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文檔簡介

1 石拱橋 項目設計方案 1、 引言 拱橋與梁橋區(qū)別 我國歷史文化悠久,在橋梁建設史上留下了不少燦爛篇章。而且類型也豐富多彩富有民族特色的的石拱橋,無論結構的精心巧思以及藝術造型的豐富多彩,長期以來一直馳名中外。舉世聞名的趙洲橋就是其中的杰出代表。拱橋是我國公路上使用較為廣泛的一種橋型。拱橋與梁橋的區(qū)別不僅在于外形不同,更重要的是兩者的受力性能有較大差別。梁式結構在豎向荷載作用下,支撐處僅產生豎向支撐反力,而拱式結構在豎向荷載作用下兩端支撐除了有豎向反力外,還將產生水平推力。正是這個水平推力,使拱內產生軸向壓力,從而大大減少了拱圈的截面彎距,使之成為偏心受壓構件,截面上的應力分布與受彎梁相比,較為均勻。因此可以充分利用主拱截面材料,使跨越能力增大。 設計說明 建設理由及設計要求 該橋建在 上,隨著蓬萊的不斷發(fā)展,原有道路已不能滿足交通要求,為此在再修建一座橋梁。所建設橋梁要符合城市發(fā)展規(guī)劃,滿足交通需要:其次,橋梁建造在蓬萊市內,因此,橋型要簡潔、輕盈,不與已有橋梁外形雷同,以期成為一道新的風景線,體現(xiàn)民族特色。 總體說明 ( 1) 該橋設計荷載為 公路 橋面寬 17m,其中行車道寬 14m,兩側人行道寬 括欄桿寬度) ( 2) 主拱圈為等截面懸鏈線無鉸拱,拱軸系數(shù) m=拱圈按彈性無鉸拱進行計算,拱圈計算時未考慮墩臺變形對拱 圈受力的影響和單向推力的作用,同時也沒有考慮拱上建筑的聯(lián)合作用, 矢跨比為 1/4。主拱圈厚度為 ( 3) 該橋采用空腹式拱上結構,在主拱兩側各布置 2 孔凈跨為 腹拱,立柱為矩形截面,立柱尺寸見后面圖。矢跨比為 1/5,圓弧線拱軸, 拱圈厚為 ( 4) 橋墩采用重力式,橋臺用 重力式 ( 5) 橋面構造:橋面不設縱坡,利用橋面橫坡排除橋面雨水,橋面每隔 10水孔沿行車道兩側左右對稱排列,另外增設滲水縫。橋面設三角墊層以便設橫坡,路面鋪筑 14青混凝土。采用 行道寬 中人行道 欄 欄到邊緣距離為 欄高 1m,人行道 出 1m。 2 ( 6) 施工要點 : 1) 臺后填土須選用透水性良好的砂性土,并分層夯實,密實度控制在 90%以上。在砌筑拱圈時要求垂直于受壓面的順橋向砌縫錯開,錯開間距 不小于 10石的豎向砌縫也應錯開,錯開不小于 10縫的寬度不應大于 2筑時應選用較大的平整面與拱軸線垂直,并使石塊的大頭向上,小頭向下,較大的縫隙應用小石塊嵌緊并灌滿砂漿,以保證墩臺的受力性能 2) 人行道、欄桿、帽石和瀝青混凝土 橋面,在腹拱較的上方或側墻有變形縫處,均應設置貫穿全橋寬度的伸縮縫或變形縫,以適應住拱圈的變形。 3) 防水層全橋范圍內不能斷開,當通過伸縮縫或變形縫時應作伸 縮縫或變形縫上防水層構造物,使之既能防水有能適應變形 4) 拱架應設置施工預拱度及拱圈砌筑程序,隨時注意觀 察拱架的變形情況,必要時對砌筑程序進行調整以控制拱圈的變形。 5) 安裝和砌筑主拱圈及拱上建筑時,必須在縱橫向保持對稱均衡 ,在施工過程中必須隨時注意觀測并控制拱圈的變形。 方案比選 初擬方案完成后,通過初步分析,將其中明顯競爭性不大的體系刪去,提出 2 3個具有特色的體系做進一步評比,這 2 3 個必選方案應力求受力合理,施工可行。然后按以下標準選出最佳推薦方案。 比選標準 ( 1) 安全 安全標準可以從行車安全、通航安全、基礎地質條件的安全與施工安全等幾方面考慮行車安全主要通 過橋面設施的布置來實現(xiàn)。通航安全雖然有通航凈空保證,但應注意是否有拖船組成的船隊通過,另外橋下水流方向是否與橋梁垂直?;A方面應該滿足規(guī)范中規(guī)定的基礎埋深與河流的沖刷深度。