60m拱桥计算书.doc
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1、鲁东大学本科毕业设计11 设计说明本设计是根据设计任务书的要求和公路桥规的规定,对六苏木二桥进行方案比选和设计的。对该桥的设计,本着“安全、经济、美观、实用”的八字原则,本文提出四种不同的桥型方案:方案一石拱桥,方案二为简支梁桥,方案三为斜拉桥,方案四为钢构桥。1.1设计标准1.1.1 设计标准 公路级汽车荷载,人群荷载3kN/m21.1.2 跨径及桥宽 净跨径米,净矢高米,净矢跨比 桥面净宽为 净7+2(0.5防护栏+1.5m人行道) 11m1.2材料及其数据1.2.1 拱上建筑:主(腹)拱顶填土高度 =0.5m 拱圈材料重力密度 拱上护拱为浆砌片石容重 腹孔结构材料容量 拱腔填料单位容重
2、1.2.2 主拱圈: M10砂浆砌60号块石 容重 极限抗压强度 极限直接抗剪强度 弹性模量 拱圈设计温差为 151.2.3 桥台: M5砂浆砌30号片石、块石 容重 极限抗压强度 极限直接抗剪强度 基础为15号片石混凝土 台后填砾石土,夯实。内摩擦角 填土容重 1.3设计依据(1)交通部部标准公路桥涵设计通用规范,(JTG D60-2004)2004年。简称通规;(2)交通部部标准公路圬工桥涵设计规范(JTG D61-2005)2005年,人民交通出版社,规范;(3)公路设计手册-拱桥上下册,人民交通出版社,1978。简称拱桥。2 方案选择2.1 方案比选桥梁的形式可考虑拱桥、梁桥、斜拉桥和
3、钢构桥。从安全、功能、经济、美观、施工、占地与工期多方面比选,最终确定桥梁形式。2.1.1桥梁设计原则桥梁是公路,铁路和城市道路的重要组成部分,特别是大、中桥梁的建设对当地政治、经济、国防等都具有重要意义。因此,桥梁工程的设计应符合技术先进、安全可靠、使用耐久、经济合理的要求,同时应满足美观、环境保护和可持续发展的要求。桥梁建设应遵循的各项原则分述如下。(1)技术先进在因地制宜的前提下,尽可能采用成熟的新结构,新设备、新材料和新工艺,学习国内外的先进技术,充分利用最新科学技术成就,把学习和创新结合起来,淘汰和摈弃原来落后和不合理的东西。(2)安全可靠整个桥跨结构及各部分构件,在制造、运输、安装
4、和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。对于交通繁忙的桥梁,应设计好照明设施,并有明确的交通标志,两端引桥坡度不易太陡,以免引发生车辆碰撞等引起的车祸。(3)适用耐久桥上应保证车辆和人群的安全畅通,并能满足当前以及今后规划年限内的交通流量。桥下应满足泄洪、安全通航或通车等要求。建成的桥梁应保证使用年限,并便于检查和维修等。(4)经济合理桥梁设计应遵循因地制宜,就地取材和方便施工的原则。经济的桥型应该是造价和使用年限内养护费用综合最低的桥型,设计中应充分考虑维修的方便和维修费用少,维修时尽可能不中断交通,或中断交通时间最短。所选择的桥位应是地质水文条件好,桥梁长度也较短。桥位应考虑建
5、在能缩短河道两岸的运距,促进该地区的经济发展,产生最大的效益,对于过桥收费的桥梁应能吸引更多的车辆通过,达到尽可能快的收回投资的目的。(5)美观一座桥梁应具有优美的外形,而且这种外形从任何角度看都应是优美的,结构布置必须精炼,并在空间上有和谐的比例。桥型应与周围环境相协调,城市桥梁和游览区的桥梁,可较多的考虑建筑艺术的要求。(6)环境保护和可持续发展设计必须考虑环境保护和可持续发展的要求,包括生态、水、空气、噪声等方面,应从桥位选择、桥跨布置、基础方案、墩身外形、上部结构施工方法、施工组织设计等多方面全面考虑环境要求,采取必要的工程控制措施,并建立环境监测保护体系,将不利影响减至最低。2.1.
