長(zhǎng)安大學(xué)拱橋課程設(shè)計(jì)-

1、橋梁工程拱橋課程設(shè)計(jì)學(xué)院:公路學(xué)院班級(jí):橋梁工程學(xué)號(hào):姓名:指導(dǎo)老師:2014計(jì)算書(shū)用office2010編寫(xiě),如需利用里面的表格和公式,請(qǐng)安裝office2010。等截面懸鏈線混凝土空腹式箱形拱橋設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)資料與基本數(shù)據(jù)1.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1設(shè)計(jì)荷載:公路級(jí),人群荷載2/3m kN(2橋梁寬度:1.5m 人行道+8m 行車(chē)道+1.5m 人行道=11m (3凈跨徑: m l 702050500=+=+=學(xué)號(hào) (4凈矢跨比:71/00=l f ,即凈矢高m f 100=(5合攏溫度C 010,最高月平均溫度 C 030,最低月平均溫度C 00 1.2主要構(gòu)件材料及其參數(shù)(1橋面鋪裝為8cm鋼筋混凝

2、土(31/25m kN =+6cm瀝青混凝土(32/23m kN =(2 拱頂填土材料容重33/5.22m kN =(3拱上簡(jiǎn)支梁為C30鋼筋混凝土,31/25m kN =(4拱上橋墩為C30鋼筋混凝土矩形截面墩,31/25m kN = (5拱頂填土包括橋面的平均高度m h d 5.0'=(6主拱圈為C40鋼筋混凝土箱形截面,34/5.25m kN = 1.3設(shè)計(jì)依據(jù)1.交通部部標(biāo)準(zhǔn)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTGD60-2004;2.交通部部標(biāo)準(zhǔn)公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D61-2005;3.交通部部標(biāo)準(zhǔn)公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D60-2004;4.公路設(shè)計(jì)手

3、冊(cè)-拱橋(上、下冊(cè)簡(jiǎn)稱“拱橋”。二、主拱圈截面的幾何要素計(jì)算2.1主拱圈橫截面設(shè)計(jì)(1拱圈截面高度按經(jīng)驗(yàn)公式估算:701000=+=+=(2拱圈擬采用7個(gè)1.4m的拱箱組成,全寬m 圖2.1主拱圈橫斷面尺寸(cm(3箱形拱圈截面幾何性質(zhì): 整個(gè)主拱截面的面積為:213主拱圈截面重心軸為:m A S y y 75.0174.73805.5=上下主拱圈截面對(duì)重心軸的慣性矩:4223331+- +-=主拱圈截面繞中心軸的回轉(zhuǎn)半徑:m AIi 531.0174.7023.2=三、確定拱軸系數(shù)3.1上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造布置上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造布置如下圖所示: 圖3.1上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸(單位:cm假定167.1=m ,相

4、應(yīng)的71,245.00041=l f fy ,查拱橋(上冊(cè) 表(-20(1得:86248.0cos ,50609.0sin =j j 主拱圈的計(jì)算跨徑和計(jì)算矢高:m y f f m拱腳截面的水平投影和豎向投影:m將拱軸沿跨徑24等分,每等分長(zhǎng)m l l 9483.2247591.7024=,每等分點(diǎn)拱軸線的縱坐標(biāo)f f y y =11(其中f y 1由(-1查得,相應(yīng)的拱背曲面坐標(biāo)cos 11上y y y -=',拱腹曲面坐標(biāo)cos 11下y y y +=''。具體數(shù)值見(jiàn)下表: 從主拱圈兩端起拱線起向外延伸2.5m 后向跨中對(duì)稱布置五孔簡(jiǎn)支梁,簡(jiǎn)支梁橋面板厚為41cm