另一方面應檢查基礎附近是否有裂縫、斷層、溶洞等不良地質現(xiàn)象存在,由此檢查橋梁分孔 是否合理。 ( 2) 功能 橋梁的功能無非是兩方面:一是跨越障礙,二是承受荷載。在方案比選中應選擇傳力路線直接、簡潔的結構形式,以保證結構的受力合理性。梁式體系比拱式體系好,無鉸拱比有鉸拱好,整體式的比組合式的好,擴大基礎比樁基礎好。 小跨 能滿足功能要求的就不做大跨;能用標準設計或通用設計的宜優(yōu)先考慮。 ( 3) 經濟 評價一座橋的經濟性可以從以下幾個方面進行:造價、工期及養(yǎng)護維修。 1) 造價包括材料費、人工費、機具設備費。在材料用量比較中,主要考慮鋼材、混凝土、木材的用量。按照我國目前的情況,要多注意節(jié)約鋼材與木材。人工費和機具設備費的標準各地區(qū)有很大差別,可根據(jù)概預算定額標準進行估算。 3 2) 一座橋梁建設工期的長短與造價有很大的關系。 橋梁作為線路的一部分,應該要求做到“線路修到哪里,橋也通到哪里”。 影響工期的因素有很多,在建橋資金有保障的 前提下,有基礎工程量的大小、結構形式、施工方法等。尤其是基礎工程,在地質條件復雜,河水較深的橋位可適當加大跨徑,以減少基礎施工難度。 非就地取材的橋型,不僅造價高,而且工期長;采用腳手施工的工期長,而且有水毀之虞,都需一一加以考慮。 3) 在橋梁規(guī)定使用期限內經常維修費用的多少需要考慮,混凝土橋的養(yǎng)護和維修費用比鋼橋低的多,當遭受軍事或自然因素破壞后的修復,梁式橋比拱橋方便。 ( 4) 美觀 我國基本建設的方針是“經濟、實用和在可能條件下注意美觀“,大量的公路橋的鐵路橋應注意這一原則,但在特大橋、城市橋 以及位于風景區(qū)的橋梁,應注意選擇美觀的橋型方案。 因為一座橋梁 往往是一個城市的標志,一個城市的驕傲。 設計時應考慮結構的造型與當?shù)氐匦?、景物的協(xié)調,橋梁輪廓尺寸 應比例勻稱。 除了以上四方面主要的比選標準,施工設備和施工能力也是必須考慮的一個方面。每一個方案都應初步采用什么施工方法 ,根據(jù)所給的施工和現(xiàn)場條件制定施工方案。 從經濟、工期等方面比較各個方案可能性。 以上各點既有聯(lián)系,也有矛盾,而且各方案本身具有自己的特點,在進行比選時應抓住主要矛盾,兼顧次要矛盾, 進行分析評比,提出自己的評比結論, 征求指導老師意見 后定出方案 。 三種方案比選 ( 1) 第一種方案: 2孔上承式空腹石板拱橋。 1) 孔徑布置:本方案由 2孔 20m,全長為 種橋型是一種美觀經濟的常用橋型,這種橋型在各方案的競爭中具有一定的優(yōu)勢。 2) 主跨結構構造:矢跨比為 1/4,為等截面懸鏈線無鉸拱, 拱軸系數(shù) m=拱圈為石板拱,高為 拱圈計算時未考慮墩臺變形對拱, 圈受力的影響和單向推力的作用,同時也沒有考慮拱上建筑的聯(lián)合作用。 拱上建筑采用拱式腹孔,跨比為 1/5,拱 圈厚 圓弧拱,每邊為 2 個腹孔。橋面凈寬 14m, 兩側人行道寬 3) 墩臺基礎:由于地質條件較好,故橋墩采用重力式橋墩,橋臺采用 礎伸入弱風化玄武巖。 4) 施工方案:支架施工 拱架應 設置施工預拱度及拱圈砌筑程序,隨時注意觀察拱架的變形情況, 對砌筑程序進行調整以控制拱圈的變形, 估計全橋施工周期為六個月 ( 2) 第二種方案:上承式空腹懸鏈線雙曲拱橋。 1) 孔徑布置:本方案由 1孔 40m,全長 2) 主跨徑結構構造:主跨徑用 1 跨上承式空腹雙曲拱橋。矢跨比 位 1/5,為等截面懸鏈線無鉸拱。主拱圈為 7肋 6波外加兩個半懸波組成,高 面寬位 18m,主拱圈內設 9根橫隔板。拱上建筑采用拱式腹孔,凈跨 跨比為 1/7,拱圈厚 4 為圓弧拱,每邊為 3個腹孔。 