6、2方案比选根据桥梁设计原则,从安全、功能、经济、美观、施工、占地与工期等多方面比选,初步确定拱桥、梁桥、斜拉桥、刚构桥四种桥梁形式。四种方案的比较表暂列于后。(1)拱桥拱桥的静力特点是,在竖直力作用下,拱的两端不仅有竖直反力,而且还有水平反力。由于水平反力的作用,拱的弯矩大大减少。如在均布荷载的作用下,简直梁的跨中弯矩为,全梁的弯矩图呈抛物线形,而拱轴为抛物线形的三铰拱的任何截面弯矩均为零,拱只受轴向压力。设计合理的拱轴,主要承受压力,弯矩、剪力均较小,故拱的跨越能力比梁大得多。由于拱是主要承受压力的结构,因而可以充分利用抗拉性能较差、抗压性能较好的石料,混凝土等来建造。由墩、台承受水平推力的
7、推力拱桥,要求支撑拱的墩台和地基必须承受拱端的强大推力,因而修建推力拱桥要求有良好的地基。 图2.1 石拱桥(2)简支梁桥梁式桥是一种竖向荷载作用下无水平反力的结构,由于外力的作用方向与承重结构的轴线接近垂直,因而与同样跨径的其他结构体系相比,梁桥内产生的弯矩最大,通常需用抗弯抗拉能力强的材料。此处考虑3跨20米简支梁桥,由于峡谷地面高程较小,使得下部墩台的高度较大,给施工带来了难度,并提高了桥梁结构的总造价。图2.2 简支梁桥(3)斜拉桥斜拉桥跨径较大,考虑本地条件,拟采用独塔式斜拉桥。斜拉桥的受力特点是受拉的斜索将主梁多点吊起,并将主梁的恒载和车辆等其他荷载传至塔柱,再通过塔柱基础传至地基
8、。塔柱基本上以受压为主,主梁弯矩较小。由于主梁收到斜拉索水平分力的作用,主梁截面的基本受力特征是偏心受压构件。斜拉桥属高次超静定结构,主梁所受弯矩大小与斜拉索的初张力密切相关。图2.3 斜拉桥(4)钢构桥钢构桥主要承重结构是梁与立柱整体结合在一起的钢架结构,梁和柱的连结处具有很大的刚性,以承受负弯矩的作用。此处拟采用斜腿式钢构桥,斜腿式钢构桥经济合理,造型美观,跨径较大,不过斜腿施工难度较大。图2.4 钢构桥表2.1 四种桥型方案主要优缺点比较表方案比较项目第一方案第二方案第三方案第四方案石拱桥预应力混凝土简支梁桥独塔式斜拉桥斜腿式刚构桥主要特征(1)跨越能力较大;(2)能充分就地取材,与其他
9、桥相比,可以节省大量的钢材和水泥,成本低;(3)耐久性能好,维修,养护费用少;(4) 外形酷似彩虹卧波,十分美观;(5)结构的整体性好,刚度较大,变形较小;(6)自重较大,相应的水平推力也较大,增加了下部结构的工程量,当采用无铰拱时,对地基要求较高。(1)混凝土材料以砂、石为主,可就地取材,成本较低;(2)结构造型灵活,可模性好,可根据使用要求浇铸成各种形状的结构;(3)结构的耐久性较好,建成后维修费用较少;(4)可采用预制方式建造,将桥梁的构件标准化,进而实现工业化生产;(5)结构自重较大,自重耗掉大部分材料的强度,因而大大限制其跨越能力;(6)就地分析,下部墩台的高度较大,给施工带来了难度
10、,并提高了桥梁结构的总造价。(1)受到斜拉索的弹性支承,弯矩较小,使得主梁尺寸大大减小,结构自重减轻,跨径能力大;(2)塔柱、拉索与主梁构成稳定三角形,结构刚度较大;(3)外形美观;(4)拉索受力较大,对拉索要求较高,并要注意防锈蚀等问题;(5)需注意斜拉索的疲劳和防护层的老化等问题;(6)主塔受力较大,地基要求较高。(1)跨径能力较大;(2)外形美观;(3)荷载作用下,柱脚处具有水平反力,两部主要受弯;(4)梁柱处易产生裂缝,要求较高; (5)预应力、徐变、收缩、温度变化以及基础变位等因素都会使斜腿刚架桥产生次内力,受力分析上也相对较复杂;(6)该方案的斜腿与地面水平线的夹角较小,使施工难度
11、增加。适用性(1)上承式拱桥的跨度大,对周围环境影响较小; (2)拱的承载能力大,能满足行车行人需要;(3)行车条件好,使用期限长,维修费用低;(4)美观大方,可为本地标志性建筑。(1)满足桥下净空的要求;(2)属于静定结构,受力较好,行车条件好,养护也容易;(3)桥面伸缩缝多,桥面连续易开裂;(4)本地峡谷高程较小,导致桥墩较高,增加了造价。(1)跨径大,对周围坏境影响较小;(2)美观大方,可为本地标志性建筑;(3)行车条件好,但后期需要维护,费用较高。(1)主桥的跨度很大,也满足桥下净空的要求;(2)桥型美观,对周围环境影响较小;(3)属于静定结构,桥面平整度易受悬臂挠度影响,行车条件较差
12、,伸缩缝易坏。安全性(1)跨度大,在竖向荷载作用下,桥墩或桥台将承受很大水平推力。本地地质条件好,峡谷两侧为较好岩石层,能承受拱产生的水平压力;(2)桥面平顺,行车安全; (3)施工相对梁桥较为复杂,应注意施工过程中的安全。(1)简支梁桥的施工较方便,工期较短;(2)采用预制梁,可以在工厂预制施工,质量可靠,工期有保障;(3)行车较平顺,行车安全。(1)跨度较大,塔柱、拉索与主梁构成稳定三角形,刚度较大;(2)行车较平顺,行车安全;(3)后期使用应注意桥的检测与维护。(1)主梁与斜腿均采用箱形截面,且在斜腿基脚之间采用固结构造,施工较为复杂;(2)桥面平整度易受悬臂挠度影响,行车条件较差;(3
