组合下）7设计依据：《建筑桩基技术术规范》《基础工程设计计原理》袁袁聚云等编编著，同济济大学出版版社b承载力的验算：因为上部的竖向向荷载不大大，根据设设计规范的的要求，这这里我们只只设置一根根桩。下面我们运用经经验参数法法进行单桩桩承载力的的验算：1.计算公式：（11）单桩极限限承载力由由总桩侧摩摩阻力和总总桩端阻力力组成，即即QQUK=QSK+QPK=u∑liqski+Apqpk（2）单桩设设计承载力力为RR=QSKK/