3) 橋臺基礎:橋臺采用重力式 橋臺采用 石塊石, 橋臺基礎采用 臺基礎深入到弱風化玄武巖 4) 施工方案:主跨采用無支架門柱式纜索吊裝。拱肋分三段預制吊裝,接頭位置在 跨徑處,每段拱肋采用 2 個吊點,在肋內預埋 鋼筋作吊環(huán),接頭處采用環(huán)氧樹脂粘結, 焊接預留鋼筋的卡砌接頭形式 ,估計全橋施工周期為六個月。 ( 3) 第三種方案:鋼筋混凝土空心板橋 1) 孔徑布置:本方案由 3跨 15m,全長 種橋型雖然施工簡單,但單調、常見。 2) 主跨結構構造:空心板長為 15m,寬為 為 用 10 個中間板,外加兩個邊板 ,橋面總寬為 17m。 3) 墩臺及基礎:橋墩采用樁柱式墩,橋臺采用重力式 寸見方案比選圖。 4) 施工方案:采用裝配式現(xiàn)場吊裝施工 ,估計施工期為五個月 方案點評 ( 1) 根 據(jù)設計構思宗旨,橋型方案應滿足結構新穎、受力合理、技術可靠、施工方便的原則。以上三個方案都滿足這一原則。 ( 2) 從結構的外形看,方案分為拱橋和板橋。方案一主結構是等截面懸鏈線無鉸拱, 屬超靜定結構,受力較好,需要大量腳手架或木材,橋型美觀。 方案較好地體現(xiàn)了設計構思的思想,符合城市規(guī)劃的要求,與周圍山水環(huán)境相協(xié)調,滿足城市長遠交通功能,結構合理、工藝成熟。 第三種方案屬靜定結構,受力簡單,經濟指標較低,橋型美觀較差。 蓬萊乃旅游勝地,考慮環(huán)境美觀要求,修建拱橋不失為上等選擇。根據(jù)勘查資料知道 本區(qū)屬于 北溫帶濕潤季風海洋性氣候,四季分明,氣候溫和,無霜期約 200天,年降水量 700 800地震設防烈度為 計地震基本加速度為 本河段不通航,無流水、流木、和較大的漂浮物,橋位河段較為順直,河床平坦,兩岸較 為整齊,無坍塌現(xiàn)象。 河床土質為中砂,橋位河段歷年汛期平均含沙量為 =10N/風速 10m/s。 經由以上的八字原則以及設計施工等多方面考慮 ,比較確定 2孔 20板拱橋為推薦方案,下部結構采用重力式橋墩和 性擴大基礎 。 2、 設計資料 設計標準 設計荷載 5 公路 跨徑及橋寬 凈跨徑 0m,凈矢高 m, 凈矢跨比 1/4,橋面凈寬為 凈 14+2 材料及其數(shù)據(jù) 拱上建筑 拱頂填料厚度 包括橋面系的計算厚度為 算平均容重 0kN/上護拱為漿砌片石 容重 3kN/拱結構材料容重 4kN/拱拱腹填料為砂、礫石夾石灰爐渣黃土,包括兩側側墻的平均容重 9kN/m 主拱圈 石 容重 4kN/限抗壓強度 103kN/限直接抗剪強度 103kN/性模量 E=800106kN/橋墩 石,材料容重 3kN/限抗壓強度 103kN/基土為中等密實的 卵石夾砂、碎石,其容許承載力 =500kN/基礎與地基間的動摩擦系數(shù)取 = 橋臺 容重 3kN/限抗壓強度 103kN/限直接抗剪強度 103kN/臺基礎為 4kN/后填礫石土,夯實。內摩擦角 =350 填土容重 3kN/、 主拱圈計算 確定拱軸系數(shù) 6 拱軸系數(shù) m 值的確定,一般采用“五點重合法”,先假定一個 m 值,定出拱軸線,擬定上部結構各種幾何尺寸,計算出半拱恒載對拱腳截面型心的彎矩 M 和自拱頂至 L/4 跨的恒載對 L/4跨截面型心的彎矩 。其比值 =,求得 ,可由 m=1/2( ) 2反求 m 值,若求出的 m 值與假定的 m 值不符合,則應以求得的 復上述計算,直至兩者接近為止。 擬定上部結構尺寸 ( 1)主拱圈上部結構尺寸 1) 截面特性 截 面高度 d=m k =20001/3= 取 d=拱圈橫橋向取 1m 單位寬度計算,截面面積 A=性矩 I= 2=面抵抗矩 W= =面回轉半徑 rw=d/( 121/2) =) 計算跨徑和計算矢高 假定 m=相應的 。