13、)后期维护和检测费用高。工艺技术要求已有成熟的工艺技术经验,需用大量的吊装设备,劳动力较多。技术先进,工艺要求较严格,所需设备较少。技术较先进,工艺要求严格,施工较复杂。技术较先进,工艺要求较严格,桥梁上部结构出用挂篮施工外,挂梁需另用一套安装设备。美观性桥型美观大方,与周围的协调性好。桥型简洁明快,与周围环境的协调性较好。桥型美观,与周围环境的协调性较好。桥型简洁明快,与周围的协调性好。以上所论述桥型进行列表比较:根据本桥的实际情况,结合桥梁设计原则,第一方案经济上比其他方案好,跨径上满足要求,景观与环境协调,因地制宜,就地取材,节省钢材水泥,避免深基高墩,修建大跨度石拱桥是适宜的。石拱桥坚
14、固耐用,无周期性大修作业,养护维修费用低。工程所在地靠近旅游区,对桥的外观以及桥和周围环境的协调要求比较高,综合这些因素,最终决定选用拱桥方案。3 主拱圈计算3.1 确定拱轴系数拱轴系数m值的确定,一般采用“五点重合法”,先假定一个m值,定出拱轴线,拟定上部结构各种几何尺寸,计算出半拱恒载对拱脚截面型心的弯矩M和自拱顶至l/4跨的恒载对l/4跨截面型心的弯矩。其比值:,求得值后,可由中反求值,若求出的值与假定的值不符合,则应以求得的值作为假定值,重复上述计算,直至两者接近为止。 3.1.1 拟定上部结构几何尺寸 (1)主拱圈几何尺寸 截面特性 截面高度取m 主拱圈横桥向取1m单位宽度计算,横截
15、面积A=1.3 m 惯性矩 I=1/12d=0.1830833m截面抵抗矩 W=1/6d=0.2816667 m 截面回转半径 r= d/12=0.140834m 计算跨径和计算矢高 假定=2.814,相应的。查“拱桥”表()20(9)得 sin=0.70097 cos=0.71319计算跨径 计算矢高 拱脚截面的投影 水平投影 竖向投影 计算主拱圈坐标 图3.1将主拱圈沿跨径24等分,每等分长=/24=2.537969m。以拱顶截面型心为原点坐标,拱轴线上个截面的纵坐标表()-1值F,相应拱背坐标,相应的腹拱坐标表3.1 主拱圈截面坐标表截面号 (m)cos (m)(m)(m)(m)1234
16、5678拱脚01.00000012.1864300.713190.91140 11.27503 13.09782 30.4556 10.8100489.8715900.764310.85044 9.02115 10.72203 27.9177 20.6472897.8881400.811000.80148 7.08666 8.68962 25.3797 30.5084716.1964440.851280.76356 5.43289 6.96000 22.8417 40.390824.7626990.888000.73198 4.03072 5.49468 20.3038 50.2919883.
17、5582900.917820.70820 2.85009 4.26649 17.7658 拱跨1/4 60.2100002.5591500.942120.68993 1.86922 3.24908 15.2278 70.1432181.7453160.961370.67612 1.06920 2.42143 12.6899 80.0903081.1005320.976140.66589 0.43464 1.76642 10.1519 90.0502130.6119170.986960.65859 -0.04667 1.27051 7.6139 100.0221330.2697220.99433
18、0.65371 -0.38398 0.92343 5.0759 110.0055060.0670980.998600.65091 -0.58381 0.71801 2.5380 拱顶120.0000000.0000001.000000.65000 -0.65000 0.65000 0.0000 注:第2栏由拱桥附录()表()-1查得 第4栏由拱桥附录()表(-20(9)查得 (2)拱上构造尺寸 腹拱圈 腹拱圈为10号砂浆砌30号粗料石等截面圆弧拱,截面高度d=0.35m,净矢高,净跨径,净矢跨比。查拱桥上册表3-2得 sin0= 0.689655 cos0=0.724138 水平投影 竖向投影
19、 腹拱墩腹拱墩采用M7.5砂浆砌30号块石的横墙,厚0.8米。在横墙中间留出上半部为半径的半圆和下部高为R宽为2R的矩形组成的检查孔。 腹孔的拱顶拱背和主拱圈的拱顶拱背在同一水平线上。从主拱圈拱至腹拱起拱线之间的横墙中线的高度。其计算过程及数量值见表3.2。表3.2 腹拱墩高度计算表项目xjkjy1ktgwcoswh1#横墙26.39880.86681.46898.64751.69460.76890.79277.12762#横墙21.59880.70921.20185.4641.69460.56540.87054.01733#横墙16.79880.55160.93473.15461.69460
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