桥梁工程课程设计数据.doc

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1、.装订线.拱桥结构设计计算说明书一课程设计的目的1.培养学生综合运用所学桥梁工程理论知识，解决钢筋混凝土拱桥结构的设计和计算问题，掌握钢筋混凝土拱桥结构分析和计算的理论与方法。2. 强调规范在桥梁结构设计中的重要性，培养学生运用专业理论知识和专业规范进行桥梁结构设计的能力。3. 进一步提高学生绘制桥梁工程施工图、使用计算机的能力。二课程设计的内容1. 确定主拱圈截面构造尺寸，计算拱圈截面的几何、物理力学特征值； 2. 确定主拱圈拱轴系数 m 及拱上建筑的构造布置和几何构造尺寸； 3. 结构恒载计算； 4. 主拱结构内力计算(永久作用、可变作用)； 5. 温度变化、混凝土收缩徐变引起的内力； 6

2、. 主拱结构的强度和稳定计算；7. 拱上立柱(墙)的内力、强度及稳定性计算； 8. 绘制 12 张相关施工图。三课程设计的时间时间：两周；安排在理论课结束之后。四课程设计的方法1独力思考，继承与创新设计时要认真查阅和阅读参考资料，继承前人的设计成果和经验，根据课程设计的具体要求，大胆改进和创新。2结合和参考本指导的算例，进行拱桥结构的设计计算，掌握拱桥的计算理论和设计内容与方法。五课程设计的步骤1设计准备：了解设计任务书，明确设计要求、设计内容、设计步骤；通过查阅教科书和相关设计资料，了解设计的理论和方法；准备好设计所需资料、工具书、工具软件；拟好设计计划。2设计实施：根据课程设计任务书的要求

3、，参考设计指导书和教科书，确定设计的主要内容、计算顺序；根据相关计算理论，计算和填写相关图表的内容。使用图表给出计算结果和结构的相关验算结果。3汇总设计成果：课程设计计算书，课程设计要求绘制的工程图纸。桥梁工程课程设计任务书一 设计题目 空腹式等截面悬链线箱形无铰拱桥设计 二 设计资料 1 设计标准 设计 荷载：公路I级，人群荷载3.5kN/m2桥面净空净8+2*(0.75m+0.25m)人行道+安全带 净跨径L080m 净高 f016m净跨比f0/L01/5 3材料数据与结构布置要求 拱顶填料平均厚度(包括路面，以下称路面)hd 0.5m，材料容重 =22.0kN/m主拱圈材料容重(包括横隔

4、板、施工超重)225.0kN/m拱上立柱（墙）材料容重225kN/m腹孔拱圈材料容重323kN/m腹孔拱上填料容重422kN/m主拱圈实腹段填料容重122 kN/m人行道板及栏杆重 52.0kN/m(双侧)； 混凝土材料： 强度等级为 C30，主要强度指标为：强度标准值 fck=20.1MPa，ftk=2.01MPa 强度设计值 fcd=13.8MPa，ftd=1.39MPa 弹性模量 Ec=3.0*104MPa 普通钢筋 1)纵向抗拉普通钢筋采用 HRB400钢筋，其强度指标为：抗拉强度标准值 fsk=400MPa 抗拉强度设计值 fsd=330MPa弹性模量 Es=2.0*l05 MPa

5、相对界限受压区高度 b=0.53， pu=0.1985 2)箍筋及构造钢筋采用HRB335钢筋，其强度指标为：抗拉强度标准值fsk=335MPa 抗拉强度设计值 fsd=280MPa 弹性模量 Es=2.0*105 MPa 本桥采用支架现浇施工方法。主拱圈为单箱六室截面的钢筋混凝土拱圈，由C30混凝 土现场浇筑而成。拱上建筑可采用简支板形式或圆弧拱形式，净跨为57m左右，脚至 拱顶布置4 6 跨左右(主拱圈的具体几何参照指导书实例修改自定 )。 4设计计算依据 交通部部颁标准公路桥涵设计通用规范(JTG D602004) 交通人民出版社 交通部部颁标准 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