5、,座落在寬為50cm 的混凝土排架式腹孔墩支撐的寬為60cm 的鋼筋混凝土蓋梁上,腹孔墩蓋梁頂部與主拱拱頂拱背在同一標(biāo)高,腹孔墩墩中線的橫坐標(biāo)x l 以及各墩中線自主拱拱背到腹孔墩蓋梁頂部的高度5.0cos 11(1-+=上y y h ,分別計(jì)算如下表: 3.2上部結(jié)構(gòu)恒載計(jì)算橋面系各項(xiàng)集度:故換算成填料的平均厚度為:m q h xd 644.05.2204.10=mkN l A M =57.288087425244/1值19(1-表m kN l A M j =63.117480425橫隔板的設(shè)置受箱肋接頭位置的控制,必須先確定接頭位置后再按箱肋軸線等弧長(zhǎng)布置橫隔板。1、確定箱肋接頭、設(shè)置橫隔

6、板 a.確定接頭位置箱肋分三段吊裝合攏,接頭宜選在箱肋自重作用下彎矩值最小的反彎點(diǎn)附近,即37.035.0=之間,此處相應(yīng)的弧長(zhǎng)為:m m l d k sh S x1844.134614.1221022='+='上式中d k sh +0221的值根據(jù)值從附表內(nèi)差算得。b.布置橫隔板橫隔板沿箱肋中軸線均勻設(shè)置,取板間間距m l 58.2=',中段箱肋設(shè)11道橫隔板,端橫隔板到接頭中線的距離為0.3m ,則中段箱肋弧長(zhǎng)之半為:1=+=(中則接頭位置剛好在37.0=處。端段箱肋弧長(zhǎng):121=-=-'=(中中 端段箱肋設(shè)置10道橫隔板,則端橫隔板距起拱面的長(zhǎng)度為:2、橫

7、隔板與接頭加強(qiáng)部分的重力橫隔板厚均為0.06m ?？抗澳_的一塊為實(shí)心板,其余均為空心板。接頭處兩相鄰橫隔板之間以及拱腳截面至第一塊橫隔板之間的箱底板和兩側(cè)板均加厚10cm 。a. 橫隔板重力通過(guò)CAD 對(duì)橫隔板面積及體積的計(jì)算再乘以其容重可得: 空心板:kN P 056.7= 實(shí)心板:kN P 109.11= b. 中間頭加強(qiáng)部分kNP 271.2621kNP 727.2321各集中力作用線的橫坐標(biāo)x l ,可以根據(jù)21022lS d k sh k x ÷=+=值從附表查得值,再由=2l l x 求得。x l 的值和各集中力分別對(duì)4l和拱腳截面的力臂見(jiàn)下表所示: 1、填料及橋面系的重

8、力:2、蓋梁、底梁及各立柱重力各腹孔排式墩的橫截面如下圖所示: 圖3.2腹孔排式墩的橫截面圖(單位:cm 采用CAD進(jìn)行面積及體積計(jì)算再乘以腹孔墩的容重得到: 蓋梁自重:kN P 105= 底梁自重:kN P 86.85=1號(hào)立柱自重:kN P 556.179= 2號(hào)立柱自重:kN P 168.112= 3號(hào)立柱自重:kN P 668.56= 4號(hào)立柱自重:kN P 695.12= 3、各立柱底部傳遞的力通過(guò)對(duì)各自重進(jìn)行相應(yīng)的疊加得到各立柱處以及空實(shí)腹端接頭處傳遞到集中荷載為:1=+=2號(hào)立柱:kN P 978.102995.7265=1、拱頂填料及橋面系重2、懸鏈線曲邊三角形(kN sh B

9、 k shk k m lf P 07.114404式中11=-+= -+=上 其重心距原點(diǎn)(拱頂?shù)乃骄嚯x:m k shk k chk k shk l x 3771.912=- -=恒載對(duì)4l截面和拱腳截面的力矩如下表所示: 表3.4半拱恒載對(duì)4l截面和拱腳截面產(chǎn)生的彎矩 由上表可知:2456.0251411.4761742.2641=jM定上面擬定的橋跨結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)共軸系數(shù)為167.1=m四、拱圈彈性中心及彈性壓縮系數(shù)4.1彈性中心4.2彈性壓縮系數(shù)00276.01031.10531.0221=f i 值9-表=fi 值11-表02966.011=+ 五、主拱圈截面內(nèi)力計(jì)算大跨徑鋼筋混凝土