查 “ 拱橋 ” 表 ( ) 20( 10) 得 j = j=算跨徑 L=L0+d j =算矢高 f=f0+d/2 (1j)=) 拱腳截面的投影 水平投影 x=d j =y=d j =) 計算主拱圈坐標 將主拱圈沿跨徑 24等分,每等分長 l=L/24=見下圖( 1)以拱頂截面型 心為原點坐標,拱軸線上個截面的縱坐標 表() F,相應拱背坐標 y2=,相應的腹拱坐標 y3=y1+d/2 圖 ( 1 ) 主 拱 圈 上 之 半 跨p 1 2p 1 1p 1 0 表 1 主拱圈截面坐標表 ( 2)拱上構造尺寸 1) 腹拱圈 腹拱圈為 面高 d=矢高 f0= 凈跨徑 L0=矢跨比 f0 /L0=1/5。查拱橋上冊表 3 2 得 0= 0=平投影 y= d 0= y= d 0=) 腹拱墩 腹拱墩采用 漿 砌 橫墻中間留出上半部為半徑R=半圓和下部高為 R 寬為 2R 的矩形組成的檢查孔。腹孔的拱頂拱背和主拱圈的拱頂拱背在同一水平線上。從主拱圈拱至腹拱起拱線之間的橫墻中線的高度h=y1+d/2( 1-1/) -( d+f0), 其計算過程及數(shù)量值見表 2 表 2 腹拱墩高度計算表 恒載計算 截面號 y1/f y1 j d/2 d/2j d/2j x 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 1 2 0 0 項 目 x y1 d/2(1) h 橫墻 座 實腹斷分界線 8 恒載分主拱圈、拱上空腹段、拱上實腹段三部分進行計算。不考慮腹拱推力和彎矩 對拱圈的影響。其計算圖示見圖( 2) 3017260250474 2 ) 恒 載 計 算2000/25007050( 1)主拱圈恒載 2=表() 9)值 24 1/4=表() 9)值 =24 =J=表() 9)值 =24 = 2)拱上空腹段的恒載 1) 腹孔上部(圖 3) 9 圖 ( 3 ) 腹 孔 上 部d P aP cP l外 =l+2d0= 拱內弧半徑 R0=l/20 = 拱圈重 0( R0+d /2) d2 () 24/180=拱側墻護拱重 200 0- 0)( R0+d) 2(2 /180)( 23=以上三個系數(shù)依次分別查拱橋上冊表 3 1 1 填料及路面重 PC=l外 20=腹拱之間起拱線以上部分的重量 y( f+d R2+ =(24+(172) 23+20=個腹拱重 P= ) 腹孔下部見圖( 5) 10 圖 ( 5 ) 腹 孔 下 部 構 造過人洞 0 60 60 44 60 60 60 2260 22R 501#橫墻 P= 2) 24=#拱座 P=() 24=) 集中力 14=(2+( 3)拱上實腹段的恒載 1) 拱頂填料及橋面重 20=) 懸鏈線曲邊三角形部分件圖( 6) 圖 ( 6 ) 曲 邊 三 角 形 ) k=式中 f1=( 1/=(12= 11 m= k= 2 1 )= x = k x = f( x 1)/( x =f+1=x =2x /(l x =x (l/2以 ( 19/(=心位置 ( ) -( ) = 4) 塊恒載對拱腳及拱跨 L/4截面的力矩見表 3 表 3 半跨 恒載對拱腳及拱跨 L/4截面的力矩 編 號 恒重( L/4 截 面 拱 腳 截 面 力 臂( m) 力矩 (力 臂( m) 力矩 (13 L/14 , M/ M/ ,故可確定拱軸系數(shù)為 拱圈彈性中心及彈性壓縮系數(shù) 彈性中心 : 表() f=性壓縮系數(shù) : 1=表() =表() 1/( +1) =主拱圈截面內力計算 大跨徑拱橋應驗算拱頂、 3L/8拱跨、 L/4拱跨和拱腳四個截面,必要時應驗算 L/8 12 拱跨截面。本例只驗算拱頂、 L/4拱跨和拱腳三個截面的內力 。 