6、(JTG D622004 )交通人民出版社 交通部部颁标准公路圬工桥涵设计规范(JTG D61-2005) 交通人民出版社 公路设计手册-拱桥(上) 人民交通出版社，2000.7 三 设计内容 1. 确定主拱圈截面构造尺寸，计算拱圈 截面的几何、物理力学特征值； 2. 确定主拱圈拱轴系数 m 及拱上建筑的构造布置和几何构造尺寸； 3. 结构恒载计算 ； 4. 主拱结构内力计算(恒载、活载)； 5. 温度变化、混凝土收缩徐 变引起的内力； 6. 主拱结构的强度和稳定验算 ； 7. 拱上立柱(墙)的内力、强度及稳定性验算；8. 手工绘制2张相关施工图 。 四 设计成果 1空腹式等截面悬链线无铰拱设

7、计计算书 2空腹式等截面悬链线无铰拱设计纵断面施工图 3空腹式等截面悬链线无铰拱设计横断面施工图 五 参考文献 1.范立础 桥梁工程 (上)M北京：人民交通出版社，2001 2.顾安邦 桥梁工程 (下)M北京：人民交通出版社，1991 3.姚玲森 桥梁工程 M北京：人民交通出版社，2008 4.王国鼎 ，钟圣斌 拱桥M北京：人民交通出版社，2000 5.顾懋 清，石绍甫公路桥涵设计手册拱桥(上) M北京：人民交通出版社，2000.7 拱桥课程设计计算（一）主拱圈截面几何要素的计算1主拱圈横截面设计拱圈截面高度按经验公式估算D= l0/100 + =80/100+0.6=1.4m拱圈由六个各为1

8、.5m宽的拱箱组成，全宽B0=9.0 m构造图如附图所示：2箱形拱圈截面几何性质截面积： A= (1.5*1.4-1*1.1+0.1*0.1*2) *6=6.12 m2绕箱底边缘的静面矩：s= 1.5*1.4*0.7-0.9*1*0.7-(0.1*0.1+0.8*0.2) *0.7 *6=4.326m3主拱圈截面重心轴： y下 =S/A=0.693m y上=1.4-0.707=0.707m主拱圈截面绕重心轴的惯性矩：6*（1.5*1.43/12+1.5*1.4*(0.7-1.4/2)2-1.1*0.9733/12-1.1*0.973*02）=1.551m4拱圈截面绕重心轴的回转半径： r=(I

9、X/A)1/2=(1.551/6.12)1/2=0.503m（二）确定拱轴系数1上部结构构造布置上部结构构造布置如图所示：（1） 主拱圈假定m=2.514，相应的y1/4/f=0.215，f0/l0=1/5，查拱桥(上册)(III)-20(7)得：sinj =0.69198，cosj=0.72191，j=43.7876主拱圈的计算跨径和计算矢高：l=l0+2y下sinj=80+2*0.7*0.69198=80.97m f =f0+y下(1-cosj) =16.193m拱脚截面的水平投影和竖向投影 x=Hsinj=0.97 m y=Hcosj=1.01 m 将拱轴沿跨径24等分，每等分长l=l/

10、24=3.37375 m，每等分点拱轴线的纵坐标y1=表(III)-1值*f，相应的拱背曲面坐标y1=y12y上/cos，拱腹曲面坐标y1=y1+y下/cos。主拱圈几何性质表截面号xy1/fy1cosy上/cosy下/cosy1-y上/cosy1+y下/cos040.485116.1930.721910.9793464560.95995345715.2136535417.15295346138.7981250.90364914.632788260.746230.9474290770.92866810513.6853591815.56145636237.111250.81401813.1813

11、93470.769690.9185516250.90036248412.2628418514.08175596335.4243750.73072411.832613730.792180.8924739330.87480118210.940139812.70741491433.73750.65340810.580635740.81360.8689773840.8517699129.7116583611.43240566532.0506250.5817389.4200834340.833870.8478539820.8310647948.57222945210.25114823630.363750

12、.5154058.3459531650.852910.828926850.8125124577.5170263159.158465622728.6768750.4541257.3536461250.870680.8120090040.7959296186.5416371218.149575743826.990.3976356.4389035550.887180.7969070540.7811267165.6419965017.220030271925.3031250.3456915.5977743630.902380.7834836760.7679691484.8142906876.36574