10、拱橋應(yīng)驗(yàn)算拱頂、拱腳、拱跨81、41、83等截面的內(nèi)力。本設(shè)計(jì)因跨徑較小,只驗(yàn)算拱頂、拱腳、4l截面。5.1結(jié)構(gòu)自重內(nèi)力的計(jì)算在確定m系數(shù)時(shí),其實(shí)算值很難與選定的拱軸系數(shù)在“五點(diǎn)”重合,對(duì)于大跨徑橋梁用“假載法”計(jì)入“五點(diǎn)”存在的偏離的影響。當(dāng)用“假載法”計(jì)入五點(diǎn)的偏離之后,相應(yīng)三鉸拱的恒載壓力線在五點(diǎn)以外與選定的拱軸線有偏離。對(duì)于大跨徑無(wú)鉸拱,這種偏離的影響很大,不可忽略。下面分別計(jì)算這兩種偏離的影響。1. 用假載法計(jì)算確定m 系數(shù)時(shí)在“五點(diǎn)”存在的偏差(1假載內(nèi)力 a.求假載由式245.08322241=+l q M l q M x j x 得:m kN l MMq jx /013.473

11、21841-=-=b.假載內(nèi)力假載x q 產(chǎn)生的內(nèi)力可以將其直接布置在內(nèi)力影響線上求得。不考慮彈性壓縮的假載內(nèi)力見(jiàn)表下表:表5.1不計(jì)彈性壓縮的假載內(nèi)力 計(jì)入彈性壓縮的假載內(nèi)力見(jiàn)下表:表5.2計(jì)算彈性壓縮的假載內(nèi)力 a .推力2=-+=+=b .考慮彈性壓縮的內(nèi)力考慮彈性壓縮的“拱軸線恒載”內(nèi)力見(jiàn)下表:表5.3考慮彈性要鎖的拱軸線恒載內(nèi)力 (3考慮確定m 系數(shù)偏差影響的恒載內(nèi)力考慮m 系數(shù)偏差影響的恒載內(nèi)力等于“拱軸線m 的恒載”內(nèi)力減去“假載”的內(nèi)力,計(jì)算截面如下表:表5.4考慮“五點(diǎn)”偏差的恒載內(nèi)力 2. 恒載壓力線偏離的影響(1“恒載壓力線”偏離拱軸線的偏離彎矩p M計(jì)算恒載偏離彎矩p

12、M ,首先要計(jì)算出橋跨結(jié)構(gòu)沿跨徑各等分段的分塊對(duì)各截面的力矩,再計(jì)算各截面壓力線的縱坐標(biāo),然后才能求得p M 。下面按主拱圈。拱上實(shí)腹段、和各集中力三部分計(jì)算個(gè)分塊恒載對(duì)各截面的力矩。a.主拱圈自重對(duì)各截面產(chǎn)生的力矩1M(421241S S l A M -=式中:21S S 、均可由附表查得14224 主拱圈對(duì)各截面的力矩1M 的值見(jiàn)下表:表5.5主拱圈自重對(duì)各截面產(chǎn)生的彎矩 b .拱上實(shí)腹段恒載對(duì)各截面產(chǎn)生的彎矩2M計(jì)算拱上實(shí)腹段的恒載時(shí),必須將拱頂填料及面層的矩形板塊和其下面的懸鏈線曲邊三角形塊分開(kāi)計(jì)算才能準(zhǔn)確。(a 矩形板塊從拱頂?shù)矫總€(gè)截面的矩形板塊的重力10112l h B P d &

13、#39;= 對(duì)實(shí)腹段里每個(gè)截面的力矩201221421(21i di i i h B l P M '= 對(duì)空腹段里每個(gè)截面的力矩(21(422121(012k i h B l l P M k i k dk i k i <-'=-= 式中k表示空、實(shí)腹段的分界點(diǎn),取m 9kN 181986.6684012='h B l b .懸鏈線曲邊三角形塊 從拱頂?shù)饺我饨孛娴闹亓?75.848012(1(2031i i i i i k shk k shk km B lf P -=-=每一塊i P 的重心坐標(biāo)為:ii ii i i i k shk k chk k shk - -=

