石拱橋項目設計方案

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