13、35111023.616250.2980714.8266637030.91630.771581360.7563025214.0550823435.5829662241121.9293750.254574.122252010.928970.7610579460.7459874923.3611940644.8682395021220.24250.2153.4814950.940420.7517917530.7369047872.7297032474.2183997871318.5556250.1791922.9016560560.95070.7436625640.7289365732.157993

14、4923.6305926291416.868750.1469922.3802414560.959850.7365734230.7219878111.6436680333.1022292671515.1818750.1182621.9150165660.967920.7304322670.7159682621.1845842992.6309848281613.4950.0928771.5039572610.974980.725143080.7107838110.7788141812.2147410721711.8081250.070731.145330890.981070.7206417480.

15、7063716150.4246891421.8517025051810.121250.0517240.8375667320.986240.7168640490.7026687220.1207026831.540235454198.4343750.0357790.5793693470.990530.7137593010.699625453-0.1343899541.2789948206.74750.0228250.3696052250.993680.7114966590.697407616-0.3418914341.067012841215.0606250.0128070.2073837510.

16、996640.7093835290.69533633-0.5019997780.902720081223.373750.0056820.0920086260.998510.7080550020.694034111-0.6160463760.786042737231.6868750.0014190.0229778670.999630.7072616870.693256505-0.684283820.7162343722400010.7070.693-0.7070.693（2） 拱上腹孔布置从主拱两端起拱线起向外延伸 后向跨中对称布置3 对圆弧小拱，腹拱圈厚d=0.5m，净跨径l0=8m，净矢高f

17、0=0.8m，座落在宽为 0.6m的钢筋混凝土排架式腹拱墩支承的宽为 0.7m的钢筋混凝土盖梁上。腹拱拱顶的拱背和主拱拱顶的拱背在同一标高。腹拱墩墩中线的横坐标lx，以及各墩中线自主拱拱背到腹拱起拱线的高度 h=y1+y上*(1-1/cos) - (d+f0)，分别计算如表：1.573腹拱墩高计算表项目lx=2lx/lky1=f(chk-1)/(m-1)tg=2kfshk/l(m-1)1/cos=(tg2+1)1/2h1号立墙31.116 0.769 1.209 8.816 0.634 1.184 7.386 2号立墙22.616 0.559 0.879 4.402 0.414 1.082 3

18、.044 3号腹拱座14.116 0.349 0.548 1.649 0.240 1.028 0.329 空、实腹段分界线13.666 0.338 0.531 1.544 0.231 1.026 0.225 由f0/l0=1/10，查拱桥(上册)表3-2得 sin0=0.43219，cos0=0.90178，腹拱拱脚的水平投影和竖向投影x=d*sin0=0.5*0.43219=0.216095 m； y=d*cos0=0.5*0.90178=0.45089 m（三）结构恒载计算(1)主拱圈恒载P012=表（）19（7）值Ar2l=0.51408*6.12*25*80.97=6368.6338k

19、NmM1/4=表（）19（7）值 Ar2l2/4=0.12530*6.12*25*80.972/4=31421.7804 kNmMj=表（）19（7）值 Ar2l2/4=0.50610*6.12*25*80.972/4=126915.9063kNm(2)横隔板横隔板的设置受箱肋接头位置的控制，必须先确定接头位置后再按箱肋轴线等弧长布置横隔板。 箱肋有关几何要素 a.箱肋截面积A=2*0.2*1.4+1.1*0.1+2*0.1*0.1/2=0.79m2 b.箱肋截面静矩J=2*0.2*1.4*1.4/2+1.1*0.2*0.2/2+2*0.1*0.1*(0.1/3+0.2)/2=0.4163 m

20、3 c.截面重心距箱底的距离 y下=J/A=0.527md.箱肋计算跨径 l=l0+2 y下sinj=80+2*0.527*0.69198=80.7293m e.箱肋轴线弧长 S=2*0.52764l=85.1920m 确定箱肋接头、设置横隔板 a.确定接头位置箱肋分三段吊装合拢，接头宜选在箱肋自重作用下弯矩值最小的反弯点附近，即=0.350.37之间，此处相应的弧长为(图6) ：Sx=*l/2=(0.35176-0.37200) * 80.7293/2=14.1987-15.0156m 式中 值根据值从拱桥(例集)的附表1-1内插算得。 b.布置横隔板横隔板沿箱肋中轴线均匀设置，取板间间距l