14、12在實(shí)腹段里,截面重心到任意截面的力臂1(2i i l-,在空腹段力,整塊曲邊三角形面積的重心到每個(gè)截面的力臂為(2k k i l-。各截面的力矩見(jiàn)下表:表5.6拱上實(shí)腹段恒載對(duì)各截面產(chǎn)生的力矩 c .各集中力對(duì)各截面的力矩3M拱上空腹段的腹孔和橫隔板等各集中力及其相應(yīng)的橫坐標(biāo)x l 在前面已經(jīng)求出,各豎向力集中力到各截面的力臂x i l la -=2(取0>a ,產(chǎn)生的力矩Pa M =3,具體計(jì)算見(jiàn)下表:表5.7拱上集中力對(duì)各截面產(chǎn)生的力矩 續(xù)上表 續(xù)上表 d. 計(jì)算偏離彎矩p M上部結(jié)構(gòu)恒載對(duì)拱圈各截面重心的彎矩為:321M M M M i +=壓力線的縱坐標(biāo)為:gii H M y

15、 =式中g(shù) H 為不計(jì)彈性壓縮的恒載水平推力4kN 24874.9696=fMH jg各截面上的“恒載壓力線”偏離拱軸線的值:i y y y -=1偏離彎矩為:y H M g p =具體數(shù)值見(jiàn)下表:表5.8偏離彎矩p M (2偏離彎矩p M 在彈性中心產(chǎn)生的贅余力g ssppH y ds EI M dsEI M M X -=-=-=0120122111111cos 1cos g s ss sppH lfy y y l ds EA N ds EI M dsEIM M X 2121222222222-1(cos (2值5表(+-=+-=-=贅余力各項(xiàng)的計(jì)算見(jiàn)下表:表5.9贅余力2X X 、1計(jì)算表

16、 m kN H X g =-=95.1256324.12064.01kN H X g 1.1921031.09483.2222=+= (3“恒載壓力線”偏離拱軸線的附加內(nèi)力“恒載壓力線”偏離拱軸線在拱圈的任意截面中產(chǎn)生的附加內(nèi)力為:p s M y y X X M +-=(121cos 2X N = sin 2X Q =拱頂、4l截面、拱腳三個(gè)截面的附加內(nèi)力見(jiàn)下表: 表5.10“壓力線”偏離拱軸線的附加內(nèi)力 (4空腹式無(wú)鉸拱的恒載壓力線空腹式無(wú)鉸拱在恒載作用下考慮壓力線與拱軸線的偏離以及恒載彈性壓縮的影響之后,拱中任意截面存在三內(nèi)力:p s g g M X y y X H M +-+=1121(

17、1(cos 1(cos 21X H H N g g g -+-=sin 1(21X H Q g g -+=這三個(gè)力的合力作用點(diǎn)的偏心距為:gg i N M e =所以空腹式無(wú)鉸拱恒載壓力線的縱坐標(biāo):iie y y cos 1-= 將有關(guān)數(shù)據(jù)帶入內(nèi)力公式中,得g s g H y y y M 00506.0(02194.0(1+-=g g H N cos 02194.0cos 1(-= cos 02194.0cos 100506.0(02194.01-+-=yy y e s i空腹式無(wú)鉸拱恒載壓力線縱坐標(biāo)值見(jiàn)下表:表5.11空腹式無(wú)鉸拱的恒載壓力線表 3. 空腹式無(wú)鉸拱的實(shí)際恒載內(nèi)力空腹式無(wú)鉸拱的

18、實(shí)際恒載內(nèi)力等與計(jì)入拱軸系數(shù)m的偏差影響的內(nèi)力與“壓力線”及拱軸線偏離的附加內(nèi)力之和,其結(jié)果如下表所示:表5.12恒載內(nèi)力表 5.2活載內(nèi)力計(jì)算1.車(chē)道荷載均布荷載及人群荷載內(nèi)力公路級(jí)汽車(chē)荷載加載于影響線上,其中均布荷載為m kN q /5.10=;集中荷載k P 當(dāng)計(jì)算跨徑l 為5m 時(shí), kN P k 180= ,當(dāng)l 為50m 及以上時(shí), kN P k 360=。本設(shè)計(jì)跨徑為70m,即kN P k 360=。拱圈寬度為10.04m,承載雙向兩車(chē)道公路級(jí)汽車(chē)荷載,考慮活載均布分布于拱圈全寬。人群荷載為:m kN q w /9235.1=均布荷載及人群荷載的內(nèi)力計(jì)算如下表所示:表5.13考慮