其余截面,除不計彈性壓縮的內力直接在影響線上布置求得外,其步驟和 L/4拱相同。 恒載內力計算 按實際恒載計算時, /f=( 32)/( )=32)/()=上式得 m (1) 假載 載內力 1) 不計彈性壓縮的恒載推力 ( 2 /8)/f=( ) 計入彈性壓縮后的恒載內力見下表 表 4 恒載內力(不計 計算表 項目 拱頂 L/4截面 拱腳 y= 1 g = 1- 1/( +1) g=Hg/ 1/( +1) g= 1/( +1) 2) 假載 生的內力 不考慮彈性壓縮時假載 生的內力,可利用 以影響線的全面積求得 表 5 不考慮彈性壓縮的假載內力表 項目 影響線面積系數(shù) 乘數(shù) 影響線面積 力或彎距 拱 頂 M 2 2 /f 2 2 /f 腳 M 2 2 /f : 表中影響線面積系數(shù)拱橋表 66)計算得。 表中 L=f= 目 拱 頂 L/4截面 拱 腳 13 表 6 計入彈性壓縮的 假 載內力 表 7 恒載內力計算表 計 算 項 目 水平力 H( 軸向力 N(彎距 M(拱 頂 不計 生 計 ( 1)汽車 四車道汽車等代荷載 20=4 群等代荷載 車和人群荷載數(shù)值見下表 表 8 汽車和人群的計算 荷載 截 面 項目 汽車 人群荷載 合 計 應 0 y 1/( +1) H =M+ 1/( +1) Hy = 1/( +1) H+V 14 頂 應 表() 66)值 乘數(shù) 面積 拱 頂 2 應 2/f 2 應 2/f 0 15 與 1 =+ H= 1/( +1) H N=N p =N y= M= p =M+ M 2)掛車 100的內力 表 11 不計入彈性壓縮的掛車內力 截面 項目 掛車 影響線面積 力或力矩 頂 應 應 0 1 16 與 =+ H= 1/( +1) H N=N p =N y= M= p =M+ M 主拱圈正截面強度驗算 根據(jù)橋規(guī) 022規(guī)定,構件按極限狀態(tài)的設計原則:荷載效應不利組合的設計值小于或者等于結構抗力效應的設計值,即: Rj/ 正截面受壓強度驗算 ( 1)荷載組合 根據(jù)橋規(guī) 021和橋規(guī) 022的規(guī)定,本例可得以兩種組合: SI=R 恒 S 恒 +S 汽 + S 人 ) 恒 S 恒 + 掛 ) 表 13 主拱圈荷載效應不利組合的設計值 編號 荷載效應 系 數(shù) 拱 頂 L/4 截面 拱 腳 M N M N M N 1 恒 載 汽 汽 掛 掛 載組合 組合I 恒 +汽 1 恒 +汽 17 8 組合 +掛 恒 +掛 : 荷載安全系數(shù)的取值,對于結構自重,當其彎距與車輛荷載的彎距同號時取 號時取 向力的荷載安全系數(shù)取值與相應彎距相同,對于其他荷載都取 ( 2)拱圈截面抗力 根據(jù) 橋規(guī) 022的規(guī)定,拱圈截面抗力的設計值為 : RN=rm=a 15 6500/應的容許偏心距 別為 : 合 I), 合 具體計算見表 14 表 14 主拱圈抗力效應的設計值 截 面 編 號 j/Nj a=1-( e0/y) 8/ 1+( e0/2 RN= 拱 頂 6 ,荷載效應的最不利組合設計值 小于拱圈截面抗力效應的設計值 軸向力的偏心距 都小于容許值。 正截面受剪強度計算 主拱圈的抗剪強度,一般只需考慮拱腳截面見圖( 7) 18 7 ) 拱 腳 截 面 受 力 圖 A( 15 330/ 式中 荷載剪力的最不利組合設計值 與 映的設計值 由于拱橋手冊中沒有 N、 般可按下式計算 Q=H j N=H j+V j ( 1)活載推力 的計算 表 15 活載推力 的計算 項目 影響線面積 汽車 及人群

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