21、=2.56m，中段箱肋设11道横隔板，端横隔板到接头中线的距离为0.3m，则中段箱肋弧长之半为：SII/2=(2.56*10+2*0.3)/2=13.1m则接头位置刚好在=0.37处。端段箱肋弧长 SI=(S2SII)=( 85.1920226.2)/2=29.496m 端段箱肋设12道横隔板，则端横隔板距起拱面的长度为：S=SI22.56*1120.3=1.036m 横隔板与接头加强部分的重力 横隔板厚均为0.06m。靠拱脚的一块为实心板，其余均为空心板。接头处两相邻横隔板之间以及拱脚截面至第一块横隔板之间的箱底板和两侧板均加厚0.10m，加强后的断面尺寸如图7所示。 a.横隔板重力 空心板

22、 P=(1.1*1.02-0.68*0.62+4*0.12/2)*0.06 +4*0.12*1.02/2*25*7=11.1342kN 实心板 P=(1.1*1.02*0.06 +4*0.12*1.02/2)*7*25=15.351kN b.中接头加强部分 P=2*0.1*0.54*1.02+0.1*0.54*(1.1-2*0.1) -4*0.12*1.02/2*7*25=24.213kN c.拱脚加强段 P=0.1*2*1.02*0.6775+0.1*0.6775*(1.1-2*0.1) -2*0.12*1.1/2*7*25=32.9324kN d.各集中力作用线的横坐标 各集中力作用线的横

23、坐标lx，可以根据值从拱桥(例集)书后附表1查得值，再由l=l*/2求得。lx的值和各集中力分别对l/4和拱脚截面的力臂见表横隔板的横坐标与力臂计算表集中力编号Sx2Sx/l肋lx=l肋/2力臂l/4-lxl/2-lx1号2.560.06340.07272.934817.247637.42992号5.120.12680.14535.866014.316334.49863号7.680.19030.21788.789611.392731.57504号10.240.25370.289911.70278.479628.66195号12.80.31710.361714.59915.583225.7656

24、6号15.360.38050.378415.27594.906425.08887号17.920.44400.449618.14712.035322.217663.96118号20.480.50740.520120.992019.37269号23.040.57080.589823.806216.558410号25.60.63420.658626.582413.782211号28.160.69760.726229.313811.050912号30.720.76110.792731.99898.365813号33.280.82450.857734.62255.742214号35.840.88790.

25、921337.18883.1759283.285415号38.40.95130.983139.68310.68160号00.00000.00000.000020.182340.3647中接头14.080.34880.370114.93785.244525.4269拱脚加强段41.7024791.03310.991640.02390.34083)拱上空腹段恒载腹孔上部(见图8)腹拱圈外弧跨径 l外=l9+2d9sin0 =8+2*0.5*0.43219=8.43219m腹拱圈内弧半径 R0= l90/(2sin0)=8/(2*0.43219)=9.2552m腹拱圈重力 Pa=20Rd3B0=2*

26、253624*/180*(9.2552+0.5/2)*0.5*23*9 =879.3505kN腹拱上面的护拱重力 Pb=(2sin0-sin0cos0-0)R22B0=(2*0.43219-0.43219*0.90178-253624*/180)*(9.2552+0.5/2)2*22*9=495.8681kN 填料及桥面系重力 Pc=l外hd1B0=8.43219*0.5*22*9=834.7868kN腹拱墩起拱线以上部分重力(见图9) Pd=(0.6-x)y4+(f0+d-y) 2+hd1(0.6-2x)B0=(0.6-0.216095)*0.45089*23+ (0.8+0.5-0.450