19、彈性壓縮后的均布荷載和人群荷載內(nèi)力 2.集中力內(nèi)力計(jì)算P內(nèi)力如下表所示:(1、不計(jì)彈性壓縮的集中力kP內(nèi)力表5.14不計(jì)彈性壓縮的集中力k P內(nèi)力如下表所示:(2考慮彈性壓縮后集中力kP內(nèi)力表5.15考慮彈性壓縮后集中力k 5.3溫度變化、混凝土收縮、徐變內(nèi)力的計(jì)算溫度變化為其他可變荷載、混凝土收縮、徐變?yōu)橛谰煤奢d,似乎要分項(xiàng)計(jì)算,但是考慮到習(xí)慣和可能,還是將三者一起計(jì)算。主拱圈度C 010,最高月平均溫度 C 030,最低月平均溫度C 00,主拱圈材料彈性模量MPa E c 41025.3=,主拱圈材料線膨脹系數(shù)00001.0=。收縮作用按下降C 010溫度的影響計(jì)入。混凝土徐變作用的影響,

20、當(dāng)計(jì)算溫度內(nèi)力時(shí)以7.0;當(dāng)計(jì)算混凝土收縮內(nèi)=力時(shí)以45的系數(shù)計(jì)入,于是:=.0降低溫度時(shí):C=-7.0-0(-+=11t05.10(.04510升高溫度時(shí):C(-7.0=+=-1030t05.9(10.045溫度變化、混凝土徐變和收縮的內(nèi)力如下表所示:表5.16溫度變化、混凝土徐變和收縮的內(nèi)力 現(xiàn)將恒載和活載內(nèi)力進(jìn)行匯總?cè)缦卤?表5.17內(nèi)力匯總表 六、主拱圈正截面強(qiáng)度驗(yàn)算根據(jù)橋規(guī)規(guī)定,承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)作用效應(yīng)組合基本表達(dá)式為:(211100Qjk nj Qj c k Q Q Gik m i Gi d S S S S =+=其中2.1=Gi ,4.11=Q ,4.1=Qj ,c 的取值

21、當(dāng)人群荷載和溫度荷載時(shí)取0.7,當(dāng)只有人群荷載時(shí)取0.8。荷載組合如下表所示:表6.1作用效應(yīng)組合 主拱圈材料為C40鋼筋混凝土,抗壓極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)值MPa f cd 64.15=。當(dāng)截面偏心距s NMe 6.0<=時(shí),其截面強(qiáng)度應(yīng)滿足c cd d A f N 0,具體數(shù)值見(jiàn)下表: 表6.2拱圈截面抗力計(jì)算表 七、主拱圈穩(wěn)定性驗(yàn)算 7.1 縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算 本設(shè)計(jì)采用無(wú)支架施工，主拱圈的穩(wěn)定和強(qiáng)度的驗(yàn)算列下表計(jì)算： 表 7.1 主拱圈穩(wěn)定性驗(yàn)算 截面 拱頂截面 1/4L 截面 拱腳截面 N d max 22253.72 23875.91 23592.63 j 0.7004 0.7004 0.7004 R 78580.9 78580.9 78580.9 由上表計(jì)算表明拱圈的穩(wěn)定性沒(méi)有問(wèn)題。 7.2 橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于本設(shè)計(jì)寬跨比為 10.04 1 1 ，故無(wú)需驗(yàn)算主拱圈橫向穩(wěn)定性。 » > 70 7 20 八、裸拱強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算 無(wú)支架施工的大跨徑拱橋應(yīng)該進(jìn)行裸拱強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。 8.1 裸拱圈自重在彈性中心產(chǎn)生的彎矩和推力 Ag 4 l 2 = 0.17612 ´ 228984.7668 = 40328.797kN × m 4 M s = 表(- 15值´ H s = 表(- 16值´ Ag 4 l 2 228984