27、89)*22+0.5*22*(0.6-2*0. 216095)*9=80.6576kN一个腹拱总重力： P=Pi=879.3505+495.8681+834.7868+80.6576=2290.663kN腹孔下部1号横墙:P=7.3861-（0.5*1+3.14*0.5/2）/9*0.6*25=109.304 kN2号横墙:P=3.0438-（0.5*1+3.14*0.5/2）/9*0.6*25=44.1695 kN3号横墙:P=(0.3294+0.45089/2)*( 14.1162-13.6662)*2*25=12.4840125 kN腹孔集中力P13=2290.663+109.304=2

28、399.967 kNP14=2290.663+44.1695=2334.8325 kNP15=（2290.663-80.6576）/2+12.4840125=1117.4867 kN（4）拱上实腹段(见图11)拱顶填料及桥面系重 P16=l*hd1B0=13.6662*0.5*22*9=1352.9538kN悬链线曲边三角形 P17=lf1(shk-k)2B0/2(m-1)k=80.97*15.92065/2*(2.514-1)*1.572999 *(sh0.53098512-0.53098512)*22*9=1356.0686kN式中 f1=f+y上(1-1/cosj)=16.193+0.7

29、07*(1-1/0.72191)=15.92065m其重心距原点(拱顶)的水平距离lx=(shk-k/2)-(chk-1)/ k lx/(shk-k)=0.7509lx=10.2625m（5）腹拱推力 靠近主拱拱顶一侧的腹拱，一般多做成两平铰拱，在较大的恒载作用下和考虑到周围的填料等构造的作用，可以折中地按无铰圆弧拱计算其推力，而不计弯矩的影响。 腹拱拱脚的水平推力 F=(C1g1+C2g2+C3g3)RB0式中 g1=1hd=22*0.5=11kN/m2 g2=2(R+d/2)- (R+d/2)2-l2/4 =22*(9.2552+0.5/2)- (9.25525+0.5/2)2-8.597

30、2/4 =22.6046kN/m2 g3=3d=23*0.5=11.5kN/m2由f0/l0=1/10和b=I/AR2=0.0003查拱桥(上册)表(I)-4得 C1=0.6103，C2=0.08473，C3=0.6170 F=(0.6103*11+0.08473*22.6046+0.6170*11.5) *9.2552*9 =1309.7662kN 腹拱拱脚推力作用线的纵坐标见图12所示，其距x轴的偏心距为： e=d+ f0-y/2-y上=0.895345m 腹拱推力对各截面重心产生的力矩 Mi=Fx(yi-e) （6）验算拱轴系数恒载对l/4截面和拱脚截面的力矩见表半拱恒载对拱脚和1/4截

31、面产生的弯矩表集中力编号恒重l/4拱脚截面力臂力矩（kN*m）力臂力矩（kN*m）p1195.410118.37253590.172062p2171.443124.68254231.644316p3200.82688.47961702.93093328.66255756.198155p0-126368.63389976.186331745.53761p132399.96718.372544093.39371p142334.832524.682557629.50318p151117.48678.47969475.84022128.662532029.96254p161352.953813.792

32、618660.7505833.876445833.20411p171356.068611.1340215098.4949131.7054642994.77875F1309.76627.637610003.4703324.882732590.51942合计16807.388664917.67328300494.9139由表可知： M/Mj=64917.67328/300494.9139=0.216036该值与m=2.514，y1/4/f=0.215，十分接近，顾可确定2.514为设计的拱轴系数。（7）拱圈弹性中心及弹性压缩系数弹性中心 ys=表(III)-3值*f =0.316474*16.19

33、3=5.12466m2弹性压缩系数 2w =I/A=1.551/6.12=0.253432w/f 2=0.25343/16.1932=0.00096651 m1=表(III)-9值*2w/f 2 =11.6060*0.00096651=0.0112173 m=表(III)-11值*2w/f 2 =10.9881*0.00096651=0.0106201 m1/(1+m)=0.011099（四）主拱圈截面内力验算 结构自重内力计算 在确定m系数时，其实计算值很难与选定的拱轴系数在“五点”重合，对于大跨径拱桥必须用“假载法”计入“五点”存在的偏离的影响。 当用“假载法”计入 “五点的偏离之后，相应

34、三铰拱的恒载压力线在“五点”以外与选定的拱轴线有偏离。对于大跨径无铰拱桥，这种偏离的影响很大，不可忽视。下面分别计算这两种偏离的影响。 1.用假载法计算确定m系数时在“五点”存在的偏差 确定拱轴系数时，恒载压力线在l/4截面与拱脚截面的纵坐标之比值是0.21603，并不等于为使用手册数表进行计算所选用的m=2.514的拱轴线上相应两点的比值0.215，两者之间相差0.00103。这个偏差的影响可比拟为虚设的均布荷载作用在选定的拱轴线上，先单独求出，然后算出所选定的“拱轴线”恒载产生的内力，将两者相加后为“五点”的恒载压力线内力。(1)假载内力 求假载 由式 (M+qxl2/32)/(Mj +

35、qxl2/ 8)=0.215 得： qx=-(M-0.215*Mj)/(0.215/8-1/32)l2=10.8519kN/m假载内力假载qx产生的内力可以将其直接布置在内力影响线上求得。不考虑弹性压缩的假载内力见表不考虑弹性压缩的假载内力表项目影响线面积乘数力或力矩 (qx)表(III)-14(51)值拱顶截面M10.00675-0.004540.00221l26556.140914.48907139157.2339538H10.067770.060390.12816l2/f404.87551.88878563.0918517l/4截面M10.00858-0.01006-0.00148l26

36、556.1409-9.703088532-105.2969464H10.039490.088660.12815l2/f404.87551.88473125563.0479151拱脚截面M10.02046-0.015090.00537l26556.140935.20647663382.0571638H10.091910.036240.12815l2/f404.87551.88473125563.0479151V10.166670.333380.50005l80.9740.4890485439.3831054计入弹性压缩的假载内力计入弹性压缩的假载内力计算见表:项目拱顶截面l/4截面拱脚截面cos

37、10.940420.72191sin00.340010.69198H1563.0918517563.0479151563.0479151V100439.3831054m1H1/(1+m)6.2497564626.249268816.24926881N=1-m1/(1+m)*H1cos +V1sin556.841857523.624359706.0026601M1157.2339538-105.2969464382.0571638y=ys-y15.124661.07641-11.06834M=M1+m1H1y/(1+m)189.2630514-98.56991458312.8854956 (2)

38、“拱轴线恒载”内力 推力 Hg=(Mj+qxl2/8)/f=(300494.9139 +10.8519*80.972/8)/16.193=19106.29513 kN考虑弹性压缩的内力考虑弹性压缩的内力表项 目拱顶截面l/4截面拱脚截面 cos10.940420.72191Hg=Hg-F19106.2951317796.5289317796.528931-1/(1+)Hg18693.447817411.9829317411.98293 N=Hg/cos18693.447818515.1133824119.32641N=1Hgcos/(1+)207.4864848205.5070756267.7

39、106067N=N-N18485.9613218309.6063123851.6158y=ys-y15.124661.07641-11.06834V=1Hgy/(1+)1086.780763212.624562-2186.342514 (3)考虑确定m系数偏差影响的恒载内力考虑m系数偏差影响的恒载内力等于“拱轴线m的恒载”内力减去“假载”的内力，计算结果见下表空腹无铰拱的实际恒载内力计算表 截面 项目拱 顶 截 面l/4截面拱 脚 截 面恒载内力附加内力合计恒载内力附加内力合计恒载内力附加内力合计水平力Hg18549.45 -228.03 18321.42 17239.69 -228.03 1

40、7011.65 17241.27 -228.03 17013.24 轴力Ng17929.12 -228.03 17701.09 17785.98 -214.45 17571.53 23145.61 -164.62 22980.99 弯矩Mg897.52 -931.30 -33.78 311.19 5551.99 5863.19 -2499.23 -10838.54 -13337.77 2.“恒载压力线”偏离拱轴线的影响“恒载压力线”(指空腹式无铰拱桥不考虑拱轴线的偏离和恒载弹性压缩影响的恒载压力线，也就是人们所说的“三铰拱恒载压力线”)与拱轴线在“五点”以外的偏离影响可以用一般力学原理进行计算，参见图13。 (1)“恒载压力线”偏离拱轴线的偏离弯矩Mp计算恒载偏离弯矩Mp，首先要计算出桥跨结构沿跨径各等分段的分块